Стартовая >> Архив >> Генерация >> Физические основы эксплуатации ядерных паропроизводящих установок

Виды коррозии конструкционных материалов ЯППУ - Физические основы эксплуатации ядерных паропроизводящих установок

Оглавление
Физические основы эксплуатации ядерных паропроизводящих установок
Классификация и основы устройства ЯППУ
Системы ЯППУ с водо-водяными реакторами
Механизмы и устройства, обеспечивающие работу ЯППУ
Устройство водо-водяных реакторов
Корпус и крышка водо-водяного реактора
Технологические каналы водо-водяного реактора
Органы управления и защиты водо-водяного реактора
Принципиальные схемы парогенераторов
Конструкционные схемы парогенераторов
Нейтронное поле в реакторе
Кинетика «холодного» реактора без учета запаздывающих нейтронов
Виды коррозии конструкционных материалов ЯППУ
Факторы, влияющие на скорость коррозии
Требования к воде контуров ЯППУ
Контроль за качеством воды
Технические средства обеспечения водного режима ЯЭУ
Физический пуск реактора
Экспериментальное определение характеристик реактора при физическом пуске
Теплотехнические проверки реактора
Эксплуатационные режимы ЯППУ
Эксплуатационный пуск реактора и разогрев ЯППУ
Работа ЯППУ в нормальных условиях эксплуатации
Выключение реактора и расхолаживание ЯППУ
Аварийные режимы, обусловленные высвобождением реактивности
Аварии со снижением циркуляции теплоносителя и рабочего тела
Средства обеспечения безопасной эксплуатации ЯППУ
Реактор ИР-100
Уран-водные экспериментальные сборки
Аппаратура для исследований
Нейтронно-физические характеристики подкритического реактора

ВОДНЫЙ РЕЖИМ ПАРОПРОИЗВОДЯЩИХ УСТАНОВОК

Общая коррозия.

 Одним из важнейших условий обеспечения надежной и безопасной работы ЯППУ является оптимальная организация водного режима. Правильный водный режим позволяет поддерживать на минимально возможном уровне скорость общей коррозии материалов установки, омываемых водой w паром первого и второго контуров, предотвращать местную коррозию, а также отложения солей и продуктов коррозии на теплопередающих поверхностях. Исходя из анализа этих процессов производится нормирование примесей в воде первого и второго контуров и обосновываются меры по организации и контролю водного режима ядерных энергетических установок.
Коррозией называется разрушение металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с внешней (коррозионной) средой. Причиной коррозии является термодинамическая неустойчивость системы, состоящей из металла и компонентов окружающей среды. Процесс коррозии состоит в переходе атомов металлов и сплавов из кристаллической решетки в ионное состояние при контакте со средой.
В зависимости от характера коррозионных разрушений коррозия может быть общей или местной. При общей (сплошной) коррозии разрушение охватывает всю или значительную часть поверхности металла. Критерием оценки общей коррозии является глубина проникновения коррозии (миллиметров в год) или массовый показатель коррозии (грамм на квадратный сантиметр в час). Общая коррозия является основным источником накопления продуктов коррозии в теплоносителе первого контура и рабочем теле второго контура. Отложения продуктов коррозии на теплопередающих поверхностях могут привести к их перегреву. Особенно опасными являются чрезмерные отложения на поверхностях твэлов, так как это может привести к их преждевременному повреждению и нарушению герметичности оболочек.
Накопление продуктов коррозии в теплоносителе и их отложения на трубопроводах, арматуре и другом оборудовании ухудшают радиационную обстановку и затрудняют их обслуживание. Чрезмерное образование продуктов коррозии во втором контуре
также крайне нежелательно, так как приводит к интенсификации отложений в пароперегревателях ПГ и в проточных частях турбин и к уменьшению ионообменной емкости ионитовых обессоливающих фильтров.
При местной коррозии поражения имеют локальный характер и оставляют практически незатронутой подавляющую часть поверхности. Наиболее опасные виды местной коррозии — межкристаллитная, которая, разрушая зерна металла, продвигается вглубь по их менее стойким границам, и транскристаллитная, рассекающая металл трещиной прямо через зерна. Почти не оставляя видимых следов на поверхности, эти поражения могут приводить к полной потере прочности и разрушению детали или конструкции. Критерием оценки местной коррозии является глубина проникновения коррозии по язвам и трещинам (миллиметров в год).
Механизм коррозии может иметь химический или электрохимический характер. Коррозия является химической, если атомы металла соединяются с теми атомами или группами атомов, которые входят в состав окислителей, отнимающих валентные электроны металла. Химическая коррозия возможна в любой коррозионной среде.
Коррозия является электрохимической, если при выходе из металлической решетки образующийся катион вступает в связь не с окислителем, а с другими компонентами коррозионной среды. Окислителю же передаются электроны, освобождающиеся при образовании катиона. Электрохимическая коррозия возможна в том случае, если коррозионная среда является электролитом. Вода первого и второго контуров, в которой в той или иной мере растворены соли и газы, является электролитом, поэтому механизм коррозии в водо-водяных реакторах и ПГ имеет преимущественно электрохимический характер.
В металлических телах атомы находятся в узлах кристаллической решетки. Их валентные электроны свободны и как бы передаются в «коллективное пользование». В целом же металл при этом остается электрически нейтральным. При контакте поверхности металла с раствором часть атомов переходит в раствор в виде положительно заряженных ионов. Для того чтобы атом покинул кристаллическую решетку, он должен преодолеть энергетический барьер ЕоУ называемый энергией активации процесса ионизации металла. В растворе ион металла взаимодействует с водой, при этом его энергия снижается до значения Е2 и становится меньше энергии атома в кристаллической решетке (рис. 6.1). В связи с этим процесс ионизации металла идет самопроизвольно.
При переходе ионизированного атома в раствор в металле остается избыточный отрицательный заряд и металл заряжается отрицательно. Отрицательно заряженная поверхность металла удерживает положительно заряженные ионы на определенном расстоянии от поверхности, отвечающем их минимальной потенциальной энергии. Вследствие этого образуется двойной электрический слой, напоминающий плоский конденсатор (рис* 6,2). Наличие электрического поля оказывает влияние на энергию атомов в металле и ионов  в электролите.

