Защита от коррозии на АЭС

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Белорусский государственный университет

Химический факультет

Кафедра электрохимии

Реферат

Защита от коррозии на АЭС

Выполнил

студент 5 курса 7 группы

Назаров Евгений Артурович

Минск

2019



Содержание

Введение

Глава 1. Общая характеристика коррозии, её особенности

1.1 Основные положения, виды коррозии

1.2 Влияние внутренних и внешних факторов на скорость электрохимической коррозии

Глава 2. Защита от коррозии на АЭС

2.1 Общие проблемы, коррозия на отдельных участках

2.2 Коррозия тракта питательной воды и конденсата

2.3 Виды и причины коррозии металла парогенераторов

2.4 Особенности коррозионно-эррозионных процессов турбин АЭС

2.5 Коррозия конденсаторов турбин

2.6 Коррозия ядерного реактора АЭС

2.7 Коррозия конденсаторов турбин и теплообменных аппаратов АЭС

Заключение

Список использованных источников



Введение

коррозия электрохимический конструкционный

Любой коррозионный процесс приводит к изменениям в свойствах конструкционных материалов. Результатом этого процесса является постепенное разрушение металлов. Экономические потери, связанные с коррозией металлов, определяются не столько стоимостью прокорродировавшего металла, сколько стоимостью ремонтных работ, убытками за счет простоя оборудования, затратами на ликвидацию последствий аварии. Часть этих затрат неизбежна, т.к. нереально полностью исключить все коррозионные разрушения, но можно значительно сократить коррозионные потери за счет лучшего использования на практике накопленных знаний о коррозионных процессах и методах защиты от них теплоэнергетического оборудования.

Причина коррозии - термодинамическая неустойчивость металлов, вследствие чего большинство из них встречаются в природе в оксиденном состоянии. Исключение составляют золото, платина, серебро, иридий, палладий. Таким образом, коррозию можно определить как самопроизвольный процесс, протекающий при взаимодействии металла с окружающей средой и сопровождающийся его разрушением.

Коррозия протекает на границе раздела двух фаз «металл-окружающая среда» и состоит, как минимум, из 3-х основных многократно повторяющихся стадий:

подвода коррозионных агентов к поверхности раздела фаз;

собственно реакции взаимодействия металла с коррозионной средой, итогом которой является переход некоторого количества металла в оксиденную форму с образованием продуктов коррозии, а коррозионного агента - в восстановленную форму;

отвода продуктов коррозии из зоны реакции.

В ядерных энергетических установках (ЯЭУ) разрушения вследствие коррозии, например, оболочек твэлов, теплообменников, каналов может привести к остановке реактора. Кроме того, поступление продуктов коррозии в первый контур, активация их в активной зоне и последующее отложение на элементах конструкций ухудшают обслуживание реактора и затрудняют проведение ремонтных работ. Среди аварий, приводящих к остановке ядерной энергетической установки, значительная часть обусловлена коррозией. В связи с этим защита и контроль коррозии очень важен при эксплуатации АЭС. В связи с обширностью проблем, связанной с коррозией на АЭС стоит рассмотреть как она влияет и как защищают от коррозии на отдельных узлах АЭС.



Глава 1. Общая характеристика коррозии, её особенности

1.1 Основные положения, виды коррозии

Различают общую и местную формы коррозионных разрушений металла. Общая (равномерная) коррозия охватывает всю или почти всю поверхность металла, находящегося под действием агрессивной среды. Равномерная коррозия протекает примерно с одинаковой скоростью по всей поверхности металла. Общая коррозия характеризуется умеренной интенсивностью износа, но большими масштабами воздействия на поверхности пароводяного тракта АЭС. Данный вид коррозии приводит к загрязнению теплоносителя и, как следствие, к активизации образования железосодержащих отложений в парогенераторах и турбинах. Кроме того происходит равномерное утонение стенок трубопроводов и теплообменного оборудования. Все эти факторы приводят к уменьшению ресурса, снижению эффективности работы тепломеханического оборудования, росту затрат по предотвращению отложений и выполнению контрольно-диагностических мероприятий.

Для АЭС продукты коррозии, отложившиеся в активной зоне реактора, активизируются в нейтронном поле. При последующем выносе радиоактивных продуктов коррозии и распространении их по контуру циркуляции они становятся источниками радиоактивного излучения за пределами активной зоны. Их действие не прекращается и после остановки реактора.

В итоге можно заключить, что появление и развитие общей (равномерной) коррозии снижает надежность и долговечность работы трубопроводов и тепломеханического оборудования АЭС.

Местная (локальная) коррозия на поверхности металла протекает с различной скоростью, в результате чего коррозионные разрушения концентрируются на определенных участках. Чем больше степень локализации коррозии, тем она опаснее из-за большой скорости проникновения вглубь металла. В результате это может приводить к образованию свищей и возникновению аварийных ситуаций. Экономические потери от локальной коррозии складываются из затрат на ликвидацию последствий коррозионных разрушений, ущерба от вынужденного простоя оборудования, затрат на контрольно-диагностические мероприятия.

Можно выделить следующие основные типы местной коррозии:

пятнами - коррозия в виде отдельных пятен относительно больших размеров по площади, но небольшой глубины.

язвинами - коррозия островными участками меньших размеров, чем при коррозии пятнами, но значительно большей глубины.

точечная - коррозия в виде точечных поражений.

сквозная - сквозное поражение стенки металла.

межкристаллитная - распространяется по границам зерен металла.

транскристаллитная - трещины распространяются не только по границам кристаллов, но и перерезают их.

На поверхности энергетического оборудования, соприкасающегося с водой и паром, могут иметь место все указанные формы и типы коррозионных разрушений в различных модификациях и сочетаниях.

По механизму протекания процесса окисления металла коррозию подразделяют на химическую и электрохимическую.

