Использование программных средств для расчета эрозионно-коррозионного износа

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ РАСЧЕТА ЭРОЗИОННО-КОРРОЗИОННОГО ИЗНОСА

Бараненко В.И., Гулина О.М., Нафталь М.М.

(ОАО «ВНИИАЭС», Москва, РФ)

Арефьев А.А., Юрманов В.А.

(ОАО «НИКИЭТ», Москва, РФ)

Введение

компьютерный программный атомный коррозионный

Эрозионно-коррозионный износ (ЭКИ) является механизмом разрушения оборудования и трубопроводов, подверженных влиянию теплоносителя, интенсивное изучение которого началось после крупной аварии на АЭС США Сарри-2 в 1986 г. В зарубежных источниках эрозионно-коррозионный износ называется Flow-Accelerated Corrosion (FAC), что дословно переводится как “коррозия, усиленная потоком”.

В американском справочнике «Коррозия» издания 1981 г. отсутствует раздел, посвященный ЭКИ [1]. В справочник «Коррозия» издания 2000 г. включен раздел «Эрозия-Коррозия», в котором отмечено, что для прогнозирования эрозии-коррозии используется два метода [2,3]. Первый, эмпирический метод, основанный на данных лабораторных исследований эрозии-коррозии элементов, работающих на влажном паре, разработан Келлером (Keller) [4]. Второй метод, который можно считать полуэмпирическим, основан на использовании уравнений, позволяющих рассчитывать коэффициенты массопереноса и учитывать влияние отдельных факторов, не поддающихся теоретическому обоснованию, разработан Бингольдом (Bingold) и Боучакортом (Bouchacourt) [5,6]. Оба метода в дальнейшем были развиты и реализованы в виде компьютерных кодов. Наиболее полные данные по ЭКИ приведены в сборнике «Коррозия, усиливаемая потоком, на энергоблоках» («Flow-Accelerated Corrosion in Power Plant»), подготовленным группой специалистов из ведущих отраслевых организаций США, Франции и Германии [7].

1. Общая характеристика компьютерных кодов и программных средств

Компьютерные коды - КК (программные средства - ПС) являются основной составляющей в комплексе нормативных материалов по эрозионно-коррозионному износу (ЭКИ). Разработка эмпирического подхода основана на использовании данных лабораторных исследований и данных эксплуатационного контроля. К факторам, учитываемым при эмпирическом подходе, относятся:

- режимные параметры (температура, скорость среды);

- показатели ВХР (водородный показатель рН, концентрация кислорода в рабочей среде);

- химический состав металла (содержание в металле хрома, меди и молибдена);

- геометрические характеристики (значения внешнего диаметра и толщины стенки);

- коэффициент, учитывающий отклонение от прямолинейности элемента трубопроводов (коэффициенты Келлера)

- длительность эксплуатации трубопровода.

Для каждого из перечисленных факторов получены эмпирические корреляции, позволяющие рассчитывать количественный вклад фактора в значение интенсивности ЭКИ. Эмпирические зависимости определены для диапазона изменения фактора, характерного для условий эксплуатации оборудования и трубопроводов АЭС. В таблице 1 приведен перечень факторов, указаны диапазоны изменения факторов и количественный вклад каждого фактора в значения интенсивности ЭКИ (скорости ЭКИ, величины утонения).

Таблица 1

Перечень и диапазоны изменения факторов, входящих в компьютерные коды (программные средства) ЭКИ-02, ЭКИ -03

С использованием эмпирического подхода в EPRI разработан компьютерный код CHECWORKS (Chexal-Horowitz Engineering Corrosion Workstation). Обобщенная зависимость в КК CHECWORKS записывается в виде:

CR = F₁(T)*F₂(AC)*F₃(v)*F₄(O₂)*F₅(pH)*F₆(K_k)*F₇(б)*F₈(H) (1)

где CR - интенсивность ЭКИ,

F₁(T) - фактор, учитывающий влияние температуры,

F₂(AC) - фактор, учитывающий химический состав металла (концентрация в металле хрома, меди, молибдена),

