СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ В СИЛОВОЙ УСТАНОВКЕ Российский патент 2013 года по МПК C23F15/00 

Данная заявка основывается и притязает на преимущество приоритета по заявке на патент Японии № 2010-206960, зарегистрированной 15 сентября 2010 г., все содержание которой включается в этот документ путем отсылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Варианты осуществления, описанные в этом документе, в целом относятся к способу контроля защиты от коррозии в силовой установке.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Коррозия является разрушением при старении, когда металлический конструкционный материал устройства растворяется в виде ионов в окружающую среду, и важным элементом, который предопределяет срок службы устройства. Когда коррозия продолжается, неожиданное повреждение могло бы быть вызвано поломкой устройства, и с точки зрения безопасности необходимы меры по защите от коррозии. Поэтому меры по защите от коррозии предпринимаются для ряда устройств, используемых во внешней среде и условиях высокой температуры, и особенно для силовой установки.

Поверхность металлического конструкционного материала устройства, которое нужно использовать в состоянии высокой температуры, обычно покрывается оксидом железа, например Fe₂O₃. Известно, что Fe₂O₃ обладает низкой растворимостью в воде и антикоррозионным эффектом при плотном производстве.

Однако, поскольку пленка Fe₂O₃ растворяется до исчезновения или ее кристаллическая система меняется в зависимости от окружающей среды, в которой она используется, пленка может быть не способна проявлять свое антикоррозионное свойство. В связи с такой проблемой раскрывается способ защиты от растворения пленки Fe₂O₃ с использованием по меньшей мере одного из морфолинового, алканоламинового и алифатического циклического амина в качестве регулятора pH, чтобы регулировать pH воды, с которой соприкасается пленка Fe₂O₃. Однако, когда используется регулятор pH, им сложно управлять, и существовала проблема, состоящая в сложном регулировании коррозией.

Также раскрывается способ защиты от коррозии котельной установки путем управления количеством кислорода, растворенного в котле, но отсутствует раскрытие касательно контроля защиты от коррозии пленки Fe₂O₃.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - схема системы реактора с водой под давлением в соответствии с первым вариантом осуществления.

Фиг.2 - график, показывающий рабочую температуру и количество введенного кислорода, которое может придать устойчивость пленке Fe₂O₃.

Фиг.3 - график, показывающий рабочую температуру и количество введенного кислорода, которое может придать устойчивость пленке FeTiO₃.

Фиг.4 - схема системы реактора с кипящей водой в соответствии со вторым вариантом осуществления.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

В соответствии с одним вариантом осуществления предоставляется способ контроля защиты от коррозии в силовой установке, включающий: образование пленки с составом M1FeO₃ (M1: трехвалентный или четырехвалентный металл) или M2Fe₂O₄ (M2: двухвалентный металл) на поверхности внутренней стенки каждого из устройств силовой установки; и поддержание пленки в устойчивом состоянии путем регулирования количеством введенного кислорода в каждое из устройств в соответствии с температурой в каждом из устройств.

Первый вариант осуществления

Фиг.1 - схема системы реактора с водой под давлением (в дальнейшем сокращенно "PWR") в соответствии с этим вариантом осуществления. В PWR 10 из варианта осуществления, показанном на фиг.1, турбина 12 высокого давления, влагоотделитель/подогреватель 13, турбина 14 низкого давления и конденсатор 15 последовательно подключены к парогенератору (котлу) 11. Кроме того, подогреватель 16 питательной воды низкого давления и подогреватель 17 питательной воды высокого давления подключаются к конденсатору 15, и подогреватель 17 питательной воды высокого давления подключается к парогенератору 11. Кроме того, дегазатор 18 располагается между подогревателем 16 питательной воды низкого давления и подогревателем 17 питательной воды высокого давления.

Например, PWR 10 может приводиться в действие следующим образом. А именно, турбина 12 высокого давления приводится в движение паром, образованным парогенератором 11. Затем пар, приведя в движение турбину 12 высокого давления, охлаждается и частично сжижается в воду. Поэтому пар повторно нагревается влагоотделителем/подогревателем 13, и вода в жидком состоянии испаряется и вводится в турбину 14 низкого давления, чтобы привести в движение турбину 14. Пар, который привел в движение турбину 14 низкого давления, охлаждается конденсатором 15 и соответственно преобразуется в воду. Вода затем нагревается посредством подогревателя 16 питательной воды низкого давления и подогревателя 17 питательной воды высокого давления, вводится в парогенератор 11 и снова нагревается для преобразования в пар. Образовавшийся пар снова вводится в турбину 12 высокого давления и турбину 14 низкого давления, чтобы привести в движение турбины 12 и 14.

