Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Условия эксплуатации конструкционных материалов в контакте с жидкометаллическими теплоносителями. Длительные механические свойства сталей 14
1.1. Условия эксплуатации конструкционных материалов теплообменного оборудования ядерных установок на быстрых нейтронах 14
1.2. Повреждающие факторы конструкционных материалов теплообменного оборудования ядерных установок на быстрых нейтронах 15
1.3. Конструкционные материалы для теплообменного оборудования РУ на быстрых нейтронах с жидкометаллическими теплоносителями. 16
Натриевый теплоноситель 16
Свинцовый теплоноситель 20
1.4. Длительные механические свойства. Методы прогнозирования длительной прочности 22
1.5. Заключение по главе 1 33
Глава II. Оценка воздействия жидкометаллических теплоносителей на конструкционные материалы 34
2.1. Натриевый теплоноситель 34
2.2. Свинцовый теплоноситель 45
2.3. Заключение по главе II, определение задач исследования 51
Глава III. Расчетная оценка распространения трещины, постулируемой в науглероженной поверхности стали марки 10Х18Н9 54
3.1. Расчет скорости роста трещины 54
3.2. Выводы по главе II 59
Глава IV. Исследование конструкционных материалов, прошедших длительную эксплуатацию в составе РУ БН-600 60
4.1. Исследование структуры материалов промпароперегревателя РУ БН-600 после эксплуатации в течение 130 тысяч часов 63
Изучение науглероживания теплообменных труб 63
Исследование микроструктуры материала корпуса промпароперегревателя 66
4.2. Исследование механических свойств материалов промпароперегревателя РУ БН-600 после эксплуатации в течение 130 тысяч часов 70
Стандартные механические свойства 70
Длительная прочность 72
4.3. Анализ полученных результатов 76
4.4. Выводы по главе IV 78
Глава V. Влияние свинцового теплоносителя на длительные свойства стали 80
5.1. Материалы и методика испытаний 80
5.2. Результаты испытаний 84
5.3. Анализ полученных результатов 93
5.4. Выводы по главе V 100
Глава VI. Учет воздействия жидкометаллических теплоносителей на длительные свойства конструкционных материалов 102
6.1. Длительные свойства материалов, работающих в контакте с натриевым теплоносителем 102
6.2. Длительные свойства материалов, работающих в контакте с жидким свинцом 103
6.3. Выводы по главе VI 105
Выводы и рекомендации 106
Библиографический список 109
Приложения 119
- Повреждающие факторы конструкционных материалов теплообменного оборудования ядерных установок на быстрых нейтронах
- Длительные механические свойства. Методы прогнозирования длительной прочности
- Исследование микроструктуры материала корпуса промпароперегревателя
- Длительные свойства материалов, работающих в контакте с жидким свинцом
Введение к работе
С самого начала ядерной эры быстрые реакторы были определены как лучший способ использования урановых ресурсов [1]. Ведь в реакторах на быстрых нейтронах используется до 80% энергии загруженного урана, по сравнению с приблизительно 1% в современных реакторах на тепловых нейтронах [2, 3]. При этом в качестве топлива для быстрых реакторов может использоваться как естественный уран и торий, так и обедненный уран (отвалы обогатительного производства, отработавшее топливо тепловых реакторов) и оружейный плутоний.
Высокая стоимость капитальных затрат при строительстве реакторных установок (РУ) на быстрых нейтронах и низкая стоимость обогащенного урана, являющегося топливом для реакторов на тепловых нейтронах, затормозили развитие установок этого типа. Однако, в последние десятилетия они вызывают повышенный интерес в мире, и такие страны как США, Великобритания, Япония, Индия и страны Евросоюза принимают долгосрочные программы по развитию ядерной энергетики на быстрых нейтронах [1, 2,3,4, 5]. Повышенный интерес обусловлен двумя факторами. Первый заключается в растущей стоимости урана, цена которого за последние три года увеличилась на 267% и продолжает расти [6]. Второй фактор заключается в том, что быстрые реакторы являются единственной доказанной технологией, способной обеспечить почти неограниченные поставки энергии без ограничений со стороны топливных ресурсов [2, 7]. Это является следствием того, что в процессе облучения нейтронами урана-238 либо тория-232 происходит образование делящегося изотопа плутония-239. Причем плутоний-239 создается с большей скоростью, чем потребляется. Так в РУ БН-6001 с натриевым теплоносителем воспроизводство топлива достигает 6% в год (удвоение количест-
' РУ БН-600 является третьим энергоблоком Белоярской Атомной станции.
ва плутония-239 за 12 лет) [7], а проведенные расчеты показывают возможность достижения 10-15% темпа воспроизводства.