F₃(v) - фактор, учитывающий скорость среды,

F₄(O₂) - фактор, учитывающий концентрацию кислорода в среде,

F₅(рН) - фактор, учитывающий значение рН среде,

F₆(K_k) - геометрический (гидродинамический) фактор (коэффициент Келлера),

F₇(б) - фактор, учитывающий влажность среды (для паропроводов),

F₈(H) - фактор, учитывающий концентрацию гидразина в среде,

Фактор F₈(H) использован в последней версии КК 1.OF CHECWORKS и рекомендован для использования на энергоблоков тепловых электростанций и некоторых АЭС в Японии.

С использованием эмпирического подхода разработаны КК WATHEC (при поддержке ERPI) и DASY, предназначенные для использования на АЭС Германии и ряда стран, в которых используются разработки Siemens/KWU.

Позже в Германии совместно с Францией был разработан компьютерный код COMSY, по своему назначению и возможностям аналогичный американскому коду CHECWORKS.

С использованием эмпирического подхода разработаны программные средства ЭКИ-02, ЭКИ-03, предназначенные для использования на отечественных АЭС.

Второй полуаналитический подход основан на использовании уравнений гидродинамики, позволяющих рассчитывать коэффициенты массопереноса и оценивать влияние предвключенных участков на геометрический фактор. Такой подход использован для разработки компьютерного кода «BRT-CICERO» для АЭС EDF. С использованием полуэмпирического подхода разработано программное средство «РАМЭК-1».

Обобщенная зависимость в КК BRT-CICERO записывается в виде:

FAC rate = f(Cr)x f(и)x(C_eq - C_?)/[0,5*(1/k + д/D)] (2),

где:

f(Cr) - концентрация в металле хрома,

f(и) - фактор учитывающий пористость структуры отложений и температуру,

C_eq - равновесная растворимость соединений Fe при высокотемпературных значениях рН,

C_? - растворимость в чистой воде соединений Fe при высокотемпературных значениях рН,

k - коэффициент массообмена, рассчитанный с учетом гидродинамических эффектов,

д/D - составляющая для диффузии через оксидный слой.

Для получения зависимости между коэффициентом массообмена и величиной утонения стенки в широком диапазоне чисел Рейнольдса были использованы данные лабораторных исследований и данные, полученные на блоках АЭС.

Компьютерные коды используются совместно с нормативными документами (кодексами). Первая и вторая версии американских кодексов (Code CASE-480 и Code CASE-597-2) были разработаны американским обществом инженеров-механиков (ASME). С использованием компьютерного кода CHECWORKS и вышеназванных кодексов проводятся прогнозные расчеты длительности эксплуатации трубопроводов, подверженных FAC.

2. Разработка программных средств и расчетных кодов для отечественных АЭС

В РФ разработка программных средств (ПС) по расчету скорости ЭКИ и величины утонения стенок трубопроводов проводятся с начала 90-х годов прошлого века. При их разработке был использован опыт, накопленный за рубежом и результаты отечественных исследований [8-10]. ПС разрабатываются и проходят аттестацию в соответствии с руководящими документами РД-03-34-2000, РД-03-17-2000. В 2002 г. был подготовлен верификационный отчет и аттестовано программное средство ЭКИ-02, предназначенное для расчета скорости ЭКИ и величины утонения стенок трубопроводов с однофазной средой на АЭС с ВВЭР-440, В 2005 г. подготовлено и аттестовано программное средство ЭКИ-03, предназначенное для расчета скорости ЭКИ и величины утонения стенок трубопроводов с двухфазной средой [11, 12].

Программные средства ЭКИ-02 и ЭКИ-03 позволяет рассчитывать значения следующих величин:

* значение скорости ЭКИ в начальный момент времени эксплуатации трубопровода;

* значение скорости ЭКИ в конечный момент времени эксплуатации трубопровода;

* значение средней скорости ЭКИ за расчетный временной интервал;

* утонение стенки трубопровода за расчетный временной интервал.