Рис, 6.1. Изменение энергии иона при переходе его из металла в раствор
Рис. 6.2. Образование двойного электрического слоя вблизи границы металла с раствором

Это влияние можно наглядно  проследить, мысленно перемещая положительно заряженный ион к ионной обкладке двойного слоя. Для этого перемещения необходимо затратить определенную энергию на преодоление сил отталкивания одноименных зарядов и сил притяжения разноименных зарядов. С увеличением количества ионов в растворе их энергия постепенно возрастает
Перемещаясь к отрицательно заряженной поверхности металла, ион совершает работу и энергия его снижается. По мере развития процесса во времени энергия атомов в металле постепенно уменьшается. Таким образом, каждый акт ионизации увеличивает электрическое поле в двойном слое до тех пор, пока энергия; атомов в металле и энергия ионов в растворе не сравняются. В этом состоянии энергия активации процесса ионизации

называемого анодным процессом, и энергия обратного процесса

называемого катодным, равны. Становятся равными и скорости этих процессов, в результате чего достигается состояние динамического равновесия, а между металлом и раствором реализуется скачок потенциала.
Если бы в приведенных выше реакциях принимали участие   атомы и ионы одного и того же металла, то в состоянии динамического равновесия переход атомов металла в раствор непрерывно компенсировался бы восстановлением ионов, переходящих из раствора в металл.
В действительности же в катодном процессе кроме ионов растворяющегося металла могут принимать участие ионы водорода, кислорода или другие окислители. Скорости катодного и анодного процессов по-прежнему выравниваются. Однако в этом случае число атомов, перешедших в раствор, оказывается больше числа восстановившихся ионов, т. е. имеют место растворение металла и коррозия, обусловленные протеканием электрохимических процессов.

Коррозионное растрескивание под напряжением.

Одной из серьезных проблем современного атомного энергомашиностроения является предупреждение коррозионного растрескивания аустенитных нержавеющих сталей. Это наиболее опасный вид местной коррозии, свойственной некоторым металлам, обладающим высокой общей коррозионной стойкостью.
Основными причинами коррозионного растрескивания являются нормальные растягивающие напряжения и агрессивная среда. Наличие напряжений — необходимое условие для коррозионного растрескивания. Напряжения могут быть при этом либо приложены извне, либо являться остаточными, но они всегда должны быть растягивающими. Агрессивная среда, вызывающая коррозионное растрескивание, специфична для каждого металла. Так, у нержавеющих аустенитных сталей коррозионное растрескивание вызывают хлориды и кислород при их совместном действии.
Вода второго контура, особенно в судовых установках, может содержать хлориды, поэтому проблема коррозии под напряжением приобретает важное значение при изготовлении ПГ АЗУ из аустенитной нержавеющей стали.
Коррозионное растрескивание не сопровождается появлением видимых продуктов коррозии.
Особая опасность коррозии под напряжением состоит в возможности внезапного разрушения трубных систем, изготовленных из аустенитных нержавеющих сталей.
При коррозии под напряжением трещины коррозионного растрескивания могут иметь межкристаллитный, транскристаллитный или смешанный характер. Однако в большинстве случаев разрушение металла происходит через зерна структуры кристаллической решетки, поэтому этот вид коррозии именуется также транскристаллитной коррозией.
Коррозионное растрескивание под напряжением следует отличать от межкристаллитной коррозии, которая может происходить и без наличия растягивающих напряжений.
Возникновение транскристаллитных трещин начинается с местного разрушения оксидной пленки и появления на поверхности детали каверны (язвы), являющейся концентратором напряжений. По мере углубления каверны напряжения на ее дне могут существенно возрасти и даже превысить предел, текучести. Время развития каверны до достижения предела текучести фактически определяет долговечность детали и является мерой интенсивности процесса при коррозии под напряжением. В зависимости от условий это время изменяется в широких пределах (от нескольких: минут до нескольких тысяч часов).
Вторая стадия характеризуется появлением и скачкообразным развитием трещины в направлении, примерно перпендикулярном наибольшей компоненте разложенного растягивающего напряжения. Обычно время развития трещины незначительно, в некоторых же случаях трещина развивается с катастрофической скоростью (более 1 см/ч).
Характерными для транскристаллитной коррозии являются хрупкий характер разрушения без утонения детали, развитие трещины от поверхности, соприкасающейся с агрессивной средой,, и преимущественное образование трещин в местах повышенных: напряжений и концентрации агрессивного агента. Ввиду неравномерности внешних и внутренних напряжений у трубопроводов, особенно в местах гибов, микротрещины часто проходят стенки насквозь еще до разрушения всего сечения трубы, вследствие чего образуется микротечь радиоактивной среды в помещение отсека или (через трубную систему ПГ) во второй контур. Экспоненциальное увеличение скорости микротечи является признаком развития последнего этапа транскристаллитной коррозии и требует быстрого принятия мер для предотвращения аварии, связанной с потерей теплоносителя.