Вследствие того, что вода, используемая в качестве теплоносителя в ядерных энергетических установках (ЯЭУ) на тепловых нейтронах, является замедлителем нейтронов, в ЯЭУ на быстрых нейтронах в качестве теплоносителей используются жидкие металлы. В качестве жидкометаллических теплоносителей могут использоваться натрий, свинец и сплавы на основе свинца [8] (помимо жидкометаллических теплоносителей рассматривается возможность использования газового теплоносителя на основе гелия). Применение такого рода теплоносителей ставит ряд металловедческих проблем, которые в обобщенной форме сводятся к выбору конструкционных материалов, имеющих достаточную работоспособность в контакте с жидкими металлами при высоких температурах. Основная трудность при выборе таких материалов заключается в отсутствии экспериментальных данных по влиянию жидкометаллических теплоносителей на длительные свойства, исключением является лишь контакт конструкционных материалов с жидким натрием. А ведь именно повреждение материалов вследствие процессов ползучести может являться причиной разрушения элементов конструкций ЯЭУ на быстрых нейтронах с жидкометаллическими теплоносителями [9]. И если возможность длительной эксплуатации ЯЭУ с натриевым теплоносителем подтверждена действующими реакторами в различных странах, то возможность использования в качестве теплоносителя жидкого свинца только рассматривается в рамках концепции создания реактора с естественной безопасностью [10].
Цель настоящей работы состоит в создании научных и технических основ по оценке повреждающего воздействия, оказываемого жидкометаллическими теплоносителями на служебные свойства конструкционных материалов, и учете данного воздействия при проектировании и оценке допустимого
срока эксплуатации теплообменного оборудования реакторов на быстрых
нейтронах.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
В части исследования влияния натриевого теплоносителя на длительные
свойства конструкционных материалов:
Оценка долговечности элементов теплообменного оборудования с учетом инициации трещины в науглероженном слое.
Получение данных по структуре и свойствам конструкционных материалов, проработавших в течение длительного времени в контакте с натриевым теплоносителем, и их анализ с позиции известных литературных данных по влиянию жидкого натрия на длительные свойства сталей. Оценка возможности продления ресурса теплообменного оборудования РУ БН-600. Для этого было проведено исследование материалов промпароперегревателя 5ПГТ-Б4 парогенератора ПГН-200М РУ БН-600, прошедших эксплуатацию в течение ~130 тыс. ч.
В части исследования влияния свинцового теплоносителя на длительные свойства конструкционных материалов:
3. Оценка процессов окисления сталей марок 10Х15Н9СЗБ и
10Х9НСМФБ, принятых в техническом проекте в качестве конструкционных материалов для РУ типа БРЕСТ, в процессе длительной выдержки в контакте с жидким свинцом.
Оценка влияния напряжений на формирование оксидных пленок на поверхности образцов из сталей марок 10Х15Н9СЗБ и 10Х9НСМФБ.
Оценка влияния свинцового теплоносителя на длительные свойства сталей марок 10Х15Н9СЗБ и 10Х9НСМФБ при проведении одновременных испытаний в жидком свинце и на воздухе.
Методы исследования.
В части исследования влияния натриевого теплоносителя на длительные свойства конструкционных материалов:
На основании современного параметра механики разрушения - С* проведена расчетная оценка скорости роста трещины, образование которой может иметь место в науглероженной поверхности элементов, изготовленных из стали марки 10Х18Н9. Произведена вырезка образцов из фрагментов корпуса и труб промпароперегревателя, металлографический анализ (методами оптической и электронной микроскопии), кратковременные и длительные механические испытания вырезанных образцов.
В части исследования влияния свинцового теплоносителя на длительные свойства конструкционных материалов:
Проведены коррозионные и длительные механические испытания в потоке жидкого свинца, а также длительные механические испытания на воздухе. Для испытаний в потоке жидкого свинца использовался стенд с принудительной циркуляцией свинцового теплоносителя, имитирующий условия эксплуатации теплообменного оборудования РУ БРЕСТ ОД-300 (см. раздел 4.1). Оценка структуры образцов после испытаний проводилась методами оптической и электронной микроскопии.
Анализ микроструктуры материалов проводился с помощью металлографического инвертированного микроскопа фирмы Carl Zeiss, а также растрового электронного микроскопа JEOL с приставкой для микрорентгеноспек-трального анализа производства фирмы OXFORDS INSTRUMENTS.
Кратковременные механические испытания проводились на разрывной машине Р5.
Длительные механические испытания при постоянной нагрузке на воздухе проводились на стандартной машине АИМА-5-2.
