Significant wall thinning due to flow accelerated corrosion(FAC)was recently reported in main feedwater pipes in 3 Korean pressurized water reactor(PWR) plants. The main feedwater pipes in one plant were repaired using overlay weld method at the outside of pipe, while those in 2 other plants were replaced with new pipes. In this study, the effect of the wall thinning in the main feedwater pipes on piping integrity was evaluated using finite element method. Especially, the effects of both the overlay weld repair and the stress concentration in notch-type thinned area on the piping integrity were investigated. The results are as follows : (1) The piping load carrying capacity may significantly decrease due to FAC. In special, the load carrying capacity of the main feedwater pipe was reduced by about 40% during about 140 months operation in Korean PWR plants. (2) By performing overlay weld repair at the outside of pipe, the piping load carrying capacity can increase and the stress concentration level in the thinned area can be reduced.
Significant piping wall thinning caused by Flow-Accelerated Corrosion (FAC) and Erosion-Corrosion (EC) continues to occur, even after the Mihama Power Station unit 3 secondary pipe rupture in 2004, in which workers were seriously injured or died. Nuclear power plants in many countries have experienced FAC and EC-related cases in steam cycle piping systems. Korea has also experienced piping wall thinning cases including thinning in the downstream straight pipe of a check valve in a feedwater pump line, the downstream elbow of a control valve in a feedwater flow control line, and failure of the straight pipe downstream of an orifice in an auxiliary steam return line. Cause analyses were performed by reviewing thickness data using Ultrasonic Techniques (UT) and, Scanning Electron Microscope (SEM) images for the failed pipe, and numerical simulation results for FAC and EC cases in Korea Nuclear Power Plants. It was concluded that the main cause of wall thinning for the downstream pipe of a check valve is FAC caused by water vortex flow due to the internal flow shape of a check valve, the main cause of wall thinning for the downstream elbow of a control valve is FAC caused by a thickness difference with the upstream pipe, and the main cause of wall thinning for the downstream pipe of an orifice is FAC and EC caused by liquid droplets and vortex flow. In order to investigate more cases, additional analyses were performed with the review of a lot of thickness data for inspected pipes. The results showed that pipe wall thinning was also affected by the operating condition of upstream equipment. Management of FAC and EC based on these cases will focus on the downstream piping of abnormal or unusual operated equipment.
The auxiliary feedwater is an important to remove the heat from the reactor core when the main feedwater system is unavailable. In most initiating events in Probabilistic Safety Assessment(PSA), the operaton of this system is required to mitigate the accidents. For one of domestic nuclear power plants, a design change of a turbine-driven auxiliary feedwater pump(TD-AFWP), pipe, and valves in the auxiliary system is implemented due to the aging related deterioration by long time operation. This change includes the replacement of the TD-AFWP, the relocation of some valves for improving the system availability, a new cross-tie line, and the installation of manual valves for maintenance. The design modification affects the PSA because the system is critical to mitigate the accidents. In this paper, the safety effect of the change of the auxiliary feedwater system is assessed with regard to the PSA view point. The results demonstrate that this change can supply the auxiliary feedwater from the TD-AFWP in the accident with the motor-driven auxiliary feedwater pump(MD-AFWP) unavailable due to test or maintenance. In addition, the change of MOV's normal position from "close" to "open" can deliver the water to steam generator in the loss of offsite power(LOOP) event. Therefore, it is confirmed that the design change of the auxiliary feedwater system reduces the total core damage frequency(CDF).
Convenient analytical tools for evaluation of the aperiodic and the fluctuating instabilities of the passive residual heat removal system (PRHRS) of an integral reactor are developed and results are discussed from the viewpoint of the system design. First, a static model for the aperiodic instability using the system hydraulic loss relation and the downcomer feedwater heating equations is developed. The calculated hydraulic relation between the pressure drop and the feedwater flow rate shows that several static states can exist with various numbers of water-mode feedwater module pipes. It is shown that the most probable state can exist by basic physical reasoning, that there is no flow rate through the steam-mode feedwater module pipes. Second, a dynamic model for the fluctuating instability due to steam generation retardation in the steam generator and the dynamic interaction of two compressible volumes, that is, the steam volume of the main steam pipe lines and the gas volume of the compensating tank is formulated and the D-decomposition method is applied after linearization of the governing equations. The results show that the PRHRS becomes stabilized with a smaller volume compensating tank, a larger volume steam space and higher hydraulic resistance of the path $a_{ct}$. Increasing the operating steam pressure has a stabilizing effect. The analytical model and the results obtained from this study will be utilized for PRHRS performance improvement.
