С корреспондентами электронного периодического издания AtomInfo.Ru беседует главный конструктор и начальник отделения парогенераторов и тепломеханического оборудования ОКБ "Гидропресс" доктор технических наук Николай Борисович ТРУНОВ.
Коррозионная машина
Давайте начнём наш разговор с того, что попытаемся понять - что же такое парогенератор (ПГ) для ВВЭР? Это огромная горизонтальная бочка для выработки пара за счет тепла, получаемого от первого (реакторного) контура и подаваемого на турбину для выработки электроэнергии.
Парогенератор "снимает" огромное тепло, образующееся в реакторе за счет ядерных процессов, и делает это во всех режимах, в том числе и аварийных.
Получение пара, казалось бы, давно известная простая вещь. Но нельзя забывать, что ПГ - это зона, где взаимодействуют между собой среды (вода и вода-пар) с разными температурами и скоростями и возникают температурные поля и напряжения. Более того, ПГ - огромный отстойник всего второго контура и конденсата питательного тракта. Сюда направляются прямым путём все загрязнения, которые есть во втором контуре.
Вместе с тем, и это очень важно, ПГ является барьером (границей) между первым радиоактивным контуром и водо-паровой средой, имеющей контакт с окружающим пространством, в связи с чем этот барьер должен быть надёжным (плотным).
Чтобы лучше представлять себе, что происходит внутри ПГ, сравните несколько цифр. В него вливается полторы тысячи тонн воды в час, а выливается в двести раз меньше. Всё остальное выходит в виде пара. В этих условиях ПГ превращается в настоящую коррозионную машину, где все загрязнения упариваются и концентрируются. При этом, кстати, возникает отдельная проблема - как их оттуда выводить?
Для изучения процессов, идущих в ПГ, применяют целый набор научных дисциплин. Это тепломассообмен, гидродинамика, механические дисциплины, сопромат, металловедение, химия (включая электрохимию), математическая статистика и многие другие. Как правило, в одной организации очень трудно собрать специалистов по всем этим направлениям. Хотя, не без гордости, могу отметить, что в "Гидропрессе" такой состав специалистов есть. И, благодаря этому, именно у нас созданы все ПГ, успешно работающие на АЭС с ВВЭР.
Если характеризовать состояние дел на сегодняшний момент, то следует признать - коррозионные процессы в ПГ изучены ещё недостаточно. Я говорю сейчас не только про Россию. За рубежом в ПГ также очень хорошо "покопались". У них был проведен огромный объём НИОКР, который даже не на порядок, а на несколько порядков превышает сделанное у нас.
Тем не менее, на последней крупной международной конференции по коррозии, которая состоялась в Канаде в прошлом году, известный эксперт по этой проблеме Питер Форд (Peter Ford) сказал - на сегодняшний день наука не даёт прямого ответа на возможности прогнозирования процессов коррозии, и прежде всего это относится к парогенераторам.
Доктор Питер Форд на протяжении многих лет возглавлял программу по борьбе с коррозией в американской компании "General Electric". В настоящее время вышел на пенсию, но сохранил связи с отраслью и выступает в качестве консультанта ряда компаний и Комиссии по ядерному регулированию США. Доктор Форд в своих публичных выступлениях неоднократно подчёркивал, что проблемы деградации свойств материалов и коррозии станут главными вызовами для легководных реакторов в ближайшем будущем.
Никель против стали
Развитие ПГ для российских и зарубежных реакторов происходит принципиально разными путями. В проектах наших конкурентов применяются вертикальные ПГ, где используются горизонтальные трубные доски и вертикальные U-образные трубки. В России с самого начала создания тематики ВВЭР был взят курс на горизонтальные ПГ. В таких аппаратах корпус расположен горизонтально, трубки устанавливаются горизонтально в виде плоских горизонтальных змеевиков, а змеевики соединяются с вертикальными коллекторами. Кроме этого, отечественные и иностранные ПГ отличаются друг от друга выбором конструкционных материалов.
