KR20130060259A - 플랜트의 부식 억제 방법 및 플랜트 - Google Patents

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오사무 시바사키
세이지 야마모토
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Abstract

증기 발생기(2), 터빈(3, 5), 복수기(6) 및 가열기(7, 8)를 갖춘 계통을 통해 비-탈기처리수가 순환하는 플랜트에, 비-탈기처리수가 접촉하는 계통의 배관, 증기 발생기(2), 및 가열기(7, 8)에 보호성 물질을 부착시킨다.

Description

플랜트의 부식 억제 방법 및 플랜트{METHOD FOR SUPPRESSING CORROSION OF PLANT, AND PLANT}
본 발명은 플랜트를 구성하는 배관, 장치, 기기 등의 부식을 억제하는 방법 및 플랜트에 관한 것이다.
화력 플랜트 및 원자력 플랜트는, 증기 발생기에서 발생한 증기에 의해 터빈을 구동하고, 복수(condensate water)를 증기 발생기로 되돌리는 계통을 갖추는 것이 일반적이다. 이러한 계통의 배관 및/또는 장치는, 운전 중에 부식에 의해 손상될 가능성이 있기 때문에, 부식을 저감하기 위한 상기 손상에 대한 방책이 강구되고 있다.
예를 들면, 현재의 가압수형 원자력 플랜트의 2차 계통에서는, 증기 발생기나 터빈의 부식 문제를 방지하기 위해서, 계통 내에의 불순물 침입 방지책으로서, 보급수 관리, 수처리 약품의 관리 등의 대책이 강구되고 있다. 또한, 계통을 구성하는 장치나 배관의 부식 억제를 위해서, pH 조정제를 사용한 pH 컨트롤이나 히드라진의 주입에 의해, 탈산소, 환원성 분위기로 하는 대책이 강구되고 있다. 또한, 침입한 불순물을 계통 외로 제거하는 탈염기(desalting device)의 설치와 적정 운전, 클린업(clean-up) 시스템 및 증기 발생기 블로다운(blowdown) 회수 시스템의 설치, 그리고 용존 산소 저감을 위한 탈기기(deaerator)의 설치 등, 다양한 대책 또는 절차가 강구되고 있다.
탈기기는, 계통의 순환수를 탈기처리하여, 증기 발생기에의 산소 이행을 저감하기 위해서 설치된다. 탈기기는 산소 기여에 의한 구조재의 부식 전위(corrosion potential)의 상승을 억제하는 작용이 있다. 산소 농도가 높아지면, 전위 상승에 의한 입계(intergranular) 부식 균열이나 응력 부식 균열 등이 발생한다.
한편, 배관 등으로부터의 금속 이온의 용출은 고온수 안에서 일어나는 대표적인 현상이다. 금속 이온의 용출은, 구조재를 비롯하여, 배관이나 그 밖의 부재의 부식에 의한 운전 상의 문제나 메인터넌스 빈도의 증가 등의 다양한 영향을 미친다. 또한, 용출한 금속 이온은 계통 내의 배관 표면이나 증기 발생기 등의 고온 부위에 산화물로서 부착 석출되어, 전위 상승에 의한 부식 균열 현상이 야기한다. 또한, 부착된 산화물에 의한 열전달 저하가 일어나기 때문에, 화학 세정에 의한 정기적인 산화물 제거가 필요하다.
이렇게, 금속의 용출이나 부식 현상 등은, 장기간의 플랜트 운전에 의해 점진적으로 축적되어 어느 시기에 돌연히 재해로 발전할 가능성이 있다. 이러한 현상을 회피하기 위하여, 탈기를 위해서 암모니아나 히드라진 등의 약제를 주입해서 pH 컨트롤을 행하여, 계통에서의 철 용출을 저감해서, 증기 발생기에의 철 유입을 방지하는 대책을 강구하고 있다.
또한, 클레비스(clevis)부의 알칼리 농축을 배제하기 위해서, 염화물 이온 농도 관리, 용존 산소 농도 제어 등의 다양한 수질 제어가 제안되어 있다.