Межкристаллитная коррозия.

Межкристаллитная коррозия: характеризуется разрушением металлов, находящихся в агрессивной среде, по границам между кристаллами (зернами). В отличие от коррозионного растрескивания под напряжением этот вид коррозии может возникнуть и при отсутствии растягивающих напряжений.
Рассмотрим в общих чертах механизм межкриcталлитной коррозии. Углерод, входящий в состав аустенитных нержавеющих сталей, после аустенизации (выдержка при температурах 1050— 1100°С с последующим охлаждением на воздухе) растворяется в аустените, С уменьшением температуры растворимость углерода в твердом растворе снижается. Однако поскольку после аустенизации сталь охлаждается достаточно быстро, углерод остается растворенным в аустените и при комнатной температуре. Выделению карбидов (прежде всего карбида хрома) препятствует низкая скорость диффузии углерода. При нагреве до температур 400—800 °С скорость диффузии углерода становится достаточной, чтобы за короткое время образовались и выпали карбиды хрома.. Новая фаза образуется преимущественно по границам зерен. При этом аустенит по границам зерен обедняется хромом. Поскольку скорость диффузии углерода достаточно велика, углерод продолжает диффундировать из глубины зерен к границам и связывает новые порции хрома, при этом аустенит по границам зерен еще более обедняется хромом. В то же время при температурах 400— 800 °С скорость диффузии хрома существенно ниже скорости   диффузии углерода, поэтому хром практически не поступает из тела зерна и его концентрация на границе не выравнивается.

Коррозионная стойкость нержавеющих сталей в первую очередь определяется содержанием в них хрома. Снижение содержания хрома ло границам зерен до 8—10% по сравнению с 17— 19% в центре зерна существенно увеличивает скорость коррозии стали именно по границам зерен [33].
Межкристаллитной коррозии подвержены в основном нержавеющие стали аустенитного класса. Она обнаруживается только после выдержки аустенитной стали при температурах 400—800 °С, главным образом при сварке, горячей обработке и при работе установки с высокотемпературным теплоносителем. Межкристаллитная коррозия особенно опасна тем, что внешний вид поверхности стали при этом не изменяется и поэтому обнаружить эту коррозию у готовых аппаратов весьма трудно, в то время как потери механической прочности при ней бывают значительными.
В результате межкристаллитной коррозии сталь становится хрупкой, что особенно опасно в условиях работы ЯЭУ, так как внезапное разрушение элементов первого контура   может привести к его разгерметизации и к радиоактивному заражению помещений.
Установлено, что подверженность стали межкристаллитной коррозии способствует в ряде случаев возникновению и ускорению процесса коррозионного растрескивания.
Основной причиной межкристаллитной коррозии аустенитной стали является возникновение электрохимической гетерогенности поверхности. Границы зерен становятся анодами, остальная часть поверхности —  катодами. Так как отношение поверхности анодных участков к катодным очень мало, скорость разрушения границ зерен, являющихся анодами, весьма велика. Это и приводит к возникновению межкристаллитных трещин. Продукты же коррозии, имеющие, как правило, больший объем, чем объем основного металла, расклинивают микротрещины, увеличивая концентрацию внутренних напряжений, усиливающих коррозию.



 
« Федеральная программа США по ветроэнергетике   Экологические аспекты внедрения газотурбинных технологий в Башкирэнерго »
электрические сети