Как видите, речь идёт о совершенно разных конструкциях. Можно долго говорить и спорить, почему так произошло, почему на Западе склонились к одному типу ПГ, а у нас - к другому. Но, тем не менее, следует признать - сейчас это оформившиеся направления в истории парогенераторостроения, которые прошли сложный и извилистый путь длиной свыше 40 лет.
Выдержки из статьи Н.Б.Трунова, Б.И.Лукасевича, В.В.Сотскова, С.А.Харченко "Прошлое и будущее горизонтальных парогенераторов" (ОКБ "Гидропресс").
С момента появления энергетических реакторов с водой под давлением в США и СССР наметились две различные конструктивные концепции ПГ - вертикальная и горизонтальная. В первом случае вертикальные корпус и U-образные теплообменные трубы, заделанные в горизонтальную трубную доску, во втором - горизонтальный корпус и горизонтальные змеевики поверхности теплообмена, заделанные в вертикальные коллекторы первичного теплоносителя.
Принципиально различным был и выбор материала трубчатки - высоконикелевые сплавы или нержавеющая сталь. Сегодня можно лишь предполагать, чем в 50-х - 60-х годах руководствовались разработчики при выборе той или иной конструкции. Вероятно, принимали во внимание вопросы размещения оборудования, теплогидравлические и другие схемные положения, возможность применения при производстве имеющейся и освоенной технологии.
Очевидно, и в те времена учитывались вопросы экономики и, безусловно, важную роль имел опыт изготовления и эксплуатации теплообменных аппаратов традиционной энергетики.
На сегодняшний день можно констатировать, что обе конструктивные концепции окончательно оформились в устойчивые направления с богатой историей, включая успехи и ошибки. Опыт эксплуатации показал слабые места конструкций, которые устранялись по мере накопления этого опыта. К сожалению, ценой этого опыта часто была замена ПГ.
Я должен сказать, что, если исходить из сравнения опыта эксплуатации ПГ двух типов, горизонтальные ПГ в целом выглядят лучше. Только один пример - из первого поколения вертикальных ПГ потребовалось заменить более 300 штук. Здесь, конечно, сыграл свою роль неудачный выбор конструкционных материалов, проблема пресловутого сплава 600.
На первых порах и в СССР, и в США использовались похожие материалы для производства ПГ - нержавеющие стали. Но применение нержавеющей стали SS304 на первой коммерческой атомной станции в Соединённых Штатах - АЭС "Шиппингпорт" (Shippingport) дало отрицательный результат. Уже спустя 150 часов пуска станции в ПГ потекли две теплообменных трубки. Проблемы продолжились на "Янки Роу", первом блоке "Индианы Пойнт" и целом ряде некоммерческих реакторов.
Столкнувшись с трудностями, американские специалисты приняли решение о переходе на сплав 600MA. Они посчитали, что высоконикелевый сплав окажется коррозионностойким. Но жизнь показала, что это не так. Начиная с 1980 года, на АЭС Соединённых Штатов и других стран, построенных по американским проектам, пошла череда замен ПГ.
Вместо сплава 600, новые вертикальные аппараты изготавливаются из сплава 690TT. Проблема коррозии для них пока утратила свою остроту, зато проявились другие неприятные эффекты - например, виброизнос. Причём предугадать негативные явления на стадии проектирования оказалось практически невозможно. Почти все они были обнаружены только при эксплуатации.
Выдержки из статьи В.Д.Бергункера "Целостность теплообменных труб вертикальных и горизонтальных парогенераторов (сравнительный анализ)" (ОКБ "Гидропресс").
Используемая для российских теплообменных труб сталь 08Х18Н10Т и использовавшийся для теплообменных труб вертикальных ПГ сплав 600МА оказались на противоположных сторонах "коррозионной ямы". Российская сталь имеет высокую склонность к транскристаллитной коррозии под напряжением, американский сплав - к межкристаллитной коррозии под напряжением. Как показал опыт эксплуатации, именно эти два коррозионных процесса и определяли в основном деградацию теплообменных труб на вертикальных и горизонтальных ПГ…
…подводя итоги по вертикальным ПГ США с теплообменными трубами из сплава 600МА, можно утверждать, что количество глушений на этих ПГ составляет не менее, чем 97000 трубок. Количество ремонтных втулок - не менее чем 56000…
Данные по глушениям на вертикальных ПГ с теплообменными трубами из сплава 600МА, в других странах пока не систематизированы. Но некоторые цифры имеются: Франция - 14500 (63 ПГ, 1998), Япония - 10250 (29 ПГ, 1995), Испания - 5544 (13 ПГ, 1995). Таким образом, количество заглушенных теплообменных труб на вертикальных ПГ из сплава 600МА превысило 125000. Это составляет в среднем около 300 теплообменных труб на ПГ.
