РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭРОЗИОННО-КОРРОЗИОННОГО ИЗНОСА ТРУБОПРОВОДОВ ВТОРОГО КОНТУРААЭС С ВВЭР


Презентация изнутри:

Слайд 0

1 Докладчик: Бакиров М.Б. д.т.н., генеральный директор ООО «НСУЦ «ЦМиР» Авторы: Бакиров М.Б., Потапов В.В., Еремин А.А., Левчук В.И., Чубаров С.В., Дубенко Н.В., Селезнев Л.И. (ООО «НСУЦ «ЦМиР») Кан А.У. (Ростехнадзор) 5-я международная научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» 29 мая – 1 июня 2007 г. г. Подольск, ФГУП ОКБ "ГИДРОПРЕСС" РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭРОЗИОННО-КОРРОЗИОННОГО ИЗНОСА ТРУБОПРОВОДОВ ВТОРОГО КОНТУРА АЭС С ВВЭР


Слайд 1

2 Введение Эрозионно-коррозионный износ (ЭКИ) оборудования и трубопроводов является одной из основных проблем эксплуатации АЭС. Эрозионно-коррозионный износ – наиболее распространенный механизм повреждения основного оборудования и трубопроводов, изготовленных из сталей перлитного класса. Нарушения в работе АЭС российского производства по причине ЭКИ происходят с частотой в среднем 3 нарушения в год. Все элементы на ВВЭР Все элементы на РБМК Нормированная добавка на коррозию 1,2 мм за 30 лет, то есть скорость коррозионного износа 0,04 мм/год. Фактическая скорость эрозионно-коррозионного износа может достигать 0,2 – 2,5 мм/год, то есть в десятки раз больше.


Слайд 2

3 Примеры разрушений трубопроводов второго контура по причине ЭКИ на различных АЭС


Слайд 3

4 Пример повреждения трубопровода 2 контура по механизму ЭКИ на 2 блоке Балаковской АЭС в 2004 г. поврежденный участок утонение зона размыва сварной шов


Слайд 4

5 Пример повреждения основного металла корпуса ПНД на 3 энергоблоке Смоленской АЭС в 2006 г. Повреждение основного металла корпуса ПНД-55 произошло в районе присоединения паровпускного трубопровода к корпусу ПНД. Повреждение корпуса имеет вид разрыва металла с развернутыми краями. Размеры повреждения: длина ~520мм, ширина меняется от 10 до ~145 мм.


Слайд 5

6 Природа ЭКИ заключается во взаимовлиянии трёх процессов: коррозии (химической, и электрохимической); эрозии (механического разрушения поверхностного слоя); растворения (например, пленки окисла), каждый из которых, даже в отдельности, не является до конца изученным. На процесс коррозии существенное влияние оказывают химический состав металла и состав среды, однако необходимый для проведения комплексного анализа ЭКИ объем входных данных на АЭС по указанным позициям в достаточном объеме отсутствует. Среди процессов эрозии, в свою очередь, различают кавитационную эрозию, эрозию при наличии в среде эродента и “ветровую” эрозию под действием касательных напряжений на границе металл-поток. Природа механизма ЭКИ


Слайд 6

7 Особенности физико-химических процессов эрозии-коррозии в одно- и двухфазных потоков Cu,


Слайд 7

8 Процессы эрозионной коррозии Изменения механизма эрозионной коррозии в зависимости от скорости жидкости Зона А - поток ламинарный – очень низкая скорость коррозии. Зона В - поток турбулентный - скорость потери массы металла определяется переносом реагирующих компонентов к поверхности металла. Напряжение трения в этих зонах недостаточно велико, чтобы вызвать разрушение пленки на поверхности металла. Зона С - напряжение трения становится столь большим, что пленка на некоторых участках удаляется, и на этих участках развивается сильная коррозия. Потери массы металла значительны за счет контактных токов, протекающих между обнаженными и покрытыми пленками участками. Зона D - съем окисла имеет более общий характер, а потому доля разрушения от контактных токов снижается; однако скорость потерь массы металла велика, так как воздействию агрессивной среды подвергается более значительная поверхность обнаженного металла. В этой зоне степень турбулентности и напряжение трения сильно возрастают и репассивация поверхности металла затруднена. Зона Е - интервал скоростей, в котором пленка полностью удалена и репассивация невозможна.


Слайд 8

9 Внутренняя и внешняя нестационарность процессов ЭКИ Все рассматриваемые процессы, объединенные в процессе ЭКИ, происходят в условиях внутренней и внешней нестационарности. Внутренняя нестационарность обусловлена неустойчивостью течений в элементах оборудования при поворотах, в коленах, обтеканиях стыковочных узлов и т.п. Ниже для примера представлена расчетная картина течения в переходном элементе трубопровода в районе сочленения двух патрубков различных диаметров. Отчетливо видна картина структуры вихря. Однако эта картина лишь стационарный вариант действительной картины. Реально такой вихрь является не устойчивым во времени. Количество жидкости, вовлекаемой в область вихря, возрастает, вихрь становится неустойчивым и сбрасывает часть жидкости в основной поток. В результате, эта вихревая зона испытывает периодические перемещения, приводящие к возникновению вибрации, а за зоной вихря образуется кормовой след подобный следу при обтекании цилиндра или шара. Таким образом, течения в элементах оборудования глубоко нестационарны.


Слайд 9

10 Факторы, определяющие ЭКИ Физико-химические свойства металла (содержание хрома, меди, молибдена). Тепло-гидравлические характеристики рабочей среды (температура, скорость). Показатели водно-химического режима (значение рН, концентрация кислорода, применяемый амин). Геометрические характеристики (внешний диаметр трубопровода, толщина стенки, характеристика элемента: гиб, тройник, дросселирующие шайбы, переходники и т.д.). Уровень фактических напряжений в конструкции, физико-механические свойства металла. Длительность эксплуатации. Благодаря значительному объему экспериментальных работ процессов ЭКИ, выполненных в прошлые годы ведущими предприятиями атомной отрасли различных стран (США, Франция, Германия, Япония, Россия и т.д.), влияние вышеперечисленных факторов на интенсивность ЭКИ было тщательно изучено (см. слайды ниже).