Химическая (или газовая) коррозия протекает в результате непосредственного окисления котельного металла при контакте его с перегретым паром или сухим газом при высоких температурах и не сопровождается возникновением электрического тока. В процессе химической коррозии окисление металла и восстановление окислительного компонента среды происходят одновременно. Оксиды образуются непосредственно на поверхности, покрывая металл окисной пленкой. Свойства полученной окисной пленки оказывают решающее влияние на дальнейшее развитие химической коррозии. Когда первичный слой оксидов образует сплошную пленку, она будет тормозить в дальнейшем окисление металла, так как реагирующие вещества должны будут диффундировать через пленку. Если окисная пленка получается пористой, она не сможет препятствовать контакту реагирующих веществ и коррозия будет продолжаться.

Основными факторами, влияющими на скорость химической газовой коррозии, являются:

природа металла;

состав газовой среды (например, продукты сгорания топлива);

механические свойства образующихся продуктов коррозии (оксидных пленок);

температура.

Электрохимическая коррозия наиболее распространена и включает те случаи, когда процессы окисления металла и восстановления окислительного компонента протекают раздельно в среде жидкого электролита, т.е. в среде проводящей электрический ток. Такими средами могут являться природная вода, водные растворы солей, кислот, щелочей, а также воздух и пар, содержащие влагу. При электрохимической коррозии на поверхности металла одновременно протекают два процесса: анодный _ окисление металла и катодный _ восстановление окислителей.

Возникновение гальванических элементов «катод-анод» на углеродистых сталях при их контакте с электролитами, т.е. возникновение условий для протекания электрохимической коррозии может обеспечиваться следующими причинами:

неоднородность структуры металла (макрои микровключения, неоднородность сплава);

наличие на поверхности сталей оксидных пленок, загрязнений, неметаллических включений и т.п.;

неравномерное распределение окислителя на границе «металл-электролит», например, различные влажность и аэрация на различных участках поверхности металла;

неравномерность распределения температур;

контакт разнородных металлов;

наличие внутренних напряжений в металле;

различные концентрации примесей в теплоносителе, контактирующем с металлом.

1.2 Влияние внутренних и внешних факторов на скорость электрохимической коррозии

Допустимой скоростью коррозии следует считать такую, которая не угрожает надежности эксплуатации и не приводит к потере механической прочности оборудования до истечения его нормального срока службы.

Скорость равномерной коррозии выражают весом металла (в граммах), разрушенного за единицу времени (час, год) на единице поверхности (м²), соприкасающейся с агрессивной средой [г/м² год].

Скорость местной коррозии оценивают глубиной проникновения коррозионных разрушений (мм) в глубину металлической стенки за единицу времени [мм/год].

Скорость коррозионного процесса и формы коррозионного поражения металла зависят от внутренних и внешних факторов, которые находятся в сложном взаимодействии.

К внутренним факторам относятся состав и структура металла, состояние его поверхности, наличие внутренних деформаций и напряжений. Для технических металлов характерна электрохимическая неоднородность поверхности. Как известно, на идеально отполированной поверхности очаги коррозии (как и центры кристаллизации отложений) возникают значительно позже, чем на грубо обработанной. Однако наличие в металле шлаковых, графитовых, серных вкраплений, отложений оксидов металлов создает местные токи, которые обусловлены образованием микро- и макрогальванических элементов.

Кроме того, элементы паросилового оборудования подвергаются в процессе эксплуатации сложным механическим и тепловым напряжениям, что также ухудшает коррозионную стойкость металлов.

Даже незначительное растягивающее напряжение вызывает коррозионное растрескивание аустенитных сталей. Остаточное напряжение появляется в металле при сварке, поэтому материал сварного шва корродирует в несколько раз быстрее, чем основной металл.

К внешним факторам, воздействующим на скорость коррозии, относится прежде всего среда, омывающая металл, которая содержит различные примеси (CO₂, O₂, электролиты). Сюда же относятся температура, показатель pH среды и т.д.

Одним из основных способов защиты металла от коррозии является образование на его поверхности прочной тонкой окисной пленки, которая возникает в результате воздействия на металл различных окислителей (пассивация металла). Однако изменение определенных характеристик теплоносителя может привести металл опять в активное состояние.

При этом необходимо знать, что воздействие многих внешних факторов на состояние металла очень неоднозначно. Например кислород. С одной стороны он относится к основному коррозионному агенту, вызывая так называемую кислородную коррозию. На поверхности металла она имеет явно выраженный локальный характер (язвины). Однако при других условиях (идеально чистый теплоноситель и высокая температура) тот же кислород создает на поверхности металла исключительно прочную защитную окисную пленку. При ведении окислительных водных режимов кислород не только не удаляют из пароводяных трактов энергоблоков, но и специально туда дозируют.

Наличие в теплоносителе свободного углекислого газа CO₂ понижает показатель pH воды вследствие ее диссоциации по реакции:

CO₂+H₂O>H₂CO₃>H⁺+HCO₃^-.

Этот процесс усиливается с ростом температуры, что приводит к повышению кислотности воды, т.е. к возрастанию ее коррозионной агрессивности и снижению стойкости защитной окисной пленки.

Кроме того, присутствие в пароводяном тракте свободного углекислого газа может явиться причиной коррозии медных и латунных труб, что сопровождается их обесцинкованием и ведет к обогащению конденсата турбин, а следовательно, питательной воды ионами Cu²⁺ и Zn²⁺. Углекислый газ опасен еще тем, что в его присутствии кислородная коррозия металла протекает практически без замедления процесса.

В растворах солей коррозия носит явно выраженный электрохимический характер. С ростом концентрации солей скорость коррозии возрастает.

Наиболее опасным является хлорид ион Cl^-, депассивирующий металл и увеличивающий скорость коррозии почти всех металлов пароводяного тракта. В сочетании с кислородом хлорид ион Cl^- даже в ничтожных концентрациях оказывает специфическое воздействие на напряженную аустенитную сталь, вызывая так называемое хлоридное растрескивание (межкристаллитная коррозия).

