автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Анализ компенсирующих мероприятий для повышения сопротивления коррозионному растрескиванию сварных соединений аустенитных трубопроводов АЭС с реактором РБМК

На правах рукописи

Мощенко Максим Геннадьевич

АНАЛИЗ КОМПЕНСИРУЮЩИХ МЕРОПРИЯТИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ КОРРОЗИОННОМУ РАСТРЕСКИВАНИЮ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ АУСТЕНИТНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ АЭС С РЕАКТОРОМ РБМК

Специальность 05.16.09 «Материаловедение» (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

18 и:ол 2013

005531541

Санкт-Петербург 2013 г.

005531541

Работа выполнена в федеральном бюджетном учреждении «Научно-технический центр по ядерной и радиационной безопасности».

Научный руководитель: кандидат технических наук, старший научный

сотрудник, начальник отдела прочности ФБУ «Научно-технический центр по ядерной и радиационной безопасности» Рубцов Валерий Семенович

Официальные оппоненты: Марголин Борис Захарович

доктор технических наук, профессор, ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», начальник лаборатории

Судаков Александр Вениаминович доктор технических наук, профессор, ОАО «НПО ЦКТИ», заместитель генерального директора по науке

Ведущая организация: ОАО «Всероссийский Научно -

исследовательский институт по эксплуатации атомных электростанций»

Защита состоится « /6 » ^р^Л^ 2013 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д411.006.0^ при ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» по адресу: 191015,Санкт-Петербург, ул. Шпалерная, 49.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей», 191015, Санкт-Петербург, ул. Шпалерная, 49.

Автореферат разослан « /¿У» Ы/О^г'¿Ц 2013г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д411.006.01, Д.т.н., профессор

В.А. Малышевский

Общая характеристика работы Актуальность работы

Как показывает опыт эксплуатации, сварные швы аустенитных трубопроводов ДуЗОО контуров многократной принудительной циркуляции (КМПЦ) кипящих реакторов подвержены межкристаллитному коррозионному растрескиванию под напряжением. Данная проблема также актуальна и для отечественных канальных кипящих реакторов типа РБМК. Количество сварных соединений, потенциально подверженных коррозионному растрескиванию, на каждом энергоблоке данного типа в силу конструктивных особенностей КМПЦ составляет от 1000 до 1500. Количество таких сварных швов в процессе эксплуатации энергоблока увеличивается по причине ремонтных работ — вырезке дефектного сварного шва и вставке катушки с образованием двух новых сварных швов. В силу стесненных условий и радиационных нагрузок качество ремонтных швов зачастую оказывается хуже швов, выполненных при монтаже, а это значит, что вероятность растрескивания ремонтных швов выше вероятности растрескивания монтажных.

Для предотвращения межкристаллитного коррозионного растрескивания под напряжением (МКРПН) в отечественной практике применяется ряд мер. Среди прочего широко используются механическое обжатие сварного шва, направленное на формирование сжимающих напряжений на внутренней поверхности трубопровода, и ремонтная наплавка, увеличивающая несущую способность сварного шва с трещиной. Однако на сегодняшний момент существующее обоснование применения данных методов на сварных швах, выполненных по действующим технологическим инструкциям сварки с учетом эксплуатационных нагрузок, не соответствует текущему уровню науки и техники. В частности, в настоящее время не обоснована возможность применения обжатия на сварные швы с кольцевыми трещинами различной глубины.

Цель работы

Целью работы является оптимизация технологии модификации напряженного состояния путем механического обжатия бездефектных сварных швов, а также обоснование возможности эксплуатации трубопроводов, содержащих в сварных швах кольцевые трещины, после применения механического обжатия или ремонтной наплавки. В соответствии с целями работы были поставлены следующие задачи: 1. Разработать алгоритм и провести расчет остаточных сварочных напряжений (ОСН), в том числе в трехмерной постановке, в различных типах

сварных соединений аустенитных трубопроводов ДуЗОО реакторов РБМК, выполненных в соответствии с действующими технологическими инструкциями.

2. Для бездефектных сварных соединений с учетом полученных сварочных и эксплуатационных нагрузок выполнить расчет перераспределения напряженного состояния вследствие воздействия процедуры механического обжатия (МО).

3. Провести верификацию используемой процедуры расчета /-интеграла для упругих и упругопластических образцов, а также для образцов, в которых трещина распространяется по границе двух различных упруго-пластических сред.

4. С учетом полученных сварочных напряжений и эксплуатационных нагрузок в обжатых и необжатых сварных швах выполнить расчет /-интеграла для кольцевых коррозионных трещин различной глубины.

5. Выполнить анализ распределения ОСН при применении технологии интенсивного теплоотвода (ИТ) от внутренней поверхности при выполнении наплавки и интенсивного теплоотвода при последних проходах сварки (ИТПГТ). С учетом эксплуатационных нагрузок провести расчет остаточных напряжений и /-интеграла для кольцевых коррозионных трещин в сварных швах с ремонтной наплавкой.

6. Оценить возможность зарождения трещин по механизму МКРПН в бездефектных сварных швах КМПЦ РБМК различного типа (в том числе с учетом МО и ИТПП), используя критерий напряженного состояния зарождения межкристаллитных коррозионных трещин в аустенитных сталях

7. Сравнить полученные значения /-интеграла с критической величиной /зсс, выше которого происходит подрост трещины по механизму МКРПН.

Научная новизна

1. Получены зависимости значений /-интеграла для трещин, распространяющихся по границе двух различных упругопластических сред (сварной шов - основной металл). Значения /-интеграл получены с учетом остаточных напряжений и эксплуатационных нагрузок, а также возможного механического обжатия и наплавки.

2. Определены критические значения глубин кольцевых коррозионных трещин и эксплуатационных нагрузок, при которых трещины в сварных шва аустенитных трубопроводов КМПЦ РБМК начинают подрастать по механизму МКРПН. Данные значения глубины трещин определены при отсутствии каких-либо технологических воздействий на сварное соединение, при МО, а также при выполнении ремонтной наплавки.

3. Для различных типов сварных соединений (в том числе с учетом МО и ИТПП) определены критические значения эксплуатационных нагрузок, при которых возможно зарождения трещин по механизму МКРПН.

4. В осесимметричной и трехмерной постановках получены закономерности формирования ОСН в различных типах многопроходных сварных соединений трубопроводов КМПЦ РБМК. Приведено исследование влияния различных видов сварки (автоматическая аргонодуговая и ручная аргонодуговая) на формирование ОСН в том числе с учетом интенсивного теплоотвода от внутренней поверхности. С помощью трехмерной постановки показано, что в зонах начала и окончания сварных проходов на внутренней поверхности в корне шва формируются большие сжимающие ОСН, которые невозможно получить в осесимметричной постановке.

5. Получены закономерности формирования ОСН при выполнении ремонтной наплавки на внешнюю поверхность сварного шва с кольцевой коррозионной трещиной с учетом интенсивного теплоотвода от внутренней поверхности и без учета такового.

Практическая ценность работы

1. Полученные результаты расчетов температурных полей могут быть использованы для анализа степени сенсибилизации металла зоны термического влияния.

2. Полученные результаты расчетов полей остаточных сварочных напряжений могут быть использованы для анализа прочих методов предотвращения МКРПН, основанных на модификации напряженного состояния трубопроводов.

3. Получены оптимальные параметры процедуры механического обжатия сварных швов, позволяющие минимизировать напряжения в зоне потенциального зарождения коррозионных трещин.

4. Показано, что при любой глубине трещины МКРПН, ее вершина всегда лежит в области растягивающих напряжений, а ./-интеграл и, как следствие, скорость подроста коррозионной трещины растет с увеличением ее глубины. Процедура обжатия при любой глубине трещины позволяет снизить значение ./-интеграла, что должно в итоге снижать скорость подроста трещины.

5. При идентичных эксплуатационных нагрузках выполнение наплавки ведет к снижению /-интеграла трещины, а значит и скорости коррозионной трещины. Наибольшее снижение У-интеграла происходит при выполнении наплавки с интенсивным теплоотводом от внутренней поверхности трубопровода.

