2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Стр.
1. Современное состояние проблемы продления ресурса элементов
оборудования АЭУ и перспективы ее решения. (Обзор литературы) 8
1.1. Некоторые основные факторы, влияющие на работоспособность сосудов высокого давления 8
1.1.1. Технологические дефекты в наплавленных и сварных соединениях оборудования ЛЭУ, их типы и методы контроля 9
1.1.2. Влияние нейтронного облучения на сопротивление конструкционных сталей хрупкому разрушению 13
1.2. Научные основы оценки влияния технологических дефектов
на прочность элементов оборудования АЭУ 17
1.2.1. Экспериментальные методы определения характеристик ста-
тической и циклической трещиностойкости моно- и биметаллов 27
1.3. Методы расчетного обоснования прочности и долговечности
элементов конструкций при наличии дефектов 32
1.4. Выбор метода расчета коэффициентов интенсивности напряжений для поверхностных и внутренних дефектов 42
1.5. Актуальность проблемы продления ресурса элементов оборудования АЭУ и основные задачи исследования 49
2. Методика экспериментальных исследований. Материалы, образцы,
испытательное оборудование 51
2.1. Материал и его свойства, выбор типоразмеров образцов 51
2.2. Испытательное оборудование 61
2.3. Методика испытаний образцов на статическую трешиностой-
кость 64
2.4. Методика экспериментального определения периода зарож-
дения трещин от концентраторов при циклическом нагружении 66
3
Стр.
3. Анализ результатов испытаний 71
3.1. Выбор режима охрупчивающей термической обработки и оценки механических характеристик плакированной корпусной стали 71
3.2. Сравнительная оценка статической трещиностойкости корпусного материала и материала с наплавкой в исходном и ох-руиченном состояниях 81
4. Предложения по совершенствованию методов обоснования допустимых размеров технологических дефектов корпуса реактора АЭУ 93
4.1. Оценка периода до возникновения усталостных трещин от концентраторов 93
4.2. Разработка таблицы допустимых размеров дефектов для сварных соединений элементов оборудования АЭУ на стадии эксплуатации 109
4.3. Приведение переменных режимов нагружения, возможных
при эксплуатации корпуса реактора, к номинальному режиму 113
4.4. Расчетная оценка допустимых размеров дефектов в активной зоне корпуса реактора ВВЭР-1 ООО 116
5. Заключение и общие выводы 131
Библиографический список использованной литературы 133
Приложение 146
4
ВВЕДЕНИЕ
Характерной особенностью современного этапа развития атомного энергомашиностроения является увеличение единичных мощностей агрегатов. Такая тенденция экономически выгодна, поскольку позволяет уменьшить удельную металлоемкость, трудоемкость изготовления и эксплуатационные расходы. Однако с повышением мощности увеличиваются габариты изделия, вес и напряженность его основных элементов, а также ужесточаются условия работы материалов.
В нашей стране серийно выпускаются атомные энергоблоки электрической мощностью 440, 1000 МВт и разрабатываются проекты энергоустановок мощностью до 1500 МВт, причем предпочтение отдается водо-водяным реакторам (ВВЭР)/], 22, 26 /.
К числу наиболее ответственных элементов атомных энергетических установок (ЛЭУ) относятся корпуса реакторов и парогенераторов, компенсаторов объема, сепараторов пара, представляющие собой сосуды высокого давления. Эти сосуды изготавливают из низколегированных перлитных сталей с широким использованием различных сварочных процессов.
Оборудование первого контура АЭУ типа ВВЭР для защиты от теплоносителя (реакторной воды высоких параметров) подвергается облицовке изнутри антикоррозионными плакирующими покрытиями из сталей аустенитного класса. Активная зона корпуса реактора подвержена интенсивному нейтронному облучению, вследствие чего происходит охрупчивание основного материала, приводящее к изменению исходных механических характеристик.
Несмотря на жесткие требования к технологическому процессу, при создании плакирующего покрытия электродуго вой наплавкой возможно появление различных технологических дефектов. Кроме того, в процессе эксплуатации конструкция подвергается периодически изменяющейся во времени нагрузке, в связи с чем существующие дефекты и микротрещины могут расти и достигнуть таких размеров, при которых возможно разрушение изделия.
Такие крупногабаритные конструкции обладают при эксплуатации значительными запасами упругой энергии, определяемой как высоким уровнем рабочих напряжений, так и внутренней энергией рабочей среды, которая в ряде случаев бывает радиоактивной. Все эго предопределяет высокий уровень требований к прочности и долговечности указанных конструкций. В связи с этим возникает необходимость обеспечения эксплуатационной надежности
5
элементов АЭУ с учетом технологических дефектов.
