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Rohrbruch in Mihama Block 3 (2004): Wandabtrag hinter einer Messblende

Am 9. August 2004 brach im Turbinengebäude von Block 3 des Kraftwerks Mihama von Kansai Electric Power eine Kondensatleitung des Sekundärkreises; fünf in der Nähe arbeitende Personen wurden durch austretenden Dampf und heißes Wasser getötet, sechs verletzt. Die Bruchstelle lag hinter einer Durchflussmessblende, wo die Wand der Rohrleitung aus unlegiertem Stahl durch Erosionskorrosion von ursprünglich 10 mm an der dünnsten Stelle auf 0,4 mm abgenommen hatte. Diese Stelle hatte von Anfang an in der Liste der Wanddickenprüfungen gefehlt.

Was geschah

Datum
9. August 2004, gegen 15:28 Uhr
Ort
Turbinengebäude von Block 3 des Kraftwerks Mihama, Kansai Electric Power Co., Japan
Rohrleitung
Kondensatleitung des Sekundärkreises (Strang A, vom Niederdruck-Speisewasservorwärmer Nr. 4 zum Entgaser), hinter einer Durchflussmessblende. Unlegierter Stahl (SB42), Außendurchmesser 558,8 mm, Nennwanddicke 10 mm
Betriebszustand
Etwa 140 °C, 0,93 MPa, Durchfluss 1700 m³/h (Auslegungsbedingungen 195 °C, 1,27 MPa)
Wanddicke
0,4 mm an der dünnsten Stelle der Bruchstelle (nach technischer Norm erforderliche Mindestwanddicke: 4,7 mm)
Opfer
5 Tote, 6 Verletzte
Untersuchung
Nuclear and Industrial Safety Agency (NISA), Abschlussbericht zum Bruch der Sekundärkreisleitung in Block 3 des Kraftwerks Mihama, 30. März 2005

Ablauf und Ergebnisse der Untersuchung

Der Unfall ereignete sich während der Vorbereitungen zur 21. wiederkehrenden Prüfung des Blocks, als insgesamt 105 Personen im Gebäude arbeiteten. Arbeiter in der Nähe der gebrochenen Leitung wurden von austretendem Dampf und heißem Wasser getroffen. Der Reaktor schaltete sich wegen des Lecks im Sekundärkreis automatisch ab.

Die Bruchöffnung maß in Achsrichtung etwa 515 mm und in Umfangsrichtung etwa 930 mm. Der Riss soll zuerst in Achsrichtung und danach in Umfangsrichtung gewachsen sein. Nach einer Information Notice der U.S. Nuclear Regulatory Commission (NRC) war die Leitung von Strang B an derselben Stelle 1,8 mm dick.

Die Ursachenkette aus werkstofftechnischer Sicht

Mihama Block 3: die Ursachenkette aus werkstofftechnischer SichtEine Messblende schnürt dieStrömung einTurbulente Strömung dahinterWasser mit 140 °C strömt überunlegierten StahlDie schützende Oxidschicht löst sichErosionskorrosion10 mm → an der dünnsten Stelle 0,4 mmFehlt in der PrüflisteDie Wanddickenabnahme bleibtunbemerktWeit unter den erforderlichen4,7 mmDie Leitung hält den Druck nichtDie Leitung bricht, Dampf tritt aus
Mihama Block 3: die Ursachenkette aus werkstofftechnischer Sicht

Der Abschlussbericht kam zu dem Schluss, dass die Rohrwand im Betrieb durch sogenannte Erosionskorrosion allmählich dünner wurde, bis die Festigkeit nicht mehr ausreichte und sie brach. Die Messblende schnürte die Strömung ein, sodass die Rohrwand dahinter turbulenter Strömung ausgesetzt war. In der Kerntechnik wird diese Erscheinung auch strömungsbeschleunigte Korrosion (FAC) genannt. Die NRC stellte fest, dass die Innenfläche der Bruchstelle ein fischschuppenartiges Muster zeigte, während der Rohrboden seine Nenndicke behalten hatte, und bezeichnete dies als typisch für strömungsbeschleunigte Korrosion.

