CC BY
8
УДК 544.421.42:536.755
Сафонов И.А., Корнеев А.А., Корнеев А.Е., Бухарин И.И., Макарова Е.А.
ЯВЛЕНИЕ РОСТА КРИСТАЛЛОВ МАГНЕТИТА НА ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ КОРРОЗИОННЫХ ТРЕЩИН В УСЛОВИЯХ ВОДЫ ВЫСОКИХ ПАРАМЕТРОВ
Сафонов Иван Александрович, к.х.н., заведующий лабораторией коррозионных испытаний Отдела физико-химических исследований металлов Института материаловедения АО «НПО «ЦНИИТМАШ», доцент кафедры МЗМ НИТУ «МИСиС»;
Корнеев Антон Алексеевич, заведующий лабораторией рентгеновского анализа и электронной микроскопии Отдела физико-химических исследований металлов Института материаловедения АО «НПО «ЦНИИТМАШ»; Корнеев Алексеевич Евгеньевич, заведующий отделом физико-химических исследований металлов Института материаловедения АО «НПО «ЦНИИТМАШ»
Бухарин Игорь Игоревич, младший научный сотрудник Лаборатории коррозионных испытаний Отдела физико-химических исследований металлов Института материаловедения АО «НПО «ЦНИИТМАШ»; Макарова Екатерина Александровна, младший научный сотрудник Лаборатории коррозионных испытаний Отдела физико-химических исследований металлов Института материаловедения АО «НПО «ЦНИИТМАШ». АО «НПО «ЦНИИТМАШ», Москва, РФ, ул. Шарикоподшипниковская, 4, 115088
В данной работе рассматривается явление роста кристаллов магнетита на внутренней поверхности коррозионных трещин в условиях воды высоких параметров. Предлагается использовать это явление для решения проблемы оценки длительности развития трещин в оборудовании АЭС. Целью исследований является создание методики для определения времени развития дефекта. Проведены испытания имитаторов трещин в условиях, соответствующих работе парогенератора АЭС. На основе результатов испытаний построен график зависимости роста кристаллов магнетита от времени для условий эксплуатации холодного коллектора парогенератора ВВЭР-1000. Результаты исследований позволяют оценивать время зарождения образовавшейся трещины по размеру кристаллов.
Ключевые слова: кристаллы магнетита, коррозионное растрескивание, трещина, сварной шов №111, парогенератор ПГВ-1000.
PHENOMENON OF MAGNETITE CRYSTALS GROWTH ON THE INNER SURFACE OF CORROSION CRACKS IN HIGH PARAMETERS WATER
Safonov I.A, Korneev A.E., Korneev A.A., Bukharin I.I., Makarova E.A. JSC "NPO" CNIITMASH ", Moscow, Russian Federation
In this paper, the phenomenon of the magnetite crystals growth on the inner surface of corrosion cracks under conditions of high-temperature water is considered. It is proposed to use this phenomenon to solve the problem of estimating the duration of crack development in nuclear power plant equipment. The aim of the research is to create a methodology for determining the time of defect development. Tests of cracks simulators under the conditions corresponding to the work of the steam generator of nuclear power plants have been carried out. Based on the test results, a graph of the dependence of the growth of magnetite crystals on time for the operating conditions of the cold collector of the VVER-1000 steam generator is constructed. The results of the investigations make it possible to estimate the time of nucleation of the formed crack according to the size of the crystals.
Keywords: crystals of magnetite, corrosion cracking, crack, welded seam number 111, steam generator PGV-1000.
1. Проблемы, цели, исследуемые материалы В 1998 году в 5-ом блоке Нововоронежской АЭС впервые обозначилась так называемая «проблема 111-го шва» коррозионные трещины на месте приварки коллектора к парогенератору, позже обнаруженные на многих других парогенераторах (рис.1).
Многочисленные исследования реальных трещин в оборудовании АЭС [1,2,3] показали, что в условиях эксплуатации в водяном теплоносителе на внутренней поверхности растущих трещин происходит образование практически идеальных кристаллов магнетита - оксида железа типа FeзO4 (рис. 2).