일본국 특개2010-96534호 공보 일본국 특허 제3492144호 공보
전술한 바와 같이, 종래의 부식 억제 방법은, 부식 억제를 위해서 탈기기, 약제 주입 및 제어 장치 등의 다양한 장치를 필요로 할 뿐만 아니라, 약제 농도 제어나 엄격한 수질 관리를 행할 필요가 있다. 결국, 설비가 대형화되고, 운전 제어도 복잡해지기 때문에, 플랜트의 설비 비용 및 운전 비용이 높아진다는 과제가 있었다.
본 발명은 이러한 사정을 고려해서 이루어진 것이며, 증기 발생기 및 터빈을 갖는 계통의 구조재에 보호성 물질을 부착시킴으로써, 설비 비용 및 가동 비용을 저감할 수 있는 플랜트의 부식 억제 방법 및 플랜트를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 전술한 과제를 해결하기 위해서, 증기 발생기, 터빈, 복수기 및 가열기를 갖춘 계통을, 비-탈기처리수(non-deaerated water)가 순환하는 플랜트에 있어서의 부식 억제 방법을 제공하며, 상기 비-탈기처리수가 접촉하는 상기 계통의 구조재에 보호성 물질을 부착시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 플랜트의 부식 억제 방법 및 플랜트에 있어서는, 플랜트의 설비 비용 및 가동 또는 운전 비용을 저감할 수 있다.
도 1은 본 실시형태에 따른 플랜트의 2차 계통의 모식도.
도 2는 본 실시형태에 따른 구조재에 형성된 피막의 개념도.
도 3은 본 실시형태에 따른 효과 확인 시험 1의 순수재(pure material)에 대한 부식량 비를 나타내는 도면.
도 4는 본 실시형태에 따른 효과 확인 시험 2의 순수재에 대한 부식량 비를 나타내는 도면.
도 5는 본 실시형태에 따른 효과 확인 시험 3의 순수재에 대한 부식량 비를 나타내는 도면.
도 6은 본 실시형태에 따른 효과 확인 시험 4의 순수재에 대한 부착량 비를 나타내는 도면.
도 7은 본 실시형태에 따른 효과 확인 시험 5의 순수재에 대한 부식량 비를 나타내는 도면.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조해서 설명한다.
(구성)
본 실시형태의 부식 억제 방법을 가압수형 원자력 플랜트의 2차 계통에 적용한 예를 도 1 내지 도 7을 이용해서 설명한다.
2차 계통은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 원자로(1), 증기 발생기(2), 고압 터빈(3), 습분(moisture content) 분리 가열기(4), 저압 터빈(5), 복수기(6), 저압 가열기(7), 고압 가열기(8), 고온 탈염기(정화 설비)(9), 및 고온 필터(정화 설비)(10)로 구성된다. 한편, 복수기(6)는, 복수기(6)의 하류측에 저온 정화 설비(탈염기+필터)를 설치한 복수기 유닛을 포함할 수 있다.
상술한 구조의 2차 계통에서는, 종래의 가압수형 원자력 플랜트의 2차 계통에 설치되는 탈기기가 설치되어 있지 않기 때문에, 비-탈기처리수가 2차 계통 내를 순환하고 있다. 비-탈기처리수는, 탈기기에 의한 탈기처리 및 약제 주입 기기에 의한 히드라진 등의 탈기용 약제의 주입이 행해지지 않은 순환수이다.
본 실시형태에 있어서, 상기 계통을 구성하는 배관 및 증기 발생기(2), 저압 가열기(7), 고압 가열기(8) 등의 장치의 표면, 즉 비-탈기처리수가 접촉하는 구조재의 표면에는, 보호성 물질이 공지의 방법에 의해 부착되어 있다. 구조재의 재료로서는, 장치, 기기 등의 종류 또는 장소에 따라, 철강재, 비철강재, 비철 금속 또는 용접 금속 중 하나 또는 복수로 구성된다.