Strömungsbeschleunigte Korrosion schreitet fort, indem sich Eisenoxid auf der Oberfläche von unlegiertem Stahl im strömenden Wasser löst und von der turbulenten Strömung abtransportiert wird. Nach einem vom britischen Institute of Corrosion veröffentlichten Vortrag ändert sich die Abtragsrate glockenförmig mit der Temperatur (Maximum bei etwa 140–160 °C in einphasiger Wasserströmung), ist bei niedrigerem pH-Wert höher und nimmt mit steigendem Chromgehalt des Stahls ab.

Die Bruchstelle fehlte bereits in der Liste, die Mitsubishi Heavy Industries 1990 nach den PWR-Richtlinien für das Wanddickenmanagement als Prüfplan erstellt hatte; deshalb blieb unbemerkt, dass die Wanddicke über die zulässige Grenze hinaus abgenommen hatte. Solche Registrierungslücken gab es in Block 3 von Mihama an 3 Stellen und in den 11 Blöcken von Kansai Electric an 42 Stellen. Das japanische Weißbuch zur Kernenergie nennt als grundlegende Ursache einen Fehler im Wanddickenmanagement der wichtigsten Sekundärkreisleitungen, an dem drei Unternehmen (Kansai Electric, Mitsubishi Heavy Industries und Nihon Arm) beteiligt waren: Zu überwachende Stellen fehlten in der ursprünglichen Liste und wurden bis zum Unfall nicht nachgetragen.

Die Merkmale, die zur Ursache führten

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Öffnet man den Navigator mit diesen Merkmalen, steht die strömungsbedingte Wanddickenabnahme an der Spitze.

Zugehörige Schadensarten: Strömungsbedingte Wanddickenabnahme (Erosionskorrosion)

Was sich danach änderte: Konstruktion, Vorschriften und Prüfung

Lehren

Verständnisfragen

Die Korrosionsstromdichte von Eisen betrage auf der ganzen Oberfläche gleichmäßig 1,0 µA/cm². Welcher Wert kommt der Geschwindigkeit am nächsten, mit der die Oberfläche durch Korrosion zurückweicht? Eisen löse sich als Fe²⁺; molare Masse 55,85 g/mol, Dichte 7,87 g/cm³, Faraday-Konstante 96485 C/mol, 1 Jahr = 3,15×10⁷ s.

  1. Aca. 7,7 µm/Jahr
  2. Bca. 23 µm/Jahr
  3. Cca. 12 µm/Jahr
Lösung und Erläuterung anzeigen

Lösung: C. ca. 12 µm/Jahr

Die pro Flächeneinheit und Sekunde gelöste Masse beträgt iM/(nF) = 1,0×10⁻⁶ × 55,85/(2 × 96485) ≈ 2,9×10⁻¹⁰ g/(cm²·s); geteilt durch die Dichte 7,87 g/cm³ ergibt sich eine Abtragsgeschwindigkeit von etwa 3,7×10⁻¹¹ cm/s. Multipliziert mit einem Jahr: 3,7×10⁻¹¹ × 3,15×10⁷ ≈ 1,16×10⁻³ cm/Jahr, also etwa 12 µm/Jahr (11,6 µm/Jahr). Ca. 23 µm/Jahr setzt fälschlich n = 1 an. Ca. 7,7 µm/Jahr rechnet mit n = 3, also mit Auflösung als Fe³⁺, was nicht zu den Bedingungen der Aufgabe passt. Da Stromdichte und Korrosionsgeschwindigkeit proportional sind, ist für Eisen „1 µA/cm² entspricht etwa 12 µm/Jahr“ ein praktischer Umrechnungswert, um aus dem Korrosionsstrom die Lebensdauer abzuschätzen.

In einem Stahlrohr floss ein Korrosionsstrom, bei dem sich Eisen nach Fe → Fe²⁺ + 2e⁻ löst, ein Jahr lang (365 Tage) mit durchschnittlich 0,10 A. Welcher Wert kommt der gelösten Eisenmasse am nächsten? Die molare Masse von Fe sei 55,85 g/mol, die Faraday-Konstante 96485 C/mol.