6. Полученные зависимости /-интеграла от глубины трещины и эксплуатационных нагрузок с применением и без применения обжатия и наплавки могут быть использованы для анализа скорости подроста коррозионных трещин.

7. Полученные результаты использованы ОАО «ВНИИАЭС» при разработке обоснования применения технологии механического обжатия для различных типов дефектных и бездефектных сварных соединений аустенитных трубопроводов ДуЗОО для КМПЦ РБМК.

8. Результаты данной работы применяются Ростехнадзором в качестве технической основы при экспертизе решений эксплуатирующей организации о допуске в дальнейшую эксплуатацию сварных соединений Ду800 и ДуЗОО с учетом результатов их ультразвукового контроля.

На защиту выносятся:

1. Результаты осесимметричного и трехмерного анализа остаточных сварочных напряжений в различных видах сварных соединений трубопроводов ДуЗОО из аустенитной стали 08Х18Н10Т, выполненных ручной и автоматической многопроходной аргонодуговой сваркой.

2. Результаты анализа перераспределения напряжений в бездефектных сварных швах различного типа путем механического обжатия с последующим нагружением сварных соединений эксплуатационными нагрузками. Оптимизация параметров процедуры механического обжатия бездефектных швов. Обоснование применения механического обжатия в качестве метода противодействия зарождения межкристаллитных коррозионных трещин в различных типах бездефектных сварных швов

3. Методика расчета ./-интеграла для трещины, распространяющейся по границе двух упругопластических сред с различными механическими свойствами, при наличии начальных напряжений и деформаций.

4. Зависимость ./-интеграла от глубины коррозионной трещины, распространяющейся по границе сварного шва с основным металлом при различных эксплуатационных нагрузках. Обоснование применения механического обжатия в качестве метода противодействия распространения межкристаллитных коррозионных трещин.

5. Обоснование применения ремонтной наплавки с возможным применением интенсивного теплоотвода от внутренней поверхности в качестве метода противодействия распространения межкристаллитных коррозионных трещин.

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных результатов подтверждается

экспериментальными данными измерения ОСН на сварных швах аустенитных трубопроводов ДуЗОО, результатами ультразвукового контроля обжатых и необжатых сварных швов трубопроводов ДуЗОО, а также численным моделированием. Кроме того, автором проведена верификация расчета J-интеграла путем сравнения с методиками, представленными в стандартах ГОСТ 25.506-85 и ASTM Е 1820 - 01.

Апробация работы

Основные результаты работы были доложены на конференциях:

• 7-ая МНТК «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики» (Москва, 2010);

• 6-ая российской конференция «Методы и программное обеспечение расчетов на прочность» (с. Дивноморское, 2010);

• Научная сессия «НИЯУ МИФИ-2012» (Москва, 2012);

• IAEA Regional training course on stress corrosion cracking in light water reactors: good practice and lessons learned (Kyiv, Ukraine, 2012);

• III Международная конференция ESI: Технологический анализ как неотъемлемая часть эффективного производства (Екатеринбург, 2012);

• Научно-практический семинар по сварке СПбГПУ (Санкт-Петербург, 2012);

• 8-я международная научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» (Подольск, 2013).

Публикации

По материалам диссертационной работы опубликовано 5 работ, 3 из которых опубликованы в рецензируемых журналах из перечня ВАК.

Личный вклад автора

Автор самостоятельно разработал методики и макросы, а также выполнил решение задач, результаты которых изложены в диссертации. Анализ остаточных напряжений в трехмерной постановке выполнен совместно с сотрудниками кафедры «Механики и процессов управления» физико-механического факультета Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов и списка литературы (112 наименований), изложенных на 151 страницах машинописного текста, куда входит 75 рисунков и 5 таблиц, в том числе 2 страницы приложений.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи, показана научная новизна работы и ее практическая значимость.

1. Коррозионное растрескивание сварных соединении аустенитных трубопроводов АЭС. Проблемы и методы решения.

В данной главе приведен результат анализа литературы по проблеме межкристаллитного коррозионного растрескивания под напряжением сварных соединений аустенитных трубопроводов на АЭС с реакторами кипящего типа. Проанализированы необходимые условия зарождения трещин, особенности распространения и факторы, влияющие на скорость зарождения и распространения коррозионных трещин. Перечислены методы противодействия МКРПН, применяющиеся в отечественной и зарубежной практике. Подробно рассмотрены методы, направленные на модифицирование напряженного состояния в области корня сварного шва. Кроме того, приведены обзоры методов расчета ОСН и математического аппарата расчета температурного поля и поля напряженно-деформированного состояния программным комплексом АИБУЗ, который был использован при выполнении данной работы. Представлены особенности расчета параметров механики разрушения при условии дополнительных начальных деформаций и напряжений, к которым могут относиться температурные и остаточные сварочные деформации.

На основе анализа литературных данных сформулированы задачи диссертационной работы.

2. Расчет остаточных напряжений в различных типах сварных соединений аустенитных трубопроводов ДуЗОО РБМК.

В данной главе предложен ряд различных алгоритмов для расчета остаточных сварочных напряжений в аустенитных трубопроводах в осесимметричной и трехмерной постановках.

Остаточные напряжения вносят существенный вклад в напряженное состояние металла в области сварного шва, а информация о распределении остаточных напряжений является необходимым условием для дальнейшего

анализа компенсирующих мероприятий, противодействующих коррозионному растрескиванию. Задача расчета ОСН состоит из двух односвязных задач: задачи нелинейной нестационарной теплопроводности и задачи квазистатического упругопластического неизотермического деформирования.

Основные различия алгоритмов расчета ОСН заключаются в способе тепловложения от сварочной дуги в задаче теплопроводности и способе учета элементов расплавленного материала в механической задаче. Сравнение алгоритмов проводилось на задаче расчета остаточных напряжений в сварном шве аустенитного трубопровода ДуЗОО, выполненном многопроходной автоматической аргонодуговой сваркой с узкой разделкой кромок. Сравнивались следующие алгоритмы тепловложения: 1. В качестве граничных условий используется распределенная мощность (см. (1));

ехр

(1~1<,)2 С

А1 + Л2<ехр

(г-*./2 Г

В

+ ехр

/А,при г„.

О, при других г,

(1)

где г, 9, г - координаты в цилиндрической системе; — время прохождения электродом расстояния, равного радиусу дуги; г„ — /--координата внешней поверхности валика п-ого прохода; г„ - расстояние между кромками на поверхности п-ого слоя; И — толщина накладываемого слоя. Коэффициенты А[ и А2 определяют тепловложение дуги в процессе поперечного движения при колебании и в момент задержки на кромках соответственно. Они определяются из соотношения (2) подстановкой в уравнение суммарной мощности электрической дуги. Коэффициент В определяется, исходя из радиуса дуги Ло = 2,5 мм; С определяется, исходя из того, что источник тепла действует время равное 2й0/у, где V - скорость движения дуги в окружном направлении.

1//-

V

(2)

где / - частота колебаний электрода; т0 - время задержки на кромках. В проведенных расчетах были приняты параметры/ = 0,67 Гц, т0 = 1 с. 2. Температура вновь накладываемых валиков увеличивается от 20 °С до максимальной температуры, полученной по первому варианту при соответствующем проходе за время, соответствующее максимальному нагреву по первому варианту.

Прочими граничными условиями при решении задачи теплопроводности были постоянная температура 20 °С на торце трубопровода и конвекционный теплообмен на внутренней и внешней поверхностях. Коэффициент теплоотдачи (3) зависел от температуры и учитывал теплоотвод путем конвекции при низких температурах поверхности и теплоотвод путем излучения при высоких температурах [1].

к, =4-КГ8Г3+7-КГ5Г2+0,0113Г + 35 (3)

Сравнивались следующие алгоритмы учета расплавленного материала:

1. Элемент, температура которого превышает температуру плавления, «выключается», при этом накопленная история деформации сбрасывается.

2. При превышении температуры плавления элемент имеет некоторые минимальные механические свойства, необходимые для сходимости решения, процесс накопления деформации продолжается непрерывно.