Сульфаты SO₄^2- практически не оказывают влияние на коррозию сталей.

Нитриты и нитраты (NO₃^-, NO₂^-) вызывают коррозионные повреждения котельного металла напоминающие кислородную коррозию (локальная форма).

NaOH при сравнительно невысоких концентрациях даже защищает углеродистые стали от коррозии, повышая величину показателя pH, но при концентрациях порядка 35% и выше может вызвать щелочную коррозию этих сталей, а у аустенитных сталей - коррозионное растрескивание. Со снижением величины показателя pH скорость коррозии резко возрастает. Коррозия носит равномерный характер.

Химические промывки теплоэнергетического оборудования проводят при низких значениях показателя pH (менее 3). Защитная оксидная пленка с поверхности металла при этом полностью удаляется. На завершающей стадии химической очистки ее создают снова, повышая показатель pH раствора до 10-11 (нитритом натрия, аммиачным раствором гиразингидрата и т. п.).

Влияние температуры на ход коррозионных процессов очень велико и также неоднозначно. В зависимости от конкретных условий рост температуры может приводить как к ускорению коррозионных процессов, так и к пассивации металла. При температуре порядка 100°С углеродистые стали в присутствии кислорода подвергаются активной коррозии, но с повышением температуры возрастает пассивирующее действие кислорода и создается защитная оксидная пленка, снижающая скорость коррозии. При температуре ниже 100°С нержавеющие стали аустенитного класса не подвергаются хлоридному растрескиванию даже в технической воде, содержащей до 30 мг/кг хлора. При увеличении температуры коррозионное растрескивание наступает уже при содержании хлоридов ~ 0,5 мг/кг.

Скорость движения среды также оказывает весьма неоднозначное влияние на коррозионные процессы. С увеличением скорости теплоносителя увеличивается скорость доставки коррозионных агентов к поверхности металла и эрозионный износ элементов оборудования. Но, при этом, например, скорость движения деаэрированной воды не будет оказывать влияние на коррозию углеродистой стали (отсутствие коррозионно-активных газов), а вода насыщенная кислородом сначала ускорит процесс коррозии, но затем интенсивность снизится, т.к. будет происходить окисление двухвалентного железа в трехвалентное в порах окисной пленки за счет подвода кислорода и образующийся магнетит Fe₂O₃ создает защитную пленку.

Влияние ионизирующего излучения. При облучении воды происходит ее радиолиз. Присутствие в воде кислорода интенсифицирует процесс радиолиза, продукты которого увеличивают скорость коррозии металлов. Увеличение скорости коррозии наблюдается в начальный период, первые 1000 ч работы, в дальнейшем это влияние становится малозаметным.

При наличии в воде азота и свободного кислорода под влиянием нейтронного потока образуется азотная кислота, вследствие чего скорость коррозии увеличивается. В то же время присутствие в воде азота и свободного водорода приводит под облучением к образованию аммиака и снижению скорости коррозии.

Таким образом, наблюдаемое увеличение скорости коррозии металлов под действием ионизирующего излучения вызывается продуктами радиолиза. Излучение влияет на структуру защитной оксидной пленки, вызывая в ней образование различных дефектов, что способствует развитию коррозии.

Теплоэнергетическое оборудование выполнено из самых различных конструкционных материалов. Оборудование пароводяного тракта энергоблоков АЭС, систем теплоснабжения и технического водоснабжения различаются не только характеристиками и видами конструкционных материалов, но и температурой, давлением, химическим составом примесей пара и воды. Однако вместе с тем каждый из контуров характеризуется достаточно устойчивыми параметрами и качеством рабочей среды. Поэтому при всем разнообразии видов коррозии на отдельных конкретных участках пароводяного тракта электростанций преобладают определенные виды коррозии. Часто решающим фактором при выборе металла для того или иного участка пароводяного тракта АЭС является его коррозионная стойкость в данных условиях рабочей среды.

Меры борьбы с коррозией должны направляться в первую очередь против преобладающего вида коррозии.

В ядерных энергетических установках (ЯЭУ) разрушения вследствие коррозии, например, оболочек твэлов, теплообменников, каналов может привести к останову реактора. Кроме того, поступление продуктов коррозии в первый контур, активация их в активной зоне и последующее отложение на элементах конструкций ухудшают обслуживание реактора и затрудняют проведение ремонтных работ. Среди аварий, приводящих к останову ядерной энергетической установки, значительная часть обусловлена коррозией. В связи с этим при выборе конструкционных материалов ЯЭУ серьезное внимание уделяется обеспечению их высокой коррозионной стойкости.[1]



Глава 2. Защита от коррозии на АЭС

2.1 Общие проблемы, коррозия на отдельных участках

Под каждый узел АЭС, учитывая условия использования подбирают необходимые материалы. Несмотря на чрезвычайно низкие скорости коррозии реакторных материалов, продукты их коррозии, присутствующие в реакторной воде, создают ряд серьезных эксплуатационных проблем. Наиболее важными являются две:

образование отложений на теплопередающих поверхностях контура, ухудшающих теплообмен и создающих угрозу разрушения металла;

активация продуктов коррозии в поле реакторного излучения, приводящая к радиоактивному загрязнению оборудования первого контура и ухудшению условий его обслуживания и ремонта.[2]

По участкам на АЭС можно выделить:

Коррозия тракта питательной воды и конденсата.

коррозия металла парогенераторов.

