Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы коррозии и эрозии металлов в воде и влажном паре электростанций
1.1. Классификация механизмов эрозии металлов энергетического оборудования 14
1.2. Анализ повреждаемости элементов рабочего контура энергоблоков 23
1.3. Физико-химические процессы эрозии-коррозии металлов в одно- и двухфазном потоках
1.4. Особенности воздействия многокомпонентных потоков на конструкционные металлы
1.5. Проблемы взаимодействия тепломассообмена и водно-химического режима с эрозионно-коррозионными процессами в энергетическом оборудовании электростанций 64
Глава 2. Исследования течения жидких пленок в двухфазном пограничном слое 75
2.1. Определение критериев массопереноса в двухфазном потоке 75
2.2. Исследования режимов течения жидких пленок при различных параметрах влажного пара 82
2.3. Особенности течения жидких пленок при добавках поверхностно активных веществ
2.4. Влияние вибраций твердой стенки на локальные характеристики течения жидкой пленки и гидравлическое сопротивление при расслоенном газожидкостном потоке 97
2.5. Исследования вибрационного воздействия на волновую структуру и осредненные характеристики течения жидкой пленки в двухфазном дисперсном потоке 109
Глава 3. Исследования закономерностей эрозии-коррозии металлов в двухфазных и многокомпонентных потоках 119
3.1. Основные критерии подобия и приближенное моделирование эрозии-коррозии металлов в двухфазных потоках 119
3.2. Влияние температурного фактора на процессы эрозии-коррозии металлов .. 125
3.3. Зависимость эрозии-коррозии металлов от режимов течения влажного
пара и воды 137
3.4. Эрозионно-коррозионная стойкость конструкционных металлов при различных водно-химических режимах 153
3.5. Влияние легирования сталей на интенсивность эрозии-коррозии 158
3.6. Роль геометрического фактора и шероховатости поверхности металлов в эрозионно-коррозионных процессах 167
3.7. Натурные исследования эрозионно-коррозионной стойкости металлов оборудования энергетических объектов 180
Глава 4. Моделирование физико-химических процессов эрозии-коррозии металлов в двухфазных потоках 193
4.1.Физико-химическая модель эрозии-коррозии металлов в двухфазных потоках 193
4.2. Методология определения значения рН жидкой фазы при кондицинировании двухфазных потоков аминами 206
4.3. Математическая модель эрозии-коррозии металлов в двухфазном потоке... 218
4.4. Расчетные исследования влияния основных факторов на эрозию-коррозию металлов 232
Глава 5. Применение математической модели эрозии -коррозии для решения прикладных задач 246
5.1. Межфазовое распределение железа и примесей при сепарации влаги и фазовых превращениях в двухфазных потоках 246
5.2. Определение эрозионно-коррозионного ресурса теплоэнергетического оборудования электростанций 261
5.3. Оптимизация выбора металлов энергетического оборудования работающего в двухфазных потоках 265
5.4. Баланс и межфазовое распределение железосодержащих продуктов эрозии-коррозии и примесей в пароводяном контуре энергоблоков 274
Глава 6. Повышение эрозионно-коррозионной стойкости элементов энергетического оборудования 283
6.1. Основные принципы и методы управления процессами эрозии-коррозии металлов в двухфазных потоках 283
6.2. Ингибирование эрозии-коррозии металлов в двухфазных потоках 293
6.3. Эффективность применения октадециламина для защиты от стояночной коррозии металлов энергетического оборудования 303
6.4. Рекомендации по выбору металлов энергетического оборудования, работающего в многокомпонентных средах 318
Заключение 328
Литература
- Анализ повреждаемости элементов рабочего контура энергоблоков
- Исследования режимов течения жидких пленок при различных параметрах влажного пара
- Влияние температурного фактора на процессы эрозии-коррозии металлов
- Методология определения значения рН жидкой фазы при кондицинировании двухфазных потоков аминами
Введение к работе
Надежность и эффективность современных отечественных и зарубежных электростанций в значительной степени зависит от эрозионно-коррозионной стойкости энергетического оборудования, работающего в однофазных (конденсатно-питательный тракт) и двухфазных (влажнопаровой тракт) потоках. Наряду с экономическими потерями коррозионные и эрозионные повреждения металла энергетического оборудования способны приводить к аварийным ситуациям, и влиять на безопасность эксплуатации электростанций. Так, например, ежегодный ущерб в энергетике США из-за эрозии и коррозии металла составляет несколько десятков миллионов долларов на один энергоблок или недовыработка мощности в размере 3-5% [210].