Механическая задача решалась с граничными условиями свободного торца трубопровода. Считалось, что предел текучести и коэффициент деформационного упрочнения материала сварного шва в 1,5 раза больше соответствующих характеристик основного металла трубопровода.

Рассматриваемые подходы позволяют рассчитать нестационарное поле температур сварочного процесса, геометрию сварного шва и остаточные сварочные напряжения. На основе сравнения ОСН, рассчитанных с помощью различных алгоритмов, с экспериментальными данными выбран алгоритм, моделирующий сварочный источник путем приложения эквивалентной распределенной мощности, торцы трубопровода считаются свободными, а расплавление материала моделируется понижением предела текучести до уровня 1-4% от ст0,2 при 20 °С. По выбранному алгоритму выполнен расчет ОСН для различных типов сварных соединений аустенитных трубопроводов ДуЗОО, выполненных в соответствии с технологической инструкцией ручной аргонодуговой сварки с широкой разделкой кромок.

В осесимметричной постановке выполнен расчет следующих соединений:

1. Трубопроводы ДуЗОО;

2. Трубопровод ДуЗОО - конусный переходник - трубопровод Ду200;

3. Трубопровод ДуЗОО - патрубок.

В качестве результатов расчетов помимо остаточных напряжений получены температурные поля Т(х,у,0, вызванные сварочным процессом, а также расчетные границы сварного шва, форма которых хорошо согласуется с экспериментальными данными (рис. 1).

Среди прочего получены следующие результаты ОСН:

• на внутренней поверхности в районе корня сварного шва сварочный процесс формирует растягивающие осевые и кольцевые ОСН, что стимулирует зарождение кольцевых и продольных коррозионных трещин соответственно;

• характер изменения осевых и кольцевых ОСН по толщине стенки трубопровода близок к монотонному;

• наибольшие ОСН возникают в сварных швах трубопроводов ДуЗОО, выполненных ручной сваркой;

• поля остаточных напряжений двух сварных швов, выполненных на переходе ДуЗОО - конус - Ду200, не пересекаются и не влияют друг на друга. Распределения напряжений как количественно так и качественно близки к ОСН в сварном соединении двух трубопроводов;

• в сварном соединении трубопровода ДуЗОО - патрубок поле ОСН не является симметричным относительно оси шва. Наибольшие осевые напряжения на внутренней поверхности формируются со стороны трубопровода относительно плоскости симметрии шва, что косвенно подтверждается фактом образования коррозионных трещин в сварных швах трубопровода с оборудованием - именно со стороны трубопровода относительно плоскости симметрии шва.

т

Автоматическая сварка

Ручная сварка

Рис. 1 Геометрическая форма границ сварного шва, полученная расчетным путем (а,в), и шлифы сварных соединений [2], выполненных автоматическим (б) и ручным способом (г).

В трехмерной постановке выполнен расчет следующих соединений:

1. Трубопровод ДуЗОО - конусный переходник - трубопровод Ду200;

2. Трубопровод ДуЗОО - тройник.

Распределение остаточных напряжений имеет неравномерный характер в окружном направлении. На большей части внутренней поверхности сварного соединения преобладают растягивающие осевые и окружные напряжения, значения которых совпадают с результатами, полученными в осесимметричной постановке. Однако также присутствуют зоны сжимающих

напряжений. Такие зоны расположены в области начала или окончания выполнения прохода и вызваны, вероятно действием теплового удара.

На рис. 2 представлено распределение ОСН, полученное в осесимметричной и трехмерной постановках на внешней и внутренней поверхностях сварного шва в горизонтальном сечении, а также соответствующие экспериментальные значения. Результаты расчетов ОСН на внешней поверхности, полученные в трехмерной постановке, за исключением точек начала и окончания сварных проходов хорошо совпадают с результатами, полученными в осесимметричной постановке. Однако на внутренней поверхности значения ОСН по абсолютным величинам в 1,5 - 2 раза меньше соответствующих компонентов ОСН, полученных при осесимметричной постановке задачи. Также результаты, полученные в трехмерной постановке для внутренней поверхности, лучше совпадают с экспериментальными данными, чем результаты, полученные в осесимметричной постановке. Результаты, полученные в осесимметричной постановке для задачи труба - патрубок, и результаты, полученные для трехмерной задачи труба - тройник, показали хорошее совпадение на обеих сторонах сварного соединения.

Расстояние от оси шва, мм

Рис. 2 Остаточные сварочные напряжения в сварных соединениях аустенитных трубопроводов ДуЗОО: 1 - автоматическая сварка, осесимметричная модель; 2- ручная сварка, осесимметричная модель; 3 - ручная сварка, трехмерная модель; • - результаты эксперимента [3].

Полученные результаты распределения ОСН используются в следующих главах в качестве начальных условий.

3. Анализ влияния технологии механического обжатия на бездефектные и растрескавшиеся сварные швы трубопроводов ДуЗОО КМПЦ.

В данной главе рассматривалось перераспределение напряженного состояния в области сварных швов различного типа путем МО с последующим применением в качестве граничных условий эксплуатационных нагрузок в допустимом Нормами [4] диапазоне. Обжатие выполняется при комнатной температуре и при отсутствии давления теплоносителя. Инструмент обжатия располагается на некотором расстоянии Ь от оси шва. Таким образом, полученное в результате МО напряженно-деформированное состояние не будет симметричным относительно оси шва.

Задача решалась в осесимметричной постановке с использованием контактных элементов, моделирующих контакт пресса и трубопровода. В качестве материала пресса использовался идеально-текучий материал с малым пределом текучести относительно материала трубопровода °о,2Пресс = 40 МПа, что обеспечивает максимальную площадь контакта при пластической деформации трубопровода. Также исследовалось влияние эксплуатационных нагрузок на напряженное состояние в области обжатых и необжатых сварных швов. В качестве минимальной эксплуатационной нагрузки принимались температура Т = 290 °С, давление теплоносителя Р = 8 МПа, осевые напряжения на удаленном торце о = 35 МПа, соответствующие давлению теплоносителя на площадь проходного сечения трубопровода ДуЗОО. Нагружение трубопровода изгибающим моментом М в осесимметричной постановке моделируется приложением к удаленному торцу дополнительного осевого напряжения, которое соответствует максимальному напряжению, возникающему в нагруженном моментом М трубопроводе. Данный подход достаточно консервативен. Эксплуатационные нагрузки с максимально допустимым изгибающим моментом, согласно [4], соответствуют осевым напряжениям на удаленном торце трубопровода ст= 147 МПа.

Показано, что для бездефектных сварных швов процедура обжатия формирует сжимающие напряжения на внутренней поверхности сварного шва. Приложение минимальных эксплуатационных нагрузок к необжатому сварному шву показало некоторое снижение осевых напряжений, однако приложение максимально допустимого момента поднимает осевые напряжения на внутренней поверхности в ЗТВ до величины более 200 МПа,

что превышает предел текучести материала, а значит должно привести к зарождению межкристаллитных трещин. Обжатие при минимальных эксплуатационных нагрузках снижает осевые напряжения в ЗТВ до -50--100 МПа (рис.3).

Получено, что для всех рассмотренных типов сварных соединений на внутренней поверхности в ЗТВ осевые напряжения становятся растягивающими при эксплуатационных нагрузках, включающих изгибающий момент, равный 1Л от максимально допустимого в соответствие с Нормами [2]. Максимально допустимых эксплуатационных нагрузок недостаточно для того, чтобы в ЗТВ обжатого сварного соединения двух трубопроводов осевые напряжения достигли предела текучести, что исключает зарождение коррозионных трещин. В обжатом сварном соединении трубопровода с патрубком зарождение трещины может произойти при эксплуатационных нагрузках, включающих изгибающий момент величиной 85% от максимально допустимого.

Расстояние от оси шва, мм

Рис. 3 Распределение осевых (огг) и кольцевых (стве) напряжений на внутренней поверхности необжатых (1) и обжатых (2) сварных соединений с учетом минимальных (пунктир) и максимально допустимых (сплошная) эксплуатационных

нагрузок.

