СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ КОРРОЗИИ СТАЛИ В СВИНЦОВОМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕ Российский патент 2015 года по МПК C23F11/00 

Изобретение относится к области измерений параметров физико-химических процессов в системе теплоноситель - конструкционный материал и может быть использовано при определении скорости коррозии стали в свинце.

Известно техническое решение по определению скорости коррозии [J. Zhang *, N. Li. Analysis on liquid metal corrosion-oxidation interactions.// Corrosion Science 49 (2007) 4154-4184.)].

Скорость коррозии предлагается вычислять по формуле

W=0,434U^0,875d^-0,125Co^-4/3(1-α)exp(-305796,8/(RT)), м/с

где W - скорость коррозии стали в свинцовом теплоносителе, м/с; U - скорость свинца, м/с; d - гидравлический диаметр канала, м; C_o - концентрация насыщения кислорода в свинце, вес. %; α - отношение пристеночной концентрации железа в свинце к средней по объему; R - универсальная газовая постоянная, Дж/К моль; T - температура теплоносителя, К.

К недостаткам этого способа относится то, что для использования приведенной формулы необходимо определение концентрации железа в свинце. В то же время пока не существует надежных методов ее определения, а приближенные расчетные методы могут дать погрешность более 1000%.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является способ определения скорости коррозии стали в свинцовом теплоносителе [Алексеев В.В., Орлова Е.А., Козлов Ф.А., Торбенкова И.Ю. Моделирование процессов массопереноса и коррозии сталей в ядерных энергетических установках со свинцовым теплоносителем (часть 1): Препринт №3128. Обнинск: ГНЦ РФ-ФЭИ, 2008. 22 с.].

В работе представлено математическое описание процесса оксидирования при формировании двухслойной оксидной пленки на поверхности стали в свинцовом теплоносителе, включающее более 20 уравнений. Совместное решение полученных уравнений при заданных граничных условиях (гидродинамические и температурные режимы, активность кислорода в свинце, состав стали и оксидов) позволяет рассчитывать динамику образования (или растворения) оксидных слоев, их толщину, а также потоки железа, выходящего из стали и поступающего в теплоноситель. Разработаны алгоритм совместного решения уравнений, описывающих рассматриваемый процесс, и соответствующая программа расчета на ЭВМ. На основании полученных данных может быть рассчитана скорость коррозии стали.

К недостатку известного способа относятся сложность алгоритма расчета потока железа, определяющего скорость коррозии стали, отсутствуют стандартные методы решения полученной системы уравнений, и незавершенность способа, поскольку в математическом описании процесса коррозии отсутствует в явном виде формула для расчета скорости коррозии стали.

Задачей изобретения является упрощение процедуры определения скорости коррозии стали в свинцовом теплоносителе.

Технический результат состоит в уменьшении трудоемкости при определении скорости коррозии.

Для исключения указанного недостатка в способе определения скорости коррозии стали в свинцовом теплоносителе предлагается:

- определять термодинамическую активность кислорода в свинце, например, с использованием электрохимического активометра, в интервале 10^-4÷1,0; температуру свинца в интервале 450°C ÷ 650°C; среднюю скорость свинца в потоке, омывающем поверхность стали, в интервале 0,5 м/с ÷ 2,0 м/с;

- скорость коррозии определять по приближенному полуэмпирическому соотношению с учетом эмпирических коэффициентов, температуры свинца, термодинамической активности кислорода в свинце, времени пребывания стали в свинце в режиме оксидирования, времени предварительного оксидирования поверхности стали в свинце, показателя степени и плотности стали.

В частных случаях реализации способа предлагаются численные значения эмпирических коэффициентов применительно к определению скорости коррозии сталей ЭИ-852 и ЭП-823.

Способ определения скорости коррозии стали в свинцовом теплоносителе включает определение термодинамической активности кислорода в свинце, например с использованием электрохимического активометра. Определение скорости коррозии стали в свинцовом теплоносителе выполняют для следующих диапазонов изменения физико-химических характеристик: термодинамическая активность кислорода в свинце в интервале 10^-4÷1,0; температура свинца в интервале 450°C ÷ 650°C; средняя скорость свинца в потоке, омывающем поверхность стали, в интервале 0,5 м/с ÷ 2,0 м/с.

Скорость коррозии стали в потоке свинца определяют по приближенному полуэмпирическому соотношению

где W - скорость коррозии стали в свинцовом теплоносителе, м/с; k₁ - эмпирический коэффициент, К; T - температура свинца; К; k₂ - эмпирический коэффициент; a_o - термодинамическая активность кислорода в свинце; k₃ - эмпирический коэффициент, 1/сⁿ; τ - время пребывания стали в свинце в режиме оксидирования, с; n - показатель степени; τ_o - время предварительного оксидирования поверхности стали в свинце, с; ρ - плотность стали, кг/м³.

В частных случаях способ определения скорости коррозии стали в свинце реализуется соотношением (1) с использованием следующих эмпирических коэффициентов: k₁=- 22100 К, k₂=-3,97, k₃=4,6·10^-8 1/сⁿ; n=0,4 для стали ЭП-823, и k₁=-16210 К, k₂=-10,8, k₃=4,2·10^-8 1/сⁿ; n=0,44 для стали ЭИ-852.