Актуальность рассматриваемой проблемы, особенно в связи со значительной наработкой отечественных энергоблоков растет, что обусловлено необходимостью решения важных народно-хозяйственных задач:
- продление срока эксплуатации путем повышения эрозионно-коррозионной стойкости нового, стареющего и уже исчерпавшего расчетный ресурс энергетического оборудования ТЭС, ГеоЭС и АЭС;
повышение безопасности и бесперебойности работы мощных энергоблоков, характеризующихся повышенными тепломеханическими и гидродинамическими нагрузками, вызывающими интенсивную эрозию-коррозию металлов;
снижение стоимости энергетического оборудования на стадии проектирования и реконструкции путем оптимизации режимов эксплуатации и выбора конструкционных сталей, обеспечивающих его эрозионно-коррозионную стойкость в течение всего расчетного периода эксплуатации;
оптимизация и повышение эффективности диагностических и профилактических регламентов, методов контроля эрозионно-коррозионного состояния и предупреждения аварийных ситуаций и вынужденных остановов по причине повреждения металлов рабочего тракта электростанций;
Отечественная наука и техника в области изучения эрозии металлов успешно развивалась уже в 60-70 гг. В первую очередь следует отметить комплексные исследования каплеударной эрозии и газодинамики двухфазных сред, проведенные в семидесятые годы в МЭИ под руководством Г.А.Филиппова и О.А.Поварова, в рамках которых были созданы уникальные экспериментальные стенды. В начале 80-х годов отечественная и зарубежная энергетика столкнулась с
новой серьезной проблемой "размыва" деталей проточных частей турбин и элементов влажнопарового тракта электростанций, для которой были характерны протечки в стыках диафрагм, обойм и фланцевых разъемов корпуса турбин, работающих во влажном паре. Известны случаи, когда на ряде отечественных турбин были размыты диафрагмы и корпуса уже через три года эксплуатации. Отмечались случаи размыва регулирующих клапанов и паропроводов, повышенный износ межлопаточных тел сопловых решеток и других элементов, находящихся под воздействием влажнопарового потока. В это время МЭИ и ВНИИАМ начали активно заниматься изучением явления эрозии-коррозии и проводить исследования.
Автором под руководством Поварова О.А. в 1980 году были начаты систематические работы по исследованию проблем размыва металлов во влажном паре. Вскоре эти исследования позволили определить размыв,' как физико-химический процесс эрозии-коррозии (ЭК) обусловленный, с одной стороны образованием защитного оксидного слоя на металле, а с другой растворением металла и выносом продуктов эрозии-коррозии в поток. Автором основное внимание было обращено к изучению ЭК металла в двухфазном потоке.
Во ВНИИАМ под руководством Филиппова Г.А. в подразделениях и лабораториях Шалобасова И.А., Кукушкина А.Н. и Васильченко Е.Г. велись многолетние исследования эрозионных процессов в водных потоках. Нигматулин Б.И., Бараненко В.Н. и другие российские ученые выполнили комплекс экспериментальных и теоретических работ по изучению ЭК в воде. Широко известны также работы по коррозии и ВХР в энергетическом оборудовании Акользина П.А., Мартыновой О.И. и других замечательных российских ученых.
К середине 90-х годов фактически в России сложилась школа в области проблем эрозии и коррозии на базе МЭИ, ВНИИАМ, ВНИИАЭС, МГОУ и других отечественных организаций. Результаты российских исследований в ряде случаев опережают мировой опыт в области изучения эрозии-коррозии металлов.
После серьезной аварии с человеческим жертвами на АЭС "Сарри-2" (США) 9 декабря 1986 года, причиной которой был разрыв трубопровода питательной воды вследствие эрозионно-коррозионного износа металла, во многих индустриальных странах (Германия, США, Франция и другие) были инициированы национальные программы и активно ведутся по сей день работы по изучению данной проблемы.
Эрозионно-коррозионные процессы в двухфазных потоках (реализуемые во влажнопаровом тракте - турбины насыщенного пара, регенеративные отборы и подогреватели со стороны греющего влажного пара, конденсатор и др.) более
сложные и менее изученные, чем ЭК в однофазной среде, вносят значительный вклад в загрязнение рабочего тела железосодержащими соединениями и являются причиной высокой повреждаемости оборудования электростанций. Принципиальным отличием ЭК в двухфазном потоке является то, что непосредственно в контакте с металлом (в качестве барьера между металлом и основным парокапельным потоком) находится движущаяся жидкая пленка, локальные процессы массопереноса, коррозионные свойства и водно-химические параметры которой определяют интенсивность и особенности протекания ЭК. ЭК металлов в двухфазном потоке - сложное многофакторное явление, физико-химические процессы которого определяются законами различных научных дисциплин, таких как электрохимическая коррозия, гидрогазодинамика двухфазных потоков, водная химия, термодинамика, металловедение и др.
Для решения практических задач прогнозирования и предотвращения образования отложений в парогенераторе и турбине требуется расчетное определение баланса эрозионно-коррозионного выноса железосодержащих соединений в рабочий контур электростанций. Вопросы оптимизации водно-химического режима и поиска технических решений с целью снижения ЭК металлов в двухфазных потоках ТЭС, АЭС и ГеоЭС нуждаются в дальнейшем развитии.
