Парогенератор АЭС с ВВЭР: устройство, изготовление и контроль

• 4парогенератора на блоке с ВВЭР-1000 или ВВЭР-1200 — по одному на петлю
• 10 978трубок 16×1,5 мм из стали 08Х18Н10Т в одном ПГВ-1000М
• ≈1470 т/чнасыщенного пара давлением около 6,3 МПа даёт ПГВ-1000М
• ≈125 кмобщая длина трубок одного парогенератора

Зачем нужен парогенератор

Парогенератор — теплообменник, в котором вода первого контура, нагретая в реакторе, отдаёт тепло воде второго контура и превращает её в пар для турбины. На энергоблоке с ВВЭР-1000 или ВВЭР-1200 четыре петли первого контура, и в каждой свой парогенератор. Горячая вода из реактора входит во входной коллектор — толстостенный вертикальный цилиндр, — расходится по тысячам тонких трубок и собирается в выходном коллекторе. У ВВЭР-1000 её температура на входе около 320 °C, на выходе — около 290 °C; дальше вода идёт к главному циркуляционному насосу, который возвращает её в реактор.

Вторая задача не менее важна: парогенератор разделяет контуры. Вода первого контура радиоактивна, второго — нет, и между ними только стенки трубок толщиной 1,5 мм. Давление в первом контуре около 16 МПа, во втором — около 6,3 МПа, поэтому при негерметичной трубке радиоактивная вода пойдёт во второй контур. Отсюда главное требование и к изготовлению, и к эксплуатации: плотной должна быть каждая из почти 11 тысяч трубок и каждое их соединение с коллекторами.

Давление по обе стороны стенки трубки

• ≈ 16 МПапервый контур — радиоактивная вода
• ≈ 6,3 МПавторой контур — пар для турбины

Между контурами — только стенки трубок толщиной 1,5 мм, поэтому при течи радиоактивная вода пойдёт во второй контур

Горизонтальный или вертикальный

Горизонтальный парогенератор — отличительная черта ВВЭР. На блоках с ВВЭР-440 стоят по шесть парогенераторов ПГВ-440, на блоках с ВВЭР-1000 — по четыре ПГВ-1000М, для ВВЭР-1200 сделана модификация ПГВ-1000МКП. У западных реакторов с водой под давлением (PWR) парогенераторы, как правило, вертикальные: пучок U-образных трубок стоит вертикально, а концы трубок закреплены в толстой горизонтальной трубной доске в нижней части аппарата.

У горизонтальной компоновки свои сильные стороны:

• большой запас воды во втором контуре — при нарушении подачи питательной воды парогенератор дольше отводит тепло от реактора;
• спокойная сепарацияу лежачего цилиндра большое зеркало испарения, то есть поверхность воды, с которой выходит пар; пар поднимается медленно, и капли воды отделяются в основном силой тяжести, без сложных сепараторов;
• умеренные скорости воды и пара между трубками — меньше опасность их вибрации;
• нет трубной доски, на которой в вертикальных аппаратах копится шлам: коллекторы вертикальные, а в самой нижней части корпуса, куда оседают отложения, трубок нет;
• доступ к трубкамкаждую можно проверить зондом изнутри коллекторов, а повреждённую — отключить.

Цена — размеры. Аппарат длиной около 14 м занимает много места в гермооболочке, а наращивать его мощность трудно: число трубок ограничено тем, сколько отверстий можно разместить в стенке коллектора, не ослабив её. Густо просверлённый коллектор — и одно из самых уязвимых мест конструкции, о чём речь пойдёт ниже.

Как устроен ПГВ-1000М

Корпус ПГВ-1000М — лежачий цилиндр с внутренним диаметром 4 м и длиной около 14 м, закрытый с торцов эллиптическими днищами. В средней части, куда входят коллекторы, стенка толще — около 145 мм, к торцам — около 105 мм. Масса парогенератора — больше 300 т.

Снизу в среднюю часть корпуса входят два вертикальных коллектора теплоносителя — цилиндры с внутренним диаметром около 0,8 м и стенкой около 170 мм. Горячий коллектор принимает воду из реактора и раздаёт её по трубкам, холодный собирает её и отдаёт к насосу. Сверху у каждого коллектора люк, через который при ремонте добираются до трубок.

От коллекторов в обе стороны, к днищам корпуса, отходят два U-образных пакета труб — это трубный пучок из 10 978 трубок размером 16×1,5 мм из нержавеющей стали 08Х18Н10Т. Каждая трубка — горизонтальный змеевик: она выходит из горячего коллектора, у днища разворачивается и возвращается в холодный. Длина трубок — от 10 до 15 м, а U-образная форма позволяет им удлиняться при нагреве независимо от корпуса. Трубки расставлены в шахматном порядке, в пакетах оставлены вертикальные коридоры, а держат трубки дистанционирующие элементы — решётки из волнистых и плоских планок, закреплённые на стойках внутри корпуса.