Слайд 10

11 Влияние различных факторов на ЭКИ Влияние температуры Влияние скорости потока


Слайд 11

12 Влияние различных факторов на ЭКИ Влияние показателя pH Влияние концентрации кислорода Влияние хим. состава металла: WЭКИ=WЭКИмак/83Cr0,89Cu0,25Mo0,2 (формула Дирекса)


Слайд 12

13 Влияние геометрии элементов - тройники - гибы и колена - диафрагмы вмятины - ЭКИ за арматурой и входные участки


Слайд 13

14 Анализ существующих программ эксплуатационного контроля на АЭС Объемы (зоны) и периодичность проведения эксплуатационного контроля на АЭС регламентируются действующими в отрасли «Типовыми программами эксплуатационного контроля за состоянием основного металла и сварных соединений оборудования и трубопроводов…»: АТПЭ-9-03 (ВВЭР-1000); АТПЭ-2-99 (ВВЭР-440); АТПЭ-10-96, ПЭКМ-ЛАЭС-99.840.07П (РБМК-1000); АТПЭ-11-01 (БН-600); АТПЭ-20-01 (ЭГП-6). Как показывает опыт эксплуатации АЭС: Существуют зоны, не включенные в программу периодического эксплуатационного контроля с максимальной интенсивностью ЭКИ. Присутствует избыточный объем контроля зон с незначительным ЭКИ. Существуют недостатки в системе сбора и систематизации результатов контроля – имеется необходимость создания единой электронной базы данных. Недостаточный анализ результатов периодического контроля и прогнозирование динамики ЭКИ металла. Таким образом, перед АЭС стоит крайне сложная задача гарантированно обеспечить своевременное выявление зон с предельным либо недопустимым утонением металла.


Слайд 14

15 Принятая технология эксплуатационного контроля ЭКИ оборудования и трубопроводов АЭС В настоящее время на АЭС проводится точечный контроль толщины в соответствии с ПНАЭ Г-7-031-91 (Унифицированная методика. Ультразвуковой контроль. Ч.3. Измерение толщины монометаллов, биметаллов и антикоррозионных покрытий) и «Инструкцией по дефектоскопии гибов трубопроводов из перлитной стали И №23 СД-80». . Выход: применение автоматизированных систем контроля толщины, реализующими метод сплошного сканирования поверхности с компьютерной формой записи и систематизации результатов. Недостатки точечного контроля толщины: требуется предварительная зачистка поверхности; дискретность контроля - метод не позволяет получить общую картину износа металла и гарантированно выявить локальные зоны максимального утонения. метод не обеспечивает повторяемости и сопоставимости результатов периодического контроля. не решена проблема учета влияния плотных коррозионных отложений на внутренней стенке.


Слайд 15

16 В качестве полигона для реализации работ по ЭКИ были выбраны 4 однотипных энергоблока с ВВЭР-1000 Балаковской АЭС, которые наилучшим образом подходят по следующим причинам: Полигон для реализации работ по ЭКИ энергоблоки современного типа, находятся в эксплуатации продолжительное время (пуск блоков производился с периодичностью около 2 лет). Как следствие, на энергоблоках имеются элементы оборудования и трубопроводов, поврежденные вследствие ЭКИ; трубопроводы 2 контура имеют одинаковые трассировки, материалы, тепло-гидро-динамические параметры потока, параметры ВХР и т.д. имеется возможность сбора всех необходимых исходных данных. Специалистами Центра материаловедения и ресурса при сотрудничестве со специалистами АЭС на энергоблоке 3 Балаковской АЭС в 2005 г. начата реализация основного алгоритма расчетно-экспериментального подхода, направленного на решение проблемы ЭКИ, наряду с этим был проведен эксплуатационный контроль металла элементов АЭС с использованием современного оборудования.


Слайд 16

17 Основные задачи Центра: Аттестация персонала, приборных средств и методик применительно к объектам атомной энергетики. Обучение и переподготовка персонала АЭС с использованием новых современных методов, приборных средств контроля и оценки прочности, а также специализированных стендов, методической литературы и обширной базы тест-образцов. Научно-сертификационный учебный центр В рамках выполнения данной работы было проведено обучение, проверка знаний и сертификация персонала АЭС по работе с новыми методами и средствами контроля. Обучение проводилось на базе нового Научно-сертификационного Учебного Центра с использованием реальных образцов с ЭКИ, вырезанных на АЭС.


Слайд 17

18 Новый расчетно-экспериментальный подход по совершенствованию контроля ЭКИ на АЭС Принятая методология работ по решению проблемы ЭКИ включает в себя реализацию следующих основных этапов: Классификация всех элементов АЭС на группы по степени опасности повреждения по механизму ЭКИ. Разработка и внедрение на АЭС новых методов и средств эксплуатационного контроля. Разработка методики определения скорости ЭКИ. Поверочный прочностной расчет минимально допустимых толщин. Мероприятия по повышению эрозионно-коррозионной стойкости элементов АЭС. На первом этапе работ был проведен расширенный сбор, анализ и систематизация исходных данных, необходимых для последующего расчетно-экспериментального обоснования эксплуатационной надежности элементов. Было проанализировано около 1500 элементов второго контура и выбрано для контроля 30 наиболее критических участков за дросселирующими, регулирующими и переходными элементами.