Основными элементами данной работы являются разработка научно-теоретических и методологических основ, экспериментальное исследование закономерностей, создание физико-химической и математической моделей, принципов и методов управления процессами ЭК металлов в двухфазных потоках по прогнозированию, диагностики, повышению эрозионно-коррозионной стойкости металлов и продлению ресурса работы энергетического оборудования электростанций.
Научные достижения последних лет и полученные новые результаты исследований позволили развить ранее введенный в теплоэнергетике (Стыриковичем М.А., Мартыновой О.Н., Поваровым О.А. и др.) глобальный подход рассмотрения проблемы эрозии и коррозии в тесной связи с теплофизическими процессами, протекающими в рабочем контуре электростанций. Это дало возможность выявить ряд принципиальных особенностей двухстороннего эрозионно-коррозионного взаимодействия одно- и двухфазного потоков с металлом, которые легли в основу создания программного комплекса РАМЭК-2 для расчетов баланса железосодержащих продуктов ЭК и примесей (хлоридов, кремневой кислоты и т.д.) в
контурах электростанций с учетом процессов эрозии-коррозии и образования отложений.
Данная работа выполнялась на кафедре "Теплоэнергетические установки" Московского государственного открытого университета, где автор работает с 1986 года по сей день в должности доцента. Многие результаты диссертации получены автором или при его участии в рамках научно-исследовательских работ по Программам ГКНТ (СССР) и Миннауки России, РАО "ЕЭС России", программ Минэнергетики и Минатома России, а также по заказу ряда отечественных научно-исследовательских институтов, заводов и электростанций.
При решении поставленных в этой работе задач под руководством и при участии автора были созданы на базе МЭИ экспериментальные теплофизические стенды высокого (ТФ-1) и низкого (ТФ-2) давления, гидрогазодинамические экспериментальные проточные части для исследования течения жидких пленок (газо-водяной канал с вибрирующей стенкой и пароводяной канал, установленный на выхлопе экспериментальной турбины ЭТ-12), а также специальные эрозионно-коррозионные тест-модули. В диссертации не приводится информация о методах исследований и экспериментальных стендах, поскольку подробное их описание дано в ряде публикаций [244-246,249,251,8,9,66,67,108,117,152,174,178].
На основе экспериментальных данных, полученных автором по влиянию степени влажности на удельную сорбцию октадециламина (ОДА) в двухфазном потоке, проведено обоснование (получены авторские свидетельства) и при участии автора внедрена на Конаковской ГРЭС, Черепетской ГРЭС, ТЭЦ "Нови Сад" (Сербия), Верхне-Мутновской ГеоЭС и других электростанциях технология защиты от коррозии металлов турбоустановок "на ходу" с использованием поверхностно-активного вещества ОДА. Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований эрозионно-коррозионных процессов внедрены на Балаковской и Нововоронежской АЭС, Верхне-Мутновской ГеоЭС ГеоЭС, Мутновской ГеоЭС и других электростанциях, где эрозионно-коррозионные тест-модули использовались и работают по сей день (например, на Верхне-Мутновской ГеоЭС) обеспечивая мониторинг эрозионно-коррозионного состояния энергетического оборудования.
По разработанным рекомендациям проведен выбор металлов для изготовления турбоустановок на ОАО "Калужский турбинный завод", сепараторов на ОАО "ПМЗ" и другого энергетического оборудования для Верхне-Мутновской ГеоЭС и Мутновской ГеоЭС, обеспечивающих эрозионно-коррозионную стойкость в
условиях коррозионно-агрессивного многокомпонентного геотермального теплоносителя.
Работа выполнена под общим руководством д.т.н., профессора Поварова О.А., которому автор благодарен за оказанную помощь и поддержку.
Ряд теоретических и экспериментальных исследований были выполнены в соавторстве и при участии Агапова Ю.А., Васильченко Е.Г., Величко Е.В., Гонтаренко А.Ф., Кукушкина А.Н., Михайлова В.А., Рабенко B.C., Саха С, Семенова В.Н., Чертушкина В.Ф., Шалобасова А.А., Шипкова А.А., которым автор выражает свою признательность.
Автор благодарен коллективу кафедры "Теплоэнергетические установки" МГОУ и особенно зав. кафедры д.т.н., профессору Ибрагимову М.Х.-Г. за постоянную поддержку и полезные советы при подготовке диссертационной работы.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ
а Разработка положений и основ физико-химических процессов коррозии металлов под воздействием двухфазных потоков - "эрозии-коррозии".
Разработка и создание экспериментальных стендов для исследования течения жидких пленок и эрозии-коррозии металлов в лабораторных условиях и на натурных энергетических объектах.
Исследование течения жидких пленок в двухфазном потоке при высоких плотности и степени влажности пара и на вибрирующей металлической поверхности.
