Докладчик: Бакиров М.Б. д.т.н., генеральный директор ООО «НСУЦ «ЦМиР»

1. 5-я международная научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» 29 мая – 1 июня 2007 г. г. Подольск, ФГУП ОКБ "ГИДРОПРЕСС" РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭРОЗИОННО-КОРРОЗИОННОГО ИЗНОСА ТРУБОПРОВОДОВ ВТОРОГО КОНТУРААЭС С ВВЭР Докладчик: Бакиров М.Б. д.т.н., генеральный директор ООО «НСУЦ «ЦМиР» Авторы: Бакиров М.Б., Потапов В.В., Еремин А.А., Левчук В.И., Чубаров С.В., Дубенко Н.В., Селезнев Л.И. (ООО «НСУЦ «ЦМиР») Кан А.У. (Ростехнадзор)

2. Эрозионно-коррозионный износ (ЭКИ) оборудования и трубопроводов является одной из основных проблем эксплуатации АЭС. Эрозионно-коррозионный износ – наиболее распространенный механизм повреждения основного оборудования и трубопроводов, изготовленных из сталей перлитного класса.Нарушения в работе АЭС российского производства по причине ЭКИ происходят с частотой в среднем 3 нарушения в год. Введение Все элементы на ВВЭР Все элементы на РБМК Нормированная добавка на коррозию 1,2 мм за 30 лет, то есть скорость коррозионного износа 0,04 мм/год. Фактическая скорость эрозионно-коррозионного износа может достигать 0,2 – 2,5 мм/год, то есть в десятки раз больше.

3. Примеры разрушений трубопроводов второго контура по причине ЭКИ на различных АЭС

4. Пример повреждения трубопровода 2 контура по механизму ЭКИ на 2 блоке Балаковской АЭСв 2004 г. поврежденный участок сварной шов зона размыва утонение

5. Пример повреждения основного металла корпуса ПНД на 3 энергоблоке Смоленской АЭС в 2006 г. Повреждение основного металла корпуса ПНД-55 произошло в районе присоединения паровпускного трубопровода к корпусу ПНД. Повреждение корпуса имеет вид разрыва металла с развернутыми краями. Размеры повреждения: длина ~520мм, ширина меняется от 10 до ~145 мм.

6. Природа механизма ЭКИ • Природа ЭКИ заключается во взаимовлиянии трёх процессов: • коррозии (химической, и электрохимической); • эрозии (механического разрушения поверхностного слоя); • растворения (например, пленки окисла), каждый из которых, даже в отдельности, не является до конца изученным. • На процесс коррозии существенное влияние оказывают химический состав металла и состав среды, однако необходимый для проведения комплексного анализа ЭКИ объем входных данных на АЭС по указанным позициям в достаточном объеме отсутствует. • Среди процессов эрозии, в свою очередь, различают кавитационную эрозию, эрозию при наличии в среде эродента и “ветровую” эрозию под действием касательных напряжений на границе металл-поток.

7. Особенности физико-химических процессов эрозии-коррозии в одно- и двухфазных потоков Cu,

8. Процессы эрозионной коррозии Зона А - поток ламинарный – очень низкая скорость коррозии. Зона В - потоктурбулентный - скорость потери массы металла определяется переносом реагирующих компонентов к поверхности металла. Напряжение трения в этих зонах недостаточно велико, чтобы вызвать разрушение пленки на поверхности металла. Зона С - напряжение трения становится столь большим, что пленка на некоторых участках удаляется, и на этих участках развивается сильная коррозия. Потери массы металла значительны за счет контактных токов, протекающих между обнаженными и покрытыми пленками участками. Изменения механизма эрозионной коррозии в зависимости от скорости жидкости Зона D- съем окисла имеет более общий характер, а потому доля разрушения от контактных токов снижается; однако скорость потерь массы металла велика, так как воздействию агрессивной среды подвергается более значительная поверхность обнаженного металла. В этой зоне степень турбулентности и напряжение трения сильно возрастают и репассивация поверхности металла затруднена. Зона Е - интервал скоростей, в котором пленка полностью удалена и репассивация невозможна.