Слайд 18

19 Трассировки, конструкция Сертификатные, паспортные, проектные данные Данные по ВХР Данные эксплуатационного контроля Сбор исходных данных на АЭС Создание электронной базы данных с целью систематизации Сбор недостающих исходных данных и их интеграция в электронную БД Массив исходных данных Разработка и реализация алгоритма анализа элементов второго контура Классификация мест на группы по степени опасности ЭКИ 1. Классификация элементов 2 контура на группы Разработка рабочей программы контроля


Слайд 19

20 1.1. Анализ эксплуатационных параметров элементов КПТ Эксплуатационные параметры (давление, температура, паросодержание, ВХР, расход и т.д.) и конструктивные особенности элементов КПТ с учетом известных закономерностей влияния каждого из факторов на скорость ЭКИ позволяют определить номенклатуру элементов с учетом их местоположения в КПТ, находящихся в наихудших условиях, способствующих протеканию интенсивных процессов ЭКИ металла.


Слайд 20

21 1.2 Сбор и анализ исходных данных Пример схемы контроля Сертификатные данные по химическому составу металла и механическим свойствам


Слайд 21

22 1.3 База данных трассировок трубопроводов


Слайд 22

23 Преимущества: - сплошное сканирование поверхности с получением 3D-формы износа и исключением пропуска локальных утонений; - контроль без зачистки поверхности; - компьютерная форма записи и протоколирования результатов контроля; - не требует смазки или контактной жидкости. 2. Разработка и внедрение на АЭС новых методов и средств эксплуатационного контроля Сертификат средства измерения в России RU.C.27.01.00 № 10673. Погрешность измерений составляет не более ± 0,2 мм. Сравнение результатов измерения толщины традиционными УЗ-толщиномерами и ЭМА-толщиномером показывает совпадение результатов в пределах приборной погрешности. ЦМиР в настоящее время ведет создание банка реальных тест-образцов с различными формами ЭКИ, вырезанных на АЭС для замены. В настоящее время Центром материаловедения и ресурса совместно с фирмой «Специальные научные разработки» (Украина) разработан усовершенствованный ультразвуковой автоматизированный бесконтактный сканирующий толщиномер с использованием электромагнито-акустических преобразователей (ЭМА) с записью процесса непрерывного сканирования.


Слайд 23

24 2.1. Пример построения трехмерной картины износа внутренней поверхности трубопроводов питательной воды 3D-форма поверхности износа Топограмма поверхности износа Толщина стенки, мм Осевое направл., мм Окружное направл., час Окружное направление, час Осевое направление, мм мм Внедрение современных средств эксплуатационного контроля на АЭС, реализующих метод сплошного сканирования, позволяет исключить пропуск локальных утонений, повысить информативность и достоверность контроля, автоматизировать процесс записи и протоколирования результатов контроля с возможностью включения результатов в электронную базу данных результатов штатного контроля толщины. Результаты контроля ЭМА-толщиномером позволяют получить картину ЭКИ в объеме и максимально корректно использовать эти результаты контроля при расчете на прочность с учетом реальной геометрии рассматриваемого элемента.


Слайд 24

25 Участок трубопровода за переходом 400x500, Ст 15ГС, типоразмер 530x28 Трехмерное изображение поверхности износа Топограмма поверхности износа 2.1. (продолжение) Пример построения трехмерной картины износа внутренней поверхности трубопроводов питательной воды


Слайд 25

26 2.2. Контроль напряженно-деформированного состояния металла магнитными методами Наряду с контролем толщины был выполнен контроль фактического напряженного состояния металла для 30 элементов, поскольку наличие остаточных напряжений является одной из причин интенсификации ЭКИ. При контроле напряженного состояния был использован магнитный структуроскоп. Измеренные напряжения позволяют уточнить зоны с максимальным ЭКИ. Осевое направление, мм Окружное направление, час ?, МПа Результаты контроля НДС


Слайд 26

27 Изменение свойств и структуры металла трубопроводов второго контура обусловлено термостиловым воздействием эксплуатационных нагрузок, режимами работы оборудования и трубопроводов, технологией сборки и монтажа и др. Оценка напряженно-деформированного состояния, определение фактического уровня механических свойств, остаточных напряжений необходимы для проведения поверочных прочностных расчетов в наиболее критических зонах, подверженных эрозионно-коррозионному износу, с целью подтверждения работоспособности трубопровода. Изменение структуры металла под воздействием циклических, статических нагрузок, остаточных ремонтных сборочных напряжений. Накопленная эксплуатационная повреждаемость металла. Снижение характеристик циклической прочности вследствие усталостных повреждений структуры металла. Рост числа дислокационных образований и появление других неоднородностей в структуре металла. Деформация кристаллической решетки. Изменение магнитных характеристик, увеличение коэрцитивной силы. Изменение механических характеристик кратковременной прочности металла. Магнитные методы измерения градиента напряженности поля остаточной намагниченности и метод измерения спектральной плотности магнитных шумов Баркгаузена. Безобразцовые неразрушающие методы контроля механических свойств металла по диаграмме кинетического индентирования.. Механизмы повреждения Проявление механизмов повреждения Пригодные безобразцовые неразрушающие методы оценки 2.2. (продолжение) Контроль напряженно-деформированного состояния металла магнитными методами


Слайд 27

28 3. Разработка методики определения скорости ЭКИ При разработке методики определения скорости ЭКИ используется расчетно-экспериментальный подход, комплексно включающий в себя гидродинамическое трехмерное моделирование и нейронно-сетевое прогнозирование. 3.1. Выбор и уточнение мест контроля посредством гидродинамического моделирования С целью оптимизации зон контроля и уточнения карт контроля на АЭС производится расчет тепло-гидродинамических параметров среды (трехмерное моделирование), в том числе определение поля скоростей и энергий в потоке, для типовых мест второго контура. Для моделирования применяются универсальные конечно-элементные пакеты для тепло-гидро-газодинамических расчетов (например, ANSYS/CFX-5.x, FLUID). t=0,06 с t=0,09 с Пример моделирования нестационарных отрывных течений жидкости в коленах трубопроводов за запорной арматурой после ее включения