Экспериментальные исследования закономерностей эрозии-коррозии металлов во влажном паре.
Построение физико-химической модели эрозии-коррозии металлов в движущихся двухфазных средах.
Расчетно-теоретические исследования эрозии-коррозии металлов и создание математической модели расчета эрозионно-коррозионной стойкости энергетического оборудования и выноса железосодержащих продуктов эрозии-коррозии в элементах ТЭС, АЭС и ГеоЭС.
а Исследование эрозионно-коррозионной стойкости металлов
энергетического оборудования и разработка рекомендаций по их выбору на стадии проектирования и эксплуатации электростанций.
Разработка и внедрение методов повышения эрозионно-коррозионной
стойкости металлов энергетического оборудования.
Анализ повреждаемости элементов рабочего контура энергоблоков
Как было показано в предыдущем параграфе, повреждения поверхностного слоя и разрушения металла энергетического оборудования имеют различные механизмы и закономерности. Правильная идентификация повреждений рабочих поверхностей технологического оборудования электрических станций является первым и важнейшим шагом в исследовании и управлении процессами взаимодействия рабочего тела с металлами.
Возможность существования и интенсивность того или иного механизма разрушения зависят от ряда условий, определяющих природу этого явления. Фазовое состояние рабочего тела (НгО) является основным условием реализации различных механизмов повреждения металла. На рисунке 1.2.1 показано, какие механизмы повреждения металла могут существовать в однофазном перегретом паре, в зоне фазового перехода (выше х=1,0), в двухфазном (влажный пар) и однофазном (вода) состоянии НгО. На рис. 1.2.1 условно показано, что ЭК является основным источником загрязнения железосодержащими соединениями рабочего тела и причиной образования отложений в парогенераторе и турбине.
Принципиальная тепловая схема турбоустановки К-1000-60/1500 с фазовым состоянием рабочего тела (НгО). представлена на рис. 1.2.2. Большая часть рабочего тракта находится в двухфазной (влажный пар) и однофазной (вода) области существования Н20. Турбина (ЦВД и ЦНД), выносной сепаратор, конденсатор, почти все регенеративные отборы и подогреватели высокого и низкого давления (с паровой стороны) и другое оборудование работают во влажном паре. В этих условиях доминирует эрозионно-коррозионный механизм повреждения металла.
В отличие от общей ЭК, основным результатом которой становится вынос железа в поток, локальная ЭК - это высокоинтенсивное местное повреждение металла, приводящее в аварийно опасному разрушению металла элементов энергетического оборудования - сквозные свищи, разрывы трубопроводов, протечки в корпусах турбин и энергетической арматуры и т.д.
Статистические данные повреждаемости энергетического оборудования ТЭС, ТЭЦ и атомных электростанций с PWR (реакторы водяные под давлением) и BWR (реакторы кипящего типа) полученные за рубежом [54, 177], представленные в таблице № 1.2.1 свидетельствуют о том, что в большей или меньшей степени практически все виды энергетического оборудования пароводяного тракта подвержены разрушительному воздействию со стороны рабочего тела. В таблице № 1.2.2 показаны данные о наличии проблем ЭК на блоках АЭС с водяными реакторами под давлением в США и Германии [54, 177]. Подавляющее большинство исследуемых АЭС имеют эрозионно-коррозионные повреждения металлов во влажно-паровом тракте (на 27 из 28 станций).
Результаты анализа и идентификации интенсивности повреждаемости элементов рабочего тракта турбоустановки К-220-44 показаны на рис. 1.2.3. На схеме отражены типичные для оборудования второго контура АЭС с ВВЭР места проявления различных видов повреждения металла. В ряде мест может осуществляться совместное воздействие на металл различных механизмов повреждения.
Движение влажного пара в проточной части турбин обусловливает существование каплеударнои эрозии и ЭК металла. Каплеударная эрозия имеет локальный характер и наблюдается в основном на рабочих и сопловых лопатках последних ступеней. ЭК подвержены значительные площади поверхности металла элементов проточной части турбин влажного пара. В зону наибольшей ЭК попадают прежде всего цилиндры высокого давления турбин насыщенного пара, например К-220-44 и К-1000-65/1500.
На рис. 1.2.4 показаны наиболее типичные места ЭК металлов ЦВД турбин К-220-44. Эрозионно-коррозионные повреждения наблюдаются в стыках корпусов, обойм и диафрагм, где реализуется процесс "щелевой" ЭК, причем скорости повреждения в этих случаях могут превышать 2 мм/год. При рассмотрении повреждения износа разъема корпуса ЦВД или диафрагм следует учитывать, что истинная степень влажности пара в данном щелевом канале может значительно возрастать вследствие попадания в него стекающей по внутренним стенкам корпуса жидкой пленки. Это обстоятельство существенно влияет на рост интенсивности ЭК.