Действующие в настоящее время нормативно-технические документы / 80 / определяют малые размеры допустимых дефектов, причем их назначают, как правило, на границе чувствительности неразрушающих методов контроля. Это обстоятельство приводит к необходимости в процессе производства выполнять значительные объемы работ по выборке и заварке дефектов сварки (наплавки), проведение которых не всегда целесообразно. В связи с этим иногда возникает необходимость обоснования пропуска в эксплуатацию элементов оборудования АЭУ, имеющих трещиноподобные и другие дефекты в наплавленных покрытиях. Оценку допустимости дефектов, выявленных в процессе изготовления или эксплуатации конструкций (если их размеры превышают нормативные) проводят с использованием методов, основанных на закономерностях механики разрушения. Большой вклад в решение этой проблемы внесли отечественные ученые Ривкин Е. Ю., Овчинников A.B., Попов A.A., Карзов Г.П., Тутнов A.A., а также зарубежные исследователи Nickols R., Kussmaul K., Grützen S. и другие.
Для определения рациональных объемов ремонтных работ и оценки степени опасности тех или иных дефектов необходимо располагать экспериментальными данными по скорости роста трещин, вязкости разрушения, малоцикловой усталости конкретных корпусных материалов с аустенитными наплавками как при вводе изделия в эксплуатацию, так и к концу проектного ресурса. Такие эксперименты выполнены Мазепой А.Г., Мамаевой Е.И., Ильинским К.Л., Грегором В., Brumovsky М.
Существующие методы расчета основаны, например, на использовании такой характеристики сопротивления материала развитию трещины, как критический коэффициент интенсивности напряжений при плоской деформации
1<іс или предел трещиностойкости 1с. Эти методы позволяют оценить кинетику распространения начальной трещины при переходных режимах работы агрегата на стадии стабильного подрастания. Для этого реальный дефект условно заменяют трещиной, по площади равной проекции дефекта (либо скопления дефектов) на сечение, перпендикулярное действию максимального главного напряжения растяжения. Оценку подрастания трещины проводят, используя экспериментальные данные по скорости роста трещины, которую обычно выражают в зависимости от размаха коэффициента интенсивности напряжений АК.
Такой подход имеет ряд недостатков. Основной недостаток состоит в том, что при оценке долговечности конструкций полностью исключается не-
6
риод зарождения трещины. Однако уже первые оценки / 79 / показывают, что период зарождения трещин от реальных технологических дефектов в сварных швах большой толщины при действующих в конструкциях циклических напряжениях может многократно превышать период развития усталостной трещины от ее начального размера до критического. Таким образом, исключение из рассмотрения периода зарождения трещин может привести к значительному занижению расчетного ресурса работы конструкции.
В связи с изложенным, следует совершенствовать существующие и разрабатывать новые методы расчета для обоснования допустимых размеров 'технологических дефектов.
Изучению этого вопроса посвящена данная работа, выполненная в рамках целевой комплексной программы ГКНТ, Госплана и АН СССР ОЦ001 (задание 01.07).
Для расчета узлов оборудования ЛЭУ на сопротивление упруго-пластическому разрушению использована концепция предела трещиностойкости 1с, теоретически и экспериментально достаточно обоснованная и обеспечивающая наиболее точное определение предельной прочности конструкций при наличии малых трещин. Эта концепция предложена Морозовым Е.М. и практически использована Васильченко Г.С., Васютиным А.Н.
В настоящей работе исследования проведены на корпусной стали перлитного класса 15Х2НМФА, наплавленной аустенитными сталями типа 07Х25Н13 и 04Х20Н10Г2Б.
Обоснован режим охрупчивающей термической обработки исследуемой корпусной стали, моделирующий состояние материала к концу проектного срока эксплуатации. Проведена сравнительная оценка характеристик статической трещиностойкости наплавленной стали 15Х2НМФА в исходном и ох-рупченном состояниях. Момент возникновения трещин при циклическом нагружении изучали в наплавке, на линии сплавления наплавки и основного металла, в основном металле.
Результаты исследования подтвердили важные положения, заложенные в основу расчета на сопротивление хрупкому разрушению корпусных конструкций АЭУ / 78 / и использованы при разработке усовершенствованной методики расчета допустимости выявленных дефектов, позволяющей учитывать при оценке остаточного ресурса период до зарождения усталостной трещины от объемных дефектов.
На основании расчетных оценок показана возможность разрешения для стадии эксплуатации больших размеров допустимых дефектов, чем по нор-
7
мативным документам / 80 / в стадии изготовления. Предложена таблица допустимых размеров дефектов для сосудов давления АЭУ при эксплуатации.