또한, 보호성 물질로서, Ti, Y, La, Zr, Fe, Ni, Pd, U, W, Cr, Zn, Co, Mn, Cu, Ag, Al, Mg, 및 Pb에서 선택된 금속 원소의 산화물, 수산화물, 탄산 화합물, 초산 화합물, 옥살산 화합물이 사용된다. 또, 배관 및 각종 장치에 형성되는 보호성 물질은, 한 종류여도 되지만, 복수 종류를 조합시켜도 된다.
본 실시형태에서는, 예로서, 도 2에 나타내는 바와 같이, 증기 발생기(17)의 표면에는 티탄계 보호성 물질(예를 들면 산화티탄(TiO2))(18), 배관(13)의 표면에는 이트륨계 보호성 물질(14)(예를 들면, 이트리아(Y2O3)), 및 가열기(15)의 표면에는 란탄계 보호성 물질(16)(예를 들면 란타나(La2O3))이 부착되어 있다. 도 2는 구조재(11)의 표면에 부착된 보호성 물질(12)을 나타내는 개념도이다.
또한, 보호성 물질(12)의 부착 방법은, 예를 들면 산포 및 도포에 의한 부착, 및 보호성 물질을 함유한 액체를 배관 및 장치에 접촉시키는 것에 의한 부착, 등의 다양한 공지의 방법을 사용할 수 있다.
또한, 부착은 플랜트 가동 전, 또는 피막의 열화도에 따른 정기 검사 시에 적절히 행해진다.
(작용)
전술한 바와 같이, 종래의 2차 계통에 설치된 탈기기는, 계통의 순환수를 탈기처리함으로써, 증기 발생기에의 산소 이행을 저감하기 위해서 설치되어 있다. 상기 탈기기는 산소 기여에 의한 구조재에서의 부식 전위의 상승을 억제하는 기능을 수행하고 있다.
따라서, 계통수 중의 순환수에 대하여 탈기처리를 행하지 않아도, 배관을 포함하는 증기 발생기 등의 장치 또는 기기에 부식에 의한 손상이 일어나지 않으면, 탈기기를 설치할 필요가 없어져서, 설비의 소형화와, 설비 비용 및 가동 또는 운전 비용의 저감을 도모할 수 있다.
본 발명자 등은 이 점에 착안하여, 전술한 구성을 채용했다. 결국, 종래에 필요로 하던 2차 계통의 탈기기가 생략 가능함을 새로이 발견했다.
즉, 본 실시형태에서는, 배관 및 2차 계통의 장치에 부착된 보호성 물질이 계통수 안에서 산소 확산의 장벽이 되어, 구조재 표면에의 산소의 도달량이 감소한다. 이 감소로 인해, 산소 기여에 의한 부식 전위의 상승이 없어져서, 구조재의 표면을 저전위로 유지하는 것이 가능해진다. 결국, 계통의 순환수로서 비-탈기처리수를 사용하는 것이 가능해진다.
이하, 본 실시형태의 보호성 물질에 대해서 행한 효과 확인 시험에 대하여, 도 3 내지 도 7을 이용해서 설명한다.
(효과 확인 시험 1)
도 3은 보호성 물질이 부착되어 있지 않은 구조재(순수재)에 대한 본 실시형태의 보호성 물질(12)을 부착한 구조재(11)의 부식량 비를 나타내는 도면이다.
180℃의 중성의 비-탈기처리수에서 시험한 결과, 도 3에 나타내는 바와 같이, 각각의 보호성 물질(12)(본 예에서는 TiO2, Y2O3, 및 La2O3)을 부착한 모든 구조재(11)에서 부식량의 현저한 감소가 확인되었다.