Коррозия паровых турбин АЭС

Коррозия конденсаторов турбин

Коррозия ядерного реактора АЭС

Коррозия конденсаторов турбин и теплообменных аппаратов АЭС

Стояночная коррозия теплоэнергетического оборудования АЭС

2.2 Коррозия тракта питательной воды и конденсата

Повышенная повреждаемость основного и вспомогательного оборудования АЭС коррозией связана с наличием в рабочих средах кислорода, углекислого газа, щелочей, а также таких активных стимуляторов коррозионных процессов как хлориды и др. Основное оборудование эксплуатируется при высоких температурах и давлениях, наличии больших тепловых и механических напряжений. Совокупность всех этих факторов приводит к появлению и развитию практически всех видов коррозии.

Организация противокоррозионной защиты теплоэнергетического оборудования является сложной задачей. Основными путями ее решения являются:

выбор и ведение рационального водно-химического режима;

консервация основного и вспомогательного оборудования при всех видах остановов;

химическая очистка поверхностей нагрева котлов, теплообменников, проточной части турбин;

правильный выбор конструкционных материалов.

Теплоэнергетическое оборудование выполняется из различных конструкционных материалов (углеродистые, аустенитные, перлитные стали, латуни и т.д.). Внутренние поверхности контуров АЭС изготовляются из коррозионно-стойких реакторных материалов - аустенитных хромоникелевых сталей и циркониевых сплавов. Допускается ограниченное использование углеродистых сталей и сплава на основе кобальта стеллита. На зарубежных АЭС применяют сплавы на основе никеля - инконель и инколлой. Оборудование и отдельные элементы конденсатно-питательного и теплофикационного циклов, системы охлаждения различаются не только конструкционными материалами, но и температурой, давлением, химическим составом примесей пара и воды. Значительная часть коррозионных повреждений оборудования АЭС приходится на долю тракта питательной воды и конденсата, где металл находится в наиболее тяжелых условиях. Это объясняется коррозионной агрессивностью, соприкасающегося с ним теплоносителя. По своей природе (механизму протекания) здесь преобладает коррозия электромеханическая. По форме проявления - все виды, кроме транс- и межкристаллитной.

По условиям протекания коррозионных процессов тракт питательной воды и конденсата можно разделить на два участка: от конденсатора до деаэратора (конденсатный) и после деаэратора. Условия протекания коррозии на этих участках действительно резко отличаются. Характерной особенностью условий протекания коррозии на этом участке тракта является отсутствие возможности истощения агрессивных агентов O₂ и CO₂ в конденсате. Теплоноситель по тракту поступает постоянно, следовательно, также постоянно поступают и новые порции кислорода и углекислого газа. Поток конденсата, движущийся внутри оборудования, непрерывно удаляет с поверхности металла продукты коррозии, приток свежих порций агрессивных газов создает благоприятные условия для интенсивного протекания коррозионных процессов.

На участках тракта, находящихся под разряжением (паровые пространства конденсатора и ПНД, конденсатные насосы), через неплотности в соединениях происходит подсос атмосферного воздуха, содержащего такие коррозионно-активные примеси, как O₂, CO₂ и др. Попадание в конденсат углекислого газа приводит к резкому смещению показателя pH среды в кислую область. В слабокислой среде, содержащей растворенный углекислый газ активно протекает электрохимическая коррозия углеродистых сталей, равномерно по всей поверхности при одновременном наличии в теплоносителе CO₂ и O₂, образующиеся при этом оксиды железа слабо сцеплены с поверхностью корродирующего металла и в значительном количестве поступают в конденсат. Подогрев воды, содержащей кислород и углекислый газ в ПНД до 60-80°C и выше приводит к серьезным коррозионным повреждениям латунных труб. Они становятся хрупкими и приобретает губчатую структуру в результате избирательной электрохимической коррозии.

Основные мероприятия по предотвращению коррозии оборудования конденсатного тракта:

Изготовление труб теплообменных аппаратов из коррозионностойких металлов (красная медь, нержавеющая сталь);

Удаление CO₂ из добавочной обессоленной воды;

Постоянный вывод неконденсирующихся газов из паровых камер ПНД, охладителей, подогревателей сетевой воды;

Тщательное уплотнение сальников конденсатных насосов, арматуры, фланцевых соединений питательных трубопроводов низкопотенциальной части тракта;

Обеспечение достаточной герметичности конденсаторов турбин со стороны охлаждающей воды и воздуха;

Организация оперативного контроля за присосами воздуха и воды.

Первая часть конденсатно-питательного тракта заканчивается деаэратором. В нем завершается объединение всех потоков конденсата - турбинного, регенеративных и сетевых подогревателей, возвратного от производственных потребителей, которые вместе с добавочной водой с ВПУ составляют поток питательной воды парогенераторов. К основным элементам второго (питательного) участка тракта относятся питательный насос, ПВД, экономайзер. Все элементы данного участка тракта выполнены из стали.

При тщательно отлаженной работе деаэратора остаточная концентрация кислорода в питательной воде составляет 510 мкг/кг. В воду перед питательным насосом дозируют корректирующие реагенты - аммиак и гидразин для связывания остаточного кислорода и углекислого газа. В связи с этим конструкционные материалы на данном участке подвержены коррозии в меньшей степени, чем на конденсатном тракте. Тем не менее здесь наблюдается взаимодействие на металл растворенного углекислого газа. Коррозия носит сравнительно равномерный характер. При недостаточно глубокой деаэрации воды, за счет появления кислорода, на входных участках экономайзера, а также в застойных участках питательного тракта может наблюдаться язвенная коррозия.

К основным мероприятиям по предотвращению коррозии питательного тракта можно отнести:

Эффективную работу деаэратора (для блоков с прямоточными котлами, реализующими нейтрально- окслительный ВХР, деаэратор используется в качестве подогревателя смешивающего типа);

Максимальный вывод неконденсирующихся газов из паровых камер ПВД;

Применение коррозионно-стойких металлов для изготовления элементов питательных насосов, соприкасающихся с водой;

Противокоррозионная защита питательных и дренажных баков;

Автоматизированный ввод корректирующих реагентов;

Надежная консервация оборудования тракта питательной воды во время простоя в резерве и т.д.