Анализ повреждений элементов ЦВД К-220-44 показывает, что зона максимальной ЭК наблюдается в диапазоне температур 160-190 С и при повышенных степенях влажности пара (более 5%), что отражено на рис. 1.2.4. В тех же условиях работают отборы ЦВД, что является одной из основных причин их повышенного эрозионно-коррозионного повреждения.
Одним из наиболее ответственных узлов турбоустановок влажного пара является сепаратор-пароперегреватель (СПП). На рис. 1.2.5 представлены некоторые типичные места ЭК элементов СПП-220, среди которых корпус, входные участки пакетов жалюзи, трубные доски, кассеты пароперегревателей и др. Значительные повреждения металла отмечаются в верхней части корпуса СПП по ходу поступающего из ЦВД влажного пара (рис. 1.2.5, вид А-А), где ЭК сочетается с каплеударной эрозией. Существенный износ наблюдается в трубных досках и трубопроводах подачи греющего пара, особенно на входных участках трубок кассет (рис. 1.2.5, вид В). Причем степень износа элементов первой ступени перегрева пара со стороны нагреваемого пара практически соизмерима с ЭК металла со стороны греющего пара. Во второй ступени перегрева ЭК в большей степени отмечается со стороны нагреваемого пара. ЭК металла в этих случаях сопровождается термической неравномерностью, возникающей вследствие нестационарного процесса орошения влагой поверхностей теплообмена, что должно ухудшать защитные свойства оксидного слоя.
Исследования режимов течения жидких пленок при различных параметрах влажного пара
Как было показано в п. 1.3., повреждения элементов энергетического оборудования широко распространены во влажнопаровом тракте, в том числе в зонах больших скоростей (М 0,3) и относительно высокого давления (Р 0,5 МПа) влажного пара [47, 54, 103, 108, 112]. Чтобы правильно идентифицировать механизм разрушения металлов в столь экстремальных условиях движения рабочего тела электростанций необходимо изучить особенности взаимодействия двухфазного пограничного слоя с поверхностью металла и, прежде всего, определить форму и наличие контакта электролита с металлом.
Существование на поверхности сплошной жидкой пленки (как электролита), препятствующей доступу кислорода к металлу (кислород практически полностью перераспределяется в паровую фазу с коэффициентом межфазового перераспределения Kd=107-109), является одним из важнейших факторов, определяющих возможность реализации механизма ЭК металлов элементов энергетического оборудования в двухфазном потоке [152], а также состав и качество продуктов ЭК (вид железосодержащих соединений).
Интенсивность и форма протекания ЭК металлов в двухфазных потоках зависит от параметров и режима течения жидкой пленки, которые определяют процессы массопереноса у границы раздела металл -жидкая фаза.
Сплошное течение жидких пленок возможно при плотности орошения больше некоторого минимального значения Г ГтіП. В общем случае сплошность жидкой пленки определяется взаимодействием сил инерции, тяжести, межфазового трения и поверхностного натяжения.
При повышении плотности и скорости пара межфазовое трение возрастает, поэтому в качестве масштаба динамического воздействия пара на жидкую пленку можно использовать произведение динамического напора на коэффициент трения.
Таким образом сплошность электролита - жидкой пленки, а значит и возможность реализации механизма ЭК металла в двухфазных потоках определяет критерий в виде критического минимального значения числа Рейнольдса жидкой пленки (Re/)min, т.е. при Re/ (Re/)min следует ожидать эрозионно-коррозионное разрушения энергетического оборудования.
Опубликованные результаты исследования течения жидких пленок при повышенных давлениях [167] в основном относятся к случаю дисперсно-кольцевого потока и выполнялись при ее искусственном формировании. Сегодня имеются разноречивые данные о существовании и устойчивости течения жидких пленок на твердой поверхности в спутном высокоскоростном газовом потоке. Так, в работе [170] предполагается, что при сверхзвуковых скоростях газа искусственная жидкая пленка полностью срывается и распыляется в виде мелкодисперсной фазы (туман), равномерно распределенной по сечению потока. С другой стороны в опытах [166] на воздуховодяной модели при атмосферном давлении показано, что искусственная жидкая пленка не срывается полностью даже при сверхзвуковых скоростях воздуха М 1,0 (М -число Маха). Механизмы образования и течения жидких пленок в двухфазных пароводяных потоках несколько отличаются от протекания подобных процессов в условиях воздухо-водяных потоков. В двухфазных высокоскоростных потоках наряду с отрывом влаги с жидкой пленки одновременно происходит турбулентно-пульсационное осаждение капельной влаги и межфазовый переход, что позволяет предположить наличие пленки на поверхности даже при сверхзвуковых скоростях.