Способ контроля защиты от коррозии в PWR 10, показанном на фиг.1, описывается ниже. Фиг.2 - график, показывающий интервал концентрации кислорода, в котором пленка Fe₂O₃ может поддерживаться в устойчивом состоянии в диапазоне от 25°C до 225°C, что является типичной рабочей температурой PWR 10. Кроме того, фиг.3 является графиком, показывающим интервал концентрации кислорода, в котором пленка FeTiO₃ может поддерживаться в устойчивом состоянии в диапазоне от 25°C до 225°C, что является типичной рабочей температурой PWR 10. А именно, как показано на фиг.2 и фиг.3, пленка Fe₂O₃ и пленка FeTiO₃ зависят от рабочей температуры и количества введенного кислорода и могут поддерживаться в устойчивом состоянии без растворения и коррозии, когда пленки находятся в диапазоне, окруженном кривыми и прямыми линиями.

Пленка Fe₂O₃ и пленка FeTiO₃ традиционно известны тем, что их растворимость в воде является низкой, и известны как пленки, которые обеспечивают антикоррозионный эффект при плотном образовании.

Графики, показанные на фиг.2 и фиг.3, то есть области, которые зависят от рабочей температуры и количества введенного кислорода, при которых пленка Fe₂O₃ и пленка FeTiO₃ могут поддерживаться в устойчивом состоянии, получены путем обширного исследования и увлеченного изучения, выполненных авторами настоящего изобретения.

Таким образом, видно, что пленка Fe₂O₃ и пленка FeTiO₃, которые должны быть образованы на устройствах в PWR 10, показанном на фиг.1, то есть в силовой установке, могут поддерживаться в устойчивом состоянии путем управления количеством введенного кислорода в области устойчивости пленки, которая показана на фиг.2 и 3, в соответствии с рабочей температурой. Другими словами, видно, что пленка Fe₂O₃ и пленка FeTiO₃, используемые для силовой установки, могут поддерживаться в устойчивом состоянии вполне простым и легким способом, который регулирует количество введенного кислорода в области устойчивости пленки в соответствии с рабочей температурой без использования химического вещества, например регулятора pH, который неблагоприятно влияет на устройства. Поэтому становится возможным сохранять антикоррозионное свойство PWR 10 с высокой надежностью.

В этом варианте осуществления при применении защиты от коррозии к PWR 10 пленка Fe₂O₃ или пленка FeTiO₃ образуется в виде антикоррозионной пленки на поверхности внутренней стенки каждого из устройств в PWR 10, то есть на поверхностях внутренних стенок от парогенератора 11 до подогревателя 17 питательной воды высокого давления и дегазатора 18.

Поскольку каждое из устройств содержит железо, пленка Fe₂O₃ может быть образована, например, путем погружения каждого из устройств в воду, которая поддерживается при pH 9,3 или больше в атмосфере при комнатной температуре, или путем введения кислорода в каждое из устройств. Кроме того, пленка Fe₂O₃ может быть образована естественным путем посредством помещения каждого из устройств в такие условия, что пленка Fe₂O₃ может поддерживаться в устойчивом состоянии, причем условие устанавливается путем регулирования рабочей температуры, как показано на фиг.2, то есть температуры воды или пара, и регулирования количества введенного кислорода.

Пленка FeTiO₃ образуется путем непосредственного нанесения пленки FeTiO₃ или путем нанесения пленки TiO₂ или т.п., потому что каждое из устройств, составляющих PWR 10, содержит железо (Fe). В последнем случае ион железа или оксид железа, содержащиеся в конструкционном материале, образующем каждое из устройств, взаимодействуют с пленкой TiO₂ или т.п. и преобразуются в пленку FeTiO₃.

Ссылаясь на фиг.2 и фиг.3, рабочая температура PWR 10, то есть рабочая температура каждого из устройств, и количество введенного кислорода в каждое из устройств управляются так, чтобы пленка Fe₂O₃ или пленка FeTiO₃ могли поддерживаться в устойчивом состоянии. В PWR 10, показанном на фиг.1, конденсатор 15 имеет самую низкую рабочую температуру в диапазоне от 25°C до 50°C, а парогенератор 11 и подогреватель 17 питательной воды высокого давления имеют самую высокую рабочую температуру в диапазоне от 200°C до 225°C.

