Модернизация и реконструкция систем парогенераторов АЭС с ВВЭР для повышения надежности

Федеральное Государственное предприятие «Российский государственный концерн по производству электрической и тепловой энергии на атомных станциях» (концерн «Росэнергоатом») образовано Указом Президента Российской Федерации «Об Эксплуатирующей организации атомных станций Российской Федерации» от 7 сентября 1992 roflaN 1055 [1]. Этим Указом устанавливается, что концерн «Росэнергоатом» является государственным предприятием, осуществляющим собственными силами и с привлечением других предприятий (организаций) деятельность на всех этапах жизненного цикла атомных станций по выбору площадок, проектированию, строительству, вводу в эксплуатацию, эксплуатации, снятию с эксплуатации, а также иные функции эксплуатирующей организации. ОАО «Концерн Энергоатом» является правопреемником ФГУП концерн «Росэнергоатом». В своей деятельности ОАО «Концерн Энергоатом» руководствуется Федеральной целевой программой «Энергоэффективная экономика» на 2002;2005 гг. и на перспективу до 2010 г., утвержденной Правительством Российской Федерации постановлением от 17 ноября 2001 г. [2]. Повышение надежности, увеличение межремонтного периода эксплуатации ПГ требуется для выполнения «Программы увеличения выработки электроэнергии на действующих энергоблоках АЭС ОАО „Концерн Энергоатом“ на 2007;2015 годы», составной частью которых является переход на 18-ти месячный топливный цикл энергоблоков ВВЭР-1000 и продление сроков эксплуатации блоков. На современном этапе реализации Программ основным средством достижения установленных показателей становятся технические мероприятия, направленные на продление срока службы основного оборудования АЭС, повышение КИУМ и КПД (эл).

В процессе эксплуатации реакторных установок типа ВВЭР—1000 в России и за рубежом серьезной проблемой явилась неплановая замена парогенераторов (ПГ). Именно поэтому одним из направлений повышения сроков безотказной работы энергоблоков АЭС с ВВЭР—1000 является предупреждение простоев, связанных с необходимостью устранения повреждений узлов ПГ типа ПГВ—1000(М). Эти повреждения, как правило, обязаны своим происхождением интенсивному протеканию коррозионных процессов. Замедлить частоту негативного проявления этих процессов задача реальная. Однако исключить их совсем невозможно, ибо это процессы, диктуемые самой природой. Можно лишь отодвинуть сроки, когда будет выявлено повреждение, тем самым повысить продолжительность безотказной работы, а значит и КИУМ.

До настоящего времени внеплановая замена проводилась по двум причинам:

— образование трещин в перемычках между отверстиями для ввода теплообменных трубок (ТОТ) «холодных» коллекторов (ХК) ПГ;

— массовый выход из строя ТОТ ПГ в сумме, превышающей их технологический запас.

Причем, технология глушения теплообменных трубок не гарантирует плотность узла глушения в течение оставшегося срока службы ПГ. Это приводит к повторным разуплотнением дефектных трубок и неплановым остановам блока, что причиняет значительный экономический ущерб.

Кроме перечисленных фактов выхода из строя ХК и ТОТ на некоторых ПГ проявилось новое место повреждения, связанное с растрескиванием зоны термического влияния (ЗТВ) сварного шва № 111 (приварки сильфона «горячего» коллектора (ГК) к корпусу ПГ).

Перечисленные проблемы приводят к внеплановым продолжительным простоям энергоблоков и оказывают реальное негативное влияние на устойчивость энергообеспечения стран, развивающих энергетику на основе реакторов типа ВВЭР-1000.

Совокупной причиной повреждений является отсутствие оптимальности сочетания: конструкции ПГ, технологии его изготовления, режимов эксплуатации, набора конструкционных сплавов второго контура АЭС с ВВЭР и проектной обвязки ПГ.

Отдельно можно дифференцировать причины повреждения по «критическим» элементам ПГ.