Автором совместно с Чертушкиным В.Ф. были выполнены исследования [117] возможности устойчивого существования и особенностей течения жидких пленок, реально формирующихся в высокоскоростном двухфазном потоке влажного пара при повышенных давлениях, т.е. в условиях, соответствующих течению влажного пара в проточных частях и регенеративных отборах турбин. Исследования проводились на газодинамическом стенде МЭИ [9] в области давлений на входе в канал Ро=0,1-4,0 МПа и степени влажности пара до 18%. В опытах использовался рабочий участок, который с помощью профилированной верхней вставки принимает форму как плоскопараллельного канала, так и несимметричного плоского сопла (см. рис. 2.2.1).
На нижней стенке канала было установлено четыре комбинированных датчика толщины жидкой пленки, измерялись статические давления и температура, посредством влагоулавливающих щелей в трех сечениях по каналу измерялся расход жидкой пленки на нижней стенке.
В опытах использовалась система измерения толщины жидкой пленки с локальной отстройкой от изменения электропроводимости жидкости, включающая в себя по существу два датчика: основной - измеряющий толщину пленки и вспомогательный, следящий за изменением электропроводимости среды [125]. Тщательная тарировка датчиков и применение в качестве материала электродов нержавеющей стали 12X18Н9Т, чтобы исключить покрытие их поверхности окислами металла в течение длительного времени, свели погрешность измерений, вносимую датчиками до минимума. Точность измерения толщины жидкой пленки составляла 5 мкм.
Опыты проводились при скоростях пара характерных для проточных частей паровых турбин, которые превышают критические значения скорости пара по срыву жидких пленок. Дисперсность жидкой капельной влаги измерялась на входе в исследуемый канал и соответствовала 10-50 мкм. Экспериментальные данные о средней толщине жидкой пленки вдоль нижней стенки плоскопараллельного канала в зависимости от степени влажности пара на входе уо и скорости парового потока представлены на рис. 2.2.1. Характер поведения толщины пленки по длине канала для всех режимов идентичен. В конфузорном входном участке канала толщина пленки резко возрастает и в горле достигает максимальных значений порядка 200 мкм (кривая 1 на рис. 2.2.1), что связано с отклонением траекторий движения крупнодисперсной влаги от линий тока паровой фазы (из-за несимметричного входного участка) и осаждением ее на нижнюю стенку канала. С увеличением скорости потока от М=0,4 до М=0,6 при постоянной начальной степени влажности пара равной 18% (см. кривые 2,3 на рис. 2.2.1) уменьшается толщина пленки вдоль канала, а также из-за усиления дробления крупнодисперсной влаги в конфузорном входном участке уменьшается толщина пленки в горле конфузорного участка.
Снижение начальной степени влажности пара уо от 18% до 4% при постоянном числе Маха М=0,6 (кривая 4 на рис. 2.2.1) приводит к ощутимому уменьшению толщины пленки по всей длине канала до 15-25 мкм. В большей степени этот эффект проявляется в зоне максимальных толщин пленки, где превалирует инерционное осаждение дисперсной влаги над турбулентно-пульсационным. Это обстоятельство объясняется тем, что снижение степени влажности пара ведет к уменьшению модального размера капель, т.е. увеличению доли мелкодисперной влаги двигающейся по линиям тока пара. Основным механизмом выпадения капельной влаги в горле конфузорного участка в данном случае является инерционное осаждение. В плоскопараллельном участке канала реализуется турбулентно-инерционный массоперенос капель в двухфазном пограничном слое.
За входным конфузорным участком толщина пленки резко уменьшается, поскольку прекращается ее подпитка за счет инерционного осаждения крупнодисперсной влаги и более активно проявляется явление срыва жидкости с поверхности пленки. Эффект увеличения толщины жидкости в пленке вдоль плоскопараллельного канала (рис. 2.2.1) реализуется за счет роста расхода жидкости в пленке, что коррелируется с данными, полученными при низком давлении (Ро 0,1 МПа) и малой степени влажности (у=2,5%) [9] (кривая 5 на рис. 2.2.1).
Влияние температурного фактора на процессы эрозии-коррозии металлов
Температура - важнейший фактор, влияющий на физические и химические параметры и процессы как коррозионной, так и эрозионной составляющих ЭК. Исследования [180,208,210,256,262,66,72,84,109,110,112,151,152,154] показывают, что в пароводяных контурах электростанций явление ЭК металлов реализуется в основном в диапазоне температур от 50 до 250 С. Рассмотрим роль температурного фактора в процессах эрозионной составляющей ЭК. В случае элементарной ЭК процессы массопереноса реагентов и растворенных продуктов коррозии отражают эрозионную составляющую.