9. Внутренняя и внешняя нестационарность процессов ЭКИ Все рассматриваемые процессы, объединенные в процессе ЭКИ, происходят в условиях внутренней и внешней нестационарности. Внутренняя нестационарность обусловлена неустойчивостью течений в элементах оборудования при поворотах, в коленах, обтеканиях стыковочных узлов и т.п. Ниже для примера представлена расчетная картина течения в переходном элементе трубопровода в районе сочленения двух патрубков различных диаметров. Отчетливо видна картина структуры вихря. Однако эта картина лишь стационарный вариант действительной картины. Реально такой вихрь является не устойчивым во времени. Количество жидкости, вовлекаемой в область вихря, возрастает, вихрь становится неустойчивым и сбрасывает часть жидкости в основной поток. В результате, эта вихревая зона испытывает периодические перемещения, приводящие к возникновению вибрации, а за зоной вихря образуется кормовой след подобный следу при обтекании цилиндра или шара. Таким образом, течения в элементах оборудования глубоко нестационарны.

10. Физико-химические свойства металла (содержание хрома, меди, молибдена). • Тепло-гидравлические характеристики рабочей среды (температура, скорость). • Показатели водно-химического режима (значение рН, концентрация кислорода, применяемый амин). • Геометрические характеристики (внешний диаметр трубопровода, толщина стенки, характеристика элемента: гиб, тройник, дросселирующие шайбы, переходники и т.д.). • Уровень фактических напряжений в конструкции, физико-механические свойства металла. • Длительность эксплуатации. Факторы, определяющие ЭКИ Благодаря значительному объему экспериментальных работ процессов ЭКИ, выполненных в прошлые годы ведущими предприятиями атомной отрасли различных стран (США, Франция, Германия, Япония, Россия и т.д.), влияние вышеперечисленных факторов на интенсивность ЭКИ было тщательно изучено(см. слайды ниже).

11. Влияние различных факторов на ЭКИ Влияние температуры Влияние скорости потока

12. Влияние различных факторов на ЭКИ Влияние показателя pH Влияние концентрации кислорода Влияние хим. состава металла: WЭКИ=WЭКИмак/83Cr0,89Cu0,25Mo0,2 (формула Дирекса)

13. Влияние геометрии элементов - тройники - гибы и колена - диафрагмы вмятины - ЭКИ за арматурой и входные участки

14. Анализ существующих программэксплуатационного контроля на АЭС • Объемы (зоны) и периодичность проведения эксплуатационного контроля на АЭС регламентируются действующими в отрасли «Типовыми программами эксплуатационного контроля за состоянием основного металла и сварных соединений оборудования и трубопроводов…»: АТПЭ-9-03 (ВВЭР-1000); АТПЭ-2-99 (ВВЭР-440); АТПЭ-10-96, ПЭКМ-ЛАЭС-99.840.07П (РБМК-1000); АТПЭ-11-01 (БН-600); АТПЭ-20-01 (ЭГП-6). • Как показывает опыт эксплуатации АЭС: • Существуют зоны, не включенные в программу периодического эксплуатационного контроля с максимальной интенсивностью ЭКИ. • Присутствует избыточный объем контроля зон с незначительным ЭКИ. • Существуют недостатки в системе сбора и систематизации результатов контроля – имеется необходимость создания единой электронной базы данных. • Недостаточный анализ результатов периодического контроля и прогнозирование динамики ЭКИ металла. • Таким образом, перед АЭС стоит крайне сложная задача гарантированно обеспечить своевременное выявление зон с предельным либо недопустимым утонением металла.