Расчеты скорости ЭКИ значения утонения стенки с помощью программных средств ЭКИ-02, ЭКИ-03 проводятся по уравнениям

W_ЭКИ = C_o*F₁(T)*F₂(ХС)*F₃(v)*F₄(O₂)*F₅(pH)*F₆(K_k)*F₇()*F₈(A)*F₉() (3)

, (4)

где:

Wэки - скорость коррозии, мм/год;

С₀ - коэффициент равный 1 мм/год.

F₁(T) - коэффициент, учитывающий температуру;

F₂(ХС) - коэффициент, учитывающий состав металла;

F₃(v) - коэффициент, определяемый скоростью среды;

F₄(O₂) - коэффициент, учитывающий концентрацию кислорода;

F₅(pH) - коэффициент, учитывающий значение рН;

F₆(K_k) - коэффициент, учитывающий геометрию трубопровода (учитывается значением коэффициента Келлера);

F₇() - коэффициент, учитывающий влажность пара (для однофазной среды F7()=1).

F₈(А) - коэффициент, учитывающий используемый амин (аммиак, морфалин, этаноламин);

F₉() - коэффициент, учитывающий длительность эксплуатации элемента.

Взаимосвязь между коэффициентами F₁-F₉ устанавливается эмпирически. Достоверность расчетов устанавливается на основе сопоставления расчетных значений величин с данными эксплуатационного контроля. В отличие от КК «CHECWORKS», «BRT-CICERO» и ПС «РАМЭК-1», в ПС «ЭКИ-02», «ЭКИ-03» указан способ учета при расчетах длительности эксплуатации.

На рисунке 1 приведено диалоговое окно ПС ЭКИ-02-01, для разработки которого использована среда Delphi.

Рисунок 1 Интерфейс программного средства ЭКИ-02-01

3. Использование программных средств для расчета скоростей ЭКИ поврежденных трубопроводов

С использованием ПС ЭКИ-02 и ЭКИ-03 были рассчитанs скорость ЭКИ (W_эки), величины утонений (ДS) и длительность эксплуатации до повреждения трубопроводов на АЭС с PWR и ВВЭР (Сарри-2, Ловииса-1,2), РБМК (Курская АЭС). В таблице 2 представлены значения величин, определяющих интенсивность ЭКИ на участках трубопроводов этих энергоблоков.

Таблица 2

Значения факторов, определяющих эрозионно-коррозионный износ трубопроводов на различных АЭС

Из проведенных расчетов следует, что на указанных АЭС факторами, определяющими интенсивность ЭКИ, явились такие, как отсутствие или низкая концентрация в металле трубопроводов хрома, меди и молибдена, сложная геометрия повреждаемых участков и элементов оборудования (гибы, околошовные зоны, участки за дроссельными и расходомерными шайбами), конструктивные недостатки (отсутствие коррозионно-стойких защитных покрытий, неудачный выбор конструкционных материалов).

В июне 2006 г. произошло повреждение сегментного отвода трубопровода отбора пара на АЭС с ВВЭР-1000 Ш 630х12 мм (см. рисунок 2). До момента повреждения календарная длительность эксплуатации поврежденного трубопровода составила 17,6 года.

Наиболее повреждаемыми участками по причине ЭКИ на отводах, сваренных из сегментов, являются зоны, расположенные перед и за сварными соединениями. Такой характер повреждения сегментного отвода объясняется тем, что сварное стыковое соединение является источником турбулизации потока.

Эрозионно-коррозионный износ металла происходит в зонах, в которых создаются условия для смыва защитных окисных пленок. Эти зоны расположены на участках трубопроводных систем, на которых возникают завихрения потока, формируются возвратные течения, происходит изменение скорости движения потока. Обычно размер этих участков в трубопроводных системах в осевом направлении не превышает два-три диаметра трубопровода. Размер участков с эрозионно-коррозионным износом в околошовных зонах равен примерно двойной-тройной ширине сварного соединения.

В таблице 3 приведены результаты расчетов ЭКИ сегментного отвода для интервала времени от ввода трубопровода в эксплуатацию до момента повреждения.

