Введение к работе
Актуальность работы. При эксплуатации парогенераторов энергоблоков с реакторами ВВЭР-1000, сосудов высокого давления реакторов PWR, BWR изготовленных из высоколегированных сталей перлитного класса повреждения отдельных узлов оборудования имеют место с поражением больших объемов металла с характерными коррозионными признаками. Впервые повреждения в результате коррозионного растрескивания были обнаружены в перфорациях коллекторов парогенераторов ПГВ-1000 на Южно-Украинской АЭС после 12 тысяч часов эксплуатации. Подобные повреждения были выявлены позже в коллекторах парогенераторов Нововоронежской, Балаковской и Запорожской АЭС. Подверженными коррозионному растрескиванию оказались также узлы присоединения коллектора теплоносителя к корпусу парогенератора. Коррозионное растрескивание наблюдали в трубных досках и дистанционирующих решетках парогенераторов из сталей А533 и А508 на АЭС с PWR в США, Европе и Японии после 5-7 лет ввода в эксплуатацию. Масштаб повреждений был такой, что в США были разработаны национальные программы исследований причин повреждений и мероприятия по повышению эксплуатационной надежности парогенераторов.
Для решения проблемы повреждения коллекторов теплоносителя из стали 10ГН2МФА парогенераторов ПГВ-1000, в рамках отраслевой программы концерна «Росэнергоатом» по повышению надежной и безопасной эксплуатации парогенераторов, в НПО ЦНИИТМАШ, ЦНИИ КМ «Прометей» и ОКБ «ГИДРОПРЕСС» были проведены исследования характера повреждений.
В результате выполненных работ был сделан вывод о том, что в условиях эксплуатации, когда имеет место совокупное влияние низкоскоростного деформирования и коррозионной среды, сталь 10ГН2МФА может проявлять склонность к коррозионному растрескиванию в определенном интервале температур.
Металлографическими и фрактографическими исследованиями установлено, что характер трещин, наблюдаемых в эксплуатационных условиях в локальных участках оборудования, идентичен получаемым при лабораторных испытаниях на склонность к замедленному деформационному коррозионному растрескиванию (ЗДКР).
Определенным недостатком выполненных в этом направлении работ является то, что растрескивание стали 10ГН2МФА исследовалось в воде с повышенной концентрацией кислорода, что нехарактерно для нормальных условий эксплуатации оборудования. При концентрациях кислорода, соответствующих нормальным условиям при эксплуатации парогенератора (менее 0.005 мг/кг), коррозионные повреждения в лабораторных исследованиях не наблюдались.
В связи с этим являются актуальными исследования влияния на процесс коррозионного растрескивания стали 10ГН2МФА содержания коррозионно-активных примесей, отложений окислов меди и железа, наблюдавшихся в зонах коррозионного повреждения, выявления по результатам исследований условий инициации и развития коррозионных повреждений, а также разработки мероприятий, позволяющих замедлить или полностью исключить процессы коррозионного растрескивания стали в узле присоединения коллектора теплоносителя к корпусу парогенератора.
Целью работы является исследование процессов возникновения и развития коррозионных трещин в металле узла присоединения коллектора теплоносителя к корпусу парогенератора ПГВ-1000 в высокотемпературной воде в условиях низкоскоростного статического и циклического нагружения при наличии отложений окислов меди и железа с учетом параметров ВХР. Разработка способов повышения долговечности узла присоединения коллектора теплоносителя к корпусу парогенератора ПГВ-1000 .
В рамках настоящей диссертационной работы для достижения данной цели поставлены и решены следующие задачи:
- разработка методики испытаний стали 10ГН2МФА при низкоскоростном статическом и циклическом нагружении в высокотемпературной воде при наличии шлама;
-исследование влияния состава шлама (процентного содержания окислов меди и железа), температуры, скорости деформирования, водородного показателя рН воды на коррозионное растрескивание стали 10ГН2МФА;
- выявление условий возникновения трещин в стали 10ГН2МФА при низкоскоростном статическом и циклическом нагружении в высокотемпературной воде при наличии кислорода и шлама;
- определение скорости роста трещин в стали 10ГН2МФА при низкоскоростном нагружении в зависимости от ВХР и состава шлама.