Слайд 28

29 3.2. Прогнозирование динамики развития процессов ЭКИ с применением технологии нейронных сетей При использовании нейронных сетей легко исследовать зависимость прогнозируемой величины от независимых переменных. Например, закладывая параметры среды (состав, pH, T), металла, потока и т.д. возможно, используя даже самую простую нейросетевую архитектуру и имеющуюся базу данных, получить работающую систему прогнозирования утонения. Причем учет, или не учет системой внешних параметров будет определяться включением, или исключением соответствующего входа в нейронную сеть (скажем, однофазный или двухфазный поток). Еще одно преимущество нейронных сетей состоит в том, что построение нейросетевой модели происходит адаптивно во время обучения, без участия оператора. При этом нейронной сети предъявляются примеры из базы данных, и она сама подстраивается под эти данные. Искусственный нейрон, так же как и живой, состоит из синапсов, связывающих входы нейрона – вектор параметров Х(х1, х2, …,хn), например, совокупность параметров состояния среды и металла, ? с ядром нейрона, где осуществляется обработка входных сигналов, и аксона, связывающего нейрон с нейронами следующего слоя. Каждый синапс имеет вес, который определяет, насколько соответствующий вход нейрона определяет его состояние. Нейронная сеть состоит из нескольких слоёв нейронов, последовательно связанных друг с другом.


Слайд 29

30 3.2. (продолжение) Прогнозирование динамики развития процессов ЭКИ с применением технологии нейронных сетей По сравнению со средствами математической статистики и технического анализа, традиционно использовавшихся для прогнозирования, нейронные сети имеют ряд преимуществ. Так, нейросетевой анализ не предполагает никаких ограничений на характер входной информации. Это могут быть как индикаторы данного временного ряда, так и сведения о динамике других факторов, в то время как другие методы рассматривают только значения прогнозируемого ряда. Применение нейронных сетей не накладывает никаких ограничений на характер исследуемых рядов, поэтому нестационарность рассматриваемых процессов не представляет проблемы. Наиболее ценным свойством нейронных сетей является их способность успешно решать задачи, в которых затруднено или невозможно нахождение аналитических зависимостей между входными и выходными данными. Нейросети способны находить оптимальные для данной задачи индикаторы и строить по ним оптимальную для данного ряда стратегию предсказания. Кроме того, эта стратегия может быть адаптивна, меняясь вместе с ситуацией. Для многослойных нейронных сетей строго математически доказано, что они могут представлять любую вещественную непрерывную векторную функцию любого вещественного непрерывного векторного аргумента. То есть многослойные сети могут быть использованы для решения любой задачи, которая может быть сведена к построению функций, в том числе для прогнозирования.


Слайд 30

31 3.3 Итоговая электронная база данных оценки остаточного ресурса тепломеханического оборудования Электронная база данных по оценке остаточного ресурса основного оборудования АЭС (БДООР) сделана по заказу концерна «Росэнергоатом» и оперирует с результатами работ по оценке технического состояния и остаточного ресурса тепломеханических элементов энергоблоков АЭС первого поколения, включающая обосновывающие документы, необходимые при получении лицензии на эксплуатацию энергоблока за пределами назначенного срока службы. БДООР содержит информационные блоки: - «Специальный перечень элементов для управления ресурсными характеристиками элементов энергоблоков АЭС»; - «Программа обследования элемента энергоблока с целью оценки технического состояния и остаточного ресурса»; - «Расчеты на прочность элемента»; - «Заключение о техническом состоянии и остаточном ресурсе элемента»; - «Решение о возможности и условиях дальнейшей эксплуатации элемента».


Слайд 31

32 Расчетно-экспериментальный подход к моделированию процессов ЭКИ является базой для создания программных средств для расчета скорости ЭКИ в однофазном и двухфазном потоках. С целью верификации и аттестации программных средств для расчета скорости ЭКИ наряду с использованием информации из имеющейся базы данных предполагается выполнение комплекса испытаний на экспериментальном стенде по специально разработанной программе испытаний, учитывающей вариацию различных параметров, влияющих на скорость ЭКИ. Выполнение вышеперечисленных работ позволяет разработать и аттестовать методику расчётно-экспериментального обоснования мест, объемов и периодичности контроля эрозионно-коррозионного износа оборудования и трубопроводов пароводяного контура АЭС. 3.4. Преимущества применения расчетно-экспериментального подхода к моделированию процессов ЭКИ


Слайд 32

33 4. Поверочный прочностной расчет минимально допустимых толщин Существующие в настоящее время в России нормативные документы по прочностному расчету элементов с эрозионно-коррозионным износом, регламентирующие минимально-допустимые толщины, учитывают только механизм относительно равномерного повреждения и не учитывают в полном объеме геометрию реального эрозионно-коррозионного износа. Реальная форма ЭКИ может быть получена при проведении сплошного сканирования поверхности и получении как общей картины износа, так и локальных форм утонений. При этом в ходе проведения прочностного расчета определяются допустимые геометрические размеры утонения и глубина: при большей протяженности дефекта вдоль оси трубопровода критический дефект будет иметь меньшую глубину и наоборот. Полученные данные соотношения реальной формы и глубины дефекта позволяют определять текущее состояние элемента с позиций возможности дальнейшей безопасной эксплуатации и прогнозировать остаточный ресурс. Пример построения характерных кривых с учетом реальной геометрии износа для определения текущего состояния и остаточного ресурса : зона I – закритическое состояние, зона II – докритическое состояние. Определение остаточного ресурса


Слайд 33

34 5. Мероприятия по повышению эрозионно-коррозионной стойкости элементов АЭС В качестве мероприятий по повышению эрозионно-коррозионной стойкости оборудования и трубопроводов АЭС можно рекомендовать следующие : разработка рекомендаций по выбору хим. состава материалов элементов оборудования и трубопроводов в части определения допустимого диапазона разброса процентного содержания легирующих элементов; внедрение на АЭС технологии нанесения универсальных защитных покрытий (толщиной до 20 мкм) на внутреннюю поверхность металла с целью повышения износостойкости и ресурса работы элементов; пассивация поверхностей оборудования и трубопроводов второго контура путем создания на металле защитных пленок.