Температура влияет на основные процессы коррозионной составляющей ЭК: скорость химической реакции, формирование оксидного слоя и его растворимость. Постоянная скорости химической реакции образования магнетита зависит от температуры и определяется по формуле Аррениуса: КСЙ =Aexp(-E/RT) (3.2.1) где А - постоянная, зависящая от природы реагирующих веществ, Е -энергия активации, которой должны обладать сталкивающиеся молекулы, чтобы осуществилось химическое превращение, R - газовая постоянная. На рис. 3.2.2 показана зависимость постоянной скорости химической реакции от температуры. Формирование слоя магнетита на поверхности металла включает в себя процессы диффузии Fe, Нг, Н+ в порах, а также ионов Fe и легирующих элементов в кристаллической решетке магнетита и металла. Влияние температуры на физические свойства воды (р, v , К«, Sc) и водяного пара (р", v"), коэффициент диффузии (D) и коэффициент массопереноса (К) продуктов растворимости магнетита в жидкой пленке
В условиях двухфазного потока локальные значения pHf жидкой фазы (пленки) находящейся в непосредственном контакте с металлом, определяются коэффициентом межфазового распределения коррекционных добавок, примесей и газов, который зависит от температуры (см. рис. 1.3.9).
Следует отметить, что в конечном счете влияние температурного фактора определяет структуру и размеры шероховатости поверхности оксидного слоя при эрозионно-коррозионном воздействии на металл. Это приводит к изменению значений коэффициента массопереноса в пристенной области и, как следствие, к обратному влиянию на структуру поверхности металла.
Общим результатом влияния температурного фактора на процессы ЭК является температурная зависимость интенсивности ЭК. Влиянию температуры на интенсивность ЭК в водном однофазном потоке были посвящены работы ряда авторов [180,193,196,210,256]. На рис. 3.2.4 представлены результаты экспериментальных исследований температурной зависимости ЭК при различном расходе воды, т.е. при изменении коэффициента массопереноса (рН25=9,04) [208]. Интенсивность ЭК растет в увеличением расхода и для всех режимов имеется пик зависимости при температуре 130 С. Результаты подобных исследований для различных сталей представлены на рис. 1.3.2 и свидетельствуют о том, что максимальная интенсивность ЭК наблюдалась при температуре 150 С [38].
С целью изучения влияния температуры на интенсивность ЭК углеродистой, низколегированной и высоколегированной сталей на основе приближенного моделирования автором были выполнены экспериментальные исследования на стенде ТФ-3 (кафедра ПГТ МЭИ) с использованием разработанной специальной эрозионно-коррозионнои камеры.
Расчетная зависимость коэффициента массопереноса железа от термодинамических параметров двухфазного потока показана на рис. 3.2.1. Отсюда видно, что интенсивность эрозионной составляющей (коэффициент массопереноса) с увеличением термодинамических параметров возрастает, и это должно активизировать ЭК. Действительно, до значений температуры влажного пара 170 С происходит рост интенсивности ЭК (см. рис. 3.2.6). Однако, при температуре 170 С знак температурной зависимости ЭК меняется на противоположный и ее интенсивность падает вплоть до 240 С (р=4,0 МПа).
Анализ процессов электрохимической коррозии, образования и растворения магнетита [182,183,169,12,166,143] позволяет заключить следующее. Рост интенсивности ЭК в диапазоне температур от 100 до 150-170 С обусловлен совокупностью тенденций физико-химических процессов: увеличением скорости химических реакций, высокой растворимостью магнетита (но снижением с ростом температуры) и увеличением коэффициента массопереноса.
Вероятно, изменение тенденции температурной зависимости при t=170 С и дальнейшее снижение интенсивности ЭК вплоть до t=240 С определяются доминированием процессов коррозионной составляющей, т.к. в этом диапазоне температур продолжает расти коэффициент массопереноса.
Металлографические исследования структуры поверхности образцов металлов, подвергнутых эрозионно-коррозионному воздействию, были проведены автором совместно с к.т.н Кисловым А.И. Специально вырезанные из образцов и подготовленные ультразвуковым диспергатором УЗДН-2Т темплеты исследовались посредством сканирующего электронного микроскопа типа "Кэмбридж Стереоскан-150" [66,84]. Производилась съемка в различных точках темплета, из которых затем выбиралась наиболее типичная картина структуры поверхности.
При температуре наибольшей интенсивности ЭК (170 С) на поверхности образцов формируются крупные углубления от 2 до 5 мкм с большим количеством более мелких глобулярных образований (фрактограмма № 005). Рельеф поверхности становится более рыхлый, на нем отсутствуют ярко выраженные плоские площадки, вся поверхность изъедена язвами и соответствует случайному характеру структуры.
Структура поверхности образца Ст 20 после испытаний при температуре двухфазного потока 235 С выгодно отличается от предыдущих фрактограмм (см. рис. 3.2.7, в). Поверхность покрыта одноразмерными волнистыми образованиями, размеры которых существенно меньше рельефных элементов поверхности образцов, испытанных при 120 и 170 С и составляют порядка 0,2-0,5 мкм. Уменьшение шероховатости поверхности и исчезновение крупных углублений свидетельствует о формировании менее пористой и плотной защитной пленки магнетита, что является причиной снижения интенсивности ЭК.
