Введение к работе
Актуальность темы. Интенсивное развитие атомной энергетики является основой Энергетической стратегии России на период до 2030 г., утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 28.08.2003 № 1234-р и предусматривающей увеличение производства электроэнергии на атомных электростанциях в 4 раза. В настоящее время проблемами электроэнергетики России, требующими неотложного решения, являются, во-первых, необходимость замещения отслуживших срок мощностей ТЭС за счет строительства и ввода в эксплуатацию новых АЭС; во-вторых, продление срока службы энергоблоков первого и второго поколений действующих АЭС, установленный расчетный срок службы которых составляет 30 лет. В качестве основных задач для решения этих проблем определены: продление установленного срока службы действующих энергоблоков на 10-20 лет и строительство новых энергоблоков третьего поколения.
Имеющиеся мировые запасы природного урана не могут обеспечить устойчивого долговременного развития атомной энергетики, используя реакторы на тепловых нейтронах. Применение технологии реакторов на быстрых нейтронах с замкнутым топливным циклом кардинально увеличивает потенциал по топливообеспечению АЭС. Россия обладает уникальным, не имеющим аналогов в мире, опытом разработки и эксплуатации энергоблоков АЭС с реакторами на быстрых нейтронах: 20 лет успешной эксплуатации энергоблока БН-350 и действующего энергоблока № З БН-600 Белоярской АЭС. Однако переход к серийному сооружению реакторных установок на быстрых нейтронах (РУ типа БН), в частности БН-800 и БЫ-1200, осложнен многими неотработанными в промышленном масштабе технологическими процессами и нерешенными вопросами, наиболее актуальным из которых является обеспечение надежности и безопасности эксплуатации.
Совершенствование современных энергоустановок с целью улучшения их технико-экономических показателей при одновременном повышении уровня безопасности неразрывно связано с использованием конструкционных металлических материалов. При этом основное внимание должно уделяться не увеличению металлоемкости, а повышению качества конструкций за счет повышения эксплуатационных свойств применяемых сталей и сплавов и обоснованного регламентирования рабочих параметров их эксплуатации. Важно также учитывать, что изготовление наиболее ответственных деталей и узлов установок БН-800, БН-1200 и др. невозможно в заводских условиях из-за размеров конструкции (D корпуса > 13 метров), массы деталей и, как следствие, значительных сложностей при сборке и монтаже оборудования, которые возможно выполнить только непосредственно на атомной станции. В связи с этим, учитывая, что надежная и безопасная работа энергетических объектов в значительной степени определяется именно крупногабаритными элементами конструкции, возникают дополнительные технологические сложности, связанные с необходимостью проведения при монтаже энергооборудования таких операций, как сварка и термическая обработка. Вследствие этого особое значение приобретают обеспечение и контроль качества сварных соединений изготавливаемого оборудования и требования к используемым материалам. В то же время, сварные соединения оборудования и трубопроводов АЭС, в первую очередь корпуса ядерного реактора и оборудования I контура, изготовленные из
аустенитных сталей, были и остаются одними из наиболее ответственных конструктивных элементов. Таким образом, обоснование выбора и регламентирование применения конструкционных и сварочных материалов для оборудования атомных реакторных установок на быстрых нейтронах, а также определение остаточного ресурса оборудования энергоблоков и продление срока их эксплуатации свыше 30 лет являются важными и актуальными задачами современного металловедения. Решение их являлось предметом исследований данной диссертационной работы.
Работа выполнена как часть научных исследований, проводимых в:
ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» в рамках Федеральных целевых программ «Национальная технологическая база» на 2002-2006 годы и 2007-2011 годы, утвержденных постановлениями Правительства РФ № 779 от 08.11.2001г. (ред. от 13.11.2001г.) и № 54 от 29.01.2007г., раздел «Технологии новых материалов», а также на основании Государственного контракта №41.600.1.4.0014 от 31.01.2002г. с Министерством промышленности, науки и технологий РФ;
Санкт-Петербургском государственном политехническом университете в рамках Федеральной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2010-2011 годы)», раздел 2.1.2. «Проведение фундаментальных исследований в области технических наук», проект № 2.1.2 / 6955.
Целью работы является повышение качества металла шва и околошовной зоны сварных соединений деталей из аустенитных сталей на основе разработки и обоснования рекомендаций по выбору конструкционных и сварочных материалов и режимов термической обработки для обеспечения повышенной работоспособности реакторных установок на быстрых нейтронах.
Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
-
Исследование корреляции между количеством ферритной фазы в структуре сварочной проволоки и наплавленного металла при использовании проволоки марки Св-04Х17Н10М2 и наиболее перспективных способов сварки -аргонодуговой и автоматической под флюсом.
-
Исследование влияния химического состава и технологии выплавки на фазовый состав металла сварочной проволоки с выявлением определяющих технологических факторов.
-
Определение кратковременных механических свойств и длительной прочности сварных соединений, выполненных различными способами, применительно к деталям установок БН-800 и БН-1200.
-
Исследование влияния температурно-временного воздействия на структуру и склонность к тепловому охрупчиванию металла шва аустенитных сталей.
-
Разработка специального критерия разрушения, позволяющего более объективно и достоверно оценивать трещиностойкость сварных соединений из аустенитных сталей, отличающихся неоднородностью структуры, свойств и скорости ползучести основного металла, металла шва и околошовной зоны.
-
Изучение механизма образования трещин в околошовной зоне и оценка склонности к локальному разрушению в околошовной зоне (ЛРОЗ) сварных соединений деталей из аустенитных сталей в условиях работы I контура РУ БН-800 и БН-1200 с учетом влияния термической обработки.
-
Разработка и обоснование рекомендаций по выбору конструкционных и сварочных материалов для изготовления сварных соединений деталей из аустенитных сталей оборудования и трубопроводов АЭС с реакторами на быстрых нейтронах.
-
Разработка технической документации на промышленное изготовление сварочных материалов, обеспечивающих регламентируемое содержание а-фазы в структуре металла шва аустенитных сталей при различных способах сварки, и проведение термической обработки сварных конструкций при монтаже оборудования РУ типа БН.
-
Разработка и промышленное опробование технологии сварки наиболее ответственных конструктивных узлов I контура РУ типа БН и оценка возможности обеспечения ресурса до 60 лет установок БН-600, БН-800 и БН-1200 с использованием разработанных практических рекомендаций.
Научная новизна диссертационной работы:
установлена корреляция между количеством феррита в структуре сварочной проволоки марки Св-04Х17Н10М2 и наплавленного металла при сварке аустенитных сталей, а также выявлено влияние химического состава и технологии выплавки на фазовый состав металла сварочной проволоки;
различными методами выполнено прогнозирование длительной прочности металла шва аустенитных сталей, полученного аргонодуговым и автоматическим под флюсом способами сварки с использованием сварочной проволоки Св-04Х17Н10М2. Установлено, что при температуре эксплуатации 530С одп. составляет 160 МПа, при 600С - 90 МПа;
изучено изменение структуры и свойств металла шва сварных соединений, выполненных с использованием проволоки Св-04Х17Н10М2, в температурно-временных условиях эксплуатации реакторных установок па быстрых нейтронах. Показано, что после эксплуатации длительностью до 60 лет в структуре металла шва образуется не более ~ 3,0 объемн.% сигма-фазы, что не оказывает существенного влияния на его эксплуатационные свойства;
выявлен механизм хрупких разрушений в околошовной зоне сварных соединений деталей из аустенитных сталей различных марок, заключающийся в выделении хрупких вторичных карбидных фаз в теле аустенитных зерен и формировании сплошных прослоек по границам зерен, что блокирует внутризеренную деформацию и приводит к ослаблению границ;
показана возможность повышения эксплуатационной надежности и срока службы сварных соединений аустенитных сталей оборудования РУ типа БН путем термической обработки за счет уменьшения концентрации напряжений, снижения уровня термических и остаточных напряжений, уменьшения склонности к образованию в структуре сталей вторичных охрупчивающих карбидных фаз, исключения опасности образования трещин и коробления конструкций;
предложен и обоснован специальный критерий для количественной оценки сопротивляемости локальным разрушениям в околошовной зоне сварных соединений деталей из аустенитных сталей, учитывающий значительную неоднородность структуры, свойств и скорости ползучести основного металла, металла шва и околошовной зоны. Выполнена количественная оценка трещиностоикости сварных соединений деталей из аустенитных сталей в условиях эксплуатации реакторных установок типа БН.