Коррозия конденсатно-питательного тракта опасна не только тем, что повреждаются поверхности оборудования, но и тем, что питательная вода обогащается продуктами коррозии. С увеличением их выноса в парогенератор усиливаются процессы подшламовой коррозии. Со временем этот процесс может привести к серьезным повреждениям поверхностей нагрева, требующим аварийного останова парогенератора.

2.3 Виды и причины коррозии металла парогенераторов

Металл элементов парогенератора в условиях эксплуатации подвергается коррозионному разрушению под действием контактирующей с ним среды - воды, пара, топочных газов. По характеру коррозионных процессов котельный металл может подвергаться химической и электрохимической коррозии, а также их совместному воздействию.

Коррозионные процессы, даже если они протекают с небольшими скоростями, загрязняют воду как растворенными, так и твердыми частицами, которые активируются в реакторе. Продукты коррозии, как правило, содержат элементы, нейтронное облучение которых приводит к возникновению долгоживущих радиоактивных нуклидов.[3]

Внутрикотловая поверхность подвержена в основном электрохимической коррозии. Существенное влияние на протекание коррозионных процессов оказывают механические напряжения и тепловые нагрузки. Совокупность приведенных факторов определяет многообразие видов коррозионных процессов, приводящих к разрушению металла. Интенсивность развития коррозионных процессов во многом определяется прочностью защитной оксидной пленки на поверхности металла.

Защитные свойства пленки определяются не только способностью оказывать сопротивление коррозионному агенту, но и ее сохранностью. Для этого пленка должна быть прочной, пластичной, иметь минимальную разницу коэффициента линейного расширения по сравнению с основным металлом. Повреждения защитной оксидной пленки могут происходить под воздействием термомеханических, механических или химических процессов, протекающих в теплоэнергетическом оборудовании.

Влияние термомеханических факторов связано с наличием высоких тепловых напряжений на поверхностях нагрева и с колебаниями температуры металла в процессе эксплуатации. Механическое разрушение пленки может происходить при нарушениях гидродинамики потока воды и пара. Защитная пленка может разрушаться под действием концентрированных растворов солей, а главное, едкого натра, в локальных зонах упаривания котловой воды.

Разрушение защитной пленки способствует развитию таких опасных видов коррозии как щелочная, пароводяная, подшламовая и межкристаллитная.

2.4 Особенности коррозионно-эррозионных процессов турбин АЭС

Состояние теплоносителя в проточной части турбин АЭС принципиально отлично. Турбины АЭС работают в большей своей части на влажном паре. Связанная с этим постоянная «самопромывка» поверхностей проточной части от отложений не требует специальных периодических промывок. В то же время работа турбин на насыщенном паре имеет свои проблемы - высокий эрозионный износ конструкционных материалов. Для турбин АЭС опасность эрозионных повреждений характерна также и для последних ступеней ЦВД и для паровпускных устройств. Проблемы, связанные с эрозией решить химическим путем невозможно. Здесь требуются решения технические, в частности, изготовление последних ступеней ЦВД и ЦНД из эрозионно-стойких материалов.

Вместе с тем в составе турбинных установок АЭС имеется элемент, надежность работы которого напрямую связана с водно-химическим режимом. Таким элементом является промежуточный пароперегреватель, устанавливаемый между ЦНД и ЦВД турбины после межцилиндрового сепаратора. Он применяется для всех турбин АЭС, работающих на насыщенном паре.

Пар в промежуточный пароперегреватель для турбин поступает с влажностью порядка 1 % и после досушки перегревается до 265°С. Но так как давление перегреваемого пара низкое (около 0,33 МПа), то в зоне досушки во влаге наблюдается концентрирование примесей. Возможно достижение концентрации хлоридов, при которой для аустенитных сталей может возникать коррозия под напряжением, со всеми вытекающими отсюда последствиями. В качестве меры по предотвращению коррозионных разрушений металла целесообразно применение сталей, не склонных к коррозии под напряжением.

В промежуточном пароперегревателе происходит не только концентрирование примесей, но и связанное с ним образование твердых отложений, что, прежде всего, относится к кремниевой кислоте и к продуктам коррозии. Учитывая конструктивные особенности промежуточного пароперегревателя, удаление этих отложений сложно и, следовательно, требует применения эффективных мер по их предотвращению.

2.5 Коррозия конденсаторов турбин

Корпус и трубные доски конденсаторов выполняются из углеродистой стали, а трубки, как правило, из медных сплавов. Высокая коррозионная стойкость медных сплавов, сочетаемая со значительной теплопроводностью, делает их наиболее распространенным материалом для изготовления не только конденсаторных трубок, но и трубок подогревателей низкого давления, сетевых подогревателей и других теплообменников. В конденсаторах мощных турбин количество конденсаторных трубок составляет около 20 тысяч, суммарная площадь поверхности одного конденсатора 5 тысяч м², Поверхности конденсаторов турбин подвергаются коррозии как с паровой, так и с водяной стороны. Коррозионные повреждения проявляются в конденсаторных латунных трубках в виде общего и пробочного обесцинкования, коррозионной усталости. Наблюдаются также эрозионный износ и механические повреждения.

Обесцинкование латуни - основная форма разрушения трубок. Оно представляет собой компонентно-избирательную коррозию цинка, которая сопровождается осаждением меди в виде рыхлых образований. Обесцинкование может носить менее опасный сплошной характер (общее обесцинкование) или принадлежать к пробочному типу - углубляющиеся вглубь металла язвы, заполненные рыхлой медью. Данная форма коррозии за короткий срок может привести к сквозному повреждению стенок латунных трубок.