Исходя из минимизации напряжений на внутренней поверхности в области корня шва, определены оптимальные параметры обжатия (рис. 4), такие как изменение радиуса трубопровода вследствие пластической деформации после обжатия Дг и расстояние от центра сварного шва до края пресса Ь (Аг = 0,8 - 1,3 мм, ¿=30 мм).

На тестовых задачах верифицирован используемый в дальнейшем метод расчета /-интеграла путем численного интегрирования по контуру. Верификация проведена на упругих и упругопластических задачах. На примере задач полосы конечной длины с поперечной краевой трещиной при трехточечном изгибе и прямоугольного компактного образца с краевой

трещиной при внецентренном растяжении показано, что инвариантность /-интеграла сохраняется для трещины, распространяющейся по границе двух различных упруго-пластичных материалов. Результаты расчета /-интеграла в однородных и разнородных образцах методом интегрирования по контуру и методом, основанном на расчете работы внешних сил, совпали с высокой точностью. Получено, что инвариантность /-интеграла сохраняется как на однородных, так и разнородных образцах при условии, что путь интегрирования не проходит через зону около вершины трещины радиусом Я* = 105, где 5 - величина раскрытия трещины. Исследования распределения энергии показали, что внутри указанной зоны зависимость энергии от расстояния до вершины трещины отклоняется от вида ~ 1/г, что и ведет к отклонению в инвариантности /-интеграла.

Аг, мм

Рис. 4 Зависимость осевых и окружных напряжений на внутренней поверхности в ЗТВ после обжатия при различных параметрах процесса: со стороны пресса (—) и с противоположной (- -) относительно оси шва, сразу после обжатия (♦) и при минимальных эксплуатационных нагрузках(и).

Глава также содержит результаты решения задачи влияния механического обжатия и эксплуатационных нагрузок на сварные швы с дефектами. В качестве дефектов рассматривались кольцевые трещины различной глубины, распространяющиеся по границе сварного шва с основным металлом, полученной в главе 2 (см. рис. 1).

На примере сварного соединения двух трубопроводов ДуЗОО, выполненного ручной сваркой показано, что подрастание трещины ведет к перераспределению осевых напряжений таким образом, что трещина при любой ее глубине всегда находится в области растягивающих осевых напряжений. При этом с увеличением глубины трещины растет величина

сжимающих осевых напряжений на внешней поверхности трубопровода. Такое перераспределение напряжений соответствует условию равновесия, которое выполняется для любого нормального к оси трубопровода сечения, в том числе и для сечения от вершины трещины до внешней поверхности, обеспечивающего несущую способность сварного соединения с кольцевой трещиной. Перераспределение кольцевых напряжений происходит незначительно.

Считается, что остаточные сварочные деформации или деформации от МО в любой точке являются ограниченной величиной. При последующем нагружении сварного соединения с кольцевой трещиной деформации в вершине трещины имеют сингулярный вид ~ \/г", где 0,5<п<1, и зависят от модели деформирования твердого тела. Это значит, что при любых ограниченных начальных деформациях значение У-интеграла будет зависеть от пути интегрирования, стремясь к истинному значению при стягивании контура вследствие сложения ограниченных начальных и сингулярных деформаций.

35 40 45

5 10 20 25 30 о 5 10 15 20 25

г, ед. раскрытия трещины

Рис. 5 Зависимость ./-интеграла для трещины глубиной б мм от радиуса контура г в необжатом (а) и обжатом (б) сварном шве при эксплуатационных нагрузках. Различные маркеры соответствуют различным размерам конечных элементов в вершине трещины.

Процедура расчета /-интеграла при условии остаточных сварочных деформаций, а также деформаций от процедуры механического обжатия, выглядит следующим образом. Проводилось исследование зависимости J-интеграла от радиуса пути интегрирования, построенного в форме окружности вокруг вершины трещины (см. рис. 5). Исследование показало, что при радиусе контура более R* = 2-65 зависимость J = J (г) имеет в общем случае линейный характер (в частности, J = const), при радиусе контура менее R* зависимость J = J (г) резко стремится в бесконечность. Величина R* немонотонно зависит от величины конечных элементов в

области вершины трещины. По линейному участку зависимости J = Дг) проводилась экстраполяция ./-интеграла до оси г = 0. Полученное при экстраполяции значение и считалось истинным значением /-интеграла.

Всестороннее исследование ./-интеграла для трещин в рассматриваемом сварном шве показало следующее:

• отсутствие учета остаточных сварочных напряжений занижает значение ./-интеграла примерно на порядок;

• зависимость ./-интеграла от радиуса контура близка к константе для трещин в сварных швах без обжатия и является линейной для трещин в обжатых сварных швах.

Полученная вышеописанным способом зависимость ./-интеграла от глубины трещины характеризуется монотонным ростом, близким к экспоненциальному (рис. 6). Из графика видно, что при любой глубине трещины и различных эксплуатационных нагрузках процедура обжатия является эффективным методом для снижения ./-интеграла, а значит скорость подроста трещины должна вследствие обжатия снижаться вплоть до полной остановки при условии J < ^сс = 2-3 кДж/м2 (см. рис. 6). Вследствие того, что при анализе литературы для стали 08Х18Н10Т экспериментальных зависимостей скорости подроста трещины от КИН или J-интеграла не найдено, то в качестве критерия Jscc используется величина, полученная для аналогов 08Х18Н10Т - сталей класса 300 [5]. В частности, механическое обжатие при минимальных эксплуатационных нагрузках должно останавливать подрост межкристаллитных коррозионных трещин глубиной до 6 мм.

■ - эксплуатационные нагрузки с изгибающим моментом 65% от максимально допустимого, без обжатия;

♦ - минимальные эксплуатационные нагрузки, без обжатия;

А - эксплуатационные нагрузки с изгибающим моментом 65% от максимально допустимого, после обжатия;

• — минимальные 4 6 8 10 эксплуатационные нагрузки,

глубина трещшты I, мм после обжатия.

Рис. 6 Зависимость /-интеграла от глубины трещины в необжатом и обжатом сварных швах, выполненных ручной аргонодуговой сваркой.

Проведено исследование влияния параметров обжатия на значение /-интеграла трещин в обжатых сварных швах. Исследование выполнено на примере обжатого сварного шва с 4 мм кольцевой трещиной, выполненного ручной сваркой, с нагружением минимальными эксплуатационными нагрузками.

При возрастании величины обжатия А г от 0 значение расчетного ./-интеграла падает от величины 3,8 кДж/м2 (значение для необжатого трубопровода) до 1 кДж/м2 при Дг = 0,8 - 1,00 мм. При дальнейшем увеличении степени обжатия происходит слабозаметный рост ./-интеграла. Аналогичный характер зависимости был получен для осевых напряжений в ЗТВ на внутренней поверхности трубопровода при оптимизации величины обжатия бездефектного сварного шва.

Исследование влияния расстояния от пресса до центра шва на эффективность обжатия показало, что в интервале L от 15 до 40 мм значение /-интеграла не зависит от расстояния до пресса. Дальнейшее увеличение параметра L ведет к быстрому росту /-интеграла. Оптимальными параметрами обжатия сварного соединения с кольцевой трещиной являются Дг = 0,8 - 1,0 мм, ¿=15-40 мм.

4. Анализ влияния теплоотвода от внутренней поверхности при сварочном процессе.

В главе рассмотрено влияние интенсивного теплоотвода от внутренней поверхности трубопровода при сварке на ОСН в области бездефектного сварного шва, а также на ОСН, формируемые при выполнении ремонтной наплавки на сварной шов с кольцевой трещиной. Применяемые методы расчета ОСН описаны в главе 1 и 2. Единственное отличие граничных условий от условий, описанных в главе 2, состоит в том, что при решении задачи нестационарной теплопроводности на внутренней поверхности с учетом скорости теплоносителя 18 м/с коэффициент теплообмена hs увеличивается в 250 раз по сравнению с выражением (3) [6]. Анализ выполнен в осесимметричной постановке.