Пучок целиком погружён в воду второго контура. Питательная вода с температурой около 220 °C по раздающим трубам поступает в верхнюю часть пучка с горячей стороны. Вода кипит на трубках, и пароводяная смесь поднимается к погружённому дырчатому листу — перфорированному щиту под уровнем воды, который выравнивает выход пара по всей площади зеркала испарения. Над уровнем — паровой объём: здесь капли оседают под действием силы тяжести, а пароприёмный дырчатый потолок равномерно отбирает пар по длине корпуса. Через патрубки в верхней части пар уходит в паровой коллектор и паропровод.

ПГВ-1000М даёт около 1470 т/ч насыщенного пара давлением около 6,3 МПа и температурой около 278 °C; влажность пара на выходе — не больше 0,2 %. Чтобы соли и шлам не накапливались, часть воды постоянно выводят из нижней части корпуса — это продувка. ПГВ-1000МКП для ВВЭР-1200 производит около 1600 т/ч пара давлением около 7 МПа. Трубки в нём расставлены коридорно, ровными рядами, и с увеличенным шагом: вода быстрее циркулирует в пучке, шлам меньше задерживается между трубками, а межтрубное пространство проще осматривать.

Горизонтальный парогенератор ВВЭР в продольном разрезе (схема). Теплоноситель первого контура входит в горячий коллектор, проходит по тысячам горизонтальных трубок и выходит через холодный коллектор. Снаружи трубок кипит вода второго контура, а пар через сепарационные устройства уходит к турбине.

Материалы и требования

Корпус и коллекторы ПГВ-1000М делают из низколегированной стали 10ГН2МФА — прочной и хорошо свариваемой. Коллекторы куют из металла электрошлакового переплава, а их внутреннюю поверхность, которую омывает вода первого контура, покрывают антикоррозионной наплавкой. Трубки — из аустенитной нержавеющей стали 08Х18Н10Т, стабилизированной титаном. Почему выбраны именно эти стали и чем опасна межкристаллитная коррозия, рассказано в статье «Материалы атомной отрасли». У ПГВ-440 коллекторы целиком из нержавеющей стали — такой же, как у главного трубопровода ВВЭР-440.

Как делают парогенератор

Корпус собирают из кованых обечаек и штампованных днищ, сваривают под флюсом с подогревом и отпускают — по той же схеме, что и корпус реактора, о котором рассказано в статье «Корпус реактора». Самое необычное в парогенераторе — коллекторы и трубный пучок.

Коллекторы: тысячи глубоких отверстий

Коллектор куют, термообрабатывают, наплавляют изнутри нержавеющим металлом, а затем сверлят. В его стенке по отверстию на каждую трубку — около 11 тысяч, и каждое проходит всю толщину стенки, около 170 мм. Это глубокое сверление: глубина отверстия больше его диаметра в десять с лишним раз. Отверстия должны точно лечь на свои места — от их положения зависит геометрия всего пучка, — быть ровными по диаметру и чистыми по поверхности, а перемычки между ними — не тоньше заданных.

Глубокое сверление коллектора

• ≈ 170 ммглубина каждого отверстия — вся толщина стенки коллектора
• в 10 с лишним разглубина отверстия больше его диаметра
• тысячиодинаковых операций на дорогой поковке — и высокая цена ошибки

Коллектор — один из самых наглядных примеров высокоточной механообработки в атомном машиностроении: дорогая поковка, тысячи одинаковых операций и высокая цена каждой ошибки. Об общих правилах обработки крупных деталей — в статье «Механообработка для атомной отрасли».

Трубки и пучок

Трубки поставляют бесшовными и проверенными на трубном заводе. На гибочных машинах им придают форму змеевика с разными радиусами гиба — в зависимости от места трубки в пучке. Пучок собирают прямо внутри корпуса, ряд за рядом снизу вверх: каждую трубку заводят концами в отверстия горячего и холодного коллекторов и укладывают на дистанционирующие элементы. В один парогенератор ставят около 11 тысяч трубок общей длиной около 125 км.

Концы трубок закрепляют в два приёма. Сначала торец трубки приваривают аргонодуговой сваркой к наплавке на внутренней поверхности коллектора. Затем трубку раздают изнутри давлением жидкости на всю толщину стенки коллектора, а у наружной поверхности довальцовывают механически. Такая развальцовка убирает зазор между трубкой и стенкой отверстия: в щели вода второго контура застаивалась бы, концентрировала примеси и разъедала металл. В первых ПГВ-1000 трубки раздавали взрывом, но это оставляло в перемычках коллектора высокие остаточные напряжения, и для ПГВ-1000М технологию сменили.