Скорость обесцинкования латуней зависит от качества металла и агрессивности охлаждающей воды. Опыт эксплуатации показал, что при общем солесодержании охлаждающей воды не более 200 мг/кг, концентрации хлоридов менее 5 мг/кг и отсутствии аммиака, нитритов и сероводорода, скорость коррозии латунных труб составляет 0,02 - 0,06 мм в год, то есть срок их службы составит 1020 лет. Однако, в связи с катастрофическим загрязнением вод поверхностных источников бытовыми и промышленными сточными водами скорость разрушения латуней достигает 0,2 мм/год и выше. Дополнительное введение в латунь небольших количеств мышьяка, олова, алюминия, никеля позволяет повысить коррозионную стойкость медных сплавов.

Коррозионное растрескивание как вид разрушения латуни связан с наличием в сплаве растягивающих напряжений, которые появляются за счет внутренних напряжений или приложенных извне нагрузок. Растрескивание может протекать как межкристаллитно, так и транскристаллитно. Данный вид повреждений наблюдается преимущественно со стороны пара при наличии в нем аммиака и в латунях с высоким содержанием цинка.

Латунь может подвергаться также «ударной» коррозии, связанной с явлением кавитации. Кавитация в условиях работы конденсаторов турбин представляет собой разрывы потока охлаждающей воды при завихрении ее в местах пониженных давлений.

При конструировании и эксплуатации конденсаторов необходимо учитывать возможность появления трещин коррозионной усталости. Данный вид коррозионного повреждения трубок связан с одновременным воздействием на них знакопеременных напряжений и коррозионной среды.

Условия для протекания такой коррозии появляются чаще всего при возникновении резонансных колебаний вблизи турбин и конденсатных насосов.

Основное количество повреждений трубной системы конденсаторов вызвано совместным воздействием на металл эрозионно-коррозионных процессов. Износ наружной поверхности трубок обусловлен капельно-ударной эрозией, а эрозия внутренней поверхности - низким качеством циркуляционной воды, несущей взвеси, состоящие из различных абразивных частиц.

Значительная интенсивность коррозии - эрозии конденсаторных латунных трубок приводит к обогащению конденсата, а следовательно, питательной воды оксидами меди. Кроме того, присос охлаждающей воды, вызванный повреждением целостности трубной системы конденсаторов, способствует загрязнению конденсата самыми различными примесями. При значительных коррозионных разрушениях возможен срыв вакуума, который требует останова блока. Кардинальной мерой борьбы с эрозионно-коррозионными разрушениями конденсаторных трубок является правильный выбор конструкционного материала для их изготовления.

Для защиты стальных трубных досок от непосредственного воздействия охлаждающей воды, которая является коррозионно-активной по отношению к углеродистой стали, применяют различные покрытия. В качестве покрытий используют эпоксидные смолы, наирит, неопрен, которые одновременно служат средством уплотнения вальцовочных соединений труб с трубными досками. [1]

2.6 Коррозия ядерного реактора АЭС

Требования, предъявляемые к конструкционным материалам АЭС, диктуются назначением и условиями эксплуатации их оборудования и конструкций, определяемых назначением и типом реактора.

Наиболее высоким требованиям должны отвечать конструкционные материалы активной зоны реактора, поскольку конструкционные стали и сплавы, из которых изготавливают элементы кассет и корпус реактора, подвергаются коррозии, при смыве и разносе водой 1-го контура продуктов коррозии все образующиеся радиоактивные элементы могут оказаться в воде и в отложениях в любых местах трубопроводов и оборудования 1-го контура реакторной установки.[4]

В ядерных энергетических установках разрушение вследствие коррозии, например, оболочек твэлов, теплообменников, каналов может привести к остановке реактора. Кроме того, поступление продуктов коррозии в первый контур, активация их в активной зоне и последующее отложение на элементах конструкции ухудшают обслуживание реактора и затрудняют проведение ремонтных работ. Среди аварий, приводящих к остановке ядерной энергетической установки, значительная часть обусловлена коррозией. Поэтому при выборе конструкционных материалов ЯЭУ особое внимание должно уделяться обеспечению их высокой коррозионной стойкости.

В настоящее время основными конструкционными материалами для оборудования АЭС являются сплавы циркония, нержавеющие стали аустенитного класса, низколегированные стали, стали перлитного класса, сплавы алюминия.

Для ядерных энергетических установок, наиболее характерны межкристаллитная коррозия аустенитных нержавеющих сталей и коррозия циркониевых сплавов. Межкристаллитная коррозия является наиболее опасным видом коррозионного повреждения. Коррозия развивается по границам зерен кристаллов в виде трещин, интенсивное развитие которых может вызвать разрушение металлоконструкций. Очень часто под действием межкристаллитной коррозии разрушаются сварные соединения.

Развитие межкристаллитной коррозии протекает с некоторым ускорением: в начальный период разрушение металла происходит медленнее, затем скорость разрушения возрастает и может принять катастрофический характер. Так как межкристаллитная коррозия протекает в напряженных участках металла, ее принято называть коррозией под напряжением. Коррозия сплавов циркония проявляется в виде образования на его поверхности пленок двуокиси циркония черного, серого и белого цветов с различными защитными свойствами. При коррозии под напряжением в качестве критерия принимается время до разрушения металла, а в случае сплавов циркония _ увеличение массы металла за счет кислорода, входящего в состав оксидной пленки.

По коррозионной стойкости материалы делятся на совершенно стойкие, весьма стойкие, стойкие, пониженно-стойкие, малостойкие и нестойкие. Реакторные материалы должны соответствовать третьей группе - стойкие, скорость коррозии 0,01--0,05 мм/год или 0,25_1,2 г/(м²·сут).

На протекание коррозии оказывают влияние наличие и концентрация агрессивных агентов (кислорода, углекислого газа, хлорид иона и т. д.), солевой состав воды, значение рН, температура и скорость движения воды, наличие механических и термических деформаций, ионизирующее излучение и т.д. Контур многократной принудительной циркуляции (МПЦ) реактора (для двухконтурной АЭС _ первый контур) изготовляется в основном (до 65% поверхности контура) из нержавеющей стали аустенитного класса типа Х18Н10Т. Оболочки твэлов и технологические каналы изготовляются из сплава циркония с ниобием. На двухконтурных АЭС изготовляются корпуса реакторов из стали перлитного класса типа 12Х2МФА. Углеродистая сталь в первом контуре двухконтурной АЭС в условиях борного регулирования реактивности реактора не применяется.