В первой части главы представлены результаты анализа ОСН сварного соединения аустенитного трубопровода ДуЗОО, выполненного ручной аргонодуговой сваркой в широкую разделку с применением технологии интенсивного теплоотвода теплоносителем комнатной температуры от внутренней поверхности при выполнении последних проходов (ИТПП) LPHSW (Last Pass Heat Sink Welding). Как показал анализ, в результате подобного интенсивного теплосъема температура на внутренней поверхности в процессе наложения последних двух валиков не превышает 150°С. Низкая температура на внутренней поверхности при последних

проходах в итоге должна приводить к меньшему уровню сенсибилизации в данной области по сравнению с обычными условиями сварки.

Сварка с применением ИТПП формирует на внутренней поверхности в ЗТВ сжимающие осевые и кольцевые напряжения, величина которых близка к пределу текучести. Осевые напряжения на данном участке остаются сжимающими при эксплуатационных нагрузках до величины изгибающего момента, соответствующего 65% от максимально допустимой величины. На рис. 7 представлено распределение осевых и окружных напряжений на внутренней поверхности с учетом минимальных и максимально допустимых эксплуатационных нагрузок. Из рисунка видно, что даже максимально допустимых эксплуатационных нагрузок недостаточно для того, чтобы осевые напряжения в ЗТВ на внутренней поверхности достигли предела текучести, что исключает зарождение трещин по механизму МКРПН при эксплуатации.

Рис. 7 Распределение осевых (а) и кольцевых (б) напряжений на внутренней поверхности сварного соединения, выполненного с применением ИТПП, при нагружении трубопровода минимальными (1) и максимально допустимыми (2) эксплуатационными нагрузками.

В качестве промежуточного подведения итогов анализа двух методов противодействия МКРПН на бездефектных швах представлен рис.8 с зависимостью напряженного состояния от эксплуатационной нагрузки на внутренней поверхности трубопровода в районе корня сварного шва - в месте потенциального зарождения межкристаллитной коррозионной трещины. Зависимости представлены для необжатого сварного шва, выполненного с применением и без применения технологии ИТПП, а также для сварного шва после МО. Из рисунка видно, что для необжатого сварного шва, выполненного по стандартной технологии, напряженное состояние находится на поверхности текучести при любой эксплуатационной нагрузке. А нормальные к берегам зарождающейся трещины осевые напряжения достигают предела текучести только при половине максимально допустимого

момента. Осевые напряжения в сварном шве с обжатием и выполненном с применением ИТПП не достигают предела текучести даже при максимально допустимых эксплуатационных нагрузках, а напряженное состояние в области зарождения трещин МКРПН в таких швах достигает поверхности текучести только при максимально допустимом изгибающем моменте. После выполнения сварки по технологии ИТПП напряженное состояние тоже находится на поверхности текучести, однако все компоненты имеют сжимающий характер, что не должно приводить к МКРПН. Для более точного прогнозирования коррозионной трещинностойкости необходимы экспериментальные исследования в условии сложнонапряженного состояния, где критерий зарождения трещины зависели бы как от интенсивности напряжений, так и от компоненты напряжений, нормальной к берегам зарождающейся трещины.

Изгибающей момент, от. ед. Изгибающий момент, от. ед.

°>2 0,4 0,6 0,8 1

70 90 110 130 150 "¿т.«, МПа

Рис. 8 Зависимость напряженного состояния в корне сварного шва на внутренней поверхности трубопровода от эксплуатационных нагрузок; а - сварной шов, выполненный по стандартной технологии, б - сварной шов, выполненный с применением ИТПП, в - сварной швов после

МО

Во второй части главы выполнен анализ ОСН в области сварного соединения двух трубопроводов с кольцевой трещиной глубиной 6 мм, на котором выполнена ремонтная наплавка с возможным применением

интенсивного теплоотвода от внутренней поверхности (ИТ) HSW (Heat Sink Welding). Наложение валиков наплавки происходит с последовательным чередованием сторон от края наплавки. Наплавка состоит из трех слоев. Каждый слой состоит из 9 валиков. Общая ширина наплавки W = 96 мм, толщина h = 4,5 мм.

В результате решения задачи теплопроводности наложения наплавки без ИТ получено, что в зоне вершины трещины температура поднимается выше 500°С только при 7 и 9 проходах. Максимальная температура в данной зоне достигается при 7 проходе и составляет 560°С. Выше 500°С материал находится около 20 с. С учетом проходов 5, 7, 9, 14, 16, 18 общее время, в течение которого температура материала в вершине трещины была выше 450°С, составило около 50 сек. В результате тепловложений от других проходов температура в области вершины трещины была ниже 400°С. Исходя из анализа литературных данных [7], можно сделать вывод, что подобные температурные воздействия не должны сильно увеличивать степень сенсибилизации. По результатам анализа задачи теплопроводности наплавки с применением ИТ максимальные температуры в области вершины трещины достигают тех же значений, что и при отсутствии теплоотвода, однако время пребывания материала при таких температурах сокращается на -30%.

Механический анализ показал, что в процессе изготовления наплавки берега трещины подвергаются раскрытию вследствие воздействия неравномерных температурных полей, а J-интеграл приобретает временное максимальное значение 45 кДж/м2 при наложении 7 валика без применения технологии теплоотвода от внутренней поверхности. Данное значение /-интеграла меньше критического значения вязкости разрушения для материала сварного шва стали 08Х18Н10Т при идентичной температуре Jc = 80 кДж/м2 [8]

При выполнении наплавки обычным методом трещина остается раскрытой, вокруг вершины трещины просматривается поле осевых напряжений сингулярного характера. В случае наплавки с ИТ на внутренней поверхности формируются большие сжимающие напряжения, берега трещины смыкаются, и минимальной эксплуатационной нагрузки недостаточно для раскрытия трещины. Берега трещины размыкаются только при совместном воздействии давления теплоносителя и изгибающего момента, при котором максимальные осевые напряжения на удалении от сварного шва составляют а = 80 МПа, что соответствует эксплуатационным нагрузкам с изгибающим моментом М, равным 40% от максимально допустимого.

Для количественной оценки напряженного состояния в вершине трещины при эксплуатационных нагрузках принималось допущение, что циклическая деформация, происходившая вследствие наплавления валиков ремонтной наплавки, не повлияла на величину повреждаемости материала в области сварного шва, а подроста трещины под действием термических нагрузок не произошло. В этом случае для расчета /-интеграла можно рассматривать последний временной отрезок, соответствующий монотонному нагружению материала. Данный отрезок времени начинается в момент максимального контактного давления берегов трещины при наплавлении последнего валика и оканчивается приложением эксплуатационных нагрузок. Описанный метод позволит, не учитывая энергию пластической деформации при термических циклах, характеризовать сингулярность НДС в области вершины трещины.

Так как вследствие термических и сварочных деформаций /-интеграл не является инвариантом относительно конура интегрирования, расчет ./-интеграла проводится путем стягивания контура вокруг вершины трещины. Данный способ описан в предыдущем разделе.

На рис. 9 представлена зависимость /-интеграл для трещины глубиной 6 мм в сварном шве с наплавкой при различных эксплуатационных нагрузках. Ось абсцисс представлена как в виде осевых напряжений на удаленном торце трубопровода, так и в виде изгибающего момента, нормированного на величину максимально допустимого момента. Из рисунка видно, что даже без применения технологии ИТ /-интеграл трещины в сварном шве с наплавкой существенно ниже, чем /-интеграл трещины в сварном шве без наплавки. Наиболее предпочтительным с точки зрения минимизации /-интеграла при эксплуатации является использование технологии ИТ при выполнении ремонтной наплавки. Применение технологии интенсивного теплоотвода позволяет добиться того, что при осевых напряжениях на удалении от сварного шва менее 130 МПа значение /-интеграла находится ниже критического значения /scc = 2-3 кДж/м2.

