ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ ГЛАВНОГО ЦИРКУЛЯЦИОННОГО КОЛЬЦА ЯДЕРНОГО ЭНЕРГОБЛОКА
Авторы:
1.
ООО «ЭЛЕМАШ-СТП»
Тип:
Статья
Страницы:
с 120
по 122
Статус:
Опубликован
Получено:
11.12.2016
Одобрено:
30.12.2016
Опубликовано:
30.12.2016
Классификаторы:
УДК 629.039.58
ГРНТИ 05.11 Общие проблемы народонаселения
ГРНТИ 06.51 Мировое хозяйство. Международные экономические отношения
ГРНТИ 10.01 Общие вопросы
ГРНТИ 11.01 Общие вопросы политических наук
ГРНТИ 11.25 Теория международных отношений. Внешняя политика и дипломатия
ГРНТИ 78.01 Общие вопросы военного дела
ГРНТИ 81.92 Пожарная безопасность
ГРНТИ 81.93 Безопасность. Аварийно-спасательные службы
ГРНТИ 82.01 Общие вопросы организации и управления
ГРНТИ 82.33 Стратегический менеджмент. Стратегическое планирование
ГРНТИ 11.15 Теория политических систем. Внутренняя политика
ГРНТИ 05.11 Общие проблемы народонаселения
ГРНТИ 06.51 Мировое хозяйство. Международные экономические отношения
ГРНТИ 10.01 Общие вопросы
ГРНТИ 11.01 Общие вопросы политических наук
ГРНТИ 11.25 Теория международных отношений. Внешняя политика и дипломатия
ГРНТИ 78.01 Общие вопросы военного дела
ГРНТИ 81.92 Пожарная безопасность
ГРНТИ 81.93 Безопасность. Аварийно-спасательные службы
ГРНТИ 82.01 Общие вопросы организации и управления
ГРНТИ 82.33 Стратегический менеджмент. Стратегическое планирование
ГРНТИ 11.15 Теория политических систем. Внутренняя политика
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
конструкционные материалы, коррозионное воздействие, радиолиз водного теплоносителя, легирующие компоненты
Аннотация (русский):
Вопросы безопасной и безаварийной эксплуатации атомного реактора являются ключевыми и приоритетными направлениями в части охраны жизни и здоровья граждан не только нашего государства, но и соседних государств. В статье рассмотрены основные негативные факторы, оказывающие влияние на снижение прочностных характеристик конструкционных материалов используемых при изготовлении трубопроводов главного циркуляционного кольца, а также перечень необходимых мероприятий, направленных на повышение их прочностных характеристик.
Вопросы безопасной и безаварийной эксплуатации атомного реактора являются ключевыми и приоритетными направлениями в части охраны жизни и здоровья граждан не только нашего государства, но и соседних государств. В статье рассмотрены основные негативные факторы, оказывающие влияние на снижение прочностных характеристик конструкционных материалов используемых при изготовлении трубопроводов главного циркуляционного кольца, а также перечень необходимых мероприятий, направленных на повышение их прочностных характеристик.