Причины повреждения трубных пучков. Ускоренное накопление общей меры повреждения металла элементов ТОТ (теплообменных трубок) под воздействием по крайней мере трех одновременно протекающих процессов: усталости, питтингообразования и хлоридо-кислородного растрескивания, происходящих на фоне несимметричности ПГ при завышенной исходной концентрации хлорид-иона, его концентрирования при кипении в отложениях и применения гидразин-аммиачного ВХР для существующего набора конструкционных сплавов второго контура, включающего стали аустенитного и перлитного класса, а также медь-содержащие сплавы.

Роль технологических режимов эксплуатации в ускорении накопления коррозионной составляющей меры повреждения металла ТОТ и коллекторов состоит в прямой зависимости от качества воды, в соответствии с действовавшими во время пусков нормами ВХР (с завышенными значениями по концентрации хлорид-иона). Это так и не было компенсировано даже после пяти коррекций норм ВХР в сторону ужесточения. Кроме того, можно констатировать отсутствие рекомендаций по компенсирующим мероприятиям после эксплуатации металла в условиях нарушения норм ВХР и отсутствие нейтрализации адсорбированной кислоты после химической отмывки при пониженных показателях рН. Исходный регламент продувки не обеспечивал требуемого качества котловой воды и эффективного удаления из ПГ шлама. Вместе с несимметричностью конструкции и удельных тепловых нагрузок, а также существования объемов со скоростями потоков пароводяной смеси, близкой к нулевым значениям, это приводит к локальному накоплению шламов, подшламовой коррозии, гидролизу с понижением рН в зоне контакта коррозионной среды и металла элементов ПГ под отложениями, содержащими медь. Медь в отложениях образуется после термолиза аммиачных комплексов меди, образовавшихся при контакте аммиака с медными сплавами трубных пучков конденсаторов и ПНД. Процессы повреждения стали 08Х18Н10Т (основного металла трубок ПГ) — это коррозионная усталость и образование питтингов. Математически эти процессы описаны и известен перечень факторов участвующих в повреждении. Поэтому, обоснованным и целенаправленным изменением техническими средствами числовых значений влияющих факторов можно отодвинуть сроки проявления коррозионных и коррозионно-усталостных повреждения за пределы назначенного ресурса. Это весьма актуально, ибо в соответствии с «Программой развития атомной энергетики Российской Федерации на 1998;2005 годы и на период до 2010 года» (утверждена Постановлением Правительства Российской Федерации от 21.07.1998 г., № 815) [5] и «Программой работ по продлению срока службы энергоблоков первого поколения» (утверждена Первым заместителем министра от 16.02.1998 г.) [6] на первый план выдвигаются именно вопросы управления ресурсом основного оборудования, включая трубные пучки ПГ.

Цель диссертации — разработка методов управления сроком службы парогенераторов типа ПГВ-1000М.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• Определены и систематизированы значимые факторы, способствующие протеканию основных и сопутствующих частных процессов повреждения металла элементов парогенератора (ПГ).

• По результатам структурного анализа систем парогенератора, анализа отказов металла элементов парогенераторов типа ПГВ-1000, составлен перечень систем, а также установлена потенциальная возможность их реконструкции и модернизации для ослабления негативного влияния значимых факторов в основных и сопутствующих процессах повреждения конструкционных сплавов.

• Проведен комплекс работ по модернизации ПГ и систем их обвязки.

• Проведены комплексные испытания парогенераторов на разных блоках для оценки эффективности работ по модернизации и реконструкции. По результатам испытаний определен оптимальный вариант внутрикорпусных устройств, системы и регламента продувки, системы измерения уровня в ПГ.

• Разработаны методы химической промывки ПГ с локальными зонами скоплений отложений.

• Проведены оценки эффективности реконструктивных и технологических мероприятий по фактору приращения ресурса металла элементов ПГ.

Научная новизна диссертации состоит в том, что впервые:

1. Проблема повреждения металла элементов ПГ рассмотрена комплексно на всех этапах жизненного цикла с учетом конструктивных изменений ВКУ, систем обвязки и режимов эксплуатации ПГ.