15. Принятая технология эксплуатационного контроля ЭКИ оборудования и трубопроводов АЭС В настоящее время на АЭС проводится точечный контроль толщины в соответствии с ПНАЭ Г-7-031-91 (Унифицированная методика. Ультразвуковой контроль. Ч.3. Измерение толщины монометаллов, биметаллов и антикоррозионных покрытий) и «Инструкцией по дефектоскопии гибов трубопроводов из перлитной стали И №23 СД-80». . • Недостатки точечного контроля толщины: • требуется предварительная зачистка поверхности; • дискретность контроля - метод не позволяет получить общую картину износа металла и гарантированно выявить локальные зоны максимального утонения. • метод не обеспечивает повторяемости и сопоставимости результатов периодического контроля. • не решена проблема учета влияния плотных коррозионных отложений на внутренней стенке. Выход: применение автоматизированных систем контроля толщины, реализующими метод сплошного сканирования поверхности с компьютерной формой записи и систематизации результатов.

16. Полигон для реализации работ по ЭКИ Специалистами Центра материаловедения и ресурса при сотрудничестве со специалистами АЭС на энергоблоке 3 Балаковской АЭС в 2005 г. начата реализация основного алгоритма расчетно-экспериментального подхода, направленного на решение проблемы ЭКИ, наряду с этим был проведен эксплуатационный контроль металла элементов АЭС с использованием современного оборудования. В качестве полигона для реализации работ по ЭКИ были выбраны 4 однотипных энергоблока с ВВЭР-1000 Балаковской АЭС, которые наилучшим образом подходят по следующим причинам: • энергоблоки современного типа, находятся в эксплуатации продолжительное время (пуск блоков производился с периодичностью около 2 лет). Как следствие, на энергоблоках имеются элементы оборудования и трубопроводов, поврежденные вследствие ЭКИ; • трубопроводы 2 контура имеют одинаковые трассировки, материалы, тепло-гидро-динамические параметры потока, параметры ВХР и т.д. • имеется возможность сбора всех необходимых исходных данных.

17. Научно-сертификационный учебный центр В рамках выполнения данной работы было проведено обучение, проверка знаний и сертификация персонала АЭС по работе с новыми методами и средствами контроля. Обучение проводилось на базе нового Научно-сертификационного Учебного Центра с использованием реальных образцов с ЭКИ, вырезанных на АЭС. Основные задачи Центра: • Аттестация персонала, приборных средств и методик применительно к объектам атомной энергетики. • Обучение и переподготовка персонала АЭС с использованием новых современных методов, приборных средств контроля и оценки прочности, а также специализированных стендов, методической литературы и обширной базы тест-образцов.

18. Новый расчетно-экспериментальный подход по совершенствованию контроля ЭКИ на АЭС Принятая методология работ по решению проблемы ЭКИ включает в себя реализацию следующих основных этапов: • Классификация всех элементов АЭС на группы по степени опасности повреждения по механизму ЭКИ. • Разработка и внедрение на АЭС новых методов и средств эксплуатационного контроля. • Разработка методики определения скорости ЭКИ. • Поверочный прочностной расчет минимально допустимых толщин. • Мероприятия по повышению эрозионно-коррозионной стойкости элементов АЭС. На первом этапе работ был проведен расширенный сбор, анализ и систематизация исходных данных, необходимых для последующего расчетно-экспериментального обоснования эксплуатационной надежности элементов. Было проанализировано около 1500 элементов второго контура и выбрано для контроля 30 наиболее критических участков за дросселирующими, регулирующими и переходными элементами.