Диссертационная работа выполнялась в отделе прочности материалов и конструкций ГНЦ ЦНИИТМАШ. Автор выражает глубокую благодарность всем сотрудникам отдела, принимавшим участие в подготовке и проведении экспериментальной части работы. Особую признательность автор выражает научному руководителю, доктору технических наук Васильченко Г.С.
8
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОДЛЕНИЯ РЕСУРСА ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ АЗУ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕЕ РЕШЕНИЯ (Обзор литературы)
1.1. Некоторые основные факторы, влияющие на работоспособность сосудов высокого давления
Безопасность энергетического оборудования определяется накопленной поврежденностью нагруженных элементов, наличием в них дефектов, пропущенных на стадии изготовления или образовавшихся при эксплуатации, степенью деградации свойств материалов при длительном статическом и циклическом нагружении, особенно заметном при воздействии высоких температур, агрессивных сред, радиации.
Особенности технологического процесса изготовления сосудов давления могут оказать существенное влияние на свойства конструкционных сталей и их сварных соединений. Нанесение наплавленного покрытия приводит к появлению как различных технологических дефектов типа раковин, пор и непрова-ров, так и грещииоподобных дефектов в наплавленном покрытии, и в корпусной стали вблизи зоны сплавления. Их появление может быть вызвано многими причинами, наиболее важными из которых являются: воздействие высокой температуры на металл в процессе наплавки, диффузионные процессы, возникающие в зоне сплавления, наличие остаточных напряжений в биметаллах, обусловленных различием коэффициентов линейного расширения аустенитно-го покрытия и перлитной стали.
Дефекты, в каком бы виде они ни выявлялись, рассматриваются как технологические концентраторы напряжений, влияющие на работоспособность изделия.
Наиболее сильное изменение исходного сопротивления металла хрупкому разрушению при эксплуатации наблюдается в корпусах реакторов АЭУ. С этой точки зрения корпуса атомных реакторов можно условно разделить на зоны с технологическими и конструкционными концентраторами напряжений и зону активной части корпуса, испытывающей действие нейтронного облучения.
Изменение исходного сопротивления металла хрупкому разрушению в зонах концентрации напряжений может происходить под влиянием циклического нагружения металла в упруго-пластической области, а в районе активной зоны - за счет облучения металла потоком нейтронов, приводящего к охрупчиванию.
9
Указанные факторы, снижающие долговечность, рассмотрим подробнее.
1.1.1. Технологические дефекты в наплавленных и сварных соединениях оборудования АЭУ, их типы и методы контроля
Атомные энергетические установки типа ВВЭР имеют в качестве основного несущего элемента корпус реактора. Корпус ( рис. 1.1) изготавливают из кованых обечаек толщиной 190 и 275 мм, соединяемых в цилиндрический сосуд сварными швами полной толщины. Сваркой присоединяют к корпусу главные трубопроводы и патрубки системы автоматической защиты.
Для изготовления корпусов реакторов описываемого типа в нашей стране применяются высокопрочные хромомолибденованадиевые теплоустойчивые и радиационностойкие низколегированные перлитные стали марок 15Х2НМФА и 15Х2МФА, а для обечаек активной зоны реактора ВВЭР 1000 -сталь марки 15Х2НМФАА. Остальные узлы первого контура изготавливаются из сталей марок 10ГН2МФА и 22К. В зарубежной практике для производства сосудов высокого давления установок типа ВВЭР наиболее широко используются листовая сталь А-533-В (кл. 1) и кованая сталь А 508 (кл. 2 или 3). Большинство трубопроводов первого контура изготавливается из нержавеющей стали типа 304. Стали средней прочности приведенных выше марок обладают достаточно высокой пластичностью, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к оборудованию первого контура АЭУ.
В связи с низкой коррозионной стойкостью корпусных сталей внутренняя поверхность первого контура плакируется наплавленным относительно тонким слоем из высоколегированных аустенитных хромоникелевых сталей. В качестве коррозионностойких материалов в нашей стране используют ленточные электроды из сталей марок 07Х25Н13, 08Х19Н10Г2Б, 04Х20Н10Г2Б; а за
рубежом - СШ4/12-В8, СИ 24/13, ЫбИКОО-ВБ.
Наплавленный металл антикоррозионного покрытия внутренних поверхностей оборудования первого контура АЭУ из указанных коррозионно-стойких сталей должен удовлетворять следующим основным технологическим и эксплуатационным требованиям:
- отсутствие склонности к образованию горячих трещин, пор и шлаковых включений в процессе наплавки;
- надежное соединение с основным металлом при хорошем формировании внешней поверхности покрытия;
10880
10
Рис. 1.1. Корпус реактора типа ВВЭР
- обеспечение коррозионной стойкости в среде теплоносителя,
- необходимый уровень характеристик механических свойств, включая циклическую прочность от воздействия механических и температурных переменных напряжений.