본연구에서는 핵연료집합체의 검증계획의 일환으로 2차측 배관파단의 영향을 조사하였다. 원자로노심의 상세모델을 이용한 동적해석으로 배관파단에 의한 응답을 구하였다. 파단적 누설개념의 적용으로 10인치 이상의 고에너지 배관에 대하여 양단 파단이 설계에서 배제됨에 따라 본 연구에서는 주증기관과 급수관의 파단을 가정 하였다. 핵연료 집합체의 전단력, 굽힘모우멘트, 변위 및 지지격자체의 충격하중에 대하여 자세히 고찰하였고 이들 동적해석 결과를 이용하여 핵연료집합체의 구조적 건전성을 평가하였으며 사고조건에서 2차측 배관파단이 핵연료집합체의 구조적 건전성 에 미치는 영향을 검토하였다.
When pipe components made of carbon steel in nuclear, fossil, and industry plants are exposed to flowing fluid, wall thinning caused by FAC(flow accelerated corrosion) can be generated and eventually ruptured at the position of pressure boundary. The aim of this study is to identify the locations at which local wall thinning occurs and to determine the turbulence coefficient related to local wall thinning. Experiment and numerical analyses for the tee sections of down scaled piping components were performed and the results were compared. In particular, flow visualization experiment which was used alkali metallic salt was performed to find actual location of local wall thinning inside tee components. In order to determine the relationship between turbulence coefficients and local wall thinning, numerical analyses were performed for tee components in the main feedwater systems. The turbulence coefficients based on the numerical analyses were compared with the local wall thinning based on the measured data. From the comparison of the results, the vertical flow velocity component(Vr) flowing to the wall after separating in the wall due to the geometrical configuration and colliding with the wall directly at an angle of some degree was analogous to the configuration of local wall thinning.
The purpose of this paper is to analyze piping failure trend of safety pipings In domestic nuclear power plants. First, database for the piping failure was constructed with 105 data fields. The database includes plant population data, event data, and service history data. 7 kinds of piping failures in domestic NPPs were investigated. Among the 7 cases, detailed root causes were investigated for 3 cases. The first one is pipe wall thinning in main feedwater pipings of Westinghouse 3 loop type plants. The root cause of the wall thinning was flow accelerated corrosion near welding area. The next one is leak event in chemical and volume control system(CVCS) due to vibration. Some cracks occurred in socket welding area. The events showed that the integrity or socket weld is very vulnerable to vibration. The last one is also a leak event in primary sampling line in Korean standard reactor due to thermal fatigue. Although the structural integrity was not maintained by the events, there was no effect on nuclear safety in the above 3 piping failure eases.
The most common pipe wall thinning degradation mechanisms that can occur in the steam and feedwater systems are FAC (Flow Acceleration Corrosion), cavitation, flashing, and LDIE (Liquid Droplet Impingement Erosion). Among those degradation mechanisms, FAC has been investigated by many laboratories and industries. Cavitation and flashing are also protected on the piping design phase. LDIE has mainly investigated in aviation industry and turbine blade manufactures. On the other hand, LDIE has been little studied in NPP (Nuclear Power Plant) industry. This paper presents the development of prediction system for pipe wall thinning caused by LDIE in terms of erosion rate based on air-water ratio and material. Experiment is conducted in 3 cases of air-water ratio 0.79, 1.00, and 1.72 using the three types of the materials of A106B, SS400, and A6061. The main control parameter is the air-water ratio which is defined as the volumetric ratio of water to air (0.79, 1.00, 1.72). The experiments were performed for 15 days, and the surface morphology and hardness of the materials were examined for every 5 days. Since the spraying velocity (v) of liquid droplets and their contact area ($A_c$) on specimens are changed according to the air-water ratio, we analyzed the behavior of LDIE for the materials. Finally, the prediction equations(i.e. erosion rate) for LDIE of the materials were determined in the range of the air-water ratio from 0 to 2%.
To obtain the dynamic characteristics of reactor secondary circuit under transient conditions, the system analysis program was developed in this study, where dynamic models of secondary circuit were established. The heat transfer process and the mechanical energy transfer process are modularized. Models of main equipment were built, including main turbine, condenser, steam pipe and feedwater system. The established models were verified by design value. The simulation of the secondary circuit system was conducted based on the verified models. The system response and characteristics were investigated based on the parameter transients under emergency shutdown and overload. Various operating conditions like turbine emergency shutdown and overspeed, condenser high water level, ejector failures were studied. The secondary circuit system ensures sufficient design margin to withstand the pressure and flow fluctuations. The adjustment of exhaust valve group could maintain the system pressure within a safe range, at the expense of steam quality. The condenser could rapidly take out most heat to avoid overpressure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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