19. 1. Классификация элементов 2 контура на группы Сбор исходных данных на АЭС Сертификатные, паспортные, проектные данные Данные эксплуатационного контроля Трассировки, конструкция Данные по ВХР Создание электронной базы данных с целью систематизации Сбор недостающих исходных данных и их интеграция в электронную БД Массив исходных данных Разработка и реализация алгоритма анализаэлементов второго контура Классификация мест на группы по степени опасности ЭКИ Разработка рабочей программы контроля

20. 1.1. Анализ эксплуатационных параметров элементов КПТ Эксплуатационные параметры (давление, температура, паросодержание, ВХР, расход и т.д.) и конструктивные особенности элементов КПТ с учетом известных закономерностей влияния каждого из факторов на скорость ЭКИ позволяют определить номенклатуру элементов с учетом их местоположения в КПТ, находящихся в наихудших условиях, способствующих протеканию интенсивных процессов ЭКИ металла.

21. 1.2 Сбор и анализ исходных данных Пример схемы контроля Сертификатные данные по химическому составу металла и механическим свойствам

22. 1.3 База данных трассировок трубопроводов

23. 2. Разработка и внедрение на АЭС новых методов и средств эксплуатационного контроля В настоящее время Центром материаловедения и ресурса совместно с фирмой «Специальные научные разработки» (Украина) разработан усовершенствованный ультразвуковой автоматизированный бесконтактный сканирующий толщиномер с использованием электромагнито-акустических преобразователей (ЭМА) с записью процесса непрерывного сканирования. Преимущества: - сплошное сканирование поверхности с получением 3D-формы износа и исключением пропуска локальных утонений; - контроль без зачистки поверхности; - компьютерная форма записи и протоколирования результатов контроля; - не требует смазки или контактной жидкости. Сертификат средства измерения в России RU.C.27.01.00 № 10673. Погрешность измерений составляет не более ± 0,2 мм. Сравнение результатов измерения толщины традиционными УЗ-толщиномерами и ЭМА-толщиномером показывает совпадение результатов в пределах приборной погрешности. ЦМиР в настоящее время ведет создание банка реальных тест-образцов с различными формами ЭКИ, вырезанных на АЭС для замены.

24. 2.1. Пример построения трехмерной картины износа внутренней поверхности трубопроводов питательной воды Топограмма поверхности износа 3D-форма поверхности износа Окружное направление, час Толщина стенки, мм Осевое направл., мм Окружное направл., час Осевое направление, мм мм Внедрение современных средств эксплуатационного контроля на АЭС, реализующих метод сплошного сканирования, позволяет исключить пропуск локальных утонений, повысить информативность и достоверность контроля, автоматизировать процесс записи и протоколирования результатов контроля с возможностью включения результатов в электронную базу данных результатов штатного контроля толщины. Результаты контроля ЭМА-толщиномером позволяют получить картину ЭКИ в объеме и максимально корректно использовать эти результаты контроля при расчете на прочность с учетом реальной геометрии рассматриваемого элемента.

25. 2.1. (продолжение) Пример построения трехмерной картины износа внутренней поверхности трубопроводов питательной воды Участок трубопровода за переходом 400x500, Ст 15ГС, типоразмер 530x28 Трехмерное изображение поверхности износа Топограмма поверхности износа

26. Физика магнитного метода Полномасштабный стенд Нс, А/cм 450 12 400 10 350 300 8 250 Напряжение, MПa 6 200 150 4 R MPa 100 Hc stressed. 2 50 Нс no stress 0 0 0 1 2 3 4 5 Удлинение, % 2.2. Контроль напряженно-деформированного состояния металла магнитными методами Наряду с контролем толщины был выполнен контроль фактического напряженного состояния металла для 30 элементов, поскольку наличие остаточных напряжений является одной из причин интенсификации ЭКИ. При контроле напряженного состояния был использован магнитный структуроскоп. Измеренные напряжения позволяют уточнить зоны с максимальным ЭКИ. Результаты контроля НДС Окружное направление, час σ, МПа Осевое направление, мм