Длительные механические испытания при постоянной нагрузке в потоке жидкого свинца проводились на стандартной машине АИМА-5-1.
Испытания проводились на тестированном и аттестованном оборудовании.
Подробнее методы исследования рассмотрены в соответствующих разделах.
Научная новизна данной диссертационной работы состоит в следующем:
Получены экспериментальные данные, позволившие подтвердить темп науглероживания элементов РУ с натриевым теплоносителем.
Получены кратковременные и длительные механические свойства ау-стенитных материалов после термического старения при эксплуатационной температуре и времени 130 тыс. ч.
На основании проведенной оценки скорости роста трещины, образование которой может произойти в науглероженном слое элементов РУ в процессе эксплуатации, показано, что науглероживание не является процессом, лимитирующим ресурс теплообменного оборудования РУ БН-600 на временной базе до 300 тыс. ч.
Установлена закономерность роста и разрушения оксидных пленок на поверхности сталей в потоке жидкого свинца на базе испытаний сталей марок 10Х15Н9СЗБи ї 0Х9НСМФБ длительностью до 30 тыс. ч.
Впервые экспериментально установлено, что в результате контакта сталей с жидким свинцом происходит увеличение скорости ползучести и снижение длительной прочности. Изучены механизм и факторы, определяющие эти явления.
Предложен деформационный критерий для определения допускаемых напряжений в конструкциях, работающих в контакте с жидкометалли-ческим свинцовым теплоносителем.
Практическая значимость полученных в ходе проведенной работы результатов состоит в следующем:
1. Полученные в ходе работы данные по науглероживанию натурных элементов использовались при продлении срока эксплуатации промежуточного теплообменника РУ Бор-60 до 300 тыс. ч.
Расчетная оценка развития постулируемой в науглероженном слое трещины, а также экспериментальное исследование степени повреждения материала промпароперегревателя, прошедшего эксплуатацию в течение 130 тыс. ч, могут быть использованы при обосновании продления ресурса теплообменного оборудования РУ БН-600.
Результаты длительных испытаний сталей в потоке жидкого свинца, полученные в работе, используются при проектировании и оценке срока эксплуатации ЯЭУ на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем - БРЕСТ ОД-300.
Предложены закономерности поведения сталей в потоке жидкого свинца, которые могут быть рекомендованы для использования при проектировании ЯЭУ на быстрых нейтронах с теплоносителем на основе сплава свинец-висмут-СВБР-75/100.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
l.Ha основании расчетной оценки развития постулируемой в науглероженном слое трещины, а также экспериментального исследования степени повреждения материала промпароперегревателя, прошедшего эксплуатацию в течение 130 тыс. ч, обоснована возможность продления срока службы теплообменного оборудования РУ БН-600.
Прогнозирование длительных свойств конструкционных материалов теплообменного оборудования РУ с натриевым теплоносителем типа БН с заданным сроком эксплуатации до 300 тыс. ч при температуре до 550С можно проводить без учета влияния науглероживания на базе данных воздушных испытаний.
В результате контакта с жидким свинцом происходит увеличение скорости ползучести и снижение длительной прочности сталей.
С целью предотвращения коррозионного повреждения и недопустимой деформации конструкций, эксплуатирующихся в контакте с жидким
свинцом, необходимо обеспечить эксплуатацию материалов в условиях образования на их поверхности стабильной оксидной пленки.
Далее приводится аннотированное изложение диссертации по главам.
В первой главе приведены условия эксплуатации теплообменного оборудования ЯЭУ на быстрых нейтронах с натриевым и свинцовыми теплоносителями, обозначены используемые конструкционные материалы, рассмотрено их поведение в условиях ползучести и методы прогнозирования длительной прочности.
Вторая глава посвящена анализу взаимодействия конструкционных материалов с жидкометаллическими теплоносителями. Отмечено отрицательное влияние натриевого теплоносителя на длительные свойства стали марки 10Х18Н9, которое связанно с процессами коррозии и науглероживания. Для РУ с натриевым теплоносителем типа БН наибольшую опасность представляет науглероживание стали марки 10Х18Н9 в результате перераспределения углерода от стали марки 10Х2М, что характерно для элементов, эксплуатируемых в контакте с натрием второго контура. Сведения по влиянию теплоносителей на базе свинца на длительные свойства сталей, принятых в техническом проекте РУ Брест ОД-300 в качестве конструкционных материалов, в опубликованных литературных данных отсутствуют. Однако, ввиду агрессивности свинца (сплава Pb-ВІ) по отношению к сталям, можно ожидать снижения длительных свойств конструкционных материалов, работающих в контакте с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями.