(효과 확인 시험 2)
도 4는 수질이 상이한 고온수(중성, 산성, 알칼리성)를 사용했을 경우의 순수재와 본 실시형태의 보호성 물질(12)을 부착한 구조재(11)의 부식량 비를 나타내는 도면이다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 순수재에서는 산화에 의한 부식이 진행되지만, 본 실시형태의 보호성 물질(12)을 부착한 구조재(11)에서는 어떠한 수질이어도, 부식 억제 효과를 갖는 것을 나타내고 있다.
(효과 확인 시험 3)
도 5는 계통수의 온도를 변화시켰을 경우의 순수재와 본 실시형태의 구조재의 부식량 비를 나타내는 도면이다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 통상의 순수재에서는, 산화에 의한 부식이 진행되지만, 본 실시형태의 보호성 물질을 부착한 구조재에서는 산소 확산을 억제함으로써, 부식 억제 효과를 갖는 것을 알 수 있다. 또한, 온도가 낮은 영역에서는 부식이 일어나지 않기 때문에, 순수재에 대한 부식 중량비는 거의 변화를 보이지 않았지만, 온도가 높아짐에 따라서 산화 반응이 진행되어 부식량이 증가했다. 이는 보호성 물질의 확산 장벽 기능이 강해졌음을 나타내고 있다.
이렇게, 탈기기를 생략한 수질 조건 하에서도 온도가 높아질수록 보호성 물질에 의한 부식 억제 효과가 현저해진다. 이 효과는 각각의 물질에서 발현된다. 따라서, 플랜트의 운전 온도에 있어서, 본 실시형태의 보호성 물질이 현저한 부식 억제 효과를 발휘하는 것을 알 수 있다.
(효과 확인 시험 4)
도 6은 계통수 안에 입자 형상의 클래드(clad) 또는 이온이 존재할 경우의 순수재와 본 실시형태의 보호성 물질을 부착한 구조재의 부착량 비를 나타내는 도면이다.
일반적으로, 클래드의 부착에서는, 클래드 입자의 제타 전위(zeta potential)가 부착에 기여한다. 통상의 금속 산화물은, 산성에서는 양(positive)의 값이 되고, 중성 부근에서는 등전점(isoelectric point)(0)이 되고, 알칼리성에서는 음(negative)의 값이 된다. 본 확인 시험 4에서는 알칼리 수질 조건 하에서 시험을 실시하고 있으므로, 클래드도 음의 전위가 된다. 또한, 보호성 물질도 알칼리 영역에서는, 음의 전위가 된다. 결국, 보호성 물질은 클래드와의 정전 반발(electrostatic repulsion)을 가진다. 또한, 구조재 표면의 부식 전위는 표면에 부착하는 보호성 물질로 인해 산소 확산 장벽으로서 작용하기 때문에, 부식 전위 안정 작용도 수행되었다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 이온의 부착 또는 석출은 재료 표면에서의 산소 농도에 의한 영향이 현저해진다. 즉, 산소 농도는 이온과 산소의 반응에 의한 석출, 및 부식 전위 변동의 양쪽에 기여하고 있다. 이렇게, 구조재 표면에의 산소 이행 억제 효과에 의해, 이온의 부착 또는 석출이 저감된다.
또한, 클래드 부착에서는, 구조재 표면의 거칠기가 영향을 미치는 것도 알려져 있다. 또한, 보호성 물질의 부착은 구조재 표면의 가공 자국을 메우기 때문에, 표면이 매끄러워진다. 결국, 클래드의 부착을 억제할 수 있다.
(효과 확인 시험 5)
도 7은 계통수로서 온도가 약 185℃인 탈기처리수와 비-탈기처리수를 사용했을 경우의 순수재와 본 실시형태의 보호성 물질(12)을 부착한 구조재(11)의 부식량 비를 나타내는 도면이다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 보호성 물질(12)을 부착한 구조재(11)는, 용존 산소 농도가 낮은 탈기처리수를 사용하는 경우에는 강한 부식 억제 기능을 달성하지 못한다. 한편, 보호성 물질(12)을 부착한 구조재(11)는, 용존 산소 농도가 높은 비-탈기처리수의 경우에는 현저한 부식 억제 효과를 가짐을 알 수 있다.