Слайд 34

35 План работ по ЭКИ для 4-х энергоблоков Балаковской АЭС


Слайд 35

36 План работ по ЭКИ для 4-х энергоблоков Балаковской АЭС


Слайд 36

37 Заключение ЦМиР имеет значительный опыт работ по проблематике ЭКИ в части: организации сбора и обработки исходных данных (трассировки, ВХР, хим. состав, данные эксплуатационного контроля и т.д.); внедрения новых методов и средств контроля степени ЭКИ, включая подготовку и аттестацию персонала АЭС; разработки расчетных кодов; оптимизации объемов контроля и организации работ по совершенствованию нормативно-технической базы; создания единой компьютерной системы сбора, хранения и обработки результатов контроля. Опыт ЦМиР позволяет качественно выполнить работы по совершенствованию нормативной базы, оптимизации объемов и периодичности контроля, а также по повышению качества и информативности мониторирования эрозионно-коррозионного износа трубопроводов АЭС с целью снижения рисков возникновения аварийных ситуаций, связанных с нарушениями в работе оборудования и трубопроводов по причине ЭКИ.


Слайд 37

38 Murat Bakirov doctor, General Director of the “Center of material science and lifetime”, Russia LIFETIME MANAGEMENT OF NPPS’ POWER EQUIPMENT AND PIPELINES MANUFACTURED FROM CARBON STEELS 21 – 24 May 2007, Daejeon, Republic of Korea IAEA/RCA Plant Life Extension / Ageing Management in Nuclear Power Plant


Слайд 38

39 Introduction A design margin set on metal wall thinning owing to foresee corrosion process is 1,2 mm on 30 years of operation – it is 0,04 mm per year. Actual rate of metals FAC wear can achieve 0,2-2,5 mm per year, that is dozens times more than the design margin on thinning. Erosion-corrosion wear, or Flow Accelerated Corrosion (FAC), of equipment and pipelines is one of the main problems of NPPs operation. Erosion-corrosion wear is one of the widespread damaging mechanisms for equipment and pipelines manufactured from carbon steels. Malfunctions in Russian NPPs operation as a result of FAC occur on average 3 times per year. Only about 10% of the elements are subjected to the considerable wear (more than 20 % of wall thinning) and are potentially dangerous to reach the critical unacceptable wall thinning.


Слайд 39

40 Examples of the secondary circuit’s piping rupture due to FAC wear on different NPPs


Слайд 40

41 An example of the secondary circuit’s piping rupture due to FAC wear on Balakovo NPP, Unit 2 in 2004 damaged element wall thinning FAC wear zone weld joint


Слайд 41

42 FAC nature consists in mutual influence of three physical processes: corrosion (chemical and electrochemical); erosion (mechanical destruction of the surface layer); dilution (for example of the oxide film). Each process, even in a case of separate consideration, have not been completely studied until now. A process of the corrosion in a considerable rate depends on metal chemical composition and water chemistry. Nevertheless, a required scope of input data from NPPs, concerning the above mentioned parameters, can not be collected in a sufficient scope which enables to carry out a comprehensive FAC analysis. Erosion processes can be divided on cavitations erosion, abrasive erosion and “wind” erosion caused by a shearing stresses action on a metal-flow boundary. Nature of the flow-accelerated corrosion


Слайд 42

43 M E T A L Corrosion component Erosion-corrosion Mass transfer Double-phase flow Erosion component Metal properties - chemical composition (Cr, Mo)%; - wall thickness; - surface roughness Water-chemical factor - temperature; - inter-phase distribution Кd; - рН (or inhibitor properties); - content of iron; - ion composition of water; - electroconductivity Properties of the corrosion products - density and porosity of the oxide layer; - atomic volume of the corrosion products; - constants, defining processes of formation and dilution of the magnetite. Dilution of the magnetite Electrochemical corrosion Metal properties - Re number; - Re number; - Wer number; - density of the steam phase; - kinetic viscosity (of steam and water); - surface stress; - inter-phase friction coefficient; - geometry of the channel - mechanical properties - residual stresses Main factors and processes concerning FAC of the piping metal in a double-phased flow


Слайд 43

44 Features of FAC physical-chemical processes in a single-phase and double-phase flows Single-phase flow (water) Double-phase flow (wet steam) Metal, % (Cr, Mo, Cu)


Слайд 44

45 Processes of the flow-accelerated corrosion Zone А – laminar flow – very low rates of corrosion. Zone В – turbulent flow – rates of metal mass losses are determined by a transfer of active components to the metal surface. Friction stress in this zone is insufficient to cause a destruction of the film on the metal surface. Zone С – friction stress becomes such a big that the film moves off (eliminates) in some areas , and in that areas an intensive corrosion occurs. Metal mass losses become significant due to contact currents running between areas which are “naked” and covered by the film. Zone D – elimination of the oxide film has a common character, therefore a portion of metal destruction caused by contact currents action becomes lower. However, the rate of metal mass losses is big because much more significant area of the “naked” metal is subjected to the action of the aggressive medium. In this zone turbulence rates and friction stress grow considerably and re-passivation of the metal surface is obstructed. Zone Е – an interval of speeds corresponding to the state when the film had been eliminated totally and metal re-passivation is impossible. laminar turbulent turbulent turbulent turbulent Speed or friction stress Erosion-corrosion rates