Таблица 3

Заданная и расчетная информация для сегментного отвода

Из таблицы 3 следует, что расчетное значение утонения стенки трубопровода отбора, равное 12,0 мм, практически совпадает с данными, полученными при замерах поврежденного участка (11,9 мм). Наибольшее значение скорость ЭКИ, 2,73 мм/год, достигает в начальный период эксплуатации, когда еще не произошло формирование защитной окисной пленки на поверхности трубопровода. По мере увеличения длительности эксплуатации происходит формирование окисных пленок и скорость ЭКИ уменьшается. В таблице 4 приведены значения скоростей ЭКИ и утонений стенки для трех интервалов времени (0-5,0; 5,01-10,0; 10,01-17,6 лет). Суммарное для трех интервалов утонение составило 11,92 мм, что незначительно отличается от утонения для полного интервала времени, равного 11,99 мм. Из этих расчетов следует, что программное средство ЭКИ-03 позволяет рассчитывать скорости ЭКИ и значения утонений в различные периоды эксплуатации.

Таблица 4

Сводные значения расчетных величин скоростей эрозионно-коррозионного износа и утонений стенки сегментного отвода в различные периоды эксплуатации

Для проведения прогнозных расчетов длительности эксплуатации трубопроводов с помощью ПС ЭКИ-02 и ПС ЭКИ-03 необходимо использовать руководящий документ по допустимым толщинам РД-ЭО 1.1.2.11.0571-2006 [13]. При использовании этого РД надо сравнивать значения допустимых толщин, указанные в РД, с прогнозные толщины стенок на конец периода между инспекциями. В настоящее время в отрасли отсутствует документ, определяющий процедуру проведения расчетов скоростей ЭКИ и прогнозных расчетов толщин стенок на конец периода между инспекциями. Разработка такого документа проводится в ОАО «ВНИИАЭС» и ОАО «НИКИЭТ» на основе анализа данных эксплуатационного контроля и подходов, используемых для расчета скорости ЭКИ и прогнозированию длительности эксплуатации трубопроводов на АЭС [14-15].

4. О соответствии программных средств требованиям руководящих документов по разработке и аттестации ПС

Разработка программных средств для отечественных энергоблоков АЭС, как уже отмечалось, должна проводится в соответствии с руководящим документам РД-03-14-2000 и РД-03-17-2001, в которых указано, что для каждого фактора, включенного в ПС, в верификационном отчете должны быть представлены матрицы верификации. При разработке ПС ЭКИ-02 и ЭКИ-03 это требование было выполнено, так как для факторов, включенных в ПС, опубликованы данные лабораторных исследований и имеются данные эксплуатационных контролей.

В 2009 г. был получен аттестационный паспорт для ПС «РАМЭК-1» [16]. Для большей части факторов, включенных в ПС РАМЭК-1, данные для матиц верификации в том виде, который позволяет использовать их в ПС, отсутствуют. Матрицы верификации для большей части факторов, включенных в расчетную модель ПС «РАМЭК- 1», отсутствуют. Отсутствие матриц верификации не обеспечивает достоверность расчетов, проводимых с помощью этого ПС.

Выполнение требований РД-03-14-2000 и РД-03-17-2001 позволяет обеспечить указанную в ПС ЭКИ-02, ЭКИ-03 погрешность расчетов. Расчетные значения утонений сопоставляются с максимальными утонениями, зафиксированными при эксплуатационном контроле. Из сопоставления расчетных данных и данных эксплуатационного контроля следует, что погрешность расчетов находится в диапазоне от -15 % до + 30 %.

Из сопоставления результатов расчетов, проведенных с помощью ПС «РАМЭК-1», с данными эксплуатационного контроля змеевиков ПВД 5Б, ПВД 6Б блока № 2 Калининской АЭС следует, что значения скоростей ЭКИ входных змеевиков, рассчитанные с помощью ПС превышают значения скоростей ЭКИ, определенных на основании данных эксплуатационного контроля в 1,19 - 2,13 раза. Для выходных змеевиков значения скоростей ЭКИ, определенные по данным эксплуатационного контроля превышают расчетные значения скорости эрозии-коррозии в 4,16 - 6,25 раза, т.е. погрешность расчета скорости находится в диапазоне от (- 625 % до + 213 %).