В третьей главе проводится расчетная оценка скорости роста трещин, образование которых может происходить в науглероженном слое труб промпа-роперегревателя, изготовленных из стали марки 10Х18Н9. Получено пороговое значение напряжения, до превышения которого образование трещин в науглероженном слое элементов теплообменного оборудования РУ с натрие-
вым теплоносителем при заданном сроке эксплуатации до 300 тыс. ч не опасно.
Четвертая глава посвящена исследованию материала промпароперегрева-теля 5ПП-Б4 парогенератора ПГН-200М РУ БН-600, прошедшего эксплуатацию в течение -130 тыс. ч. В структуре материала обнаружены выделения карбидов хрома и сигма фазы, причем наибольшее количество выделений карбидов хрома наблюдается на поверхности материала, работавшего в контакте с натрием второго контура, что является следствием процессов науглероживания, глубина которого достигает 0,30-0,35 мм. Обнаруженные выделения не вносят существенных изменений в фазовый состав исследуемого материала. На основании проведенных кратковременных и длительных механических испытаний сделан вывод о частичном повреждении материала, произошедшем вследствие процессов ползучести и старения. Данное повреждение не является критическим и не обнаруживается в структуре материала в виде микропор и микротрещин, что гарантирует безопасную эксплуатацию материала в течение заданного ресурса.
В пятой главе освещаются проведенные исследования, связанные с изучением влияния свинцового теплоносителя на длительные свойства стали ау-стенитного класса (10Х15Н9СЗБ) и хромистой мартенситной стали (10Х9НСМФБ). Представлена конструкция свинцового стенда и модуля для испытаний на длительные свойства материалов в потоке жидкого свинца, обоснованы экспериментальные условия.
Полученные экспериментальные данные показали увеличение скорости ползучести и снижение длительной прочности сталей марок 10Х15Н9СЗБ и І0Х9НСМФБ в контакте с жидким свинцом, отрицательного влияния свинцового теплоносителя на длительную пластичность исследуемых сталей не обнаружено.
Отмечено влияние уровня напряжений на процессы формирования и устойчивость оксидной пленки, выражающиеся в ускорении скорости роста
толщины оксидной пленки с ростом напряжения и отсутствии возможности ее стабильного существования на поверхности сталей при высоком уровне напряжений.
Обнаружено два различных характера разрушения сталей в контакте с жидким свинцом, определяемых при прочих равных условиях уровнем действующих напряжений. Разрушение при высоком уровне напряжений связано с процессами фронтальной жидкометаллической коррозии, имеющей место вследствие высокой скорости деформации материала и невозможности образования стабильной оксидной пленки. Разрушение при низком уровне напряжений связано с совокупным влиянием процессов образования на поверхности материала сплошной оксидной пленки, ее растрескивания при исчерпании значения квазипластичности и проникновения теплоносителя в образовавшиеся трещины, что приводит к возникновению локальных очагов жидкометаллической коррозии и адсорбционному взаимодействию стали с жидким свинцом.
Показано, что при наличии на поверхности образцов сплошной оксидной пленки, длительные свойства сталей в контакте с жидким свинцом практически не отличаются от длительных свойств сталей на воздухе. При этом сохраняется зависимость логарифма длительной прочности от логарифма времени до разрушения, характерная для длительной прочности материалов на воздухе.
В шестой главе даются рекомендации по учету влияния жидкометалличе-ских теплоносителей на длительные свойства конструкционных материалов.
Показана возможность использования данных по длительным свойствам конструкционных материалов, полученных при испытаниях на воздухе, для прогнозирования длительных свойств конструкционных материалов в контакте с натриевым и свинцовыми теплоносителями при введении понижающих коэффициентов в последнем случае, которые определены в ходе работы.
Установлена целесообразность введения при расчете допускаемых напряжений в конструкциях теплообменного оборудования ЯЭУ на быстрых нейтронах со свинцовыми теплоносителями деформационного критерия, связанного с квазипластичностью оксидной пленки.
Повреждающие факторы конструкционных материалов теплообменного оборудования ядерных установок на быстрых нейтронах
Как известно, при контакте натрия с водой происходят химические реакции с интенсивным выделением тепла. Твердые, жидкие и газообразные продукты реакции могут иметь в зоне взаимодействия температуру до 1100-1375С [12]. При этом происходит коррозия конструкционных материалов, заключающаяся в интенсивной высокотемпературной реакции с окислами натрия и щелочью, что может вызывать попадание натрия в пароводяной контур и, следовательно, на турбину. Поэтому с целью предотвратить возможное попадание активного теплоносителя в пароводяную смесь все установки с натриевым теплоносителем строятся по трехконтурной системе: натрий - натрий - вода (пар). Таким образом, теплообменное оборудование ЯЭУ с натриевым теплоносителем делится на: теплообменники - передача тепла от натрия первого контура натрию второго; и парогенераторы - передача тепла от натрия второго контура воде (пару) первого. Требования к конструкционным материалам указанных модулей различно. Рассмотрим их по отдельности, применительно к самой современной эксплуатирующейся ЯЭУ на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем - РУ БН-600. Перечисленные явления накладывают ограничения на выбор конструкционных материалов для теплообменного оборудования установок на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем. Помимо этого существует еще ряд требований, обусловленных эксплуатацией в области высоких температур и особенностями конструкций модулей ЯЭУ.