2. Проведен анализ причин деградации трубных пучков, «растрескивания» «перемычек» в зоне перфорации коллекторов, повреждения металла в зоне термического влияния сварных швов в «карманах» ПГ. Выявлены ключевые факторы, приводящие к повреждению металла перечисленных конструкционных элементов ПГ.

3. Разработан метод управления сроком службы ПГ АЭС с ВВЭР посредством реализации комплекса мероприятий по модернизации и реконструкции систем ПГ, совершенствования технологии химической промывки ПГ, режимов эксплуатации ПГ.

4. Уточнены и реализованы технические мероприятия по устранению причин формирования скоплений шлама, замедлению коррозионных процессов, что ранее приводило к преждевременному повреждению металла элементов ПГ.

5. Проведена расчетная оценка эффективности проведенных мероприятий по критерию приращения ресурса.

Суть новизны состоит в том, что разработан алгоритм комплексного усовершенствования ПГ и систем их обвязки, который должен проводиться последовательно и целенаправленно. Этот комплекс позволяет уменьшить или ликвидировать последствия реализации неоптимальных проектных и конструкторских решений, а также отдельных недостаточно обоснованных, но выполненных ранее работ по модернизации систем обвязки ПГ, и несовершенных характеристик режимов эксплуатации и испытаний ПГ.

В частности, с участием автора и по его предложению впервые на Калининской АЭС были проведены работы по реконструкции системы продувки ПГ, разработаны принципиально новые регламенты продувки и контроля за ВХР ПГ.

С участием автора и по его предложению были проведены работы по исследованию и разработке новых регламентов продувки с учетом влияния реконструкции систем водопитания и сепарации на изменение распределения концентраций растворимых солей и шлама в объеме воды II контура ПГ.

Автором было разработано устройство [7] и реализована новая технология химической отмывки ПГ с паровым подогревом моющих растворов и интенсивной локальной отмывкой зон скопления отложений и шлама.

Автором была предложена и внедрена система температурного контроля за наличием расхода по всем линиям продувки ПГ, которая также позволяет контролировать и устранять термические воздействия на металл «карманов» ПГ «обратных» токов «холодной» продувочной воды.

С участием автора и по его предложению были применены новые типы защитных устройств на уровнемерах с базой ЮОО (бЗОмм), которые устранили разность показаний уровнемеров с различными базами как в номинальном, так и в переходных режимах.

Именно этот комплекс работ в совокупности с разневоливанием и низкотемпературной термообработкой коллекторов, наладкой режимов при эксплуатации и испытаниях ПГ позволил обеспечить более чем 23-х летнюю безотказную работу ПГ Клн АЭС.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации.

1. Выполнение комплекса предлагаемых работ в значительной мере обеспечило безаварийную надежную эксплуатацию ПГ Клн АЭС в течение более 180 тыс. часов. Увеличился период эксплуатации ПГ между хим. промывками. Результаты вихретокового контроля теплообменных трубок ПГ показывают значительное снижение скорости развития дефектов на трубчатке ПГ. Аналогичные результаты получены на Балаковской, Ровенской АЭС, ЮУАЭС после внедрения мероприятий по модернизации схем и регламентов продувки, внедрения установки для повышения эффективности отмывки зон локального скопления шлама и «карманов» ПГ.

2. Сопоставление результатов химических отмывок по различным технологиям показало, что наиболее оптимальной является технология, разработанная диссертантом для Клн АЭС, т.к. она позволяет отмыть зоны локального скопления шлама в трубном пучке и «карманы» ПГ.

3. Комплексные испытания на ПГ Балаковской, Волгодонской, Калининской, Нововоронежской АЭС подтвердили эффективность комплекса работ, проведенного на Калининской АЭС. Конструктивные и схемные решения, примененные на Калининской АЭС, вошли в проектные решения по новым блокам АЭС с ВВЭР-1000.

Практическая ценность работы.

• Обоснованы, разработаны и внедрены на бл.1−3 Калининской АЭС модернизированные схемы и регламенты продувки, системы измерения уровня, схемы и регламенты химических промывок, схемы температурного контроля за ПГ и системой продувки, проведена модернизация внутрикорпусных устройств ПГ.