27. 2.2. (продолжение) Контроль напряженно-деформированного состояния металла магнитными методами Изменение свойств и структуры металла трубопроводов второго контура обусловлено термостиловым воздействием эксплуатационных нагрузок, режимами работы оборудования и трубопроводов, технологией сборки и монтажа и др. Оценка напряженно-деформированного состояния, определение фактического уровня механических свойств, остаточных напряжений необходимы для проведения поверочных прочностных расчетов в наиболее критических зонах, подверженных эрозионно-коррозионному износу, с целью подтверждения работоспособности трубопровода. • Изменение структуры металла под воздействием циклических, статических нагрузок, остаточных ремонтных сборочных напряжений. • Накопленная эксплуатационная повреждаемость металла. Механизмы повреждения • Снижение характеристик циклической прочности вследствие усталостных повреждений структуры металла. • Рост числа дислокационных образований и появление других неоднородностей в структуре металла. • Деформация кристаллической решетки. • Изменение магнитных характеристик, увеличение коэрцитивной силы. • Изменение механических характеристик кратковременной прочности металла. Проявление механизмов повреждения Пригодные безобразцовые неразрушающие методы оценки • Магнитные методы измерения градиента напряженности поля остаточной намагниченности и метод измерения спектральной плотности магнитных шумов Баркгаузена. • Безобразцовые неразрушающие методы контроля механических свойств металла по диаграмме кинетического индентирования..

28. 3. Разработка методики определения скорости ЭКИ При разработке методики определения скорости ЭКИ используется расчетно-экспериментальный подход, комплексно включающий в себя гидродинамическое трехмерное моделирование и нейронно-сетевое прогнозирование. 3.1. Выбор и уточнение мест контроля посредством гидродинамического моделирования С целью оптимизации зон контроля и уточнения карт контроля на АЭС производится расчет тепло-гидродинамических параметров среды (трехмерное моделирование), в том числе определение поля скоростей и энергий в потоке, для типовых мест второго контура. Для моделирования применяются универсальные конечно-элементные пакеты для тепло-гидро-газодинамических расчетов (например, ANSYS/CFX-5.x, FLUID). Пример моделирования нестационарных отрывных течений жидкости в коленах трубопроводов за запорной арматурой после ее включения t=0,06 с t=0,09 с

29. 3.2. Прогнозирование динамики развития процессов ЭКИ с применением технологии нейронных сетей При использовании нейронных сетей легко исследовать зависимость прогнозируемой величины от независимых переменных. Например, закладывая параметры среды (состав, pH, T), металла, потока и т.д. возможно, используя даже самую простую нейросетевую архитектуру и имеющуюся базу данных, получить работающую систему прогнозирования утонения. Причем учет, или не учет системой внешних параметров будет определяться включением, или исключением соответствующего входа в нейронную сеть (скажем, однофазный или двухфазный поток). Еще одно преимущество нейронных сетей состоит в том, что построение нейросетевой модели происходит адаптивно во время обучения, без участия оператора. При этом нейронной сети предъявляются примеры из базы данных, и она сама подстраивается под эти данные. Искусственный нейрон, так же как и живой, состоит из синапсов, связывающих входы нейрона – вектор параметров Х(х1, х2, …,хn), например, совокупность параметров состояния среды и металла,  с ядром нейрона, где осуществляется обработка входных сигналов, и аксона, связывающего нейрон с нейронами следующего слоя. Каждый синапс имеет вес, который определяет, насколько соответствующий вход нейрона определяет его состояние. Нейронная сеть состоит из нескольких слоёв нейронов, последовательно связанных друг с другом.