Выбор материалов для конструкций и трубопроводов теплообменников ЯЭУ с натриевым теплоносителем определяется следующими требованиями: Достаточный уровень механических свойств при длительной высокотемпературной эксплуатации; Сопротивление термоциклическим нагрузкам3 в течение заданного срока эксплуатации; Сопротивление локальному разрушению околошовной зоны; Коррозионная стойкость в натрии с учетом процессов перераспределения углерода; Технологичность при металлургическом переделе и сварке. Требования к сохранению металлом достаточного уровня механических свойств в течение длительной эксплуатации при повышенной температуре, большие размеры конструкций и, следовательно, большой объем сварочных работ, в том числе на монтаже, обусловили выбор в качестве конструкционного материала оборудования и трубопроводов натриевых контуров стали аустенитного класса [13, 14]. Применение перлитных сталей не целесообразно из-за трудностей, связанных с необходимостью термообработки после сварки, к тому же они не имеют требуемой жаропрочности и стабильности свойств.
Высокое сопротивление термической усталости может быть обеспечено при использовании материалов с повышенной пластичностью и пониженным содержанием неметаллических включений.
В результате комплексного исследования были разработаны и рекомендованы для изготовления основного оборудования ЯЭУ с натриевым тепло 3 При срабатывании аварийных защит и переходных режимах работы ЯЭУ перепад температур может достигать 350С, а общие число циклов теплосмен за срок службы 103 [13]. носителем нестабилшированные аустенитные стали марок 10Х18Н94 и 08Х16Н11МЗ. Прочность стали 08Х16Н1ШЗ при кратковременных и длительных испытаниях в диапазоне температур 20-600С на 10-20 МПа выше прочности стали 10Х18Н9. Пластичность обеих марок при длительных тепловых выдержках вплоть до температуры 650С сохраняется достаточно высокой, гарантированная длительная пластичность на ресурс 200 тыс. ч при 500-600С не ниже 10%. Основное отличие этих сталей состоит в максимальных температурах эксплуатации, при которых обеспечивается работоспособность сварных соединений без их аустенизации в течение всего срока службы 5 . Сталь 10Х18Н9 используется до температуры 500С, сталь 08Х16Н11МЗдо560С.
Требования к материалам конструкций парогенераторов6 в основном аналогичны требованиям к материалам теплообменников. При этом материалы для парогенераторов должны обладать высокой сопротивляемостью воздействия воды и пара. Учитывая склонность аустенитных хромоникелевых сталей к коррозионному растрескиванию в пароводяной среде, необходимо было разработать сталь для работы в контакте как с жидким натрием, так и с водой и ее паром7. На основании выполненного обширного комплекса научно-исследовательских работ [15] для парогенераторов отечественных быстрых реакторов, максимальная температура эксплуатации которых составляет 500С, была разработана, всесторонне исследована и внедрена сталь марки 10Х2М, Эта сталь обладает удовлетворительной прочностью при повышенных температурах, вместе с тем кратковременная и длительная пластичность и ударная вязкость ее достаточно высоки, что исключает возможность возникновения хрупких разрушений при изготовлении и эксплуатации конструкции.
Длительные механические свойства. Методы прогнозирования длительной прочности
Гораздо больший интерес при прогнозировании длительной прочности представляют методы, основанные на принципе эквивалентных состояний. Данный принцип заключается в том, что не имея возможности проводить испытания длительностью сотни тысяч часов, путем повышения температуры и (или) напряжения сокращают время до разрушения материала. А затем с помощью различных методов производится пересчет полученных результатов на эксплуатационные температуры.
Принцип эквивалентных состояний нашел отражение в методах, представленных в Нормах расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок (ПНАЭ Г-7-002-86) [20] и в ОСТе 108.901.102-78 (Котлы, турбины и трубопроводы. Методы определения жаропрочности металлов) [21], а также в различных параметрических методах.