• Комплекс работ, проведенный на бл. 1,2 Калининской АЭС обеспечил эксплуатацию этих блоков без замены ПГ. Наработка ПГ блока 1 Калининской АЭС составляет боле 180 тыс. часов, что превышает наработку всех других ПГ на АЭС с ВВЭР-1000.

• По основе опыта Калининской АЭС аналогичные работы проводятся на Балаковской и Нововоронежской АЭС.

На защиту выносятся:

1. Анализ причин отказов металла элементов парогенераторов типа ПГВ-1000. Значимые факторы, способствующие протеканию основных и сопутствующих процессов повреждения металла элементов ПГ.

2. Метод управления сроком службы ПГ АЭС с ВВЭР посредством реализации комплекса мероприятий по модернизации и реконструкции систем ПГ, совершенствования технологии химической промывки ПГ, режимов эксплуатации ПГ.

3. Расчетная оценка эффективности проводимых мероприятий по фактору приращения ресурса металла элементов ПГ.

Личный вклад автора в получение научных результатов, изложенных в диссертации, состоит в следующем:

— автор обосновал и провел на ПГ бл.1−3 Калининской АЭС комплекс работ по модернизации ВКУ, системы продувки, системы измерения уровня, системы химической отмывки ПГ;

— автор непосредственно участвовал в организации и выполнении работ по модернизации ВКУ, систем обвязки и химической отмывки ПГ на Балаковской, Южно-Украинской, Ровенской АЭС;

— автор организовал выполнение комплексных испытаний на всех АЭС с ВВЭР-1000 России и анализ их результатов;

— автор провел расчетную оценку эффективности проводимых мероприятий по повышению ресурса элементов ПГ;

— автор является одним из разработчиков концепции и отдельных элементов программы «Концерна Энергоатом» по повышению эксплуатационной надежности и ресурса ПГ АЭС с ВВЭР.

Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований были представлены на следующих семинарах и конференциях:

— VII международный семинар по горизонтальным ПГ, Подольск, 3−5 октября 2006 г. — Подольск: ФГУП ОКБ «Гидропресс»;

— V международная научно-практическая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», Подольск, 29 мая- 1 июня 2007 г.- Подольск: ФГУП ОКБ «Гидропресс»;

Семинар МАГАТЭ «Целостность трубок парогенераторов», Удомля, 2730 ноября 2000 г. — Удомля: Калининская АЭС.

Внедрение. Результаты работ внедрены на Клн АЭС, ЮУАЭС, БалАЭС, РовАЭС, НВАЭС и находятся в стадии тиражирования на других АЭС.

Публикации:

1. Давиденко Н. Н., Трунов Н. Б., Сааков Э. С., Березанин А. А., Богомолов И. Н., Дерий В. П., Немытов Д. С., Усанов Д. А., Шестаков Н. Б., Щелик С. В. Теплохимические испытания ПГ для выбора оптимального регламента продувки ПГ и оценки влияния ВКУ на распределение растворимых примесей в объеме ПГ// Теплоэнергетика. — 2007. — № 12. — С. 37−41.

2. Немытов Д. С., Бараненко В. И., Жидков С. В., Березанин А. А., Усанов Д. А. Разработка методики оценки остаточного ресурса ПГ ПГВ-1000 по числу заглушённых труб //Безопасность АЭС и подготовка кадров: тез. докл. X Международная конференция, Обнинск, 1−4 октября 2007 г.- Обнинск: ИАТЭ, 2007.-Ч.1. -С. 118.

3. Давиденко Н. Н., Березанин А. А., Усанов Д. А., Немытов Д. С., Щелик С. В. Мониторинг эксплуатационных состояний ПГ// Безопасность АЭС и подготовка кадров: тез. докл. X Международная конференция, Обнинск, 1−4 октября 2007 г.- Обнинск: ИАТЭ, 2007.-Ч.1. — С. 110.