30. 3.2. (продолжение) Прогнозирование динамики развития процессов ЭКИ с применением технологии нейронных сетей По сравнению со средствами математической статистики и технического анализа, традиционно использовавшихся для прогнозирования, нейронные сети имеют ряд преимуществ. Так, нейросетевой анализ не предполагает никаких ограничений на характер входной информации. Это могут быть как индикаторы данного временного ряда, так и сведения о динамике других факторов, в то время как другие методы рассматривают только значения прогнозируемого ряда. Применение нейронных сетей не накладывает никаких ограничений на характер исследуемых рядов, поэтому нестационарность рассматриваемых процессов не представляет проблемы. Наиболее ценным свойством нейронных сетей является их способность успешно решать задачи, в которых затруднено или невозможно нахождение аналитических зависимостей между входными и выходными данными. Нейросети способны находить оптимальные для данной задачи индикаторы и строить по ним оптимальную для данного ряда стратегию предсказания. Кроме того, эта стратегия может быть адаптивна, меняясь вместе с ситуацией. Для многослойных нейронных сетей строго математически доказано, что они могут представлять любую вещественную непрерывную векторную функцию любого вещественного непрерывного векторного аргумента. То есть многослойные сети могут быть использованы для решения любой задачи, которая может быть сведена к построению функций, в том числе для прогнозирования.

31. 3.3 Итоговая электронная база данных оценки остаточного ресурса тепломеханического оборудования Электронная база данных по оценке остаточного ресурса основного оборудования АЭС (БДООР) сделана по заказу концерна «Росэнергоатом» и оперирует с результатами работ по оценке технического состояния и остаточного ресурса тепломеханических элементов энергоблоков АЭС первого поколения, включающая обосновывающие документы, необходимые при получении лицензии на эксплуатацию энергоблока за пределами назначенного срока службы. БДООР содержит информационные блоки: - «Специальный перечень элементов для управления ресурсными характеристиками элементов энергоблоков АЭС»; - «Программа обследования элемента энергоблока с целью оценки технического состояния и остаточного ресурса»; - «Расчеты на прочность элемента»; - «Заключение о техническом состоянии и остаточном ресурсе элемента»; - «Решение о возможности и условиях дальнейшей эксплуатации элемента».

32. 3.4.Преимущества применения расчетно-экспериментального подхода к моделированию процессов ЭКИ Расчетно-экспериментальный подход к моделированию процессов ЭКИ является базой для создания программных средств для расчета скорости ЭКИ в однофазном и двухфазном потоках. С целью верификации и аттестации программных средств для расчета скорости ЭКИ наряду с использованием информации из имеющейся базы данных предполагается выполнение комплекса испытаний на экспериментальном стенде по специально разработанной программе испытаний, учитывающей вариацию различных параметров, влияющих на скорость ЭКИ. Выполнение вышеперечисленных работ позволяет разработать и аттестовать методику расчётно-экспериментального обоснования мест, объемов и периодичности контроля эрозионно-коррозионного износа оборудования и трубопроводов пароводяного контура АЭС.

33. 4. Поверочный прочностной расчет минимально допустимых толщин Существующие в настоящее время в России нормативные документы по прочностному расчету элементов с эрозионно-коррозионным износом, регламентирующие минимально-допустимые толщины, учитывают только механизм относительно равномерного повреждения и не учитывают в полном объеме геометрию реального эрозионно-коррозионного износа. Реальная форма ЭКИ может быть получена при проведении сплошного сканирования поверхности и получении как общей картины износа, так и локальных форм утонений. При этом в ходе проведения прочностного расчета определяются допустимые геометрические размеры утонения и глубина: при большей протяженности дефекта вдоль оси трубопровода критический дефект будет иметь меньшую глубину и наоборот. Полученные данные соотношения реальной формы и глубины дефекта позволяют определять текущее состояние элемента с позиций возможности дальнейшей безопасной эксплуатации и прогнозировать остаточный ресурс. Определение остаточного ресурса Пример построения характерных кривых с учетом реальной геометрии износа для определения текущего состояния и остаточного ресурса :зона I – закритическое состояние, зона II – докритическое состояние.