Таким образом, применение технологии интенсивного теплоотвода от внутренней поверхности при последних проходах является очень эффективным методом противодействия МКРПН как с точки зрения формирования сжимающих напряжений высокого уровня в зоне потенциального растрескивания, так и с точки зрения меньшей степени сенсибилизации по сравнению с обычным процессом сварки. Применение интенсивного теплоотвода при наплавке позволяет, не увеличивая сенсибилизацию материала в вершине трещины, остановить распространение трещины либо существенно замедлить скорость ее подроста.

М, от. ед 0,4 0,6

А - сварной шов без наплавки; ■ — наплавка выполнена без технологии ИТ; ♦ - наплавка выполнена с технологией ИТ.

70 90 110 а, МПа

130 150

Рис. 9 Зависимость /-интеграла для трещины глубиной 6 мм от эксплуатационной нагрузки

на трубопровод.

Общие выводы

1. Разработан алгоритм анализа остаточных сварочных напряжений в различных типах сварных соединений аустенитных трубопроводов ДуЗОО КМПЦ реакторов РБМК. По разработанному алгоритму с использованием программного комплекса А№У8 проведен расчет ОСН в сварных соединениях, выполненных в соответствии с технологической инструкцией по сварке. Для проведения расчета ОСН с помощью ПК А^УБ, который не имеет специальных инструментов для решения подобных узких задач, написаны специальные макросы на языке программирования АРБЬ. Анализ выполнен в осесимметричной и трехмерной постановках для различных сварных соединений аустенитного трубопровода ДуЗОО. Результаты численного моделирования в трехмерной и осесимметричной постановках хорошо совпадают между собой и с экспериментальными данными, за исключением участков начала и окончания сварных проходов. Распределение ОСН в указанных зонах можно получить только в трехмерной постановке. Результаты осесимметричного анализа на внутренней поверхности сварного соединения двух трубопроводов показали некоторое завышение относительно результатов трехмерного анализа и экспериментальных данных. Полученные результаты могут быть использованы в качестве начальных условий при анализе зарождения трещин по механизму МКРПН, анализе эффективности компенсирующих мероприятий и анализе скорости распространения трещин в районе корня шва.

2. Выполнен анализ перераспределения остаточных напряжений в различных типах бездефектных сварных швов и швов с кольцевыми коррозионными трещинами в результате использования технологии механического обжатия. В качестве начальных условий использованы результаты решения задачи о сварочных напряжениях.

Получено, что для обжатого бездефектного сварного соединения двух трубопроводов, выполненного ручной сваркой, эксплуатационных нагрузок с учетом максимально допустимого изгибающего момента по ПНАЭ Г-7-002-86 недостаточно для того, чтобы в ЗТВ зародилась кольцевая трещина по механизму МКРПН. В сварном соединении трубопровод -патрубок для инициирования коррозионного растрескивания необходим изгибающий момент величиной 85% от максимально допустимого.

3. Проведена верификация процедуры расчета /-интеграла. Показано, что при распространении трещины по границе двух различных упругопластических сред (в частности, металл сварного шва - основной металл) /-интеграл является инвариантом относительно контура интегрирования. При учете остаточных напряжений от сварки или обжатия /-интеграл не является инвариантом относительно пути интегрирования, но при стягивании контура к вершине трещины сходится к конечной величине. Отсутствие учета остаточных напряжений занижает значение /-интеграла на порядок.

4. Определены оптимальные параметры для процедуры механического обжатия бездефектных сварных соединений и сварных соединений с кольцевой трещиной (Дг = 0,8 - 1,3 мм, Ь= 30 мм).

5. Получена зависимость /-интеграла от глубины коррозионной трещины, распространяющейся по границе сварного шва с основным металлом при различных эксплуатационных нагрузках. Зависимость получена для обжатых и необжатых сварных швов. При любой глубине трещины обжатие ведет к снижению /-интеграла, и, следовательно, к снижению скорости подроста трещины по механизму МКРПН.

При минимальных эксплуатационных нагрузках коррозионная трещина глубиной более 2-3 мм в необжатом сварном шве будет подрастать по механизму МКРПН. При идентичных нагрузках критическая глубина коррозионной трещины в обжатом сварном шве, при которых существующие трещины начинают подрастать по механизму МКРПН, увеличивается до 6-7 мм. Рост эксплуатационной нагрузки ведет к уменьшению указанного критического размера трещиньг как в обжатом, так и необжатом сварном шве.

6. Проведен анализ остаточных сварочных напряжений в сварном шве, выполненном с применением интенсивного теплоотвода от внутренней поверхности трубопровода. Анализ показал, что подобный механизм формирует на внутренней поверхности большие сжимающие напряжения. Максимально допустимых эксплуатационных нагрузок недостаточно, чтобы создать в ЗТВ на внутренней поверхности растягивающие напряжения, равные пределу текучести, что исключает возможность зарождения межкристаллитных коррозионных трещин.

Проведен анализ остаточных сварочных напряжений в сварном шве с кольцевой трещиной глубиной 1/2 от толщины стенки, на котором выполнена ремонтная наплавка с применением и без применения технологии интенсивного теплоотвода от внутренней поверхности. Сопоставление значений ./-интеграла с литературными данными по вязкости разрушения показало, что подроста трещины по механическому способу (некоррозионному механизму) в процессе выполнения наплавки не происходит. Получена зависимость J-интеграла от приложенных эксплуатационных нагрузок в допускаемом интервале. Показано, что по сравнению с трещиной в сварном шве без наплавки, при обоих вариантах выполнения наплавки происходит снижение ./-интеграла коррозионной трещины. Применение технологии ИТ при выполнении наплавки приводит к тому, что берега трещины смыкаются, а эксплуатационные нагрузки совместно с изгибающим моментом менее 90% от максимально допустимого значения обеспечивают величину ./-интеграла ниже критического значения Jscc, соответсвующего началу подроста трещины по механизму МКРПН.

7. Технологии МО и ИТ при сварочном процессе являются весьма эффективными методами по противодействию зарождению трещин по механизму МКРПН или замедлению скорости роста уже существующих коррозионных трещин вплоть до полной остановки их подроста. Полученные зависимости J-интеграла могут быть использованы для прогнозирования скорости подроста трещин по механизму МКРПН в швах с наплавкой, а также обжатых и необжатых сварных швах трубопроводов ДуЗОО КМПЦ РБМК при наличии экспериментальной зависимости скорости подроста трещин от J-интеграла для материала ЗТВ стали 08Х18Н10Т.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих научных трудах:

1. Мощенко М.Г., Рубцов B.C. Анализ эффективности метода инвертирования напряженного состояния путем механического обжатия (MSIP) для сварных соединений аустенитных трубопроводов ДуЗОО

25

реакторов РБМК-1000 И Заводская лаборатория. Диагностика материалов 2012, №8(78), С. 51-56.

2. Мощенко М.Г., Рубцов B.C., Кораблева С.А. Термо-механический анализ процесса многопроходной сварки соединения ДуЗОО реактора РБМК

методом конечных элементов//Вопросы материаловедения 2011 № 4(68} С. 105-115. ' "

3. Мощенко М.Г. Рубцов B.C., Расчет остаточных напряжений в зоне сварного соединения трубопроводов ДуЗОО из аустенитной стали 08Х18Н10Т //Заготовительные производства в машиностроении, 2011, №6, С. 9-14.

4. Мощенко М.Г., Рубцов B.C. Уточненный расчет' напряженно-деформированного состояния сварных соединений аустенитных трубопроводов ДуЗОО реакторов РБМК-1000. // Тез. докл. 7-ая МНТК «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики». - М.: ОАО «Российский концерн по производству электрической и тепловой энергии на атомных станциях», 2010. - С. 196

5. Мощенко М.Г., Рубцов В. С. Анализ эффективности мероприятий по снижению уровня остаточных напряжений в районе сварного соединения трубопроводов ДуЗОО // Тез. докл. Научной сессия НИЯУ МИФИ-2012. Т.1 «Инновационные ядерные технологии. Высокие технологии в медицине» -М.: МИФИ, 2012. - С.90

Подписано в печать «25» июня 2013г. Формат 60x48 1/16. Печать - офсетная. Усл. п. л. 1,4. Уч.-изд. л. 1.05.