Слайд 45

46 Internal an external instability of FAC processes All considered processes combined in a FAC term occur in conditions of internal and external instability. Internal instability is caused by existence of unsteady flows in pipelines and equipment when T-joints, bends, transitions, fittings, etc. are considered. In a figure below it is shown a picture of hydraulic modeling of a flow in a pipeline transition in a region of connection of two pipes with different diameters. It is clearly seen a twist structure. However this picture reflects only a stationary case of the actual picture. In the reality such a twist is unstable in time. Amounts of the medium, which is being involved in a twist area, grow. The twist becomes unstable and blows down a part of the medium into the main flow. As a result, the twist area periodically moves along the pipe and results in vibration occurrence. Behind the twist area an after-trace occurs like the trace of a cylinder or sphere streamline. So, flows in equipment and pipelines elements are too instable.


Слайд 46

47 Parameters defining FAC intensity Physical-chemical metal properties (content of chromium, cuprum, molybdenum). Thermal-hydraulic parameters of the working medium (temperature, speed). Water chemistry characteristics (рН value, concentrations of oxygen, amine). Geometry features (outside diameter of a pipe, wall thickness, constructive features: bend, T-joint, transition, fitting, etc.). Actual stressed state of a construction, physical-mechanical properties of the metal. Time of operation. Due to the considerable scope of FAC experimental investigations, which have been carried out in recent years by chief NPP industry institutes in different countries (USA, France, Germany, Japan, Russia, etc.), effects of the above mentioned parameters on FAC intensity have been carefully studied as presented in slides below.


Слайд 47

48 Influence of different parameters on FAC Temperature influence Flow speed influence


Слайд 48

49 PH level influence Oxygen concentration influence Metal chemical composition influence (Dyreks’ formula): WЭКИ=WЭКИмак/83Cr0,89Cu0,25Mo0,2 Influence of different parameters on FAC


Слайд 49

50 Influence of elements’ geometry on FAC - T-joints - Bends, elbows - orifice, dents - Fittings and input zones


Слайд 50

51 Analysis of the Operational Inspection Programs acting on NPPs Scopes and periodicity of FAC operational inspection on NPPs are set by “Typical programs of operational inspection of equipment and piping base metal and weld joints…” acting in nuclear industry . These programs differ for each type of the reactor assemblies. NPPs operational experience shows the following: there are places which have not been included into the Program of the periodical operational inspection and where considerable rates of FAC wear exist; there is a redundant scope of the inspection in places with not significant FAC wear; there is no elements classification reflecting risk rates of FAC damaging, now operational inspection is to be done for all typical elements with the same periodicity, i.e. elements’ features are not considered; there is an imperfection in data collection and systematization system – necessity of creation of the common electronic data base exists; there is an insufficient analysis of periodical inspection results and no forecast of FAC dynamics are done. NPP have a very hard task to provide reliable in-time revealing of elements with extreme or non-accepted metal wall thinning.


Слайд 51

52 Technology of FAC operational inspection accepted on Russian NPPs Current technology of FAC operational inspection of the equipment and piping requires to carry out point inspection of the wall thickness in accordance with Russian Codes PNAE G-7-031-91, and following disadvantages of that method are seen: The way to solve all mentioned problems is in using of automatic systems for periodical metal thickness inspection which enable to make complete scanning of the surface with computer form of results recording. preliminary trimming of the surface is required; discreteness of the point inspection – the method does not enable to obtain common picture of metal wear and to reveal reliably local zones of maximum thinning; the method does not provide reiteration and comparability of periodical inspection results; problem of dense corrosive deposits influence on inspection results have not been solved until now; influence of a human factor on inspection results.


Слайд 52

53 Currently concern “Rosenergoatom” has developed a 4-years Program of works intended to improve normative documents and to optimize scopes and periodicity of FAC operational inspection of the secondary circuit equipment and piping of WWER-1000. The Program aims implementation of the complex of activities used to prevent ruptures and to improve erosion-corrosion resistance of NPP equipment and piping. Goal of the initiated work lies in elaboration of scientific – theoretical and methodological basis of physical – chemical and mathematics models, definition of technical solutions and method of diagnostics, forecast and control of the erosion-corrosion processes. Also, it is very important to increase erosion-corrosion resistance of the metal, increase of reliability and safe operation of the power equipment of the secondary circuit of NPP with WWER by means of elements FAC monitoring. Program for FAC problem resolving in NPP industry


Слайд 53

54 As a polygon for FAC works implementation there were chosen 4 one-type WWER-1000 units of Balakovo NPP. These units perfectly suit for FAC problems resolving due to the following factors: Polygon for FAC Program implementation all units are of modern design, they are under operation for the long period (units were set in operation step-by-step with a period between sets of about 2 years). As a consequence, these units already have piping and equipment elements, being damaged by FAC mechanism; secondary circuit piping have single-type layouts, identical materials, thermal-hydro-dynamical parameters of the flow, water-chemistry parameters, etc. there is a possibility in the frames of this work to collect all the necessary data regarding the really operating NPP elements. Specialists of the Center of material science and lifetime in cooperation with NPP staff had executed on Balakovo NPP, Unit 3 the main algorithm of a design-experimental approach for the purpose of FAC problem solving, also inspection of NPP elements by use of modern equipment was carried out.