Таким образом, результаты металлографических исследований, подтверждают правильность сделанных ранее предпосылок физико-химической картины ЭК относительно роли защитных свойств оксидного слоя металла. Экспериментально подтверждено также влияние температурного фактора на структуру и шероховатость поверхности, и, как следствие, на коэффициент массопереноса.
Методология определения значения рН жидкой фазы при кондицинировании двухфазных потоков аминами
Основным водно-химическим параметром, определяющим растворимость магнетита, а значит и интенсивность ЭК, является значение рН среды, в случае двухфазного потока - значения рН жидкой фазы (пленки).
Водно-химический режим энергоблоков ТЭС и АЭС подлежит обязательному нормированию [40, 119] и контролю. Как правило, дозируются амины с концентрацией, необходимой для поддержания рН однофазной водной среды (например, после деаэратора) на определенном безопасном, с точки зрения минимизации коррозии, уровне. При этом локальная концентрация амина в жидкой фазе пароводяного контура может значительно отличаться от дозируемой вследствие межфазового распределения амина и в силу специфики происходящих тепломеханических процессов. Так, на рис. 4.2.1 представлены результаты измерения значений рН жидкой и паровой фаз во втором контуре АЭС, выполненные фирмой "KWU". Кондиционирование аммиаком и гидразином позволяет получить значение рН питательной воды на входе в парогенератор равное 9,67, а для жидкой фазы влажнопарового тракта величина рН может снижаться до 9,22 в конденсаторе. При этом локальные значения рН жидкой фазы могут еще больше отличаться за счет распределения коррозионно-агрессивных примесей в жидкую фазу и изменения величины местной степени влажности пара (упаривание или конденсация вблизи зоны фазового перехода).
Вопросом определения значений рН рабочего тела электростанций посвящены работы отечественных [12,79,82] и зарубежных [179,190,199,273,190,199,205] исследователей. В то же время существующие расчетные методики, не позволяют точно получать данные о локальных значениях рН жидкой фазы. Это сдерживает создание математической модели ЭК металлов энергетического оборудования в двухфазных потоках.
Влияние степени влажности пара на содержание и концентрацию гидразина и аммиака в паровой и жидкой фазах в процессе фазовых превращений, рассчитанное по вышеприведенным формулам 4.2.1 и 4.2.2 показано на рис. 4.2.2 и 4.2.3 соответственно. При степени влажности у=0.1 % практически весь амин находится в паре, а при у 50% переходит почти весь в воду (рис 4.2.2,а и 4.2.3,а). В случае применения любого из аминов концентрация в насыщенном паре и концентрация в воде будут практически равны дозируемой (рис. 4.2.2,6 4.2.3,6), но вследствие распределения гидразина в воду (Ка 1) с ростом степени влажности пара концентрации этого амина в жидкой пленке, значительно превысят исходные значения (рис. 4.2.2,6). Это положительно влияет на снижение интенсивности ЭК. В этом смысле использование аммиака при кондиционировании двухфазных потоков является менее предпочтительным, т.к. увеличивает лишь концентрацию амина в паре (K j 1) и вызывает необходимость в дополнительной дозировке вещества (рис. 4.2.3,6) (с концентрацией на порядок большей по сравнению с гидразином) для достижения значений рН в жидкой фазе соответствующих нормативам для питательной воды. потока с учетом реальной динамики изменения термодинамических и гидродинамических параметров рабочего тела (НгО) электростанций является сложной задачей, со множеством неизвестных и трудно определяемых параметров (например образование и поглощение ионов водорода вследствие химических реакций) и изменением свойств среды (коэффициентов межфазового распределения и диссоциации в многокомпонентных растворах и т.п.).
Уравнение (4.2.5) обладает существенным недостатком по сравнению с (4.2.3): определение концентрации ионов водорода по этому уравнению приводит к заниженным (по сравнению с реальными), значениям рН жидкой фазы, так что уменьшение концентрации амина до нуля при t=25 С, не приводит к рН=7 для нейтральной среды (см. пунктирные линии на рис. 4.2.4). Результаты расчетных исследований, представленные рис. 4.2.4 показывают, что только при достижении определенных значений концентраций гидразина (с 200мкг/кг при t=25 С или с 2 мг/кг при t=170 С) разница в расчетах значений рН по формулам (4.2.3) и (4.2.5) становится незначительной.
Полученная расчетная диаграмма рНЦ—с — рН гудобна для анализа ингибирующих возможностей аминов в двухфазных потоках при их дозировании в питательную воду. По диагональной линии о -о отслеживается изменение значение рН „ питательной воды при варьировании концентраций аминов.
Из всех рассмотренных аминов только дозирование гидразина и морфолина повышает значение pHf жидкой пленки по сравнению с величиной pHw однофазной (водной) среды (при одинаковых концентрациях амина в однофазном и двухфазном потоках) при переходе в двухфазное состояние НгО. Это положительно сказывается на ингибировании ЭК металлов в двухфазных потоках.
