13.4. Коррозионные процессы на поверхностях теплообмена со стороны рабочего тела

Конструкционные материалы поверхностей тепло-обмена парогенерирующих установок АЭС выбирают на основе их прочности и допустимой интенсивности коррози-онных процессов. Требования высокой коррозионной стой-кости диктуются необходимостью обеспечения надежности при длительной работе теплопередающих поверхностей. В настоящее время в парогенераторостроении и реакторо-строении используются различные стали: аустенитные не-ржавеющие, легированные перлитные и углеродистые. Для

изготовления твэлов, кассет и технологических каналов ис-пользуют сплав циркония и ниобия (Н-1), содержащий около 1 % ниобия.

Оборудование первого контура изготовляют из сталей и сплавов, обеспечивающих высокую чистоту теплоносителя (Н-1, нержавеющих сталей или углеродистых, плакирован-ных листами из нержавеющих сталей). Применение перлит-ных легированных и углеродистых сталей сопровождается коррозионными процессами на поверхностях контакта с ра-бочим телом. Коррозионные процессы определяются физи-ческими и физико-химическими свойствами парогенератор-ной воды. В водяном и пароводяном трактах происходит в основном электрохимическая коррозия. Все виды корро-зионных разрушений можно подразделить на две группы: общую и местную. К числу местных коррозионных процес-сов можно отнести коррозию под напряжением, язвенную, щелевую, контактную и др. Местные коррозионные процес-сы крайне нежелательны, так как их развитие может при-вести к разрушению корродирующих элементов. Общая коррозия — процесс неизбежный. При создании парогенери-рующих установок необходимо принять меры для обеспе-чения допустимой ее интенсивности, которая определяется обеспечением механической прочности, а главное, количест-вом переходящих в рабочее тело продуктов коррозии.

Принятая в настоящее время шкала оценки интенсив-ности коррозионных процессов в воде и пароводяной смеси при выполнении элементов контура из углеродистых сталей подразделяет общую и язвенную коррозию на пять основ· ных категорий: коррозия отсутствует, слабая коррозия, до-пустимая, сильная, аварийная. Считается, что коррозия от-сутствует, если скорость проникновения язвенной коррозии в глубину поверхности равна 0—0,05 мм/год, а скорость равномерной общей коррозии составляет 0—0,02 мм/год.

При этом коррозионные трещины отсутствуют. Слабая коррозия имеет место при скорости язвенной коррозии, равной 0,05—0,2 мм/год, скорости общей равномерной коррозии 0,02—0,08 мм/год и отсутствии коррозионных трещин. Допустимой коррозией считается такая, при кото-рой скорость язвенной коррозии составляет 0,1—0,3 мм/год, общей 0,04—0,1 мм/год, а коррозионные трещины отсутст-вуют. При сильной коррозии скорость язвенной коррозии достигает 0,15—1,2 мм/год, общей равномерной 0,05 — 0,4 мм/год и обнаруживаются коррозионные трещины. Развитие сильной коррозии может повлечь за собой аварийное состояние (аварийную коррозию), при которой скорость

язвенной коррозии достигает 0,6—1,2, а общей 0,2— 0,4 мм/год. При таком темпе развития коррозионных процессов неминуема аварийная обстановка в парогенерирующей системе.

На интенсивность протекания коррозионных процессов помимо физико-химических условий большое влияние ока-зывает температура среды и стенки поверхности теплооб-мена, удельный тепловой поток, нерегулярность теплопод-вода (его смена во времени с определенной амплитудой и частотой). Повышение этих параметров приводит к интен-сификации коррозии.

Скорость омывания потоком теплообменных поверхнос-тей влияет на коррозию по-разному. Малые скорости (осо-бенно застой потока) способствуют развитию язвенной кор-розии с застоем газовых пузырей. При слишком больших скоростях (около 10 м/с) наступают условия, при которых разрушаются защитные окисные пленки, что усиливает кор-розионные процессы. Остаточные механические напряжения, сопряжение разнородных материалов в агрессивной среде, наличие в элементах конструкций узких щелей и застойных для потока зон интенсифицируют коррозионные процессы. При наличии остаточных механических напряжений возникает коррозия под напряжением. Контактная и щелевая коррозия возникает при наличии контактов разнородных материалов и щелей. Интенсивное развитие коррозионных процессов наблюдается в первые 200—1000 ч работы парогенерирующей установки. Постепенно металл по-крывается достаточно равномерной окисной пленкой, за-щищающей его поверхность от интенсивной коррозии, и устанавливается постоянная скорость коррозии. Развитие коррозионных процессов на теплообменной поверхности определяется содержанием кислорода и двуокиси углерода в рабочей среде. Из нелетучих примесей возможными ин-тенсификаторами коррозии являются нитриды и хлориды. В любом случае желательна щелочная обработка воды. Сильные щелочи при повышении их концентрации могут интенсифицировать некоторые виды коррозии.

