Flow accelerated corrosion in nuclear power plant secondary circuit
Koistila, Timo (2021)
Diplomityö
Koistila, Timo
2021
School of Energy Systems, Konetekniikka
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021121460367
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021121460367
Tiivistelmä
Several nuclear power plants and in process industry in general have faced severe problems with the flow accelerated corrosion. Today the issue is better taken into account and the problems can be minimized or at least taken into account when planning yearly inspection plan. Problem with the inspection plan is that not all the pipes can be inspected. This has created the need for program that could pinpoint the locations where the flow accelerated corrosion most probably occur.
Before you can predict the corrosion rate, you should understand what causes corrosion and what parameters affect the severity of it. For example, the pH impact on corrosion is significant. Other key parameters are temperature, since when the temperature is low, or high enough the corrosion rate decreases. The rate is at the highest when the temperature is between 150 to 180 °C. Materials, especially the Chromium content in metal improve the resistance to the corrosion. As big of an impact to the corrosion rate is the actual pipe routing.
From this standpoint we started building our own calculation model. For the one-phase flow calculation we used a model that is based on mass transfer coefficient and for the two-phase flow calculation we used coefficients to estimate the corrosion rates. Many of the commercially available calculation programs use the same parameters but what we are lacking is the data from the research and from the real measured corrosion rates form existing plants. The existing software’s use different kind of coefficient in their calculation to get the same values as in the existing plants. We acknowledge this and the purpose was to develop a model to compare the results and to define the locations where the flow accelerated corrosion might be most severe. With both models we are able to get results for the corrosion rates, but the one-phase flow results seem to be a lot smaller than the ones in the reference calculation. On the other hand, the two-phase flow calculation seems to give a bit too high corrosion rates compare to the reference calculation. We assume this to be from the missing coefficient they have used since the initial data is the same. Useissa ydinvoimalaitoksissa ja muissa prosessiteollisuuden laitoksissa on kohdattu vakaviakin ongelmia virtauksen edistämän korroosion johdosta. Nykyään tämä ongelma on paremmin otettu huomioon ja ymmärretään kuinka sen aiheuttamat ongelmat voidaan minimoida, tai ainakin ottaa huomioon vuositarkastuksia suunnitellessä. Ongelmana tässä on, että kaikkia putkia tai muita kohteita ei voida tarkistaa. Tarvitaan siis jokin työkalu, jolla seuranta voidaan kohtistaa tarkemmin niille alueille, joissa virtauksen edistämää korroosiota todennäköisimmin esiintyy.
Ennen kuin tätä voidaan lähteä ennustamaa, tulee ymmärtää mistä korroosio johtuu ja mitkä asiat vaikuttavat sen suuruuteen. Esimerkiksi pH:n vaikutus korroosioon on merkittävä. Muita tärkeitä parametrejä ovat lämpötila, sillä kun lämpötila on tarpeeksi alhainen, korroosiota ei esiinny merkittävästi. Korroosion nopeus kasvaa aina lämpötilaan 150-180 °C, jonka jälkeen se taas pienenee. Materiaalit ja erityisesti Kromin pitoisuus metallissa taas parantaa kestävyyttä. Yhtä iso vaikutus on itse putkiston reitityksellä. Kaikki virtausvastukset aiheuttavat pyörteisyyttä ja näin ollen lisäävät korroosiota.
Näistä lähtökohdista aloimme rakentamaan omaa laskentamallia virtauksen edistämälle korroosiolle. Vesille käytimme mallia, jonka pohjana toimii aineensiirtokerroin ja vesi-höyry seoksille mallia, jossa käytetään kertoimia suoraan kirjallisuudesta. Useat kaupalliset laskentaohjelmat käyttävät samoja parametrejä, mutta se mikä meiltä puuttuu, on data tutkimuslaitoksilta. Kaupalliset ohjelmat käyttävätkin paljon erilaisia kertoimia laskuissaan, jotta tulokset olisivat vastaavia kuin jo mitatuissa tutkimuksissa. Tiedostimme asian ja tarkoituksena olikin kehittää malli, jolla pääsisimme vertailemaan tuloksia omien laskujen kautta, ei niinkään yksittäistä tulosta. Molemmilla malleilla saamme arvioitua korroosion suuruuden, mutta vedelle tulokset ovat selvästi pienempiä kuin referenssi laskuissa. Vastaavasti vesi-höyry kaavoilla saamme hieman suurempia arvoja kuin vertailulaskuissa.
Before you can predict the corrosion rate, you should understand what causes corrosion and what parameters affect the severity of it. For example, the pH impact on corrosion is significant. Other key parameters are temperature, since when the temperature is low, or high enough the corrosion rate decreases. The rate is at the highest when the temperature is between 150 to 180 °C. Materials, especially the Chromium content in metal improve the resistance to the corrosion. As big of an impact to the corrosion rate is the actual pipe routing.
From this standpoint we started building our own calculation model. For the one-phase flow calculation we used a model that is based on mass transfer coefficient and for the two-phase flow calculation we used coefficients to estimate the corrosion rates. Many of the commercially available calculation programs use the same parameters but what we are lacking is the data from the research and from the real measured corrosion rates form existing plants. The existing software’s use different kind of coefficient in their calculation to get the same values as in the existing plants. We acknowledge this and the purpose was to develop a model to compare the results and to define the locations where the flow accelerated corrosion might be most severe. With both models we are able to get results for the corrosion rates, but the one-phase flow results seem to be a lot smaller than the ones in the reference calculation. On the other hand, the two-phase flow calculation seems to give a bit too high corrosion rates compare to the reference calculation. We assume this to be from the missing coefficient they have used since the initial data is the same.
Ennen kuin tätä voidaan lähteä ennustamaa, tulee ymmärtää mistä korroosio johtuu ja mitkä asiat vaikuttavat sen suuruuteen. Esimerkiksi pH:n vaikutus korroosioon on merkittävä. Muita tärkeitä parametrejä ovat lämpötila, sillä kun lämpötila on tarpeeksi alhainen, korroosiota ei esiinny merkittävästi. Korroosion nopeus kasvaa aina lämpötilaan 150-180 °C, jonka jälkeen se taas pienenee. Materiaalit ja erityisesti Kromin pitoisuus metallissa taas parantaa kestävyyttä. Yhtä iso vaikutus on itse putkiston reitityksellä. Kaikki virtausvastukset aiheuttavat pyörteisyyttä ja näin ollen lisäävät korroosiota.
Näistä lähtökohdista aloimme rakentamaan omaa laskentamallia virtauksen edistämälle korroosiolle. Vesille käytimme mallia, jonka pohjana toimii aineensiirtokerroin ja vesi-höyry seoksille mallia, jossa käytetään kertoimia suoraan kirjallisuudesta. Useat kaupalliset laskentaohjelmat käyttävät samoja parametrejä, mutta se mikä meiltä puuttuu, on data tutkimuslaitoksilta. Kaupalliset ohjelmat käyttävätkin paljon erilaisia kertoimia laskuissaan, jotta tulokset olisivat vastaavia kuin jo mitatuissa tutkimuksissa. Tiedostimme asian ja tarkoituksena olikin kehittää malli, jolla pääsisimme vertailemaan tuloksia omien laskujen kautta, ei niinkään yksittäistä tulosta. Molemmilla malleilla saamme arvioitua korroosion suuruuden, mutta vedelle tulokset ovat selvästi pienempiä kuin referenssi laskuissa. Vastaavasti vesi-höyry kaavoilla saamme hieman suurempia arvoja kuin vertailulaskuissa.