4. Бакиров М. Б., Клещук С. М., Немытов Д. С. Чубаров С.В., Березанин А. А. Анализ состояния, режимов эксплуатации и конструктивного исполнения ПГ АЭС с ВВЭР-1000 на примере энергоблока 2 Калининской и № 3 Балаковской АЭС// Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР: тез. докл. Y международная научно-техническая конференция, Подольск, 29 мая — 1 июня 2007 г. -Подольск: ФГУП ОКБ «Гидропресс», г. Подольск, 2007.

5. Березанин А. А., Давиденко Н. Н., Усанов А. И. Применение систем диагностики для контроля состояния тепломеханического оборудования// Теплоэнергетика.-2009. — № 12.-С.7−11.

6. Березанин А. А., Горбатых В. П., Установка для периодической продувки парогенератора, приоритет от 28 июня 2004 г., Патент № 41 510, зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей Российской федерации 27 октября 2004 г.

Общие выводы.

1. На основе анализа отказов металла элементов парогенераторов типа ПГВ-1000 установлены причины, количественные зависимости и значимые факторы в математических моделях основных частных процессов повреждения конструкционных сплавов: коррозионное растрескиваниеусталостьводородная хрупкость.

2. Впервые автором по результатам обзора публикаций о механизмах повреждения металла элементов разработан перечень сопутствующих процессов повреждения и значимых факторов в этих процессах.

3. Впервые автором по результатам структурного анализа систем парогенератора типа ПГВ-1000 составлен перечень систем и установлена потенциальная возможность их реконструкции и модернизации для ослабления негативного влияния значимых факторов в основных и сопутствующих процессах повреждения конструкционных сплавов.

3. Впервые под техническим руководством автора на парогенераторах действующих энергоблоков АЭС с ВВЭР-1000, внедрены следующие технические мероприятия:

3.1. Разделены линии продувки «торцов» и «карманов» ПГ с помощью автоматического управления электроприводной арматурой, что повысило эффективность продувки от шлама «карманов» коллекторов ПГ и мест его скопления шлама в трубном пучке;

3.2. Дополнительно линии продувки оснащены датчиками температурного контроля расхода линиям продувки, что позволяет выявить и исключить режимы работы продувки с возникновением обратных токов «холодной» воды в «карманы» ПГ и снижает накопление усталости сварного шва № 111.

3.3. Отработаны и внедрены принципиально новые регламенты продувки ПГ от растворимых примесей и от шлама для предупреждения накопления шлама, что снижает удельную загрязненность поверхность теплообменных трубок и уменьшает кратность концентрирования коррозионно-агрессивных примесей, а также скорость накопления водородной хрупкости.

3.4. Проведены комплексные испытания ПГ (Приложение 9) на различных блоках, что позволило выбрать и внедрить на ряде блоков оптимальный вариант ВКУ системы и регламентов продувки, системы измерения уровня, которые обеспечивают управление наработкой до отказа металла элементов систем парогенераторов посредством: оптимального распределения растворимых примесей по объему ПГэффективной продувки от шлама «карманов» и зон локального его скопления в трубных пучках ПГобеспечения устойчивой работы системы измерений и поддержания уровня в стационарных и переходных режимах, что уменьшает при эксплуатации количество режимов со снижением уровня ниже верхних рядов трубных пучков и способствует замедлению динамики накопления поврежденных коррозионным растрескиванием теплообменных трубок .

4. Впервые автором обоснована и реализована новая технология химической промывки ПГ, которая за счет внедрения специальной установки обеспечивает эффективную отмывку зон локального скопления шлама на трубном пучке и в «карманах» ПГ Усовершенствован состав моющей композиции, обоснованы оптимальные параметры моющих композиций (повышен водородный показатель рН).

5. Реализованные технические и технологические мероприятия замедлили скорости протекания основных и сопутствующих частных процессов повреждения, что подтверждается результатами вихретокового контроля трубок ПГ (Приложение 9).