Готовый парогенератор испытывают давлением отдельно по первому и по второму контуру. Плотность соединений трубок с коллекторами проверяют течеисканием с гелием, трубки — вихретоковым контролем; как работают эти методы, рассказано в статье «Неразрушающий контроль». В России горизонтальные парогенераторы делают ЗиО-Подольск и волгодонский Атоммаш, а проектирует их ОКБ «Гидропресс».

Парогенератор в эксплуатации

Главная угроза трубкам приходит снаружи, со стороны второго контура. С питательной водой в парогенератор попадают продукты коррозии железа и меди и следы солей. Вода выкипает, а примеси остаются: оседают шламом на дне и на трубках, особенно там, где циркуляция слабее. Под отложениями концентрируются хлориды, и сталь трубок может покрыться язвами или растрескаться — это подшламовая коррозия и коррозионное растрескивание.

Как шлам разъедает трубки со стороны второго контура

1. Примесис питательной водой приходят продукты коррозии железа и меди, следы солей
2. Выкипаниевода выкипает, а примеси остаются
3. Шламоседает на дне и на трубках, особенно там, где циркуляция слабее
4. Хлоридыконцентрируются под отложениями
5. Язвы и трещиныподшламовая коррозия и коррозионное растрескивание

Защита — водно-химический режим второго контура, продувка и химическая отмывка

Поэтому так важен водно-химический режим второго контура: питательную воду глубоко очищают и с помощью летучих добавок держат слабощелочной, следят за хлоридами, натрием, железом и медью. Продувка непрерывно выводит соли и шлам, а если отложений накопилось много, парогенератор отмывают химически на остановленном блоке.

Во время планово-предупредительного ремонта трубки проверяют вихретоковым контролем: через люк в коллектор вводят манипулятор, и зонд проходит по трубке изнутри на всю длину. Трубку с недопустимым дефектом глушат — ставят заглушки в оба её конца, в горячем и холодном коллекторах. Каждая заглушённая трубка немного уменьшает поверхность теплообмена, поэтому число таких трубок отслеживают весь срок службы парогенератора.

Отдельно следят за металлом коллекторов. Густая перфорация, остаточные напряжения и агрессивная среда — опасное сочетание: во второй половине 1980-х на многих ПГВ-1000 нашли трещины в перемычках между отверстиями холодных коллекторов. Позже трещины обнаруживали и в сварном шве, которым горячий коллектор приварен к патрубку корпуса: там, в узком «кармане», скапливается шлам. Поэтому коллекторы и этот шов контролируют по программе эксплуатационного контроля, а парогенератор, в отличие от корпуса реактора, при необходимости можно заменить новым.

Термины

• Коллектор теплоносителяТолстостенный вертикальный цилиндр парогенератора, в стенке которого закреплены концы трубок: горячий раздаёт воду первого контура по трубкам, холодный собирает её.
• Трубный пучокТеплообменные трубки парогенератора вместе с дистанционирующими элементами.
• Погружённый дырчатый листПерфорированный щит под уровнем воды над трубным пучком, который выравнивает выход пара по площади зеркала испарения.
• Зеркало испаренияПоверхность воды в парогенераторе, с которой выходит пар.
• ПродувкаПостоянный или периодический вывод части воды из парогенератора, чтобы удалить накопившиеся соли и шлам.
• РазвальцовкаРаздача конца трубки изнутри — давлением жидкости или роликами, — чтобы плотно прижать её к стенке отверстия.
• Глушение трубкиУстановка заглушек в оба конца повреждённой трубки, после чего она выключается из работы.
• Водно-химический режимНормы и способы поддержания качества воды контура: очистка, корректирующие добавки, контроль примесей.

Частые вопросы

Почему у ВВЭР горизонтальные парогенераторы?

Горизонтальная компоновка даёт большой запас воды во втором контуре, низкую скорость пара и простую гравитационную сепарацию. В ней нет трубной доски, на которой копится шлам, а к каждой трубке есть доступ изнутри коллекторов. Цена — большие размеры аппарата.

Сколько трубок в парогенераторе ПГВ-1000М?

10 978 трубок размером 16×1,5 мм из стали 08Х18Н10Т общей длиной около 125 км. Каждая трубка изогнута буквой U, её концы закреплены в горячем и холодном коллекторах.

Как закрепляют трубки в коллекторах парогенератора?

Торец трубки приваривают к наплавке на внутренней поверхности коллектора, затем трубку раздают давлением жидкости на всю толщину стенки и довальцовывают механически. Так между трубкой и стенкой отверстия не остаётся щели, где концентрировались бы примеси.

Что делают с повреждённой трубкой парогенератора?

Дефекты трубок находят вихретоковым контролем во время ремонта. Трубку с недопустимым дефектом глушат — ставят заглушки в оба её конца, в горячем и холодном коллекторах.

Почему пар из парогенератора не радиоактивен?

Вода первого и второго контуров не смешивается: тепло передаётся только через стенки трубок. Поэтому так важна плотность каждой трубки, а за возможной протечкой следят приборы радиационного контроля второго контура.