Температурно-временные параметры являются наиболее широко используемыми методами экстраполяции результатов длительных испытаний на большие сроки службы по сравнению с имеющимися экспериментальными данными. Параметрический метод основан на таком видоизменении шкалы времени для деформации ползучести, при котором все изотермические кривые ползучести совпадают или разрушение при данном значении напряжения происходит при одинаковом значении времени, скорректированном с учетом температуры испытания. Иными словами, можно получить единую зависимость между логарифмом напряжения и параметром по данным при различных температурах испытаний.
Наиболее широко используемые параметры [22] - это парамер Ларсона-Миллера [23], параметр Шерби-Дорна [24] и парметр Мэнсона-Хаферда [25]. В таблице 1.3 приведены перечисленные параметры.
В настоящее время известно несколько десятков параметров, однако не все они могут использоваться применительно к конкретным экспериментальным базам конкретных материалов. В результате проведенного в работе [26] сравнения ряда параметрических методов был сделан вывод, что, с точки зрения математики, прогнозирование длительной прочности на большие ресурсы различными параметрическими способами приводит к одинаковой погрешности. Однако, ряд других работ [27, 28, 29], в которых проводилось сравнение результатов прогнозирования предела длительной прочности, полученных при использовании различных параметров, с экспериментальными данными, показывают, что выбор оптимального параметра должен зависеть от материала.
Это подтверждают и представленные на рис. 1.5. зависимости от Т или 1/Г, характер которых может быть различным. Следовательно, на первом этапе прогнозирования длительных свойств материала при помощи параметрических методов должна осуществляться оценка их корректного использования для исследуемого материала.
После выбора параметра и проведения соответствующих расчетов строят в полулогарифмических координатах основную (условную) кривую длительной прочности (по оси абсцисс - определяемый параметр, по оси ординат -логарифм напряжения). С целью учета смены механизмов разрушения эту кривую длительной прочности выражают либо через полином необходимой степени (обычно используется полином третьей - пятой степени [11, 30]), либо строят в виде ломаной линии с перегибами в местах смен механизмов разрушения. Первый способ является более простым, так как не требует дополнительного металлографического анализа.
В работе [29] показано, что если основная кривая длительной прочности построена с учетом смены механизмов разрушения материала, то точность прогноза возрастает независимо от используемого параметра, то есть основным в параметрическом методе прогнозирования является не выбор параметра, а корректное представление имеющихся экспериментальных результатов. Иными словами, если на основной кривой длительной прочности присутствуют данные, полученные при разрушении материала по всем механизмам, которые могут иметь место по окончании его ресурса, то можно говорить о получении достоверных результатов прогноза длительной прочности. Но, даже при соблюдении этого условия, экстраполяция, превышающая самое длительное время до разрушения более чем в 10 раз, не может считаться корректной [11].
Помимо методик, о которых было рассказано выше, существуют методы прогнозирования длительных свойств, основанные на построении определенных моделей, имитирующих процессы, происходящие в материале и вызывающие его разрушение. Естественно, что математическая модель, адекватно описывающая изменения свойств материала, избавит от длительных, многочисленных и дорогостоящих экспериментов.
Однако, здесь мы сталкиваемся с тем, что в большинстве своем математические модели используют сложные уравнения с большим числом коэффициентов, сохраняющих постоянство на всем протяжении исследуемого интервала, тогда как каждый из коэффициентов характеризует частный механизм разрушения и поэтому, в принципе, должен «работать» лишь в определенных интервалах условий. Это обстоятельство приводит к неустойчивости коэффициентов при их количестве, начиная уже от трех, тем более, когда они определяются на нехарактерных для них участках [31].
К недостаткам математических методов можно также отнести их постоянное усложнение, в них вводится множество переменных, и они основываются на сложных зависимостях, требующих для своей работоспособности мощные вычислительные центры [32] огромной стоимости.Выполненный обзор опубликованных работ показал большое значение длительных механических свойств конструкционных материалов для оценки ресурса оборудования, работающего в области высоких температур. Тип используемого теплоносителя является одним из основных критериев, определяющих выбор конструкционных материалов. Явления, наблюдаемые в результате контакта конструкционных материалов с жидкометаллическими теплоносителями, могут приводить к снижению длительных механических свойств материалов. Из имеющихся в настоящее время различных подходов оценки длительных механических свойств на время, превышающее имеющиеся экспериментальные данные, наибольший интерес представляют параметрические методы. Эти методы позволяют объединить экспериментальные базы, полученные при различных температурах, и легко учесть смену механизмов разрушения материала, наблюдаемые в различных температурно-временных диапазонах.