Пример конкретного осуществления способа

Производятся замеры термодинамической активности кислорода в свинце с использованием электрохимического активометра и температуры в исследуемом участке контура со свинцовым теплоносителем. Магнитным расходомером измеряется расход свинца через исследуемый участок, откуда рассчитывается средняя скорость теплоносителя в потоке, омывающем поверхность, как отношение объемного расхода свинца к проходному сечению каналов. Фиксируется время нахождения стали в свинце для заданного режима работы контура, а также время предварительного оксидирования поверхности стали (например, по данным рабочего журнала и технической документации на установку).

В результате измерений получено: Т=923, К; a_o=0,01; U=1,0 м/с.

Известно, что сталь была предварительно оксидирована в течение τ_o=8,64·10⁵ с.

Для рассматриваемого примера время пребывания стали в свинце в режиме оксидирования составляет τ=10⁷, с.

Расчет скорости коррозии проводится для стали ЭП-823 по формуле (1).

Для расчета используются значения эмпирических коэффициентов:

k₁=-22100 К, k₂=-3,97, k₃=4,6·10-⁸ 1/сⁿ; n=0,42.

Плотность стали составляет ρ=7800, кг/м³.

На чертеже представлена полученная расчетным путем зависимость скорости коррозии стали в свинцовом теплоносителе от времени, на которой 1 соответствует расчетной кривой, 2 - экспериментальной точке.

Результаты расчета скорости коррозии для всего диапазона времени оксидирования стали приведены на чертеже (кривая 1): результаты расчета скорости коррозии стали ЭП-823 от времени при Т=650°C, a_o=0,01: 1 - расчетная кривая; 2 - экспериментальная точка [Abramov V.Y., Bozin S.N., Evropin S.V. et al. Corrosion and mechanical properties of BREST-OD-300 reactor structural materials. // 11-th International conference on nuclear engineering. Tokyo, Japan, April 20-23, 2003. ICONE11-36413]. Расчетная скорость коррозии стали в искомой точке составляет 1,23 10^-12 м/с (при τ=10⁷, с). На чертеже показана также экспериментальная точка, обозначенная цифрой 2. Из сопоставления полученных данных с экспериментом следует, что их отличие не превышает 15%.

Изобретение относится к измерению физико-химических характеристик в системе теплоноситель - конструкционный материал. Способ включает определение скорости коррозии оксидированной стали для термодинамической активности кислорода в свинце в интервале 10^-4÷1,0, температуры свинца в интервале 450°С ÷ 650°С, средней скорости свинца в потоке свинцового теплоносителя, омывающего поверхность стали, в интервале 0,5 м/с ÷ 2,0 м/с, по соотношению:

где W - скорость коррозии стали в свинцовом теплоносителе, м/с, k₁ - эмпирический коэффициент, К, T - температура свинца, К, k₂ - эмпирический коэффициент, a_o - термодинамическая активность кислорода в свинце, k₃ - эмпирический коэффициент, 1/сⁿ, τ - время пребывания стали в свинце в режиме оксидирования, с, n - показатель степени, τ_o - время предварительного оксидирования поверхности стали в свинце, с, ρ - плотность стали, кг/м³, при этом для стали ЭП-823 используют k₁=-22100 К, k₂=-3,97, k₃=4,6·10^-8 1/сⁿ; n=0,42, а для стали ЭИ-852 используют k₁=-16210 К, k₂=-10,8, k₃=4,2·10^-8 1/сⁿ; n=0,44. Технический результат - снижение трудоемкости при определении скорости коррозии. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

1. Способ определения скорости коррозии оксидированной стали в свинцовом теплоносителе, отличающийся тем, что скорость коррозии определяют для термодинамической активности кислорода в свинце в интервале 10^-4÷1,0, температуры свинца в интервале 450°С ÷ 650°С, средней скорости свинца в потоке свинцового теплоносителя, омывающего поверхность стали, в интервале 0,5 м/с ÷ 2,0 м/с, по соотношению:

где W - скорость коррозии стали в свинцовом теплоносителе, м/с,
k₁ - эмпирический коэффициент, К,
T - температура свинца, К,
k₂ - эмпирический коэффициент,
a_o - термодинамическая активность кислорода в свинце,
k₃ - эмпирический коэффициент, 1/сⁿ,
τ - время пребывания стали в свинце в режиме оксидирования, с,
n - показатель степени,
τ_o - время предварительного оксидирования поверхности стали в свинце, с,
ρ - плотность стали, кг/м³,
при этом для стали ЭП-823 используют k₁=-22100 К, k₂=-3,97, k₃=4,6·10^-8 1/сⁿ; n=0,42,
а для стали ЭИ-852 используют k₁=-16210 К, k₂=-10,8, k₃=4,2·10^-8 1/сⁿ; n=0,44.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что термодинамическую активность кислорода в свинце определяют с использованием электрохимического активометра.