Температура теплоносителя в контуре МПЦ равна для корпусных реакторов 280_320°С.

К коррозионным агентам относятся хлориды и борная кислота (корпусной реактор). Скорость коррозии нержавеющей стали не менее, чем в 10 раз ниже скорости коррозии углеродистой стали при одинаковых условиях. На скорость коррозии практически не влияют содержание в воде кислорода, углекислого газа, снижение значения рН вплоть до трех и повышение солесодержания за счет сульфатов, нитратов, фосфатов и карбонатов; не оказывает заметного влияния и скорость движения теплоносителя.

Увеличение температуры мало влияет на скорость коррозии нержавеющей стали, которая даже в кислородсодержащих средах мала и составляет 50-100 мг/(м²·сут). При температуре выше 200°С скорость коррозии несколько возрастает, но сталь остается стойкой.

Заметно увеличивают скорость коррозии нержавеющих аустенитных сталей в условиях работы контура МПЦ хлориды и фториды. Помимо общей коррозии для стали характерна коррозия под напряжением при совместном воздействии кислорода и хлоридов (фторидов). Это крайне опасный вид разрушения, проявляющийся в виде трещин в металле, что при малой общей коррозии может вызвать за короткое время разрушение металлоконструкций. Так как в условиях работы ядерного реактора наличие кислорода обусловлено радиолизом воды и содержание его может быть достаточно велико, единственной возможностью предупредить коррозионное растрескивание является снижение содержания хлорид иона. Расчетным путем установлено, что при содержании хлоридов 500 мкг/л разрушение аустенитной стали в условиях работы контура МПЦ может наступить через 1000 ч работы.

Накапливающиеся на поверхности контура МПЦ оксиды трехвалентного железа, так же как и кислород, играют роль деполяризатора и могут способствовать коррозионному растрескиванию. Такое растрескивание при перечисленных выше условиях может происходить в щелях, микротрещинах, под слоем отложений и т. д. В указанных местах происходит концентрирование хлоридов за счет упаривания воды. При температурах, близких к 300°С, коэффициент распределения хлоридов между кипящей водой и паром составляет около 10⁴. Это означает, что практически все хлорид ионы остаются в воде, в щели или под отложениями, и концентрация их в пристенном слое воды может достичь опасных значений, несмотря на низкую концентрацию в контурной воде.

С точки зрения накопления на поверхности нержавеющей стали значительной концентрации хлоридов особенно опасно попеременное увлажнение и высыхание поверхности, что происходит, например, в сепараторах и парогенераторах. При температуре 300°С и концентрации кислорода в паре 30_40 мг/кг поверхностная концентрация хлоридов, равная 10 мкг/см², приводит к коррозионному растрескиванию.

Даже обессоленная вода, просочившаяся через тепловую изоляцию, вымывает из нее хлориды. Попадая на горячую поверхность и испаряясь, вода оставляет пленку соли. Образующаяся пленка солей гигроскопична. Коррозионное растрескивание в этих условиях наиболее интенсивно протекает при температуре 70_110°С.

Для защиты наружной поверхности нержавеющих трубопроводов на них наносится комбинированное покрытие: металлизация алюминием толщиной 0,1_0,2 мм и термостойкие эмали.

Цирконий и его сплавы легко пассивируются. В процессе коррозии при высоких температурах на поверхности сплавов циркония образуется защитная пленка двуокиси циркония, прочно сцепленная с металлом. При температуре 320_330 °С или в присутствии активаторов (кислорода, аммиака, карбонатов, гидратов) защитная пленка, изменяя свой состав и структуру, сереет, а затем белеет, становится рыхлой, осыпается, защитные свойства ее снижаются. Таким образом, цвет оксидной пленки свидетельствует о степени ее стойкости.

С увеличением концентрации кислорода в воде скорость коррозии сплавов циркония пропорционально возрастает. Так, при повышении содержания кислорода с 0,1 до 10 мг/л скорость коррозии увеличивается с 10 до 100 мг/(м²·сут). Добавление в воду аммиака до рН=10 (первый контур ВВЭР) на скорость коррозии до температуры 300 °С не влияет. В то же время повышение рН до 11-13 за счет нелетучих щелочей (LiOH, NaOH, KOH) приводит к интенсивной коррозии сплавов циркония. При совместном воздействии на цирконий аммиака и кислорода при температуре 280-300 °С увеличивается его коррозия с образованием рыхлой пленки. Объясняется это явление образованием азотной кислоты и взаимодействием с ней оксидной пленки:

NH₄OH + 1O₂ = HNO₃ + H₂O + 2H⁺ +2е^-.

На скорость коррозии циркониевых сплавов не влияет подкисление воды до рН = 3, в частности при добавлении борной кислоты в воду первого контура реактора ВВЭР. Содержание хлоридов в воде до 100 мкг/л не сказывается на стойкости сплавов циркония. Однако с ростом содержания хлоридов до 500 мкг/л защитные свойства оксидной пленки снижаются.

Углекислый газ в количестве более 1 мг/л при температуре до 350 °С усиливает коррозию циркониевых сплавов с образованием на их поверхности рыхлой осыпающейся пленки. Это объясняется образованием в результате гидролиза карбоната циркония, менее прочно связанного с металлом.

Нейтронное облучение при температуре 280-300°С в малой степени влияет на коррозионную стойкость циркониевых сплавов. При температуре же выше 350 °С облучение увеличивает скорость коррозии циркония. При совместном воздействии облучения и теплового потока скорость коррозии может достичь опасных значений.