Слайд 54

55 A new design-experimental approach for perfection of FAC wear inspection on NPPs Accepted design-experimental approach includes implementation of the following stages: Elements classification concerning risk rates of FAC damaging. Elaboration and application on NPPs of new methods and equipment of the operational inspection. Elaboration of a design-experimental procedure for FAC rates definition. Verifying stress calculation for determination of the minimum acceptable wall thinning levels. Actions intended for increase of FAC resistance of NPP equipment. On a first stage of the work it was carried out an enlarged collection and analysis of initial data used for the consequent design-experimental substantiation of the pipelines operational reliability. It was analysed about 1500 elements of the secondary circuit piping and for the inspection were chosen 30 zones after the throttling, regulating and transition elements. Chosen elements were subjected to intensive FAC wear during operation and are the most critical from the point of potential rupture as a result of critical metal wall thinning.


Слайд 55

56 Concept of works for FAC, proposed by CMSL History of the problem Fulfilled scope of works Actions implemented on NPPs Developed Type Programs for FAC inspection Developed normative documentation Application of new methods and devices for inspection Elaboration of the Comprehensive Program of FAC actions NPPs maintenance Scopes of the operational inspection Periodicity of the operational inspection Methods and devices for the operational inspection Elaboration of engineer approaches for FAC rates forecast Improvement of the normative base


Слайд 56

57 Layouts, construction features Certificate, passport, design data Water chemistry data Results of the periodical operational inspection Collection of the input data on NPP Creation of the electronic data base for input data systematization Collection of missing initial data and their integration into the common electronic data base Input data array Elaboration and realization of an algorithm for the comprehensive analysis of the secondary circuit elements Elements ranging on groups depending on rates of FAC risk wear 1. Elements classification concerning risk rates of FAC damaging Elaboration of the Operational Inspection Program


Слайд 57

58 1.1. Analysis of operational parameters of the secondary circuit elements Operational parameters (pressure, temperature, steam quality, medium discharge, water chemistry parameters, etc.) and design features of the secondary circuit elements taking into account the known dependencies of a definite parameter influence on FAC rates provide a possibility to define groups of elements considering their location in the secondary circuit which operate in the worst conditions favourable for the intensive FAC wear processes. superheated steam wet steam condensate-feed water (main circuit) drainage zones of the phase transitions


Слайд 58

59 1.2 Collection and analysis of input data Example of a piping layout Certificate data on a chemical composition and mechanical properties of a metal


Слайд 59

60 1.3 Database of pipelines layouts


Слайд 60

61 Center of material science and lifetime in cooperation with “Special scientific engineering” company (Ukraine) had elaborated and manufactured an improved Electro-Magnetic-Acoustic (EMA) tester for wall thinning measurements which enables to make continuous scanning of the measured surface. 2. Elaboration and application on NPPs of new methods and equipment of the operational inspection Systematic inaccuracy of EMA-tester measurements is less than ± 0,2 mm. Comparison of metal wall thickness results measured by EMA-tester and traditional US-tester shows results coincidence. At present time the Center has a bank of real test samples with different shapes of FAC wear, which have been cut off on different NPPs for a replacement. Advantages (compared to traditional US-testers): enables to perform continuous scanning of the surface and to obtain 3D-shape of FAC wear; excludes gaps of local wall thinning; inspection process without preliminary surface preparing; the device has PC-form of inspection results records; lubrication or contact fluid is not necessary.


Слайд 61

62 2.1. An example of 3D-shape of the metal wear of feed water piping 3D-shape of FAC wear surface Flat topogram of FAC wear surface Application of the modern equipment of operational inspection on NPP with continuous scanning enables to exclude local wall thinning, to improve reliability of inspection results, to provide record of inspection data in automatic mode and facilitates incorporation of inspection results to the common data base. Proposed form of inspection data record allows to compare results of the periodical operational inspection, to asses dynamics of FAC wear progress during different operational periods. 3D-shape of FAC wear surface can be used as initial data for verifying stress analysis defining minimum allowable wall thickness levels.


Слайд 62

63 Piping after a transition 400x500, steel 15GS, bore 530x28 2.1. (continuation) An example of 3D-shape of the metal wear of feed water piping 3D-shape of FAC wear surface Flat topogram of FAC wear surface


Слайд 63

64 2.2. Inspection of the elements’ actual stressed state on NPP by use of magnetic methods In parallel with wall thickness measurements there was carried out an inspection of the actual stressed state for 30 elements. Stressed state was measured since residual stresses are one of causes of intensive FAC wear processes. Stressed state was measured by use of magnetic structure tester. Obtained stresses in the element metal allow to precise FAC zones with maximum wear.


Слайд 64

65 Change of metal properties and structure of the secondary circuit pipelines is stipulated by a thermal-force action of operational loads, equipment and piping operational modes, technology of assembling and mounting, etc. Evaluations of the stressed-deformed state, determination of the actual mechanical properties, residual stresses are necessary for making the verifying stress calculations in the most critical zones subjected to the intensive FAC wear for the purpose of elements’ bearing ability confirmation. 2.2. (continuation) Inspection of the elements’ actual stressed state on NPP by use of magnetic methods


Слайд 65

66 2.3 Inspection of the metal mechanical properties by use of the kinetic indentation method Kinetic indentation method Diagram of the ball indentation Rp0,2; Rm; n-factor


Слайд 66

67 General view of the device Features: - performing hardness tests of metals - allow to perform both static and dynamic tests - registration of indentation diagram - express estimation of mechanical properties of metals - can be used both at laboratory and at plant conditions 2.3 (continuation) MINITEST – portable kinetic hardness tester


Слайд 67

68 3. Elaboration of a design-experimental procedure for FAC rates definition For elaboration of the Procedure for FAC rates definition two approaches should be used: 3D-modelling of flow hydrodynamics and neuron network planning. 3.1. 3D-modelling of flow hydrodynamics For determination of the thermo-hydrodynamic parameters of the flow including definition of flow rates and flow energies are used standard finite element programs for thrmal-hydro-gasdynamic calculations (for example, ANSYS/CFX-5.x, FLUID). Results of hydrodynamic modeling are also used for optimization of inspection zones. 3D-layout of the feed water piping Flow velocity field Turbulent energy pulsations field Flow velocity field