(효과)
상기 효과 확인 시험 1 내지 5가 나타내는 바와 같이, 비-탈기처리수를 사용하는 계통에 대하여, 본 실시형태의 보호성 물질은 플랜트의 가동 온도에 있어서 현저한 부식 억제 효과를 제공한다. 또한, 계통수가 어떠한 수질이어도, 또한 계통수 안에 클래드나 이온이 포함되어도, 본 실시형태의 보호성 물질은 현저한 부식 억제 효과를 제공함을 알 수 있다.
따라서, 본 실시형태에 따른 보호성 물질의 피막을 배관 및 계통 장치의 구조재 표면에 형성함으로써, 비-탈기처리수를 계통수로서 이용할 수 있다. 결국, 탈기기, 약제 주입 기기 등을 생략하는 것이 가능해진다.
본 실시형태에 따른 부식 억제 방법 및 플랜트는, 플랜트의 소형화 및 설비 비용의 저감을 달성할 수 있음과 함께, 탈기기의 제어, 운전 중의 용존 산소 제어, 및 다양한 약품 농도 제어의 필요가 없어져, 가동 비용 또는 운전 비용도 대폭 저감할 수 있다.
또, 본 실시형태에서는, 보호성 물질로서 TiO2, Y2O3, 및 La2O3을 사용한 예를 설명했지만, 상기에 열거한 것 이외의 금속 원소를 사용해도 동일한 작용 효과를 얻을 수 있다. 또한, 보호성 물질로서, 상기 금속 원소의 수산화물, 탄산 화합물, 초산 화합물 또는 옥살산 화합물을 사용해도 동일한 작용 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는 가압수형 원자력 플랜트의 2차 계통에 본 발명을 적용한 예를 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 다른 플랜트, 예를 들면 고속로(fast reactors)의 2차 계통 및 화력 발전 플랜트의 1차 계통에도 적용 가능하다.
1 : 원자로 2 : 증기 발생기
3 : 고압 터빈 4 : 습분 분리 가열기
5 : 저압 터빈 6 : 복수기
7 : 저압 가열기 8 : 고압 가열기
9 : 고온 탈염기 10 : 고온 필터
11 : 구조재 12 : 보호성 피막

Claims (6)

  1. 증기 발생기, 터빈, 복수기 및 가열기를 갖춘 계통을 비-탈기처리수(non-deaerated water)가 순환하는 플랜트에서의 부식 억제 방법으로서,
    상기 비-탈기처리수가 접촉하는 상기 계통의 구조재에 보호성 물질을 부착시키는 것을 특징으로 하는 플랜트 부식 억제 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 계통은 가압수형 원자력 플랜트의 2차 계통이며, 상기 비-탈기처리수는 탈기기(deaerator)에 의한 탈기처리 및 약제 주입 장치에 의한 약제 주입이 행해지지 않은 순환수인 것을 특징으로 하는 플랜트 부식 억제 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 구조재는 철강재, 비철강재, 비철 금속 또는 용접 금속인 것을 특징으로 하는 플랜트 부식 억제 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호성 물질은 Ti, Y, La, Zr, Fe, Ni, Pd, U, W, Cr, Zn, Co, Mn, Cu, Ag, Al, Mg, 및 Pb로 이루어진 그룹에서 선택된 금속 원소의 산화물, 수산화물, 탄산 화합물, 초산 화합물 또는 옥살산 화합물인 것을 특징으로 하는 플랜트 부식 억제 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 보호성 물질은 TiO2, Y2O3 또는 La2O3인 것을 특징으로 하는 플랜트 부식 억제 방법.
  6. 증기 발생기, 터빈, 복수기 및 가열기를 갖춘 계통이며, 비-탈기처리수가 순환하는 계통을 구비하는 플랜트로서,
    상기 비-탈기처리수가 접촉하는 상기 계통의 구조재에는 보호성 물질이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 플랜트.
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