Ключевые слова:
конструкционные материалы, коррозионное воздействие, радиолиз водного теплоносителя, легирующие компоненты
конструкционные материалы, коррозионное воздействие, радиолиз водного теплоносителя, легирующие компоненты
В жизненном цикле атомной электростанции, как и любой другой системы, начиная с проектирования и до выработки назначенного ресурса, значительная доля времени приходиться на эксплуатацию. Эффективность процесса безопасной эксплуатации атомной станции в общем случае определяется большим числом факторов, действующих на различных этапах создания, наладки и эксплуатации. Современная философия обеспечения безопасности впервые наиболее четко сформулирована специалистами МАГАТЭ в «Основных принципах безопасности атомной станции». В этом документе рассматриваются цели и принципы, осуществление которых позволит достичь высокого уровня безопасности атомной станции (АС). При этом цели провозглашают, что должно быть достигнуто, а принципы-как должны быть реализованы цели. Цели и принципы не являются нормативными требованиями, однако национальные нормативные документы по безопасности должны отражать цели и принципы в виде конкретных требований. Активная зона атомного реактора, охлаждаемая водой высокого давления, размещается в стальном корпусе. Теплосъем с активной зоны обеспечивается принудительной циркуляцией теплоносителя в первом контуре, еще в начале 50-х годов при проектировании первой АС И.В. Курчатов заложил основы безопасности, утверждая, что безопасность ядерного реактора будет обеспечена, если в активной зоне ядерного реактора будет постоянно обеспечиваться поток теплоносителя. Приоритет вопросам безопасности АС в нашей стране нашел отражение в нормативных документах: «Правила ядерной безопасности атомных станций», «Правила устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов энергетических установок» и многих других. По влиянию на безопасность элементы и системы АС делятся на две категории: важные для безопасности и остальные, не влияющие на безопасность. Устанавливается четыре класса элементов и систем по влиянию на безопасность АС. К первому классу относятся твелы и элементы АС, отказы которых являются исходными событиями, приводящими при проектном функционировании систем безопасности к повреждению твелов с превышением установленных для проектных аварий пределов. В состав первого контура кроме корпуса реактора входят: парогенератор, главный циркуляционный насос (ГЦН), главный циркуляционный трубопровод (ГЦТ), запорные задвижки. ГЦТ имеет диаметр от 500 до 800 мм, что при использовании легированных марок сталей делает его вместе с ГЦН сопоставимым по стоимости с атомным реактором без топливной составляющей. Ядерный реактор является мощным источником ионизирующего излучения, а теплоноситель оказывает сильное коррозионное воздействие на конструкционные материалы ядерного энергоблока. С этим явлением связаны физико-химические процессы, протекающие в контурах. К основным из них относятся: 1. Радиационные процессы (активация примесей, газовая и осколочная активность теплоносителя, радиолиз водного теплоносителя); 2. Химические процессы (коррозия, отложения на ТВЭЛах). При взаимодействии ионизирующего излучения с теплоносителем и находящимися в нем примесями образуются радиоактивные нуклиды, служащие дополнительным источником активности. Различают газовую, осколочную активность теплоносителя, а также активность примесей. Осколочная активность является результатом попадания в него продуктов деления ядерного топлива при работе ядерного реактора с поврежденными ТВЭЛами. Обычно различают две стадии повреждения ТВЭЛов: газовые не плотности, когда в теплоноситель попадают нуклиды инертных газов (криптона и ксенона) и осколки деления, летучие при рабочей температуре ТВЭЛов (йод, бром, цезий) и повреждения, сопровождающиеся контактом топлива с теплоносителем, которые может привести к попаданию в контур не летучих нуклидов. Активация примесей вносит существенный вклад в радиоактивность теплоносителя. Это прежде всего естественные примеси, растворенные в теплоносителе соли натрия, калия, магния. Наиболее существенный вклад в радиоактивность вносит Na с периодом полураспада 15 часов, который излучает высокоэнергетические кванты. Активность теплоносителя повышается из-за коррозии активированных материалов активной зоны ядерного реактора и активации продуктов коррозии конструкционных материалов контура в процессе их миграции через активную зону. В связи с такого рода активацией примесей водный теплоноситель должен быть не только умягчен, но и деионизирован. Для этого в отечественных ядерных реакторах получило распространение добавление в теплоноситель едкого кали при регулировании реактивности. В первом контуре ядерного реактора происходит коррозия трех видов: общая, межкристаллитная и коррозия под напряжением (коррозионное растрескивание). Общей коррозией подвержены как углеродистые, так и аустенитные стали. Ее механизм носит электрохимический характер. Здесь большую роль играет однородность структуры металла, влияющая на скорость коррозии. Чем однороднее металл, тем меньше возникает коррозионных пар, меньше разность потенциалов катодных и анодных участков. С