Совершенно очевидно, что интенсивность глушений теплообменных труб из сплава 600МА на вертикальных ПГ существенно выше, чем на горизонтальных ПГ. В США (и в любой другой стране) нет ни одного вертикального ПГ с теплообменными трубами из сплава 600МА, который можно было бы сравнить с горизонтальным ПГ АЭС "Ловииза-1" (29 лет), КолАЭС-3, "Богунице-1" и "Ловииза-2" (25 лет) и некоторыми другими, где количество заглушенных трубок на один ПГ в среднем менее 2 штук.
Расположение имеет значение
Давайте теперь рассмотрим другую отличительную черту российских ПГ - горизонтальное исполнение, а не вертикальное, как принято на Западе.
Чем хороши горизонтальные ПГ? Перечислим их основные преимущества перед вертикальными.
Не буду скрывать - трудности у нас были. Достаточно вспомнить громадную эпопею с растрескиванием холодных коллекторов, из-за которого нам пришлось заменить часть ПГ. Но в конечном итоге мы преодолели эту проблему даже для старых ПГ, где был проведен соответствующий комплекс мероприятий. А в новых проектах исходно приняты конструктивные меры, не допускающие растрескивания.
Если говорить коротко, то всё упиралось в технологию изготовления. Как только мы изменили технологию и уменьшили напряжение в коллекторе, случаи растрескивания прекратились. Иными словами, эта проблема не является присущей горизонтальным ПГ и была после своего обнаружения успешно устранена.
Выдержки из статьи Н.Б.Трунова, Б.И.Лукасевича, В.В.Сотскова, С.А.Харченко "Прошлое и будущее горизонтальных парогенераторов" (ОКБ "Гидропресс").
В конце 1986 года были впервые обнаружены трещины на "холодных", выходных коллекторах теплоносителя парогенераторов ПГВ-1000. Трещины возникали в перемычках между отверстиями труб в зоне так называемого клина перфорированной части коллектора, где находилась зона концентрации остаточных и эксплуатационных напряжений.
В период до 1991 года аналогичные дефекты были обнаружены еще на 24 ПГ. В большинстве случаев повреждённые ПГ заменялись, а в двух случаях были отремонтированы по специально разработанной технологии.
Исследования показали, что трещины развивались из щелевой зоны между трубой и коллектором, со стороны второго контура, вплоть до сквозных, с повреждением сварных швов теплообменных труб. В результате исследований причин и механизма повреждения коллекторов, было установлено, что данное явление является новым в практике парогенераторостроения…
Для решения проблемы растрескивания коллекторов были проведен комплекс мероприятий, направленных на изменение технологии изготовления, модификации конструкции, ужесточение требований к ВХР, совершенствование методов контроля.
Внедрённые мероприятия позволили решить проблему повреждений коллекторов ПГ на энергоблоках АЭС с ВВЭР-1000. С 1991 года замены ПГ по причине растрескивания коллекторов не было. Для вновь изготавливаемых парогенераторов обеспечивается проектный ресурс продолжительностью до 60 лет.
Напротив, у вертикальных ПГ есть неустранимые недостатки, связанные с положением трубного пучка. Западные специалисты пишут и признают - да, при наличии такой трубной доски невозможно полностью решить проблему коррозии.
Самый ответственный узел в ПГ - это узел заделки в трубную доску теплообменных труб. Как раз в этом месте скапливается и оседает шлам, который требуется регулярно и тщательно удалять, что для вертикальных аппаратов трудно сделать технологически.