Выполнение этого комплекса требований, предъявляемых к наплавленному антикоррозионному покрытию, обеспечивается путем выбора необходимого коррозионностойкого металла с учетом его технологического передела, рационального с точки зрения технологии и экономичности процесса нанесения.
Несмотря на жесткие требования, предъявляемые к наплавленному покрытию, в условиях серийного производства нельзя гарантировать отсутствие технологических дефектов как в самой наплавке, так и в основном металле. Опыт изготовления атомного энергетического оборудования в нашей стране и за рубежом свидетельствует о том, что при выполнении наплавленных антикоррозионных покрытий возможно образование следующих основных типов дефектов:
- недопустимые по размерам (согласно действующим требованиям / 80 !) шлаковые включения, несплавления и поры в зоне сплавления аусгенитной наплавки с основным металлом;
- недопустимые по размерам шлаковые включения и поры в сечении наплавленного аустенитного слоя или между слоями - в случае наплавки покрытия в два или более слоев-проходов;
- трещины в наплавленном аустенитном металле и в основном металле под наплавкой ("подваликовые" трещины).
В качестве количественного показателя стабильности технологии наплавки (сварки) конкретного биметаллического соединения используют / 33 / коэффициент пораженности дефектами, представляющий собой отношение числа участков, требующих ремонта, к общему числу проконтролированных участков, или же пользуются более удобными коэффициентами удельной дефектности по массе и длине шва.
В принципе, все указанные дефекты могут быть выявлены неразрушающими методами контроля. Дефекты, выходящие на внешнюю поверхность (трещины, поры, шлаковые включения), обнаруживаются методами капиллярной цветной (КЦД) или магнитнопорошковой дефектоскопии (МПД) и удаляются механической обработкой в пределах припуска или исправляются подваркой. Метод капиллярной цветной дефектоскопии является основным неразрушающим методом выявления поверхностных дефектов - несплошно-стсй в наплавленных антикоррозионных покрытиях атомного энергетиче-
12
ского оборудования. Как показали исследования и производственная практика, большое значение для достоверности и оценки результатов контроля методом КЦД имеет шероховатость контролируемой поверхности, которая, согласно
принятым в энергомашиностроении требованиям, должна быть 112- 40 мкм В США допустимость дефектов при капиллярном контроле оценивают согласно требованиям, указанным в стандарте / 95 /.
Сложнее обстоит дело с внутренними дефектами, которые возникают по ряду причин. Шлаковые включения появляются при плохой зачистке шлака, при многопроходной наплавке или при наличии окалины, ржавчины на свариваемых кромках. Поры возникают на плохо смачиваемых поверхностях раздела фаз, сосредоточенных по линии сплавления, где всегда имеются вакансии, микропоры, посторонние тугоплавкие частицы. Они являются стимуляторами пористости / 42 /. Поры и шлаковые включения могут быть одиночными либо образовывать скопления или цепочки. При неполном проплавлении пористость концентрируется в районе непровара в виде цепочек (не слившиеся поры с расстоянием между ними меньше трех диаметров поры). При полном про-плавлении пористость концентрируется по линии сплавления. Непровары появляются из-за неправильной геометрии шва, неполного проплавления основного металла на линии сплавления или в корне шва.
Трещины считают / 33, 39 / наиболее опасным дефектом наплавки (сварки). В зависимости от происхождения, их разделяют на горячие и холодные. Горячие трещины при наплавке (сварке) возникают в процессе затвердевания металла, имеющего низкие пластические свойства вследствие, например, недостаточного раскисления наплавленного металла. Холодные чрещины в шве или околошовной зоне могут образовываться при фазовых превращениях металла в сочетании с действием сварочных напряжений при завершении охлаждения, либо при вылеживании изделия / 37 /.
Причина появления дефектов в основном металле сварных конструкций иная. Так, в кованых заготовках часто имеют место неметаллические включения как результат недостаточного или неправильного удаления прибыльной, донной либо средней части исходного слитка. При неправильной термической обработке крупных поковок с большим содержанием водорода возможно образование флокенов иногда крупных размеров /117/.
Внутренние дефекты наплавленных (сварных) соединений и основного металла корпуса реактора выявляют, как правило, ультразвуковыми методами контроля (УЗК) / 33, 75, 80, 108 /. В соответствии с / 80 /, требуется проведение 100% ультразвукового контроля зоны сплавления аустенитной наплавки с ос-
- Київ+380960830922