Введение к работе
Актуальность работы. Важнейшей характеристикой конструкционных циркониевых сплавов применяющихся для изготовления элементов тепловыделяющих сборок (ТВС) атомных реакторов является их сопротивление разрушению. Растрескивание циркониевых изделий - элементов ТВС при изготовлении повышает процент брака на производстве, а при эксплуатации снижает ресурс, производительность и безопасность работы реакторов. Остаточный запас вязкости изделий ТВС необходим и при длительном их хранении после выработки в реакторе. Поэтому, задача получения фундаментальных знаний о природе растрескивания циркониевых сплавов для' повышения запаса сопротивляемости разрушению
f и оценки предельных возможностей материала элементов ТВС чрезвычайно актуальна.
Одним из возможных видов растрескивания элементов ТВС при эксплуатации (в частности, оболочек твэлов), является коррозионное растрескивание под напряжением
, (КРН), которое может возникать особенно в условиях скачков мощности реактора и
глубокого выгорания топлива. Причиной образования и развития трещин является воздействие продуктов деления топлива (преимущественно йода) в условиях высоких механических напряжений и температуры, а также облучения. Существующие методы предотвращения КРН оболочек путем снижения реакторной мощности и использования барьерных покрытий экономически мало эффективны. Применяемые в настоящее время методы испытаний оболочек твэлов на КРН основаны на измерении интегральных характеристик (например, Кксс) и не позволяют детально изучать механизмы процесса и выявлять влияние отдельных структурных факторов на сопротивляемость КРН. Вместе с тем, такие данные необходимы для разработки новых способов повышения
, сопротивляемости КРН оболочек и других элементов ТВС, основанных на управлении
структурой циркониевых сплавов.
Для получения этих знаний необходимы новые высокочувствительные методы КРН -
t испытаний оболочек твэлов, позволяющие исследовать механизмы и кинетику разрушения
на разных (особенно на начальных) стадиях процесса коррозионного разрушения. В качестве такого метода, в настоящей работе разработан и применён метод локальных КРН -испытаний с измерением акустической эмиссии (АЭ). Локализация зоны воздействия среды на трубчатый образец и АЭ - измерения позволили с высокой точностью наблюдать и измерить параметры образования и развития отдельных коррозионных дефектов в реальном времени и сравнительно оценить стойкость материала труб КРН в разном структурном состоянии за короткий период времени.
Работа выполнена в рамках Межотраслевой программы сотрудничества Министерства образования Российской Федерации и Министерства Российской федерации по атомной энергии по направлению "Научно-инновационное сотрудничество" (приказ Минобразования России № 4659 от 27.12.2002 г.), а также в рамках программы «АЭС и ЯЭУ нового поколения с повышенной безопасностью» (Постановление Правительства РФ №263 от 06.04.96).
Цель работы. Изучение влияния структурных факторов на механизмы и кинетику коррозионного разрушения и сопротивляемость КРН в йодсодержащей среде оболочечных труб из промышленных циркониевых сплавов и выработка на этой основе рекомендаций по оптимизации химического состава и микроструктуры сплавов циркония для оболочек тзэлов с повышенной сопротивляемостью КРН.
Научная новизна. 1. Прямым сопоставлением характеристик акустической эмиссии и размеров коррозионных дефектов на поперечных сечениях и в изломах образцов при локальных КРН - испытаниях определены механизмы и кинетика разрушения труб. Выявлены и количественно описаны основные типы коррозионных дефектов, их образование, развитие и взаимодействие. Установлена единая для всех состояний труб последовательность возникновения и развития коррозионных повреждений - локальное поверхностное растравливание - образование гоптингов - зарождение и развитие на них трещин. На поверхности материала трещины развиваются как единичные, а внутри материала как множественное растрескивание в виде зон зернограничного разрушения (ЗЗР). Масштабы коррозионных повреждений и конкуренция механизмов разрушения зависят от структуры и уровня прочности сплавов. Определены условия реализации разных механизмов коррозионного разрушения в циркониевых сплавах.
-
Разработана не имеющая аналогов в мире высокочувствительная методика локальных КРН - испытаний оболочечных труб с ограниченной зоной контакта металла с коррозионной средой и измерением АЭ от развивающихся коррозионных дефектов, позволяющая следить в режиме реального времени за кинетикой развития коррозионных дефектов, определять время наступления различных стадий процесса КРН и использовать его в качестве информативного параметра оценки стойкости к КРН труб.
-
Разработаны новые эффективные количественные методы оценки коррозионной поврекадаемости труб при КРН - испытаниях, позволяющие измерять различные дефекты на поверхности и на поперечных сечениях в зоне воздействия среды, получать и анализировать их трехмерные изображения с помощью компьютерной графики.
-
Выделены основные структурные факторы, ограничивающие сопротивляемость КРН циркониевых труб. Установлены количественные зависимости между
характеристиками структуры, прочностью и сопротивляемостью труб КРН. Количественно описаны структурные состояния циркониевых труб, обеспечивающие высокое сопротивление КРН.
Практическая ценность работы. 1. Разработаны рекомендации по уточнению режимов деформационно-термической обработки, оптимизации химического состава и микроструктуры циркониевых сплавов, обеспечивающие повышение сопротивления КРН оболочечных труб при сохранении комплекса других коррозионных и механических свойств.
-
Результаты работы использованы при аттестации оболочечных труб из новых модификаций циркониевых сплавов Э110 и Э635 и совершенствовании технологии производства оболочечных труб из них на предприятиях Минатома РФ.
-
Разработанная методика локальных КРН - испытаний является универсальной и может быть эффективно применена при исследовании процессов коррозионного разрушения ответственных изделий из других металлических материалов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих научных конференциях:
1. ІЗ"1 International Symposium on Zirconium in the Nuclear Industry, June 10-14, 2001,
Annecy, France.
2. Научная сессия МИФИ 2002. Научно-техническая конференция "Научно-
инновационное сотрудничество", 21 -25 января 2002 г., Москва, МИФИ.
-
CORROSION/2002, 57"" Annual Conference and Exposition. 7-12 April 2002, Denver, USA.
-
1-ая Евразийская Научно-Практическая Конференция «Прочность Неоднородных Структур, ПРОСТ 2002», 16-18 апреля 2002 г., Москва, МИСиС.
-
Научно-практическая конференции материаловедческих обществ России «Новые функциональные материалы и экология», 26-29 ноября, 2002, г. Звенигород.
-
VII-ая Российская конференция по реакторному материаловедению, 8-12 сентября 2003 г., г. Димитровград.
-
2-ая Евразийская Научно-Практическая Конференция «Прочность Неоднородных Структур, ПРОСТ 2004», 20-22 апреля 2004 г., Москва, МИСиС.
Публикации. По теме диссертации опубликовано десять работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,^глав, выводов, списка литературы \а/2. наименований. Работа изложена на/^страницах, содержит ^ таблиц и ^"рисунков.
Похожие диссертации на Влияние структурных факторов на коррозионное растрескивание под напряжением тонкостенных труб из циркониевых сплавов