К тому же, для вертикального ПГ характерны довольно высокие скорости среды. Когда в такой ПГ попадает посторонний предмет, то он быстро опускается вниз и попадает в узел заделки труб. Следовательно, появляются механические воздействия на трубчатку. На практике уже неоднократно наблюдались течи труб по этой причине.
Трубки в вертикальном ПГ текут также из-за вибрации, которая, в свою очередь, возникает благодаря особенностям закрепления у вертикального пучка. Несмотря на то, что наши конкуренты прошли большой путь по совершенствованию системы закрепления, избавиться от проблем вибрации и посторонних предметов им не удалось. Глушение труб по этим причинам продолжается.
Выдержки из статьи В.Д.Бергункера "Целостность теплообменных труб вертикальных и горизонтальных парогенераторов (сравнительный анализ)" (ОКБ "Гидропресс").
Именно результатом выбора конструкции и водного режима (не материала!) является значительный вклад в образование дефектов таких специфических для вертикальных ПГ ВПГ механизмов как виброизнос ("wear", "fretting" - один разрыв теплообменных труб), повреждение теплообменных труб посторонними предметами ("foreign objects" ("loose parts")) - три разрыва теплообменных труб.
На АЭС "Prairie Island-1" - это была пружина длиной 216 мм и диаметром 32 мм, отвалившаяся от устройства по удалению шлама. Вообще в вертикальных ПГ США находят множество мелких объектов. Поиску и удалению этих объектов присвоено даже специальное сокращение - FOSAR.
Мифы и легенды вертикальных ПГ
Надо сказать, что вокруг вертикальных ПГ сформировался целый ряд мифов. Причём формируются они у нас, в западной печати я их не встречал. К примеру, утверждают, что вертикальные ПГ более эффективны по теплопередаче, то есть, имеют меньшую удельную поверхность. Между тем, для специалистов по теплообмену очевидно, что при условиях ПГ эффективность определяется прежде всего кипением на поверхности труб. Повлиять на этот процесс практически невозможно, можете располагать трубки вертикально, горизонтально, под углом…
Если сделать трубки значительно длиннее (как в вертикальных U-образных ПГ), можно увеличить скорость по первому контуру, это даст несколько процентов поверхности. Однако за это вам придётся заплатить живучестью, поскольку один дефект выводит из работы тем большую поверхность, чем длиннее трубка. Стало быть, нужен больший запас поверхности.
Ещё несколько процентов можно "выдавить" за счет утонения трубок. Это тоже не бесплатно, да и небезопасно. Очевидно, что тонкая трубка легче порвётся. На практике так оно и есть. На западных вертикальных ПГ относительная толщина стенки труб почти в полтора раза меньше, чем у нас. В итоге, несмотря на все усилия эксплуатации, разрывы труб вертикальных ПГ, в отличие от нас, не редкое явление. Последний случай был во Франции в позапрошлом году. Авария эта не безобидная, при срабатывании клапанов возможен выброс активности в атмосферу.
Есть ещё один миф - про экономайзер. Пишут, что вертикальный ПГ позволяет выделить часть поверхности под экономайзерный участок, поэтому он эффективнее. Прежде всего, скажу, что в горизонтальном ПГ экономайзер получается не хуже, а даже более эффективным. Такой проект у нас есть. Другой вопрос, нужна ли нам такая экономия. Однозначного ответа на вопрос нет. Есть лишь неумолимая статистика - ПГ с экономайзером оказались менее надёжными. Их заменяют на модификации без экономайзера.
Кстати, автор вертикальной концепции фирма "Вестингауз" в новом проекте AP-1000 от экономайзера отказалась. А ведь концепция этого проекта - повышенная экономичность. Стало быть, многолетний опыт заставляет экономить на другом.
В итоге, если мы говорим, какой ПГ эффективнее, легче и так далее, то нужно понимать, как и за счёт чего достигается экономия. Тут нужно тщательнее отсеивать научные факты от спекуляций. Облегчить можно ПГ любой конструкции, а выйдет ли из этого профит или наоборот - вот вопрос. Одно можно сказать определённо - нержавейка в несколько раз дешевле высоконикелевых сплавов.
Выдержки из письма Almost good enough, автор Gerald H.Neils, адресовано John Taylor (EPRI), датировано 07.01.1991.