Поэтому, когда пленка Fe₂O₃ образуется на поверхности внутренней стенки конденсатора 15, количество введенного кислорода в конденсатор 15 регулируется в диапазоне примерно от 1,0×10^-5 ч/млн до 1,0×10² ч/млн со ссылкой на фиг.2. Между тем, когда пленка Fe₂O₃ образуется на поверхности внутренней стенки парогенератора 11, количество введенного кислорода в парогенератор 11 регулируется в диапазоне примерно от 1,0×10^-1 ч/млн до 1,0×10⁵ ч/млн.

Между тем, когда пленка FeTiO₃ образуется на поверхности внутренней стенки конденсатора 15, количество введенного кислорода в конденсатор 15 регулируется в диапазоне примерно от 1,0×10^-8 ч/млн до 0,5×10^-4 ч/млн со ссылкой на фиг.3. Между тем, когда пленка FeTiO₃ образуется на поверхности внутренней стенки парогенератора 11, количество введенного кислорода в парогенератор 11 регулируют в диапазоне примерно от 1,0×10^-6 ч/млн до 1,0 ч/млн.

Как видно из вышеупомянутого описания, необходимо, чтобы количество введенного кислорода устанавливалось большим, когда рабочая температура устанавливается выше, как в парогенераторе 11 и т.п. Поэтому, когда количество кислорода в системе PWR 10 небольшое, кислород подается, чтобы установить количество введенного кислорода в вышеупомянутом диапазоне, например, в месте, указанном стрелкой 19а на чертеже.

С другой стороны, количество введенного кислорода в конденсатор 15 и т.п. должно быть уменьшено, когда рабочая температура в нем устанавливается ниже. Поэтому, если в системе PWR 10 содержится большое количество кислорода, то восстановитель подается в место, указанное стрелкой 19b на чертеже, чтобы уменьшить количество кислорода, содержащегося в системе, посредством этого устанавливая количество введенного кислорода в вышеописанном диапазоне.

Как очевидно из фиг.2 и фиг.3, запас у пленки Fe₂O₃, относящийся к количеству введенного кислорода, устанавливается больше, чем запас у пленки FeTiO₃, относящийся к количеству введенного кислорода. Поэтому, например, когда пленка Fe₂O₃ образуется для всех устройств в PWR 10 при условии, что количество введенного кислорода в PWR 10 составляет 1,0 ч/млн, пленка Fe₂O₃ поддерживается в устойчивом состоянии при рабочей температуре каждого из устройств. Поэтому антикоррозионное свойство PWR 10 можно поддерживать с высокой надежностью.

Например, когда количество введенного кислорода устанавливается на величине 5×10^-3 ч/млн для пленки FeTiO₃, пленка FeTiO₃ может поддерживаться в устойчивом состоянии в относительно большом диапазоне рабочей температуры от 100°C до 150°C. Поэтому, если имеется множество устройств, имеющих соответствующие рабочие температуры в диапазоне от 100°C до 150°C, пленка FeTiO₃ может поддерживаться в устойчивом состоянии путем установки количества введенного кислорода на величине 5×10^-3 ч/млн для этих устройств.

В PWR 10, показанном на фиг.1, турбина 12 высокого давления, влагоотделитель/подогреватель 13 и подогреватель 16 питательной воды низкого давления работают в вышеупомянутом диапазоне температур, то есть в диапазоне температур от 100°C до 150°C.

Не требуется, чтобы в PWR 10 пленка Fe₂O₃ или пленка FeTiO₃ равномерно образовывалась на поверхностях внутренних стенок всех устройств, однако пленка Fe₂O₃ может использоваться для некоторых из устройств, а пленка FeTiO₃ - для других устройств.

В этом варианте осуществления, хотя пленка Fe₂O₃ или пленка FeTiO₃ использовалась в качестве пленки, которая должна быть получена на поверхностях внутренних стенок устройств в PWR 10, настоящий вариант осуществления не ограничивается вышеприведенным описанием и также может применяться к пленке с составом с общей формулой M1FeO₃ (M1: трехвалентный или четырехвалентный металл) или M2Fe₂O₄ (M2: двухвалентный металл). В качестве металла M1, в этом случае иттрий и лантан могут служить примером трехвалентного металла, а титан, цирконий и гафний могут служить примером четырехвалентного металла. В качестве металла M2 может служить примером никель, кобальт, марганец и т.п.