Исследование микроструктуры материала корпуса промпароперегревателя
Общепризнанная теория механизма жидкометаллического охрупчивания в настоящее время отсутствует. Существует три типа моделей, основанных на различных физико-химических явлениях: Модель снижения поверхностной энергии; Адсорбционная модель снижения когезивной прочности; Напряженно-растворная модель [55]. Независимо от типа модели, одним из основных условий возникновения жидкометаллического охрупчивания является непосредственный контакт между твердым и жидким металлами. Таким образом, защита конструкционных материалов от охрупчивающего воздействия теплоносителя аналогична защите от его коррозионного воздействия.
Анализ опубликованных работ (по состоянию на декабрь 2006 г.) показал отсутствие литературных данных по влиянию жидкого свинца (эвтектики Pb-Bi) на длительные свойства конструкционных материалов, принятых в техническом проекте для РУ Брест ОД-300. Однако, как показывает анализ коррозионного поведения конструкционных материалов в контакте с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями, такое влияние будет иметь место.
Обнаруженные в работе [56] данные по испытаниям перлитной стали 10ХСМ в эвтектическом сплаве Pb-Bi не представляют интереса, так как они получены на временной базе, не превышающей 4,5 ч, на материале сильно отличающемся по химическому составу от принятых в техническом проекте для РУ БРЕСТ ОД-300 конструкционных материалов.
В результате контакта конструкционных материалов с натриевым теплоносителем имеют место следующие повреждающие явления: коррозия и науглероживание. Скорость коррозии материала, работающего в контакте с натрием реакторной чистоты, незначительна из-за ее снижения в результате процесса науглероживания. Процесс науглероживания аустенитных сталей, работающих в контакте с натрием первого контура, затухает в процессе эксплуатации вследствие ограничения химического состава натрия по содержанию углерода. Наибольшую опасность науглероживание представляет для материалов, работающих в контакте с натрием второго контура. В этом случае происходит науглероживание аустенитных сталей в результате перераспределения углерода от перлитных сталей, что приводит к охрупчиванию поверхности стали марки 10Х18Н9 и, как следствие, к снижению ее длительной прочности. Снижение длительной прочности в результате науглероживания стали типа 316 (аналог стали марки 08Х16Н1МЗ) не наблюдается.
Тяжелые жидкометаллические теплоносители (РЬ, эвтектика Pb-Bi) оказывают агрессивное воздействие на конструкционные материалы, связанное с коррозионным повреждением и жидкометаллическим охрупчиванием, последнее характерно для хромистых мартенситных сталей. Для защиты от агрессивности жидкого свинца (эвтектики Pb-Bi) используются методы, препятствующие непосредственному контакту конструкционных материалов и теплоносителя. Наиболее изученным методом является поддержание в теплоносителе определенной концентрации кислорода с целью создания условий существования (образования) оксидной пленки. При этом длительность коррозионных испытаний не превышает 13,5 тыс. ч и отсутствуют данные по влиянию тяжелых жидкометаллических теплоносителей на длительные свойства конструкционных материалов.
Таким образом, литературных данных для оценки влияния жидкометаллических теплоносителей на длительные свойства конструкционных материалов недостаточно, что говорит об актуальности дополнительных исследований, определенных целью настоящей работы. Цель настоящей работы состоит в создании научных и технических основ по оценке повреждающего воздействия, оказываемого жидкометалличе-скими теплоносителями на служебные свойства конструкционных материалов, и учете данного воздействия при проектировании и оценке допустимого срока эксплуатации теплообменного оборудования реакторов на быстрых нейтронах. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи: В части исследования влияния натриевого теплоносителя на длительные свойства конструкционных материалов: 1. Оценить долговечность элементов теплообменного оборудования с учетом инициации трещины в науглероженном слое. 2. Получить данные по структуре и свойствам конструкционных материалов, проработавших в течение длительного времени в контакте с натриевым теплоносителем, и проанализировать их с позиции известных литературных данных по влиянию жидкого натрия на длительные свойства сталей. Оценить возможность продления ресурса теплообменного оборудования РУ БН-600. Для этого провести исследование материалов промпароперегревателя 5ГШ-Б4 парогенератора ПГН-200М РУ БН-600, прошедших эксплуатацию в течение 130 тыс. ч. В части исследования влияния свинцового теплоносителя на длительные свойства конструкционных материалов: 3. Установить закономерность процессов окисления сталей марок 10Х15Н9СЗБ и 10Х9НСМФБ, принятых в техническом проекте в качестве конструкционных материалов для РУ БРЕСТ ОД-300, в процессе длительной выдержки в контакте с жидким свинцом. 4. Оценить влияние напряжений на формирование оксидных пленок на поверхности образцов из сталей марок 10Х15Н9СЗБ и 10Х9НСМФБ. 5. Оценить влияние свинцового теплоносителя на длительные свойства сталей марок 10Х15Н9СЗБ и 10Х9НСМФБ при проведении одновременных испытаний в жидком свинце и на воздухе.