увеличение шероховатости поверхности металла растет скорость коррозии. Это происходит из-за того, что окисная пленка на вершинах и в впадинах разрушается быстрее, вследствие концентрации напряжений и возникновению коррозионных пар. Коррозионная активность теплоносителя определяется главным образом составом и концентрацией примесей. Для воды таковыми является кислород, водородные ионы, СО2, растворенные в ней соли. Считается, что содержание кислорода в воде первого и второго контуров не должно превышать 0,01-0,02 мг/кг. Ион водорода-также является катодным деполяризатором. С повышением его концентрации увеличивается разность потенциалов коррозионной пара и скорость коррозии растет. Ионизирующее излучение изменяет коррозионную активность воды и стойкость металла. Облучение металла приводит к увеличению его физико-химической неоднородности, связанной с разрывом химических связей и деформацией кристаллической решетки, а также к изменению защитных свойств окислых пленок. Скорость общей коррозии в первом контуре тем меньше, чем меньше мощность ядерного реактора и больше длительность его работы. Увеличение мощности ядерного реактора приводит к интенсификации радиолиза и радиационного синтеза. Основными факторами, влияющими на скорость коррозии под напряжение, является температура, химический состав стали и состояние поверхности. С увеличением температуры скорость коррозионного растрескивания растет. Коррозионное растрескивание возникает при одновременном, комплексном действии растягивающих напряжений и агрессивного теплоносителя имеющего хлор-ионы, кислород или высокую концентрацию (до 4-6%) едкой щелочи. Обычно трещины проходят по зернам металла и направлены перпендикулярно главным растягивающим напряжениям. Основными факторами, влияющими на скорость коррозии под напряжением, являются: температура, напряжения и деформации, коррозионная агрессивность теплоносителя, состояние поверхности. С увеличением температуры скорость растрескивания растет. Сильное сокращение времени до разрушения наблюдается при пластических деформациях металла. Чем однороднее в физико-химическом отношении поверхность металла, тем медленнее возникают первичные микротрещины. Риски, царапины, вмятины и другие деформированные места поверхности становятся очагами зарождения коррозионных трещин. Коррозионная агрессивность теплоносителя определяется содержанием кислорода и хлорид-ионов. При отсутствии хлорид-ионов хлорное железо из альфа фазы не образуется и коррозионного растрескивания не наблюдается. Износ углеродистых сталей, использовавшихся в качестве конструкционных материалов для трубопроводов первого контура, становится наиболее существенным в области их рабочих температур. Изучение альтернативных материалов показало, что стойкость сталей к износу значительно (в несколько раз) повышается при наличии 1-2% Cr и Mo в качестве легирующих элементов стали. При этом необходимо считаться с возможностью возникновения межкристаллитной коррозии при неравномерном распределении легирующих добавок по границам зерен. В результате коррозии сталь становится хрупкой, что особенно опасно в условиях ядерных энергетических установок. Внешний вид стали при этом не изменяется. В интервалах рабочих температур 500-800 С могут образовываться хромистые карбиды с соответствующим снижением содержания Cr и увеличением коррозии на границах зерен. Склонность материалов к межкристаллитной коррозии увеличивается по мере укрупнения зерна, так как при этом пограничные участки обедняются легирующим элементом. Выводы: Использование легирующих сталей в качестве конструкционных материалов главного циркуляционного кольца многократно поднимает его стоимость. Наиболее разумным компромиссом, обеспечивающим расчетную безопасную эксплуатацию трубопроводов главного циркуляционного кольца, является применение следующих мероприятий и подходов: -- исключение неоптимальных конструкций с Т-образным соединением трубопроводов, приводящему к прямому давлению потока воды на внутреннюю поверхность колена и к появлению в месте поворота более высоких локальных скоростей турбулентного потока; -- использование углеродистых сталей с нанесением защитных металлических и не металлических покрытий и пленок; -- применение трубопроводов малого диаметра из аустенитных марок сталей (до 100 мм); -- повышение стабильности аустенита (наиболее успешно это достигается увеличением содержания в стали Ni); -- более полное удаление из воды кислорода и хлор-ионов; -- проведение закалки, после каждой технологической операции. Применение данных подходов позволяет повысить безопасную и безаварийную эксплуатацию трубопроводов главного циркуляционного кольца и ядерного реактора в целом.
1. Махунтов Н. А., Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность. В 2-х ч. - Новосибирск: Наука, 2005. Критерии прочности и ресурса. Ч.1.-494 с; Обоснование ресурса и безопасности. Ч. 2. - 610 с.
2. Друян В. М., Гуяев Ю. Г. Технология и оборудование трубного производства. - Днепр-ВАЛ, 2001. - 544 с.
3. Островский В. А. Старение и прогнозирование ресурса оборудования АС. - М.: «Энергоатом-издат», 1994.
4. Федеральный закон «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» от 21.07.1997 № 116-ФЗ.