Второй вариант осуществления

Фиг.4 - схема системы реактора с кипящей водой (в дальнейшем сокращенно "BWR") в соответствии с этим вариантом осуществления. В BWR 20 из этого варианта осуществления, показанного на фиг.4, турбина 22 высокого давления, влагоотделитель/подогреватель 23, турбина 24 низкого давления и конденсатор 25 последовательно подключены к ядерному реактору 21. Кроме того, подогреватель 26 питательной воды низкого давления и подогреватель 27 питательной воды высокого давления подключаются к конденсатору 25, и подогреватель 27 питательной воды высокого давления подключается к ядерному реактору 21. Ядерный реактор 21 оборудован системой 28 очистки воды реактора.

Например, BWR 20 может приводиться в действие следующим образом. А именно, турбина 22 высокого давления приводится в движение паром, образованным ядерным реактором 21. Затем пар, приведя в движение турбину 22 высокого давления, охлаждается и частично сжижается в воду, чтобы пар повторно нагревался влагоотделителем/подогревателем 23, и вода в жидком состоянии испаряется и вводится в турбину 24 низкого давления, чтобы привести в движение турбину 24. Пар, который привел в движение турбину 24 низкого давления, охлаждается конденсатором 25, чтобы перейти в воду. Вода затем нагревается посредством подогревателя 26 питательной воды низкого давления и подогревателя 27 питательной воды высокого давления и вводится в ядерный реактор 21, чтобы снова перейти в пар. Образовавшийся пар снова вводится в турбину 22 высокого давления и турбину 24 низкого давления, чтобы привести в движение турбины 22 и 24.

Способ контроля защиты от коррозии в BWR 20, показанном на фиг.4, описывается ниже, но он в основном является таким же, как и в PWR 10, показанном на фиг.1, за исключением того, что устройства отчасти отличаются от таковых в PWR 10.

А именно, типичная рабочая температура у BWR 20, показанного на фиг. 4, также может устанавливаться в диапазоне температур от 25°C до 225°C, практически таком же, как у PWR 10. Поэтому интервал концентрации кислорода, в котором пленка Fe₂O₃ может поддерживаться в устойчивом состоянии при каждой рабочей температуре, можно узнать по ссылке на фиг.2, а интервал концентрации кислорода, в котором пленка FeTiO₃ может поддерживаться в устойчивом состоянии при каждой рабочей температуре, можно узнать по ссылке на фиг.3.

В зависимости от того, является ли пленка, образованная на поверхности внутренней стенки каждого из устройств в BWR 20, показанном на фиг.4, пленкой Fe₂O₃ или пленкой FeTiO₃, количество введенного кислорода, при котором пленка Fe₂O₃ и пленка FeTiO₃ поддерживаются в устойчивом состоянии при рабочей температуре каждого из устройств, определяется при обращении к фиг.2 и фиг.3, и пленка Fe₂O₃ и пленка FeTiO₃, образованные на поверхности внутренней стенки каждого из устройств, могут поддерживаться в устойчивом состоянии путем установления количества введенного кислорода на определенной величине кислорода.

Другими словами, видно, что пленка Fe₂O₃ и пленка FeTiO₃, которые должны использоваться для силовой установки, могут поддерживаться в устойчивом состоянии с помощью очень простого способа, который управляет рабочей температурой и количеством введенного кислорода без использования химического вещества, например регулятора pH, которым сложно управлять. В результате антикоррозионное свойство у BWR 20 можно поддерживать с высокой надежностью.

Например, конденсатор 25 имеет самую низкую рабочую температуру в диапазоне от 25°C до 50°C, а ядерный реактор 21 и подогреватель 27 питательной воды высокого давления имеют самую высокую рабочую температуру в диапазоне от 200°C до 225°C. Поэтому, когда пленка Fe₂O₃ образуется на поверхности внутренней стенки конденсатора 25, количество введенного кислорода устанавливается в диапазоне примерно от 1,0×10^-5 ч/млн до 1,0×10² ч/млн со ссылкой на фиг.2. Между тем, когда пленка Fe₂O₃ образуется на поверхности внутренней стенки ядерного реактора 21, количество введенного кислорода в ядерный реактор 21 устанавливается в диапазоне примерно от 1,0×10^-1 ч/млн до 1,0×10⁵ ч/млн.