34. Пример нанесения универсальных защитных покрытий 5. Мероприятия по повышению эрозионно-коррозионной стойкости элементов АЭС • В качестве мероприятий по повышению эрозионно-коррозионной стойкости оборудования и трубопроводов АЭС можно рекомендовать следующие : • разработка рекомендаций по выбору хим. состава материалов элементов оборудования и трубопроводов в части определения допустимого диапазона разброса процентного содержания легирующих элементов; • внедрение на АЭС технологии нанесения универсальных защитных покрытий (толщиной до 20 мкм) на внутреннюю поверхность металла с целью повышения износостойкости и ресурса работы элементов; • пассивация поверхностей оборудования и трубопроводов второго контура путем создания на металле защитных пленок.

35. План работ по ЭКИ для 4-х энергоблоков Балаковской АЭС

36. План работ по ЭКИ для 4-х энергоблоков Балаковской АЭС

37. Заключение • ЦМиР имеет значительный опыт работ по проблематике ЭКИ в части: • организации сбора и обработки исходных данных (трассировки, ВХР, хим. состав, данные эксплуатационного контроля и т.д.); • внедрения новых методов и средств контроля степени ЭКИ, включая подготовку и аттестацию персонала АЭС; • разработки расчетных кодов; • оптимизации объемов контроля и организации работ по совершенствованию нормативно-технической базы; • создания единой компьютерной системы сбора, хранения и обработки результатов контроля. • Опыт ЦМиР позволяет качественно выполнить работы по совершенствованию нормативной базы, оптимизации объемов и периодичности контроля, а также по повышению качества и информативности мониторирования эрозионно-коррозионного износа трубопроводов АЭС с целью снижения рисков возникновения аварийных ситуаций, связанных с нарушениями в работе оборудования и трубопроводов по причине ЭКИ.

38. IAEA/RCA Plant Life Extension / Ageing Management in Nuclear Power Plant 21 – 24 May 2007, Daejeon, Republic of Korea LIFETIME MANAGEMENT OF NPPS’POWER EQUIPMENT AND PIPELINES MANUFACTURED FROM CARBON STEELS Murat Bakirov doctor, General Director of the “Center of material science and lifetime”, Russia

39. Statistic data on metal wall thinning for typical elements (T-joints, bends, transitions, after fitting) of pipelines and equipment on WWER and RBMK NPPs WWER NPP’s elements RBMK NPP’s elements Erosion-corrosion wear, or Flow Accelerated Corrosion (FAC), of equipment and pipelines is one of the main problems of NPPs operation. Erosion-corrosion wear is one of the widespread damaging mechanisms for equipment and pipelines manufactured from carbon steels. Malfunctions in Russian NPPs operation as a result of FAC occur on average 3 times per year. Introduction Only about 10% of the elements are subjected to the considerable wear (more than 20 % of wall thinning) and are potentially dangerous to reach the critical unacceptable wall thinning. A design margin set on metal wall thinning owing to foresee corrosion process is 1,2 mm on 30 years of operation – it is 0,04 mm per year. Actual rate of metals FAC wear can achieve 0,2-2,5 mm per year, that is dozens times more than the design margin on thinning.

40. Examples of the secondary circuit’s piping rupture due to FAC wear on different NPPs

41. An example of the secondary circuit’s piping rupture due to FAC wear on Balakovo NPP, Unit 2 in 2004 damaged element weld joint FAC wear zone wall thinning

42. Nature of the flow-accelerated corrosion • FAC nature consists in mutual influence of three physical processes: • corrosion (chemical and electrochemical); • erosion (mechanical destruction of the surface layer); • dilution (for example of the oxide film). • Each process, even in a case of separate consideration, have not been completely studied until now. • A process of the corrosion in a considerable rate depends on metal chemical composition and water chemistry. Nevertheless, a required scope of input data from NPPs, concerning the above mentioned parameters, can not be collected in a sufficient scope which enables to carry out a comprehensive FAC analysis. • Erosion processes can be divided on cavitations erosion, abrasive erosion and “wind” erosion caused by a shearing stresses action on a metal-flow boundary.