Методы исследования
Экспериментальные исследования механических свойств и характеристик трещиностойкости при статическом и циклическом нагружении выполнялось с использованием современных установок оснащенных автоклавами и аппаратурой управления и регистрации параметров разрушения образцов. Длина исходных трещин в образцах определялась методом электрического потенциала, а также с использованием методов оптической микроскопии. Параметры ВХР определялись методами химического анализ. Характеристики трещиностойкости определялись с использованием аппарата линейной и нелинейной механики разрушения.
Расчетная часть работы выполнялась путем численного моделирования методом конечных элементов напряженного состояния и развития разрушения в цилиндрических и компактных образцах. Расчет напряженного состояния осуществлялся в упругопластической постановке на основе теории течения с кинематическим упрочнением.
Научная новизна
Выявлены условия проявления коррозионного растрескивания стали 10ГН2МФА при низкоскоростном статическом и циклическом нагружении в высокотемпературной воде при наличии отложений шлама с различным процентным содержанием окислов меди и железа.
Определена скорость развития трещин при ЗДКР в условиях низкоскоростного нагружения при различных ВХР и наличии шлама. Определены параметры ВХР, при которых коррозионного растрескивания не происходит.
Для описания процесса образования и развития трещин при ЗДКР предложен деформационный критерий, параметры которого определяются с учетом ВХР и скорости нагружения.
Выявлено существенное снижение циклической прочности стали 10ГН2МФА при наличии шлама и низкоскоростном нагружении в области напряжений ниже условного предела текучести.
Для описания процесса возникновения трещин при низкоскоростном циклическом нагружении обосновано использование уравнение типа Лэнджера, параметры которого определяются с учетом снижения характеристик пластичности и прочности при статическом низкоскоростном нагружении.
Практическая ценность.
Результаты работы позволили уточнить условия проявления ЗДКР и обосновать комплекс мер по обеспечению долговечности узла приварки коллектора теплоносителя к корпусу парогенератора ПГВ-1000, включающих снижение уровня напряжений и исключение коррозионной составляющей в узле приварки коллектора теплоносителя к корпусу парогенератораПГВ-1000.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных методов испытаний, аппарата линейной и нелинейной механики разрушения, использованием аттестованной измерительной аппаратуры, сопоставлением результатов расчетов и экспериментов, а также с известными литературными данными.
Личный вклад автора
Автор диссертационной работы:
- непосредственно участвовал в определении причин образования повреждений в узлах присоединения коллекторов к патрубкам парогенераторов, в определении основных факторов, способствующих повреждению металла в зоне сварного соединения № 111;
- предложил способы предотвращения повреждений в узлах присоединения коллекторов парогенераторов действующих АЭС с ВВЭР-1000;
- принимал непосредственное участие в экспериментальных исследованиях в узле присоединения коллектора путем охлаждения данного узла воздухом на этапах:
- постановки задачи;
- обсуждения и согласования технического задания на эксперимент;
- разработки методики испытания образцов на ЗДКР в условиях контакта со шламом, выполнении экспериментов;
- оснащения стенда средствами измерения;
- проведения экспериментов;
- анализа результатов экспериментальных исследований.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы были представлены на научных семинарах ОКБ “ГИДРОПРЕСС”, отдела прочности материалов и конструкций ЦНИИТМАШ; 5-8-й международной конференции по горизонтальным парогенераторам. ОКБ ГП, Подольск Московской обл. 2006, 2008 и 2010г., 11-й международной конференции “ Material Issues in Design, Manufactering and Operation of Nuclear Power Plants Equipment”, 14 – 18 июня, 2010, Петербург, ЦНИИ КМ “Прометей”,5-й и 6-й Международных научно-технических конференциях «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» ( Подольск 2007 г. и 2009 г.);
По теме диссертации опубликовано 15 работ.
Основное содержание диссертационной работы отражено в 15 научных работах и докладах, из них 4 в ведущих рецензируемых научно-технических журналах «Вопросы атомной науки и техники» вып. 19, 2007 г. и вып. 21, 2008 г., «Атомная энергия» Том 104, вып. 1, январь 2008 г., «Теплоэнергетика» №3, март 2011 г., в 2-х описаниях к патенту на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из пяти глав, выводов, списка литературы. Работа содержит 103 страницы машинописного текста, 132 рисунка, 17 таблиц. Список литературы включает 45 наименований.