Тираж 90 экз. Заказ № 2/96

Отпечатано в типографии ФГУП "ЦНИИ КМ "Прометей" 191015, Санкт-Петербург, улица Шпалерная, дом 49 Лицензия на полиграфическую деятельность Лр № 020644 от 13 октября 1997

Федеральное бюджетное учреждение «НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ЦЕНТР ПО ЯДЕРНОЙ И РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ»

На правах рукописи

04201362258 Мощенко Максим Геннадьевич

АНАЛИЗ КОМПЕНСИРУЮЩИХ МЕРОПРИЯТИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ КОРРОЗИОННОМУ РАСТРЕСКИВАНИЮ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ АУСТЕНИТНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ АЭС С РЕАКТОРОМ РБМК

Специальность 05.16.09 «Материаловедение» (машиностроение)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н. В.С. Рубцов

Москва, 2013 г.

Содержание

Введение.......................................................................................4

ГЛАВА 1 Коррозионное растрескивание сварных соединений аустенитных трубопроводов АЭС. Проблемы и методы решения..............................10

1.1 Особенности межкристаллитного коррозионного растрескивания под напряжением в сварных соединениях трубопроводов АЭС из аустенитной стали...................................................................10

1.2 Методы противодействия межкристаллитному коррозионному растрескиванию аустенитных сталей............................................25

1.3 Основы расчета остаточных сварочных напряжений методом конечных элементов..............................................................................36

1.4 Применение метода конечных элементов в программном комплексе А^Ув..................................................................................39

1.5 Основные параметры механики разрушения...................................41

1.6 Заключение к главе 1 и постановка задачи исследований..................43

ГЛАВА 2 Расчет остаточных напряжений в различных типах сварных соединений аустенитных трубопроводов ДуЗОО РБМК...........................46

2.1 Построение модели и алгоритм расчета остаточных напряжений.........46

2.2 Сравнение некоторых алгоритмов моделирования остаточных напряжений на примере сварного соединения, выполненного автоматической аргонодуговой сваркой........................................60

2.3 Результаты расчета остаточных напряжений некоторых типов сварных соединений аустенитных трубопроводов ДуЗОО КМПЦ РБМК...........69

2.4 Заключение к главе 2...............................................................83

ГЛАВА 3 Анализ влияния технологии механического обжатия на бездефектные и растрескавшиеся сварные швы трубопроводов

ДуЗОО КМПЦ.......................:.......................................................85

3.1 Обжатие бездефектных сварных соединений.................................85

3.2 Верификация метода расчета J-интеграла интегрированием по контуру.................................................................................97

3.3 Обжатие сварных соединений с трещиной....................................109

3.4 Заключение к главе 3..............................................................120

ГЛАВА 4 Анализ влияния теплоотвода с внутренней поверхности при сварочном процессе......................................................................123

4.1 Расчет остаточных напряжений в сварном соединении аустенитных трубопроводов при теплосъеме с внутренней поверхности во время наплавления последних валиков................................................123

4.2 Расчет остаточных напряжений в области сварного шва с кольцевой трещиной после выполнения ремонтной наплавки.........................126

4.3 Заключение к главе 4..............................................................132

Общие выводы............................................................................134

Список литературы.......................................................................138

Приложение А.............................................................................150

Приложение Б..............................................................................151

Введение

Актуальность работы

Как показывает опыт эксплуатации, сварные швы аустенитных трубопроводов ДуЗОО контуров многократной принудительной циркуляции (КМПЦ) кипящих реакторов подвержены межкристаллитному коррозионному растрескиванию под напряжением. Данная проблема также актуальна и для отечественных канальных кипящих реакторов типа РБМК. Количество сварных соединений, потенциально подверженных коррозионному растрескиванию, на каждом энергоблоке данного типа в силу конструктивных особенностей КМПЦ составляет от 1000 до 1500. Количество таких сварных швов в процессе эксплуатации энергоблока увеличивается по причине ремонтных работ - вырезке дефектного сварного шва и вставке катушки с образованием двух новых сварных швов. В силу стесненных условий и радиационных нагрузок качество ремонтных швов зачастую оказывается хуже швов, выполненных при монтаже, а это значит, что вероятность растрескивания ремонтных швов выше вероятности растрескивания монтажных.

Для предотвращения межкристаллитного коррозионного растрескивания под напряжением (МКРПН) в отечественной практике применяется ряд мер. Среди прочего широко используются механическое обжатие сварного шва, направленное на формирование сжимающих напряжений на внутренней поверхности трубопровода, и ремонтная наплавка, увеличивающая несущую способность сварного шва с трещиной. Однако на сегодняшний момент существующее обоснование применения данных методов на сварных швах, выполненных по действующим технологическим инструкциям сварки с учетом эксплуатационных нагрузок, не соответствует текущему уровню науки и техники. В частности, в настоящее время не обоснована возможность применения обжатия на сварные швы с кольцевыми трещинами различной глубины.

Цель работы

Целью работы является оптимизация технологии модификации напряженного состояния путем механического обжатия бездефектных сварных швов, а также обоснование возможности эксплуатации трубопроводов, содержащих в сварных швах кольцевые трещины, после применения механического обжатия или ремонтной наплавки. В соответствии с целями работы были поставлены следующие задачи:

1. Разработать алгоритм и провести расчет остаточных сварочных напряжений (ОСН), в том числе в трехмерной постановке, в различных типах сварных соединений аустенитных трубопроводов ДуЗОО реакторов РБМК, выполненных в соответствии с действующими технологическими инструкциями.

2. Для бездефектных сварных соединений с учетом полученных сварочных и эксплуатационных нагрузок выполнить расчет перераспределения напряженного состояния вследствие воздействия процедуры механического обжатия (МО).

3. Провести верификацию используемой процедуры расчета ./-интеграла для упругих и упругопластических образцов, а также для образцов, в которых трещина распространяется по границе двух различных упруго-пластических сред.

4. С учетом полученных сварочных напряжений и эксплуатационных нагрузок в обжатых и необжатых сварных швах выполнить расчет /-интеграла для кольцевых коррозионных трещин различной глубины.

5. Выполнить анализ распределения ОСН при применении технологии интенсивного теплоотвода (ИТ) от внутренней поверхности при выполнении наплавки и интенсивного теплоотвода при последних проходах сварки (ИТПГТ). С учетом эксплуатационных нагрузок провести расчет остаточных напряжений и /-интеграла для кольцевых коррозионных трещин в сварных швах с ремонтной наплавкой.

6. Оценить возможность зарождения трещин по механизму МКРПН в бездефектных сварных швах КМПЦ РБМК различного типа (в том числе с учетом МО и ИТПП), используя критерий напряженного состояния зарождения межкристаллитных коррозионных трещин в аустенитных сталях

7. Сравнить полученные значения ./-интеграла с критической величиной Jscc, выше которого происходит подрост трещины по механизму МКРПН.

Научная новизна

1. В осесимметричной и трехмерной постановках получены закономерности формирования ОСН в различных типах многопроходных сварных соединений трубопроводов КМПЦ РБМК. Приведено исследование влияния различных видов сварки (автоматическая аргонодуговая и ручная аргонодуговая) на формирование ОСН в том числе с учетом интенсивного теплоотвода от внутренней поверхности. С помощью трехмерной постановки показано, что в зонах начала и окончания сварных проходов на внутренней поверхности в корне шва формируются большие сжимающие ОСН, которые невозможно получить в осесимметричной постановке.

2. Получены закономерности формирования ОСН при выполнении ремонтной наплавки на внешнюю поверхность сварного шва с кольцевой коррозионной трещиной с учетом интенсивного теплоотвода от внутренней поверхности и без учета такового.

3. Для различных типов сварных соединений (в том числе с учетом МО и ИТПП) определены критические значения эксплуатационных нагрузок, при которых возможно зарождения трещин по механизму МКРПН.

4. Получены зависимости значений ./-интеграла для трещин, распространяющихся по границе двух различных упругопластических сред (сварной шов - основной металл). Значения ./-интеграл получены с учетом остаточных напряжений и эксплуатационных нагрузок, а также возможного механического обжатия и наплавки.