43. Main factors and processes concerning FAC of the piping metal in a double-phased flow Double-phase flow M E T A L Erosion-corrosion Corrosion component Erosion component Metal properties - chemical composition (Cr, Mo)%; - wall thickness; - surface roughness Water-chemical factor - temperature; - inter-phase distribution Кd; - рН (or inhibitor properties); - content of iron; - ion composition of water; - electroconductivity Properties of the corrosion products - density and porosity of the oxide layer; - atomic volume of the corrosion products; - constants, defining processes of formation and dilution of the magnetite. Metal properties - Re number; - Re number; - Wer number; - density of the steam phase; - kinetic viscosity (of steam and water); - surface stress; - inter-phase friction coefficient; - geometry of the channel - mechanicalproperties - residual stresses Mass transfer Dilution of the magnetite Electrochemical corrosion

44. Features of FAC physical-chemical processes in a single-phase and double-phase flows Single-phase flow (water) Double-phase flow (wet steam) Metal, % (Cr, Mo, Cu)

45. Processes of the flow-accelerated corrosion ZoneА – laminar flow – very low rates of corrosion. ZoneВ – turbulent flow – rates of metal mass losses are determined by a transfer of active components to the metal surface.Friction stress in this zone is insufficient to cause a destruction of the film on the metal surface. ZoneС – friction stress becomes such a big that the film moves off (eliminates) in some areas , and in that areas an intensive corrosion occurs. Metal mass losses become significant due to contact currents running between areas which are “naked” and covered by the film. laminar turbulent turbulent turbulent turbulent Erosion-corrosion rates Speed or friction stress ZoneD– elimination of the oxide film has a common character, therefore a portion of metal destruction caused by contact currents action becomes lower. However, the rate of metal mass losses is big because much more significant area of the “naked” metal is subjected to the action of the aggressive medium.In this zone turbulence rates and friction stress grow considerably and re-passivation of the metal surface is obstructed. Zone Е – an interval of speeds corresponding to the state when the film had been eliminated totally and metal re-passivation is impossible.

46. Internal an external instability of FAC processes All considered processes combined in a FAC term occur in conditions of internal and external instability. Internal instability is caused by existence of unsteady flows in pipelines and equipment when T-joints, bends, transitions, fittings, etc. are considered.In a figure below it is shown a picture of hydraulic modeling of a flow in a pipeline transition in a region of connectionof two pipes with different diameters. It is clearly seen a twist structure. However this picture reflects only a stationary case of the actual picture. In the reality such a twist is unstable in time. Amounts of the medium, which is being involved in a twist area, grow. The twist becomes unstable and blows down a part of the medium into the main flow. As a result, the twist area periodically moves along the pipe and results in vibration occurrence. Behind the twist area an after-trace occurs like the trace of a cylinder or sphere streamline. So, flows in equipment and pipelines elements are too instable.

47. Physical-chemical metal properties (content of chromium, cuprum, molybdenum). • Thermal-hydraulic parameters of the working medium (temperature, speed). • Water chemistry characteristics (рН value, concentrations of oxygen, amine). • Geometry features (outside diameter of a pipe, wall thickness, constructive features: bend, T-joint, transition, fitting, etc.). • Actual stressed state of a construction, physical-mechanical properties of the metal. • Time of operation. Parameters defining FAC intensity Due to the considerable scope of FAC experimental investigations, which have been carried out in recent years by chief NPP industry institutes in different countries (USA, France, Germany, Japan, Russia, etc.), effects of the above mentioned parameters on FAC intensity have been carefully studied as presented in slides below.

48. Influence of different parameters on FAC Temperature influence Flow speed influence

49. Influence of different parameters on FAC PH level influence Oxygen concentration influence Metal chemical composition influence (Dyreks’ formula): WЭКИ=WЭКИмак/83Cr0,89Cu0,25Mo0,2

50. Influence of elements’ geometry on FAC - T-joints - Bends, elbows - orifice, dents - Fittings and input zones