Повышение температуры среды выше 350°С приводит к коррозии циркониевых сплавов с образованием рыхлой осыпающейся пленки. Максимальная температура применения циркония 320?330°С ограничена коррозионной стойкостью. Любое ухудшение теплосъема или временное повышение содержания агрессивных примесей в воде контура может привести к образованию рыхлой пленки. Последующее улучшение теплосъема и снижение содержания примесей до норм уже не может восстановить прежние защитные свойства пленки.

Переход продуктов коррозии циркония в воду в условиях работы первого контура ВВЭР составляет около 3 мг/(м²·сут) при скорости коррозии около 200 мг/(м²·сут).

Скорость коррозии низколегированной перлитной стали в условиях аммиачно- борно- калиевого режима составляет 0,3-0,4 г/(м²·сут). Коррозия происходит равномерно, в воду переходит до 80 % образующихся продуктов коррозии.

Защита от коррозии материалов контуров многократной принудительной циркуляции заключается в очистке воды от коррозионных агентов (хлоридов, фторидов, углекислого газа, ионов натрия и т. п.). В воду контура реакторов ВВЭР дополнительно вводятся щелочи.

2.7 Коррозия конденсаторов турбин и теплообменных аппаратов АЭС

В качестве материала трубных пучков конденсаторов турбин практически повсеместно используется медно- никелевый сплав МНЖ-5-1.

Скорость коррозии медных сплавов находится в прямой зависимости от содержания агрессивных агентов: кислорода, углекислого газа, сульфатов, хлоридов, аммиака.

В обессоленной деаэрированной воде при температуре около 40°С (конденсат турбин) скорость коррозии медных сплавов мала и составляет около 50 мг/(м²·сут). С ростом температуры скорость коррозии возрастает.

С повышением содержания кислорода скорость коррозии медных сплавов увеличивается и может достичь опасных значений. Интенсифицирует коррозию присутствие в воде углекислого газа. Это особенно характерно для нейтрального водного режима с добавкой кислорода.

С уменьшением рН воды ниже 7 и повышением выше 9 за счет добавления аммиака скорость коррозии медных сплавов возрастает. В первом случае под действием кислорода, во втором _ аммиака. Агрессивное действие аммиака обусловлено образованием растворимых аммиачных комплексов меди. В обескислороженном конденсате турбин аммиак в количествах, соответствующих рН<9, не вызывает увеличения скорости коррозии. Существенно снижает скорость коррозии медных сплавов добавление в конденсат гидразина. Указанные условия реализуются при организации аммиачно-гидразинного водного режима.

При нейтральном водном режиме хлориды и сульфаты в количестве до 100 мкг/л практически не влияют на коррозионную стойкость медных сплавов. Увеличение содержания хлоридов и сульфатов приводит к язвенной коррозии.

Стойкость сплавов меди зависит от их состава; легирование сплавов кремнием, марганцем, бериллием, никелем существенно снижает скорость коррозии.

Характерной для медных сплавов является струйная коррозия в турбулентном потоке воды и обесцинкование, наиболее часто встречающееся в конденсаторах, охлаждаемых высокоминерализованной водой. Легирование латуни мышьяком, железом, никелем повышает стойкость медных сплавов по отношению к указанным видам коррозии.

Коррозия конденсаторов турбин и трубных пучков теплообменников, выполненных из медных сплавов, является практически единственным источником загрязнения питательной воды ядерных парогенерирующих установок медью. Скорость перехода продуктов коррозии медных сплавов, легированных указанными выше добавками, составляет около 3 мг/(м²·сут), а продукты коррозии меди составляют 80-90 % всех продуктов коррозии, находящихся в питательной воде в растворимом состоянии.

Защита от коррозии трубных пучков теплообменников, выполненных из медных сплавов, заключается в удалении кислорода из конденсата турбин термическим или химическим путем (вводом гидразина). Трубные пучки теплообменников, выполненные из нержавеющей стали, практически не корродируют в условиях работы конденсатного тракта при любом содержании кислорода и углекислого газа. Коррозия трубных пучков подогревателей высокого давления, выполненных из углеродистой стали, является основным источником загрязнения питательной воды железом.[1]



Заключение

Начиная с ввода в эксплуатацию первых блоков АЭС, до настоящего времени остается актуальной проблема создания и поддержания таких физико-химических свойств теплоносителей, которые бы предотвращали коррозионные повреждения конструкционных материалов оборудования и образование отложений на его поверхностях. В процессе эксплуатации реакторных установок в парогенератор (ПГ) с питательной водой поступают естественные примеси и продукты коррозии, которые образуют отложения на поверхностях теплообменных труб. Накопление отложений на теплообменных трубах создает условия концентрирования коррозионно-активных примесей (хлоридов, сульфатов и др.) в слое отложений и коррозионного воздействия на металл труб их концентрированных растворов. Контроль и защита от коррозии на АЭС и других теплоэнергетических объектах является необходимым для нормальной их работы. Уменьшение количества продуктов коррозии в теплоносителе достигается применением наиболее коррозионно-стойких материалов (аустенитная нержавеющая сталь), и правильной организацией водно-химического режима (нормирование хлоридов, кислорода, значения pH и др.).



Список использованных источников

1. В.А. Чиж, Н.Б. Карницкий, С.М. Денисов. (2015). Водоподготовка и водно-химические режимы ТЭС и АЭС. Минск: БНТУ.

2. Мартынова, О. (1990). Водоподготовка, Расчёты на персональном компьютере. Москва: Энергоатомиздат.

3. С.А. Андрушечко, А.М. Афров, Б.Ю. Васильев. (2010). АЭС с реактором типа ВВЭР-1000. Москва: ЛОГОС.

4. Ф.Я. Овчинников, В.С. (1988). Эксплуатационные режимы ВВЭР. Москва: Энергоатомиздат.

Размещено на Allbest.ru

...