5. Определены критические значения глубин кольцевых коррозионных трещин и эксплуатационных нагрузок, при которых трещины в сварных шва аустенитных трубопроводов КМПЦ РБМК начинают подрастать по механизму МКРПН. Данные значения глубины трещин определены при отсутствии каких-либо техн. воздействий на сварное соединение, при МО, а также при выполнении ремонтной наплавки.

Практическая ценность работы

1. Полученные результаты расчетов температурных полей могут быть использованы для анализа степени сенсибилизации металла зоны термического влияния.

2. Полученные результаты расчетов полей остаточных сварочных напряжений могут быть использованы для анализа прочих методов предотвращения МКРПН, основанных на модификации напряженного состояния трубопроводов.

3. Получены оптимальные параметры процедуры механического обжатия сварных швов, позволяющие минимизировать напряжения в зоне потенциального зарождения коррозионных трещин.

4. Показано, что при любой глубине трещины МКРПН, ее вершина всегда лежит в области растягивающих напряжений, а ./-интеграл и, как следствие, скорость подроста коррозионной трещины растет с увеличением ее глубины. Процедура обжатия при любой глубине трещины позволяет снизить значение /-интеграла, что должно в итоге снижать скорость подроста трещины.

5. При идентичных эксплуатационных нагрузках выполнение наплавки ведет к снижению /-интеграла трещины, а значит и скорости коррозионной трещины. Наибольшее снижение ./-интеграла происходит при выполнении наплавки с интенсивным теплоотводом от внутренней поверхности трубопровода.

6. Полученные зависимости /-интеграла от глубины трещины и эксплуатационных нагрузок с применением и без применения обжатия и

наплавки могут быть использованы для анализа скорости подроста коррозионных трещин.

7. Полученные результаты использованы ОАО «ВНИИАЭС» при разработке обоснования применения технологии механического обжатия для различных типов дефектных и бездефектных сварных соединений аустенитных трубопроводов ДуЗОО для КМПЦ РБМК.

8. Результаты данной работы применяются Ростехнадзором в качестве технической основы при экспертизе решений эксплуатирующей организации о допуске в дальнейшую эксплуатацию сварных соединений Ду800 и ДуЗОО с учетом результатов их ультразвукового контроля.

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных результатов подтверждается экспериментальными данными измерения ОСН на сварных швах аустенитных трубопроводов ДуЗОО, результатами ультразвукового контроля обжатых и необжатых сварных швов трубопроводов ДуЗОО, а также численным моделированием. Кроме того, автором проведена верификация расчета J-интеграла путем сравнения с методиками, представленными в стандартах ГОСТ 25.506-85 и ASTM Е 1820 - 01. Апробация работы

Основные результаты работы были доложены на конференциях:

• 7-ая МНТК «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики» (Москва, 2010);

• 6-ая российской конференция «Методы и программное обеспечение расчетов на прочность» (с. Дивноморское, 2010);

• Научная сессия «НИЯУ МИФИ-2012» (Москва, 2012);

• IAEA Regional training course on stress corrosion cracking in light water reactors: good practice and lessons learned. (Kyiv, Ukraine, 2012);

• III Международная конференция ESI: Технологический анализ как неотъемлемая часть эффективного производства. (Екатеринбург, 2012);

• Научно-практический семинар по сварке СПбГПУ (Санкт-Петербург, 2012);

• 8-я международная научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» (Подольск, 2013).

Публикации

По материалам диссертационной работы опубликовано 5 работ, 3 из которых опубликованы в рецензируемых журналах из перечня ВАК.

ГЛАВА 1 Коррозионное растрескивание сварных соединений аустенитных трубопроводов АЭС. Проблемы и методы решения.

1.1 Особенности межкрнсталлитного коррозионного растрескивания под напряжением в сварных соединениях трубопроводов АЭС из аустенитной стали

1.1.1 Макроскопические характеристики МКРПН

Аустенитные коррозионно-стойкие стали в особом структурном состоянии при совместном действии на них механических напряжений и коррозионно-агрессивной среды подвергаются особому виду разрушению -коррозионному растрескиванию (рис. 1.1). Опасность коррозионного растрескивания заключается в том, что за сравнительно короткое время металл, практически не затронутый общей коррозией, поражается трещинами, подрастание которых идет с большой скоростью. Трещины развиваются от граничащей со средой поверхности в глубь металла, проходя по телу зерна (транскристаллитная коррозия) и по границам зерен (межкристаллитная коррозия). Характер коррозионного растрескивания аустенитных сталей макроскопически во многом схож с механическим разрушением хрупких металлов [1].

Нагрузки при различных режимах эксплуатации

Химический состав

Температура

Остаточные напряжения

Степень сенсибилизации Степень пластической деформации

Рис. 1.1 Факторы, влияющие на появление и развитие МКРПН [2-4].

Рис. 1.2 Типичная межкристаллитная коррозионная трещина в зоне термического влияния (а) и поверхность берегов трещины (б) [2].

МКРПН отмечается в районе сварных соединений трубопроводов некоторых кипящих реакторов. На рис. 1.2 (а) показана типичная траектория развития трещины трубопровода ДуЗОО КМПЦ реактора РБМК, изготовленного из аустенитной стали. Исследования характера растрескивания сварных швов трубопроводов ДуЗОО показали следующее [2,5-8]:

характер распространения трещин в основной своей массе имеет межкристаллитный характер (см. рис. 1.2 (б)), доля транскристаллитного распространения трещин крайне незначительна (не более 5%);

зарождение трещины происходит на внутренней поверхности трубопровода в зоне термического влияния (ЗТВ) сварного соединения вблизи линии сплавления на расстоянии 2-3 аустенитных зерен;

прорастание трещины происходит вглубь стенки трубопровода, при подросте кольцевая трещина проходит вдоль линии сплавления, чаще всего не пересекая ее;

аустенитные зерна в ЗТВ сварки имеют большие размеры (балл №1) по сравнению с мелкозернистой структурой основного металла (балл №8 - 9);

образование протяженных трещин в кольцевом направлении происходит за счет слияния первоначально появившихся зародышевых трещин, расположенных одна за другой по периметру трубопровода;

при заходе трещины в металл сварного шва ее развитие, вероятнее всего, останавливается, и она снова распространяется вдоль линии сплавления.

Процессу МКРПН в условиях коррозионной среды теплоносителя подвергаются сенсибилизированные участки ЗТВ. Сенсибилизация - процесс выпадения на границах зерен преимущественно карбидов с высоким содержанием хрома, а также карбонитридов (Ре,Сг)2з(С,1Ч)б, (Ре,Сг)7(С,К)3, а-фазы, различных интерметаллидов, что приводит к образованию локальных областей обедненных хромом.

1.1.2 Формирование зоны сенсибилизации

Рассмотрим процессы формирования структуры стабилизированных титаном (08Х18Н10Т, 321) и ниобием (347) сталей. В узкой зоне термического влияния, непосредственно прилегающей к линии сплавления, где в процессе сварки реализуются температуры выше 1250°С происходит полное растворение всех карбидов [3], однако согласно [1, 9] соединения титана ТлС, Т1М, Ре3Тл, и Тл28 полностью не растворяются до температур близких к температуре плавления. В процессе растворения хром, титан и углерод переходят в твердый у-раствор, также происходит образование незначительного количества 5-феррита, большая часть освободившегося углерода концентрируется по границам зерен. Согласно [10] карбиды титана растворяются при более низких температурах, чем карбиды ниобия, тем самым, высвобождая больше углерода в твердый раствор для дальнейшего образования карбидов хрома.

При охлаждении, проходящим за достаточно короткое время, не весь углерод связывается стабилизирующим элементом. Происходит это по причине замедления диффузии титана и ниобия, а также по причине того, как

считают большинство исследователей [1,9-11], что в интервале температур 500-850°С энергетически более выгодно выпадение хромистых карбидов типа Сг2зС6, чем карбидов типа МС стабилизирующего металла. Наиболее интенсивное выделение карбидов хрома происходит в интервале температур 750-650°С,