  1. Aca. 0,61 kg
  2. Bca. 0,91 kg
  3. Cca. 1,8 kg
Lösung und Erläuterung anzeigen

Lösung: B. ca. 0,91 kg

Nach dem Faradayschen Gesetz ist die gelöste Masse m = ItM/(nF). Ein Jahr hat 365 × 24 × 3600 = 3,15×10⁷ s; die geflossene Ladung beträgt also Q = 0,10 × 3,15×10⁷ = 3,15×10⁶ C. Da Fe²⁺ entsteht, ist n = 2 und m = 3,15×10⁶ × 55,85/(2 × 96485) ≈ 913 g, also etwa 0,91 kg. Ca. 1,8 kg setzt fälschlich n = 1 für die Zahl der Elektronen an. Ca. 0,61 kg rechnet mit n = 3, also mit Fe³⁺, was nicht zur Reaktionsgleichung der Aufgabe passt. Schon ein Korrosionsstrom von nur 0,10 A führt in einem Jahr zum Verlust von fast 1 kg Eisen; örtlich konzentriert reicht das, um ein Rohr zu durchlöchern.

Was ist der Hauptgrund dafür, dass nichtrostender Stahl an Luft und in Wasser kaum rostet?

  1. ADurch Zugabe von Ni wird das Standardelektrodenpotential der Legierung so edel wie das von Gold oder Platin, sodass sie sich kaum löst
  2. BAuf der Oberfläche wächst eine mehrere mm dicke, dichte Oxidzunderschicht, die Wasser und Sauerstoff vollständig abschirmt
  3. CEr enthält etwa 11 % Cr oder mehr, wodurch sich eine wenige nm dicke Passivschicht bildet, die sich von selbst erneuert
Lösung und Erläuterung anzeigen

Lösung: C. Er enthält etwa 11 % Cr oder mehr, wodurch sich eine wenige nm dicke Passivschicht bildet, die sich von selbst erneuert

Nichtrostender Stahl enthält etwa 11 % Cr (nach der Normdefinition 10,5 %) oder mehr; dadurch bildet sich auf der Oberfläche eine nur wenige nm dicke Passivschicht, die hauptsächlich aus Cr-Oxid besteht und die weitere Auflösung des Metalls verhindert. Wichtig ist, dass sich die Schicht in sauerstoffhaltiger Umgebung auch nach einer Verletzung von selbst erneuert. Die Passivität bleibt daher in oxidierenden Umgebungen wie Salpetersäure gut erhalten, bricht aber in sauerstoffarmen Umgebungen, bei hohem Chloridgehalt und in reduzierenden Säuren (z. B. Salzsäure) leicht zusammen. Das Potential der gesamten Legierung wird nicht so edel wie das von Gold oder Platin; die Hauptaufgabe von Ni ist die Stabilisierung des austenitischen Gefüges. Mehrere mm dicke Oxidzunderschichten entstehen bei der Hochtemperaturoxidation, neigen zu Rissen und Abplatzen und sind etwas völlig anderes als die Passivschicht.

Verwandte Begriffe

Passivität Faradaysches Gesetz Nichtrostender Stahl

Wichtigste Quellen

  1. Nuclear and Industrial Safety Agency, Abschlussbericht zum Bruch der Sekundärkreisleitung in Block 3 des Kraftwerks Mihama von Kansai Electric Power, 30. März 2005 (japanisch; Sitzungsunterlage der Atomenergiekommission)
  2. Atomenergiekommission Japans, Weißbuch zur Kernenergie (Abschnitt zum Unfall in Block 3 von Mihama; japanisch)
  3. U.S. NRC, Information Notice 2006-08: Secondary Piping Rupture at the Mihama Power Station in Japan
  4. JSME, Geschichte des Normenprogramms für Kraftwerksanlagen (japanisch)
  5. Failure Knowledge Database: Steam Eruption from Nuclear Power Plant Cooling System
  6. R. Beheshty, Flow Accelerated Corrosion: Synergistic effects of the influencing parameters (Institute of Corrosion)

Daten, Personenzahlen, Abmessungen, Temperaturen und andere Werte wurden anhand der oben genannten amtlichen Berichte und darauf gestützter Quellen geprüft.

Weitere Fallstudien

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