… Есть две вещи достоверно установленные. Первая - то, что инконель в общем более склонен к щелевой коррозии, чем нержавеющая сталь. Вторая - невозможно построить вертикальный парогенератор без щелей. Так что если мы не избавимся от инконеля и от щелей, мы неизбежно останемся с парогенераторами, которые не лучше, чем "почти хорошие"…
… я придерживаюсь мнения, что ни один из инконелей не обеспечит требуемый срок службы наших новых парогенераторов…
…вертикальный парогенератор с трубами в виде перевернутой U имеет неотъемлемую проектную особенность - быть коррозионной машиной…
…Джон, пожалуйста подумай над привлечением ваших металловедов к предварительному анализу использования нержавеющей стали "атомного" качества для наших новых парогенераторов…
Горизонтальный "Союз" и вертикальный "Шаттл"
Вы можете поинтересоваться - так почему же на западных АЭС применяются вертикальные ПГ, если их характеристики хуже по сравнению с горизонтальными? Этот вопрос я слышу с тех пор, как пришёл в ОКБ "Гидропресс" в 1982 году. До сих пор он не сходит с повестки дня.
Ответ будет таков. Парогенератор нельзя рассматривать в отрыве от реакторной установки (РУ). Вне энергоблока ПГ никому не нужен! Нельзя, ничего не меняя, вставить вертикальный ПГ в нашу РУ, спроектированную на горизонтальный ПГ. Обратное утверждение также верно.
В "Гидропрессе" проводились исследования о влиянии компоновки ПГ на компоновку РУ. Их выводы подтверждают сказанное - нет смысла менять компоновку ПГ, не меняя всего подхода, всей концепции технического обслуживания РУ.
Западные специалисты понимают, что вертикальные ПГ оказались не слишком удачными с конструктивной точки зрения. Зато, по их мнению, в отличие от наших ПГ, они позволяют экономить площадь, а это кажется важным аргументом в их пользу.
Так ли это на самом деле, и нет ли смысла российским проектам последовать примеру западных коллег и перейти на вертикальное размещение ПГ? Давайте сначала попытаемся разобраться, что нам для этого придётся сделать, а затем - что нам это может дать?
Прежде всего, следует понимать, что невозможно просто так взять и поставить ПГ вертикально. Представьте, что мы в центральном зале разместим четыре вертикальных ПГ. Зал придётся перекомпоновывать полностью, не забывая при этом, что и в новом проекте потребуется предусмотреть достаточно места для проведения ППР.
В результате, почти во всех западных реакторах бассейн выдержки приходится выносить за пределы гермообъёма. А это порождает новые проблемы. Так, вместо одного здания гермообъёма появляется два, причём требования к ним будут приблизительно одинаковыми - необходимость выдерживать падение самолёта, обеспечить герметичность и так далее.
Таким образом, говорить только о способе размещения ПГ нельзя. Для перехода на вертикальные ПГ от нас потребуется изменить в целом подход и концепцию технического обслуживания. Готов ли этим заниматься генпроектант? Я в этом, признаться честно, не уверен.
Теперь что мог бы нам дать переход на вертикальные ПГ? Ответ лежит на поверхности - уменьшение площади, иными словами, диаметра гермообъёма. Но если мы уменьшим диаметр гермообъёма, то одновременно с этим нам придётся увеличить его высоту. Почему? По нескольким причинам.
Во-первых, сам ПГ требует определённой высоты. Его нужно уметь не только монтировать внутри гермообъёма, но и извлекать оттуда при замене (или при выводе из эксплуатации). Горизонтальный ПГ, как известно, легко извлекается через транспортный коридор. А вот при замене ПГ на PWR приходится вырезать в напряжённом бетоне дыру по спецтехнологии и кантовать ПГ для выноса наружу.
Второй момент, о котором нельзя забывать. Объём гермооболочки связан не только с компоновкой, но и с тем, что он должен удерживать "хранящуюся" в нём энергию. В частности, он должен удерживать давление, которое возникает при аварии с разрывом. А для этого он должен иметь определённый объём.