Длительные свойства материалов, работающих в контакте с жидким свинцом
Образцы вырезались из фрагментов модуля в продольном направлении в соответствии с ГОСТ 10145-81. Испытания проводились при температурах 550 и 600С. Результаты испытаний в сопоставлении со свойствами материала в исходном состоянии представлены на рис. 4.11.
Как видно из рис. 4.11, длительная прочность стали марки 1 ОХ 18Н9 после длительной эксплуатации превышает гарантированные значения [20], однако в целом она ниже, чем длительная прочность стали в исходном состоянии (рис. 4.11, б), что является следствием, как старения, так и частичного исчерпания ресурса материала.
Проведенный металлографический анализ показал наличие на поверхности аустенитной стали марки 10Х18Н9, отработавшей в контакте с натрием второго контура, следов произошедшего в процессе эксплуатации науглероживания. Обнаруженное явление проявляется в увеличении содержания углерода по телу зерен и по границам, что является причиной раннего образования и коагуляции карбидов хрома, которые, как известно, могут являться причиной ускоренного разрушения материалов [69].
Максимальная глубина науглероживания, отмеченная для труб, прошедших эксплуатацию при температуре 520С, связана с зависимостью глубины науглероживания аустенитных сталей от температуры: где х - глубина науглероженного слоя; к - постоянная материала; Do - коэффициент; Q - энергия активации; R - универсальная газовая постоянная; Т -температура; г- время.
Данная глубина (0,3-0,35 мм) несколько ниже нормативных данных, представленных в [20], согласно которым глубина науглероженного слоя стали марки 12Х18Н10Т за время эксплуатации 130 тыс. ч при температуре 520С составит 0,37 мм. Столь близкие результаты делают возможным использова пользование для расчета глубины науглероженного слоя стали марки 10X18Н9 нормативные данные по стали марки 12Х18Н10Т.
Анализ структуры более глубоких слоев стали марки 10Х18Н9 также показал наличие карбидов хрома, выпадение которых связано с процессами старения, однако концентрация их ниже, чем у поверхности материала. При этом было отмечено четкое присутствие ст-фазы, образование которой происходит в результате распада карбидов хрома, в материалах эксплуатирующихся при температурах выше 500С и возможное ее наличие для материала, прошедшего эксплуатацию при более низких температурах. Имея ввиду, что максимальное количество выделений карбидов хрома находится в науглеро-женной поверхности материала, там же следует ожидать и повышенной концентрации а-фазы.
Таким образом, отмечено повышенное содержание выделений карбидов хрома и а-фазы в поверхностном слое элементов, изготовленных из стали марки 10Х18Н9, и работающей в контакте с натрием второго контура, что свидетельствует о возможности образования поверхностных трещин в процессе эксплуатации.
В ходе металлографического анализа в структуре материалов не было обнаружено повреждений в виде пор и микротрещин, что, в соответствии со шкалами повреждаемости структуры ОАО ВТИ, говорит о возможности последующего контроля металла через срок, равный наработке на момент контроля [70].
Отдельно следует отметить отсутствие трещин не только со стороны науглероженного слоя в глубь основного металла, но и в самом науглерожен-ном слое, что подтверждает выводы, сделанные на основании расчета скорости роста трещины, об отсутствии существенного влияния науглероживания на свойства стали марки 10Х18Н9 при эксплуатационном уровне напряжений в теплообменном оборудовании РУ типа БН. Существенных изменений механических свойств стали 10Х18Н9, вследствие повышения концентрации углерода после эксплуатации в течение 130 тыс. ч, не должно происходить, так как глубина науглероживания материала по телу зерна не превышает 0,1 мм (менее 5% сечения труб), что и было показано с помощью сопоставления данных кратковременных механических испытаний образцов из фрагментов труб и фрагментов корпуса.
Изменение кратковременных механических свойств, как стали марки 10Х18Н9, так и 08Х16Н11МЗ связано с процессами старения, развивавшимися в течение длительного времени.
Снижение длительной прочности стали марки 10Х18Н9, отмеченное в ходе длительных испытаний, связано с повреждением материала в процессе ползучести и старения.
В виду того, что уровень длительной прочности стали марки 10Х18Н9 превосходит уровень гарантированных значений (рис. 4.11) и металлографический анализ не выявил повреждений материала в виде пор и микротрещин, ожидается безопасная эксплуатация модуля промпароперегревателя не только в рамках заданного ресурса, но и сверх него.