5. Учет геометрических (гидродинамических) факторов в программных средствах

Одним из важных факторов, который оказывает существенное влияние на интенсивность ЭКИ, является геометрический (гидродинамический) фактор. При использовании эмпирического подхода для разработки КК гидродинамический фактор учитывается введением в эмпирическую модель коэффициентов Келлера. Значения коэффициента Келлера в КК CHECWORKS изменяется в диапазоне от 0,04 (прямой участок трубы) до 1,0 (торможение потока). В таком же диапазоне изменяется коэффициент Келлера в ПС ЭКИ-02, ЭКИ-03.

В таблице 5 приведены значения гидродинамических коэффициентов, приведенные в работах разных авторов [17]. Значения коэффициентов определены по отношению к коэффициенту на прямых участках трубопроводов, принятому равным единице. Из таблицы 5 следует, что значения гидродинамических коэффициентов для одних и тех же элементов у разных авторов могут отличаться в 2-3 раза. Значения этих коэффициентов в каждом отдельном случае должны определяться не основе данных эксплуатационного контроля.

Таблица 5

Значения геометрических факторов для компонентов трубопроводов

Значения представленных в ПС «РАМЭК-1» гидродинамических коэффициентов не обоснованы и не могут быть рекомендованы для практических расчетов. Использование гидродинамических коэффициентов без проверки их значений на основе данных эксплуатационного контроля может сопровождаться грубыми ошибками при расчетах.

Так, анализ результатов расчетно-экспериментальных исследований, проведенный разработчиками с помощью ПС «РАМЭК-1» входных и выходных участков змеевиков подогревателей высокого давления (ПВД) энергоблока № 2 Калининской АЭС, позволил сделать вывод о том, что расчетные ресурсные характеристики змеевиков отличается от определенных по данным эксплуатационного контроля примерно в (0,5-12,0) раз. Расчетный ресурс для 1380 входных и выходных змеевиков ПВД 5Б и 6Б независимо от минимальной толщины стенок змеевиков установлен в диапазоне от 22 лет до 45,6 лет. При этом по данным замеров для 26 входных и выходных участков змеевиков ПВД минимально допустимая толщина стенок достигнута на момент проведения эксплуатационного контроля, для 59 входных и выходных участков минимальная толщина стенок на момент проведения контроля была меньше минимально допустимой. Разработчикам ПС «РАМЭК-1» было указано, что ПС «РАМЭК-1» не может использоваться для ресурсных характеристик. С этим выводом разработчики ПС «РАМЭК-1» согласились.

Заключение

1. Разработка программных средств для отечественных энергоблоков АЭС должна проводится в соответствии с руководящим документам РД-03-14-2000 «Требования к составу и содержанию отчета о верификации и обосновании программных средств, применяемых для обоснования безопасности объектов использования атомной энергии» и руководящим документом РД-03-17-2001 «Положение об аттестации программных средств, применяемых при обосновании безопасности объектов использования атомной энергии».

2. В руководящих документах РД-03-14-2000 и РД-03-17-2001 указано, что для каждого фактора, включенного в ПС, в верификационном отчете должны быть представлены матрицы верификации. При разработке ПС ЭКИ-02 и ЭКИ-03 это требование было выполнено, так как для факторов, включенных в эти ПС, опубликованы данные лабораторных исследований и имеются данные эксплуатационных контролей на АЭС.

3. Для большей части факторов, включенных в ПС РАМЭК-1, данные в том виде, который позволяет использовать их в матрицах верификации ПС, отсутствуют. Поэтому в верификационном отчете ПС «РАМЭК-1» матрицы верификации для большей части факторов, включенных в расчетную модель, отсутствуют. Отсутствие матриц верификации не обеспечивает достоверность расчетов, проводимых с помощью ПС.