Рисунок 1 - Примеры дефектов (трещин) в сварном шве 111 (Балаковская АЭС)
Рисунок 2 - Кристаллы магнетита на внутренней поверхности растущих трещин в сварном шве 111
Стандартной процедурой при обнаружении трещины в элементах оборудования АЭС является формирование комиссии, основными задачами которой является определение причин разрушения и обоснование безопасности дальнейшей
эксплуатации блока АЭС после ремонта. При этом длительность развития дефектов по данным металлографии может быть оценена только качественно.
Актуальность этого вопроса была несколько снижена в 2015-2016 гг. в виду реализации компенсирующих и корректирующих мероприятий на оборудовании АЭС: в результате замены конденсаторов, изменения графика продувок парогенераторов и других действий, повреждаемость 111 шва резко снизилась. Однако в 2017-2018 гг. был совершён ряд ключевых мероприятий, увеличивающих риск и тяжесть последствий повреждаемости оборудования: ввод в эксплуатацию блока мощностью 1200 МВт (увеличение на 20%), и перевод АЭС на полуторагодовой топливный режим (соответственно возможность проверки целостности шва уменьшается в 1,5 раза).
Мы предлагаем в качестве индикаторов времени, прошедшего с момента образования трещины, использовать кристаллы магнетита, размер которых должен находятся в зависимости от времени развития трещины. Сложность процессов формирования кристаллов оксидов затрудняет расчёты зависимости их размеров от времени путем компьютерного моделирования, поэтому
эксперимент в лабораторных условиях становится
предпочтительным методом построения кривой зависимости размера кристаллов от времени.
Была поставлена цель: оценить возможность использования размеров кристаллов магнетита для определения времени зарождения и развития трещины.
В качестве исследуемого материала была выбрана сталь 10ГН2МФА - основной конструкционный материал при изготовлении парогенераторов, компенсаторов давления, коллекторов, сосудов давления атомных энергетических установок (АЭУ) [4].
В ходе выполнения работы обозначились следующие задачи:
1) изготовление образцов модельных трещин;
2) автоклавные испытания имитаторов трещин;
3) исследование поверхности модельных трещин методом электронной микроскопии.
Для имитации трещины формировалась клинообразная щель из двух пластин стали, стянутых болтами, прокладкой слюды. Образцы выдерживались в автоклавах при температуре 280 ° и давлении 65 атм с общей экспозицией 9000 ч [5]. В качестве среды использовался двойной дистиллят.
Измеряя средний размер кристаллов магнетита, образовавшихся на внутренней поверхности клинообразной щели, была получена зависимости среднего размера кристаллов магнетита от времени. Данная зависимость позволяет определять время развития трещин с точностью до 3-4 недель.
Список использованной литературы
1. Овчинников И.И. Исследование поведения оболочечных конструкций, эксплуатирующихся в средах, вызывающих коррозионное растрескивание. // Интернет-журнал «Науковедение» - 2012. - № 4. - С. 1-30.
2. Защита нефтепромыслового оборудования от коррозии: Справочник рабочего / Саакиян Л.С., Ефремов А.П., Соболева А.П., и др. - М.: Недра, 1985.
3. Меры по обеспечению надёжности сварного соединения коллектора I контура с корпусом парогенератора АЭС с ВВЭР-1000 / С.А. Харченко, Н.Б. Трунов, Н.Ф. Коротаев и др. // Теплоэнергетика - 2011. - № 3. - стр. 27-32.
4. Влияние воды высоких параметров на склонность стали 10ГН2МФА к замедленному деформационному коррозионному растрескиванию / Драгунов Ю.Г., Зубченко А.С., Харина И.Л. и др. // Машиностроение и инженерное образование -2007. - № 4. - С. 35-40.
5. Прогнозирование склонности стали 10ГН2МФА к замедленному деформационному коррозионному растрескиванию в высокотемпературной воде / Казанцев А.Г., Зубченко А.С., Харина И.Л. и др. // Вестник МГТУ им. Носова Г.И. - 2009. - № 1. - С. 58-64.