6. Расчетные методы оценки остаточного ресурса металла элементов ПГ и данные эксплуатационного контроля (вихретоковый контроль трубчатки и ультразвуковой контроль металла «карманов») были использованы для оценки эффективности обоснованных, перечисленных мероприятий по модернизации и реконструкции систем парогенераторов по критерию приращения ресурса и показали что:

— скорости роста питтингов даже при наличии меди в отложениях на ТОТ (наработка до отказа на 2Клн АЭС — более 20 лет) резко замедлились и сопоставимы со скоростями их роста без меди в отложениях (минимальная наработка до отказа 250 000 часов);

— динамика отказов ТОТ резко замедлилась;

— отсутствует регистрация трещин в металле перемычек перфорированной зоны коллекторов над неперфорированным клином;

— снизилось количество регистраций повреждений СШ№ 111;

— наработка парогенераторов Клн АЭС, на которых наиболее полно реализованы мероприятия по модернизации и реконструкции систем, а также применена усовершенствованная технология химических отмывок приближается к 180 000 часов.

7. Вышеперечисленное позволяет утверждать, что поставленные задачи решены, и сформулированная цель достигнута.

СОКРАЩЕНИЯ И ТЕРМИНЫ.

АПВ — аварийная питательная водаАЭС — атомная электрическая станцияБал АЭС — Балаковская АЭСВДАЭС — Волгодонская АЭСНВ АЭС — Нововоронежская АЭСКлн АЭС — Калининская АЭСРов АЭС — Ровенская АЭС ЮУ АЭС — Южноукраинская АЭС.

АХК— автоматизированный химический контроль (система);

БОУ — блочная обессоливающая установка;

БЩУ — блочный щит управления;

ВВЭР — водо-водяной энергетический реактор;

ВВЭР-1000 — тип реакторной установки мощностью 1000 МВт;

ВКУ — внутрикорпусные устройства;

ВО — водородное хрупчивание;

ВПЭН — вспомогательный питательный электронасос;

ВХР — водно-химический режим;

ГЦН — главный циркуляционный насос;

ДРУ — дроссельно-регулирующее устройство;

ИЭ — инструкция по эксплуатации;

ЗТВ — зона термического влияния;

КИП — контрольно-измерительные приборы;

КИУМ — коэффициент использования устанволенной мощности;

КПД (эл) — коэффициент полезного действия (электрический);

КПН — коррозия поднапряжением;

КПТ — конденсатно-питательный тракт;

КР — коррозионное растрескивание.

КТН — коллектор теплоносителя;

ХК — «холодный» коллектор (коллектор вывода теплоносителя из ПГ) — ГК — «горячий» коллектор (коллектор ввода теплоносителя в ПГ) — ЗТВ — зона термического влияния;

МП — мера повреждения металла элемента оборудования энергоблокаМПП — межпрокладочная полость;

ОКБ ГП — опытное конструкторское бюро «Гидропресс».

ПВ — питательная вода;

ПВД — подогреватель высокого давления;

ПГ — парогенератор;

ПНД — подогреватель низкого давления;

Пт — образование питтингов;

ПТН — поле характеристик технологической наследственности;

ПКАС — поле характеристик коррозионно-агрессивной среды;

ПНДС — поле характеристик напряженно-деформированного состояния;

ПРК — предохранительный клапан;

ПСВподогреватель сетевой воды;

РП — расширитель продувки;

РТО — регенеративный теплообменник;

РУ — реакторная установка;

СВО — спецводоочистка;

СО — «солевой» объем (отсек);

ТГ — турбогенератор;

ТПН — турбопитательный насос;

ТОТ — теплообменная трубка (змеевик);

ТХИ — теплохимические испытания (.

ТЦ — турбинный цех;

У — усталость;

УС — уравнительный сосуд;

УЭП — удельная электропроводность.

ФСД — фильтр смешанного действия;

ЧПП — частный процесс повреждения металла;

ХКР — хлоридо-кислородное коррозионное растрескивание ;

Х.О. — химическая отмывка;

ЭДТК — этилен-диамин-тетра-уксусная кислота;

ЭМФ — электромагнитный фильтр;