4. Выполнение требований РД-03-14-2000 и РД-03-17-2001 позволяет обеспечить указанную в ПС ЭКИ-02, ЭКИ-03 погрешность расчетов. Данные, приведенных в верификационных отчетах, подтверждают факт, что погрешность расчетов может находиться в диапазоне от -15% до +30 %, т.е. не превышает указанный в аттестационном паспорте. Рассчитанный с помощью ПС «РАМЭК-1» ресурс элементов трубопроводных систем отличается от определенного по данным эксплуатационного контроля примерно в (0,5-12,0) раз, т.е. погрешность расчетов значительно превышает указанную в аттестационном паспорте.

5. Проведенный анализ положений, лежащих в основе ПС РАМЭК-1, и результатов расчетов с его использованием в том виде, для которого получен аттестационный паспорт, позволяет сделать вывод о том, что это программное средство не может применяться для практических расчетов скорости ЭКИ и длительности эксплуатации трубопроводов АЭС, подверженных этому процессу.

Список литературы

1. Коррозия. Под редакцией Л.Л. Шрайра. М. «Металлургия». 1981. 631 с.

2. Corrosion. Volume 1. Metal/Environment Reactions. L.L. Shreir, R.A. Jarman, G.T. Burstein et al. Butterworth Heinemann. 2000. 1432 p.

3. Corrosion. Volume 2. Corrosion Control.. L.L. Shreir, R.A. Jarman, G.T. Burstein et al. Butterworth Heinemann. 2000. 1478 p.

4. Keller H., VGB Kraftwerkstechnik, 54, 1974, p. 292.

5. Bingold G.I. et al., Pros. of UK Corr., 83, Inst. Corrosion Sci. and Tech., Birmingham, 1983.

6. Bouchacourt M. Pros. of UK Corr., 88, Inst. Corrosion Sci. and Tech., Birmingham, 1988.

7. Flow-Accelerated Corrosion in Power Plants. TR-106611-R1. Bindi Chexal, Jeffery Horowitz, Michel Bouchacourt et al. EPRI Energy Conversion. 1998.

8. Thinned Pipe Management Program of Korean NPPs. S.H. Lee, T.R. Kim, S.C. Jeon, K.M. Hwang. Trans. of the 17^th Inter. Conf. on Structure Mech. in Reactor Technology (SmiRT 17) Prague, Czech Republic. August 17-22, 2003. P 1-8.

9. Использование программных средств для расчета эрозионно-коррозионного износа элементов трубопроводных систем АЭС. Бараненко В.И., Олейник С.Г., Янченко Ю.А. и др. Теплоэнергетика, 2003, №11, С. 21-24.

10. Бараненко В.И., Янченко Ю.А., Решение проблем снижения эрозионно-коррозионного износа оборудования и трубопроводов на зарубежных и отечественных АЭС, Теплоэнергетика, 2007, №15, С, 12-19.

11. Аттестационный паспорт программного средства ЭКИ-02. Дата регистрации 17.03.2003 г., дата выдачи 19.09.2003 г.

12. Аттестационный паспорт программного средства ЭКИ-03. Дата регистрации 17.03.2003 г., дата выдачи 23.06.2003 г.

13. Нормы допустимых толщин элементов трубопроводов из углеродистых сталей атомных станций. РД ЭО 1.1.2.11. 0571-2006. Введен в действие с 28.10.2012.

14. Moolayil T.M. Mitigation of degradation of high energy secondary cycle piping due to FAC and life management in Indian NPPs. Second international Symposium on Nuclear Power Plant Life Management from 15-18^th October, 2007 at Shanghai China. 48 p.

15. Мулайил Т.М. К вопросу о коррозии под действием потока. Атомная техника за рубежом. 2008, № 12, с. 16-21.

16. Аттестационный паспорт программного средства РАМЭК-1. Дата регистрации 10.07.2008 г., дата выдачи 23.09.2009 г.

17. Zheng Y. A steady state FAC model in carbon steel and its application on practical geometries by means of CFD. FAC2010 International conference on Flow Accelerated Corrjsion. May 4-7 2010 Lion France. 18 p.

Размещено на Allbest.ru