Когда пленка FeTiO₃ образуется на поверхности внутренней стенки конденсатора 25, количество введенного кислорода в конденсатор 25 устанавливается в диапазоне примерно от 1,0×10^-8 ч/млн до 0,5×10^-4 ч/млн со ссылкой на фиг.3. С другой стороны, когда пленка FeTiO₃ образуется на поверхности внутренней стенки ядерного реактора 21, количество введенного кислорода в ядерный реактор 21 устанавливается в диапазоне примерно от 1,0×10^-6 ч/млн до 1,0 ч/млн.

Необходимо, чтобы количество введенного кислорода устанавливалось на большей величине, когда рабочая температура устанавливается выше, как в ядерном реакторе 21 или т.п. Поэтому, когда количество кислорода, содержащегося в системе BWR 20, небольшое, кислород подается, например, в место, указанное стрелкой 29а на чертеже, чтобы установить количество введенного кислорода в вышеприведенном диапазоне.

Между тем необходимо, чтобы количество введенного кислорода устанавливалось на меньшей величине, когда рабочая температура ниже, как в конденсаторе 25 и т.п. Поэтому, если в системе BWR 20 содержится большее количество кислорода, то восстановитель подается в место, указанное стрелкой 29b на чертеже, чтобы уменьшить количество кислорода, содержащегося в системе, посредством этого устанавливая количество введенного кислорода в вышеописанном диапазоне.

Нужно понимать, что остальные характеристики и преимущества аналогичны таковым у PWR 10 в первом варианте осуществления, имеющем отношение к фиг.1, и их описания будут опущены.

Хотя описаны некоторые варианты осуществления, эти варианты осуществления представлены только в качестве примера и не имеют целью ограничить объем изобретения. Конечно, новые варианты осуществления, описанные в этом документе, могут быть реализованы в различных других видах; кроме того, различные пропуски, замены и изменения в виде вариантов осуществления, описанных в этом документе, могут быть сделаны без отклонения от сущности изобретения. Прилагаемая формула изобретения и ее эквиваленты имеют целью охватить все такие виды или модификации, которые вошли бы в объем и сущность изобретения.

Изобретение относится к области защиты от коррозии металлических материалов. Способ защиты от коррозии котельной установки включает этапы, на которых: образуют пленку с составом M1FeO₃ (M1: трехвалентный или четырехвалентный металл) или M2F₂O₄ (М2: двухвалентный металл) на поверхности внутренней стенки устройства котельной установки, по меньшей мере выбранного из подогревателя питательной воды, дегазатора и парогенератора, регулируют количество вводимого кислорода в указанное устройство в соответствии с температурой в устройстве для поддержания пленки в устойчивом состоянии. Технический результат: повышение эффективности защиты от коррозии котельной установки путем управления количеством растворенного кислорода. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ защиты от коррозии котельной установки, включающий этапы, на которых:
образуют пленку с составом M1FeO₃ (M1 - трехвалентный или четырехвалентный металл) или M2Fe₂O₄ (M2 - двухвалентный металл) на поверхности внутренней стенки устройства котельной установки, по меньшей мере выбранного из подогревателя питательной воды, дегазатора и парогенератора,
регулируют количество вводимого кислорода в указанное устройство в соответствии с температурой в устройстве для поддержания пленки в устойчивом состоянии.

2. Способ по п.1, в котором пленку с составом M1FeO₃ (M1 - трехвалентный или четырехвалентный металл) или M2Fe₂O₄ (M2 - двухвалентный металл) образуют путем нанесения пленки с составом M1FeO₃ (M1 - трехвалентный или четырехвалентный металл) или M2Fe₂O₄ (M2 - двухвалентный металл) на поверхность внутренней стенки устройства в условиях регулирования температуры в устройстве и регулирования количества вводимого кислорода в устройство.

3. Способ по п.1, в котором пленка имеет состав Fe₂O₃.

4. Способ по п.1, в котором металл M1, образующий пленку, выбран из группы, состоящей из иттрия, лантана, титана, циркония и гафния.

5. Способ по п.1, в котором металл M2, образующий пленку, выбран из группы, состоящей из никеля, кобальта и марганца.

6. Способ по п.1, в котором пленка имеет состав FeTiO₃ или Fe₂TiO₄.

7. Способ по п.1, в котором котельная установка включает реактор с водой под давлением или реактор с кипящей водой.

8. Способ по п.3, в котором котельная установка включает реактор с водой под давлением или реактор с кипящей водой водой и количество введенного кислорода составляет 1,0 млн^-1.

9. Способ по п.6, в котором котельная установка включает реактор с водой под давлением или реактор с кипящей водой и количество введенного кислорода составляет 5·10^-3 млн^-1.