Практическая значимость результатов работы:
- сформулированы практические рекомендации, разработана и
утверждена техническая документация на изготовление сварочной проволоки
Св-04Х17Н10М2 с нормируемым количеством ферритной фазы в структуре,
применение сталей марок 08Х16Н11МЗ, 10Х18Н9, 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т и проведение термической обработки сварных конструкций из них при монтаже оборудования реакторных установок типа БН;
обоснована возможность продления срока службы до 60 лет сварных соединений реакторных установок на быстрых нейтронах по длительной прочности, склонности к старению и тепловому охрупчиванию и склонности к локальным разрушениям в околошовной зоне;
сформулированы условия необходимости и требования к проведению термической обработки сварных соединений деталей из аустенитных сталей, обеспечивающие повышение работоспособности реакторных установок на быстрых нейтронах. Отработаны конкретные режимы термообработки сварных соединений деталей из сталей различных марок с учетом сложности и массы конструкции, технологии изготовления и параметров эксплуатации;
результаты работы использованы при изготовлении наиболее ответственных конструктивных узлов I контура реакторной установки на быстрых нейтронах БН-800, в частности корпуса реактора и основного оборудования, а также используются при проектировании оборудования строящейся БН-1200 и ремонте существующих установок типа БН на АЭС и ряде заводов-изготовителей: ОАО «Уралхиммаш», ОАО «Машиностроительный завод «ЗиО-Подольск», ОАО «Балтийский завод», ОАО «Кировский завод» и других. В промышленном масштабе на российских заводах ОАО «ЧМК» и ОАО «МЗ «Электросталь» освоено производство заготовок для сварочной проволоки марки Св-04Х17Н10М2 с регламентированным содержанием феррита и производство тонкой - 0 от 1,0 до 1,6 мм сварочной проволоки.
Достоверность положений, выводов и рекомендаций диссертации подтверждена большим объемом экспериментальных исследований и расчетов и сравнением полученных данных с результатами других авторов; использованием современных методов испытаний, аналитического оборудования, математического аппарата; успешной проверкой предлагаемых технических решений в условиях промышленного изготовления и эксплуатации сварных конструкций из аустенитных сталей реакторных установок АЭС.
Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в постановке задач исследования, разработке методов испытаний материала сварных соединений деталей из аустенитных сталей, проведении экспериментов и выполнении расчетов, обработке полученных результатов и формулировании выводов, разработке и внедрении практических рекомендаций для изготовления и эксплуатации сварных конструкций реакторных установок типа БН.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Разработанные и обоснованные рекомендации для выбора и регламентирования применения конструкционных и сварочных аустенитных материалов при проектировании и изготовлении сварных конструкций оборудования и трубопроводов АЭУ и продления их ресурса до 60 лет.
-
Необходимые условия, обеспечивающие получение в структуре металла шва ферритной фазы в требуемом количестве (от 2,0 до 5,0 объемн.%) при использовании сварочной проволоки марки Св-04Х17Н10М2 и наиболее перспективных способов сварки - аргонодуговой и автоматической под флюсом.
-
Результаты экспериментальных исследований влияния химического состава и структуры аустенитных сталей на кратковременные и длительные свойства сварных соединений реакторных установок на быстрых нейтронах.
-
Результаты экспериментально-теоретических расчетов допустимого срока эксплуатации сварных соединений деталей из аустенитных сталей реакторных установок на быстрых нейтронах.
-
Результаты исследований структурных изменений и деградации свойств металла шва сварных соединений, выполненных с использованием сварочной проволоки Св-04Х17Н10М2, в температурно-временных условиях эксплуатации реакторных установок на быстрых нейтронах.
-
Механизм хрупких разрушений в околошовной зоне сварных соединений деталей из аустенитных сталей различных марок.
-
Методика и специальный критерий для количественной оценки сопротивляемости локальным разрушениям в околошовной зоне сварных соединений деталей из аустенитных сталей.
-
Условия необходимости и требования к проведению термической обработки сварных соединений деталей из аустенитных сталей, обеспечивающие повышение работоспособности реакторных установок на быстрых нейтронах.
Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Всероссийская конференция «Металлургия сварки и сварочные материалы», октябрь 19-20, 1998, Санкт-Петербург; Шестая Международная конференция «Проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС», июнь 19-23, 2000, Санкт-Петербург; Седьмая Международная конференция «Проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС», июнь 17-21, 2002, Санкт-Петербург; Десятый Всероссийский научно-практический семинар «Обеспечение безопасности и экономичности энергетического оборудования», ноябрь 17-19, 2004, Санкт-Петербург.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 13 работах, включая 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК России, 1 патент РФ и 1 авторское свидетельство РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 200 страницах, содержит: 32 таблицы, 51 рисунок и 6 приложений. Библиографический список включает 78 наименований.