Иными словами, при уменьшении диаметра нам придётся соответственно увеличить высоту для сохранения объёма. Конечно, можно обойтись и меньшим объёмом, но тогда потребуется увеличить толщину гермооболочки.
Так или иначе, но явного выигрыша от перехода на вертикальные ПГ мы не видим. К аналогичным выводам, кстати, пришли и американцы, которые также проводили исследования по влиянию компоновки ПГ.
Мы считаем, что нам нужно использовать те преимущества концепции горизонтального ПГ, которые нам достались от отцов и дедов. Сравнивая образно, горизонтальные ПГ - это королёвские ракеты, удачная конструкция, эволюционировавшая до наших дней и верой и правдой служащая отечественной космонавтике. Аналогом вертикальных ПГ в таком случае может считаться программа "Шаттл". Я думаю, не стоит напоминать о том, какая её в итоге постигла судьба.
Эволюция лучше революции
Должен сказать, что мировым чемпионом по разработке вертикальных ПГ является, как ни странно, ОКБ "Гидропресс". Недавно мы предприняли экскурс в историю и попытались проанализировать все наши проекты вертикальных ПГ. Мы отобрали несколько основных проектов и планируем выпустим по ним обзорную статью. Даже ваш покорный слуга имел около десяти патентов и авторских свидетельств на вертикальные ПГ.
Альтернативные варианты компоновок, в том числе, и вертикальные ПГ, регулярно рассматривались в ОКБ "Гидропресс". Но до практического применения они доведены не были.
Для того, чтобы сделать альтернативные (вертикальные) ПГ в металле, нужно пройти очень большой путь. Потребуется провести НИОКР, иметь стенды и многое другое. Мы никогда не говорили, что не готовы или не хотим этим заниматься. Но это можно делать только в том случае, если будет чётко поставлена цель, для чего это делается и чего мы хотим добиться.
Хорошо сказал в 1953 году американский адмирал Хайман Риковер. В своей статье Реакторы на бумаге и в жизни - между прочим, отличной статье, написанной с хорошим чувством юмора - он коротко, но ясно изложил отличия бумажных проектов от железных. Его основные выводы применимы и к ситуации с парогенераторами. Я бы сказал так - люди, занимающиеся практическим решением проблем, которые возникали при эксплуатации ПГ, намного холоднее относятся к вертикальным ПГ, чем люди, далёкие от практики.
Поэтому неудивительно, что ОКБ "Гидропресс" концентрирует свои усилия на развитии горизонтальной концепции. Мы сотрудничаем при этом с другими организациями и государствами, где есть горизонтальные ПГ. Кстати, всего их в мире 112 ПГ для ВВЭР-1000 и 162 ПГ для ВВЭР-440.
В октябре 2006 года в Подольске состоялся очередной, седьмой по счёту, международный семинар по горизонтальным ПГ, в котором приняли участие представители 34 российских организаций, 9 организаций из стран СНГ, 18 - из стран дальнего зарубежья, а также эксперты МАГАТЭ. На нём мы, среди прочего, рассмотрели тему сравнения горизонтальных и вертикальных компоновок ПГ и записали в решении, что горизонтальные ПГ имеют ряд преимуществ.
Сейчас мы работаем над проектом ПГ для АЭС-2006. Среди приоритетных задач - обоснование срока службы нержавеющей стали 60 лет. Мы проанализировали накопленный опыт эксплуатации, поняли причины, по которым некоторые ПГ выходили из строя. Мы провели большой спектр исследований по коррозии и считаем, что сможем справиться с этой проблемой - особенно на новых ПГ, где будет более разреженная компоновка трубного пучка, улучшенный водно-химический режим и ряд других изменений.
Мы предпочитаем развивать конструкцию наших ПГ эволюционно, а не революционно, используем те решения, которые оправдали себя в условиях эксплуатации. Наша конструкция вылизана сейчас с точки зрения всех слабых мест и должна быть очень надёжной.
Спасибо за интервью для электронного периодического издания AtomInfo.Ru.
ИСТОЧНИК: AtomInfo.Ru
ДАТА: 07.08.2008
Темы: Парогенераторы, ОКБ Гидропресс, Россия, Интервью, Николай Трунов