Кислород — наиболее агрессивная примесь воды. Корро-зия интенсифицируется при неравномерном распределении кислорода по поверхности. В этих условиях участки металла, омываемые рабочей средой с большей концентрацией кислорода, будут катодами, другие участки — анодами мик-рогальванопар, обусловливающих равномерную коррозию на относительно больших участках. При наличии местных загрязнений на поверхности под ними начнет развиваться

язвенная коррозия, скорость которой будет определяться отношением площади чистой поверхности к загрязненной. Присутствие кислорода резко ускоряет щелевую, контакт ную и другие виды местной коррозии. Однако при очень высокой чистоте парогенераторной воды кислород проявляется как пассиватор, снижающий интенсивность общей коррозии (вследствие создания плотной неразрушаемой окисной пленки).

Большой агрессивностью обладают растворы, содержа-щие двуокись углерода. Молекулы двуокиси углерода дис-социируют слабо, в связи с чем в воде наряду с ионами Н⁺ и НСО₃^— будут находиться и недиссоциированные молекулы Н₂СО₃ и СО₂. Реакция образования этих компонентов протекает следующим образом:

(13.27)

СО₂ + Н₂О↔Н₂СО₃;

СО₂ + Н₂О↔Н₂СО₃↔Н⁺ + НСО₃^—↔2Н⁺+СО₂^2-.

Ионы водорода сильно активизируют электрохимическую коррозию, которая протекает с существенным переходом в воду продуктов коррозии. Воздействие на окисные пленки атомарного и молекулярного водорода приводит к снижению прочности сцепления их с металлом, ввиду чего кислородная коррозия в присутствии в воде угольной кислоты будет протекать без замедления.

К усилению коррозионных процессов ведет и любая дру-гая причина повышения концентрации водородных ионов. Наиболее благоприятны для углеродистых сталей значения рН>8. Хлориды активно разрушают окисные пленки, а нитриды являются хорошими окислителями.

Щелочная реакция парогенераторной воды благоприятна для общей коррозии и неблагоприятна для местных ее видов. В первую очередь интенсифицируются коррозионные процессы в тех участках поверхности теплообмена, где имеются условия для местного упаривания раствора (щели, неплотные отложения, расслоения пароводяной смеси, входные участки пароперегревателей и др.). Щелочь при больших концентрациях активно растворяют защитные окисные пленки:

Fe₂О₃+2NaOH↔NaFeО₂+H₂О. (13.28)

Образование феррита натрия приводит к разрушению плен-ки и интенсивности окислительных процессов. Особенно стимулируется щелочью развитие микрокристаллической коррозии, которая специфична для элементов с остаточными напряжениями, превышающими предел текучести (в де-

формированном при развальцовке труб металле). Меж-кристаллитная коррозия начинает развиваться довольно медленно в неглубоких трещинах, в которых происходит упаривание воды. С течением времени скорость коррозии возрастает весьма быстро, и развитие ее продолжается вплоть до разрушения узла. Этот вид коррозии иногда называют щелочной хрупкостью.

Аустенитные стали, обладающие высокой общей корро-зионной стойкостью, склонны к коррозионному растрески-ванию и щелочной хрупкости. Коррозионное растрескивание возникает при воздействии на напряженный металл водной среды, содержащей кислород и хлориды. В результате протекания коррозии в металле возникает разрушение в виде транскристаллитных трещин. Процесс интенсифицируется в сильно щелочной среде.

В присутствии кислорода наличие в воде хлор-иона ин-тенсифицирует коррозию под напряжением. Коррозионные процессы могут интенсивно протекать во время простоев оборудования при условии проникновения кислорода возду-ха в пленку влаги и в отложения примесей. Принимаются специальные меры консервации неработающих установок.