Слайд 68

69 3.2. Neuron network planning for making forecast of FAC process dynamics during NPP operation For the purpose of making forecast of FAC process dynamics the most perspective way lies in using a technology of neuron networks: input data for the analysis are hydrodynamic modeling results, electronic data base and results of expert operational inspection of wall thinning in the “worse” places. By use of neuron networks technology it is easy to investigate a dependence of forecasted value from independent variables. For example, taking parameters of the working medium (pH, T, composition), metal, flow as initial data and information from data base enables to use neuron networks for making forecast of metal wall thinning in a definite zone and FAC process progress. One more advantage of neuron networks lies in the fact that building of neuron-structure model happens during a process of network self-training without human participation. Input 1 Input 2 Input 3 Hidden neurons Neuron kernel Synapses Output


Слайд 69

70 Neuron networks methods have a number of advantages compared to the methods of mathematical statistics and technical analysis which are being traditionally used for making forecasts. Neuron networks analysis does not assumes any restrictions to the character of input data (parameters). As input data it could be taken both indicators of the given temporary row and data of other parameters dynamics while other methods consider only values of the row to be forecasted. Application of the neuron networks does not implies any restrictions on a character of the investigated parameters, as a consequence, instability of the considered processes is not a problem at all. The most valuable property of the neuron networks is their ability to solve successfully the tasks in which definition of analytical dependencies between input and output data is obstructed or furthermore is impossible. Neuron networks are capable to find optimum affecting indicators concerning the studied task and give a possibility to build optimum forecast (prediction) strategy for the considered row (parameter). Moreover, that strategy can be adaptive to the given situation and can also change if the situation changes. For the multi-layer neuron networks it was strictly mathematically proved that they can perform any real continuous vector function via any real continuous vector argument. It means, that multi-layer neuron networks can be used to solve any task of functions building including forecast functions. 3.2. (continuation) Neuron network planning for making forecast of FAC process dynamics during NPP operation


Слайд 70

71 3.3. Electronic data base for an estimation of a residual lifetime of NPPs’ power equipment


Слайд 71

72 Design-experimental approach for FAC processes modeling gives a base for creation of a soft for FAC rates calculation in a single-phase and double-phase flows. To verify an certify FAC soft it is used existing electronic data base as well as experimental tests on a FAC test-bench in accordance with specially elaborated program of experiments with variation of different parameters effecting on FAC rates. Implementation of the above mentioned works enables to elaborate and certify a procedure of design-experimental substantiation of zones, scopes and periodicity of the operational inspection of NPP piping and equipment. 3.4. Profits gained from the design-experimental approach implementation for FAC modeling


Слайд 72

73 4. Verifying stress calculation for determination of the minimum acceptable wall thinning levels Existing in Russia normative documents for the stress calculation of the minimum acceptable wall thinning of the elements with FAC wear consider only uniform wear shapes and do not consider the real shape of FAC wear. Real shape of FAC wear can be obtained by use of modern equipment realizing the method of continuous scanning which allows to receive general picture of FAC wear as well as real shapes of local zones of wall thinning. A new stress calculation is intended to receive allowable geometrical shapes of wall thinning as well as wear depth. Relationships between the real shape of the defect and its depth enable to define a current condition of the element from the point of its further reliable operation and to forecast its residual lifetime. On a figure it is performed an example of lifetime curves building for definition of the residual lifetime of the element considering the real wear shapes: zone I – supercritical condition, zone II – non-critical condition.


Слайд 73

74 5. Actions intended for increase of FAC resistance of NPP equipment As the actions intended for increase of erosion-corrosion resistance of NPP equipment the following actions can be outlined: elaboration of recommendations for choosing of the chemical composition of the materials used for manufacturing of NPP piping and equipment: definition of the minimum allowable contents of alloying elements in carbon steels; applying on NPP a technology of universal protective coating placing (thickness up to 0,02 mm) on the internal surface of the metal for the purpose of increase the wear resistance and lifetime of elements operation; passivation of piping and equipment inner surface by means of protective films creation.


Слайд 74

75 Commercial proposals elaboration and certification of the procedure of design-experimental substantiation of zones, scopes and periodicity of the NPP elements operational inspection; elaboration and certification a new Regulatory Document of stress calculation for definition of the minimum acceptable wall thickness levels considering real wear shape, FAC rates and inaccuracy of devices for wall thickness measurements; improving the current Regulatory Documents and correcting of the Typical programs of operational inspection – optimization of zones, scopes and periodicity of the inspection; elaboration of recommendations for operational lifetime prolongation of the WWER second circuit’s elements by means of increasing of erosion-corrosion resistance of new and operating energetic equipment and of the equipment, beyond the design lifetime; Taking into account the accumulated considerable experience in FAC field Center of Material Science and Lifetime is able to carry out the flowing works in the frame of lifetime management of NPPs’ power equipment and pipelines manufactured from carbon steels:


Слайд 75

76 improving of safe and uninterrupted work of the power unit due to in-time prediction of the most damaged elements behavior from point of view of erosion-corrosion effects and determination of lifetime for the equipment, operating in the conditions of increased thermal-mechanical and hydro-dynamical loads, which cause intensive erosion-corrosion wear of the metal; creation of a system for monitoring of erosion-corrosion conditions of the secondary circuit elements of WWER power units; optimization and effectiveness increasing of diagnostic and preventive regulations, inspection methods of erosion-corrosion state definition and prevention of emergency situations and unplanned shutdowns occurrence as a result of damaging of NPPs’ working elements metal; creation of the normative base for data collection, diagnostic and monitoring of the second circuit’s equipment and pipelines of WWER power unit. giving the recommendations to the main designer for making a new improved design of NPP. Commercial proposals (continuation)


×

HTML:





Ссылка: