автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.10, диссертация на тему:Исследование и разработка технологии ремонта разнородных сварных соединений узла крепления коллекторов теплоносителя к патрубкам корпусов парогенераторов ПГВ-440

На правах рукописи

Ходаков Дмитрий Вячеславович

Исследование и разработка технологии ремонта разнородных сварных соединений узла крепления коллекторов теплоносителя к патрубкам корпусов парогенераторов ПГВ - 440

Специальность 05.02.10-Сварка, родственные процессы и технологии

АВТОРЕФЕРАТ

005054000

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5 ОКТ 2012

Москва 2012

005054000

Работа выполнена в ОАО «Научно-производственное объединение «Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения (ЦНИИТМАШ)».

Ведущая организация: ОАО ОКБ «Гидропресс», Россия, г.Подольск.

Защита диссертации состоится «25» октября 2012 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 217.042.03 при ОАО ««Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения» по адресу: 115088, Москва, ул. Шарикоподшипниковская д.4, в малом конференц-зале.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ОАО НПО «ЦНИИТМАШ».

Отзыв на реферат, в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу: 115088, Москва, ул. Шарикоподшипниковская д.4, диссертационный совет ЦНИИТМАШ.

Автореферат разослан сентября 2012.

Ученый секретарь совета,

Научный руководитель: кандидат технических наук

Старченко Евгений Григорьевич ОАО НПО «ЦНИИТМАШ», зам. генерального директора-директор ИСиК

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Рымкевич Анатолий Иванович ОАО НПО «ЦНИИТМАШ», ведущий эксперт

кандидат технических наук Харин Валерий Павлович ОАО «ЗиО-Подольск»

Кандидат технических наук

С.М.Петушков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы:

Развитие атомной энергетики и длительная эксплуатация действующих энергоблоков, а так же задача повышения срока их службы до 45-60 лет при повышении коэффициента использования установленной мощности за счет сокращения сроков ремонта, определили возросшие требования к надежности и безопасной работе оборудования и трубопроводов АЭС, которая во многом определяется правильным техническим обслуживанием и ремонтом.

По мере роста срока эксплуатации АЭС в связи с износом оборудования и ухудшением радиационной обстановки значительно осложняются техническое обслуживание и ремонт оборудования, увеличиваются трудозатраты и численность ремонтного персонала.

Начиная с 2007 года, одной из самых острых проблем на действующих АЭС является повреждения разнородных сварных соединений трубопроводов и оборудования, выполненного с использованием сварочных материалов типа 10Х16Н25АМ6 (электроды ЭА-395/9 и сварочная проволока Св-10Х16Н25АМ6). При этом систематизированные сведения о характере и причине возникновения вышеназванных повреждений отсутствовали. В связи с этим анализ и систематизация выявленных повреждений, определение характера и причины их образования, а так же разработка мероприятия по предотвращению их образования и устранению является актуальной задачей.

Цель н задачи работы:

Цель работы - исследование, разработка и внедрение эффективной технологии ремонта разнородных сварных соединений Ду 1100 узла приварки коллекторов теплоносителя из нержавеющей стали 08Х18Н10Т к патрубкам корпусов парогенераторов из стали 22К атомных энергоблоков ВВЭР-440.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

• На основании металлографических и физико-химических исследований определить характер и причины массового повреждения разнородного сварного соединения

• Разработать и экспериментально обосновать комплекс мероприятий, способствующих предотвращению образования таких повреждений

• На основании сравнительных исследований механических свойств и коррозионной стойкости обосновать выбор сварочных материалов для выполнения разнородных (в том числе ремонтных) сварных соединений деталей атомноэнергетического оборудования из перлитных и аустенитных.

• разработать и аттестовать технологию ремонта с использованием сварки поврежденных разнородных сварных соединений узла крепления коллекторов к корпусам парогенераторов ВВЭР-440 с использованием новейших достижений сварочной науки и техники

• Внедрить разработанную технологию на отечественных и зарубежных АЭС с реакторами ВВЭР-440.

Методы исследований

Для исследований характера и причин образования повреждений в разнородных сварных соединений использованы теоретические и экспериментальные физико-химические методы исследования.

Для подтверждения достоверности полученных результатов исследований использовались:

• методы неразрушающего контроля (внешний осмотр, КК, УЗК и РГК);

• методы разрушающего контроля (металлография, испытания на растяжение, ударную вязкость и циклическую прочность);

• испытания на склонность к МКК;

Научная новизна:

1. Впервые определен характер и механизм повреждения сварных соединений деталей из сталей разного структурного класса (сталь 22К+сталь 08Х18Н10Т), выполненных с использованием электродов ЭА-395/9 после длительной эксплуатации;

Повреждения разнородных сварных соединений узла приварки коллекторов теплоносителя к корпусам парогенераторов ПГВ-440 во всех случаях имеют вид трещин, берущих начало со стороны контакта сварного соединения с теплоносителем и развивающихся вдоль линии сплавления сталь 22К - наплавленный металл ЭА-395/9 по первому слою предварительной наплавки.

Трещины носят коррозионный характер, инициирование и развитие которых проходит по механизму межкристаллитной коррозии; интенсивность процесса коррозии и степень развития трещины усугубляются наличием в зоне разнородного сварного соединения значительных растягивающих напряжений, прежде всего за счет разницы коэффициентов термического расширения основного и наплавленного металла.

2. Впервые установлено, что главной причиной образования повреждений разнородных сварных соединений является склонность к МКК с возможностью усугубления этого процесса так же склонностью к образованию горячих трещин 1-го слоя предварительной наплавки, выполненной электродами ЭА-395/9.

3. Показано, что сплавление 1 слоя предварительной наплавки, выполненного электродами ЭА395/9 и перлитного металла осуществляется через кристаллизационную прослойку, ширина которой составляет 0,080.10 мкм, в которой содержание Сг и № меняется от 0 до 10-12%Сг и 15-18%Ы1. В зоне распространения трещин содержание Сг составляет около 2,5-5,0%, а № в пределах 1,5-4%, что соответствует химическому составу мартенситной структуры.

4. Предложена модификация диаграммы Шеффлера, которая может быть использована для оценки коррозионной стойкости металла швов при выборе сварочных материалов для выполнения разнородных сварных соединений;

5. Обоснована ограниченная пригодность наиболее широко используемого при выполнении первого слоя разнородных сварных соединений сварочного материала состава 10Х16Н25АМ6 (электроды ЭА395/9 и сварочная проволока Св-10Х16Н25АМ6).

6. На основании сравнительных исследований стойкости к МКК различных зон разнородного сварного соединения обосновано исключение технологической операции термообработки после выполнения первого слоя предварительной наплавки.

Практическая значимость работы: Разработана и аттестована технология ремонта разнородных сварных соединений №23 (76,77) узла приварки теплоносителя к корпусу парогенератора ПГВ-440 из стали 08Х18Н10Т к патрубку из стали 22К с использованием сварочных материалов типа 07Х25Н13 без предварительной наплавки на перлитную кромку и последующей термообработки. Разработанная технология может применяться с использованием ручной электродуговой сварки (электроды ЗиО-8) или автоматической аргонодуговой сварки с использованием присадочной проволоки Св-07Х25Н13 (ГОСТ 2246).

Разработанная технология оформлена в виде Типовой Технологической инструкции «Ремонт разнородных сварных соединений приварки переходных втулок из стали 08Х18Н10Т к патрубкам Ду1100 из стали 22К узла крепления коллекторов к патрубкам ПГВ-4М, ПГВ-4Э, ПГВ-213 энергоблоков ВВЭР-440», согласованной и утвержденной ОКБ «Гидропресс», ОАО «ЗИО-Подольск», Нововоронежской и Кольской АЭС и утвержденной ОАО «Концерн Росэнергоатом».

С использованием этой инструкции в качестве РД успешно выполнен ремонт 15 сварных соединений приварки коллекторов теплоносителя на парогенераторах ВВЭР-440 Кольской и Нововоронежской АЭС, и запланированы дальнейшие ремонтные работы на отечественных и зарубежных АЭС.

Апробация работы:

Основное содержание диссертации Ходаков Д.В. доложено на 5 конференциях, изложено в 6 научных статьях, опубликованных в рецензируемых научных журналах и изданиях.

Структура и объем работы:

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы, изложена на 113 листах, включая 54 рисунка, 19 таблиц и список литературы из 45 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ:

Во введении раскрыта актуальность работы, обоснована ее цель, сформулирована научная новизна и основные положения, выносимые на защиту. Приводятся данные об использовании результатов диссертационной работы.

Глава 1 посвящена анализу особенности технического обслуживания и ремонта (ТО и Р) разнородных сварных соединений узла приварки коллекторов теплоносителя к корпусам парогенераторов атомных энергоблоков ВВЭР-440.

Коллекторы являются важнейшей частью парогенераторов ПГВ-440, они предназначены для раздачи теплоносителя по теплообменным трубкам. На рис. 1 представлен эскиз конструкции сварного соединения узла приварки коллекторов теплоносителя к патрубку Ду-1100 парогенератора ЗПГ-1 Нововоронежской АЭС.

Рисунок 1 - Конструкция узла крепления теплоносителя к патрубку парогенератора АЭС с ВВЭР-440 :

Шов приварки коллектора к корпусу парогенератора (здесь и далее шов №23) представляет собой сварное соединение деталей из различных по структурному классу сталей: патрубок из перлитной стали 22К и коллектор из аустенитной нержавеющей стали 08Х18Н10Т. Переход от перлитной стали к аустенитной осуществлялся через предварительную наплавку на кромки патрубка, выполняемой в два слоя (первый слой - электродами ЭА-395/9 (10Х16Н25АМ6), второй слой - электродами ЭА-400/10Т(04Х19Н11МЗ).

Эксплуатация таких сварных соединений в энергетических установках связана с наличием присущих только им особенностям, которые могут оказывать отрицательное влияние на их служебные свойства:

- сложно-напряженное состояние при эксплуатации, в том числе из-за разницы коэффициентов линейного расширения;

- возможность появления в сварном соединении ослабленных зон в виде хрупких прослоек и обезуглероженного слоя;

- сложные процессы коррозии из-за разницы электрохимических потенциалов в контакте разнородных сталей, приводящих при постоянном контакте с теплоносителем к развитию гальванической коррозии.

активизация при проведении термообработки «вредных» диффузионных процессов приводящих к сенсибилизации МКК.

Длительный период эксплуатации (до 60 лет), сложность проведения и ограниченность объема неразрушающего контроля (радиографического и ультразвукового) усугубляют эксплуатационное состояние сварных соединений.

В период ППР-2007 энергоблока №3 HB АЭС при эксплуатации и УЗК контроле металла парогенератора ЗПГ-1 впервые были выявлены дефекты в виде кольцевых трещин в разнородном сварном соединении №23 приварки холодного коллектора к патрубку Ду 1100. В том же году подобное повреждение шва №23 (76) было выявлено на Кольской АЭС.

Для устранения повреждения в срочном порядке была разработана технология ремонта, полностью повторяющая заводскую при выполнении шва №23 на ЗиО.

В дальнейшем стало ясно, что такие повреждения имеют практически все парогенераторы ПГВ-440 после длительной эксплуатации. Поэтому в 2009 году было принято решение провести ремонты всех сварных соединений №23 (76,77) путем полной вырезки всех швов и их восстановлением с использование сварки, то есть ремонт стал выполняться в плановом порядке. К настоящему времени было выполнено 15 ремонтов. Динамика проведения ремонтов представлена на рисунке 2.

Согласно Земзину В.Н. работоспособность разнородных сварных соединений в первую очередь определяется правильным выбором сварочных материалов.

Согласно ПН АЭ Г-7-009-89, для выполнения разнородных соединений толщиной до 10 мм без предварительной наплавки можно использовать как сварочные материалы типа 10Х16Н25АМ6 (электроды ЭА-395/9 или ЦТ-10, или сварочная проволока Св-10Х16Н25АМ6), так и типа 07Х25Н13 (электроды ЗиО-8 или ЦЛ-25/1, или ЦЛ-25/2,или сварочная проволока Св-07Х25Н13).

0 4

1 О

г

О)

3

о со

I.J

О» У

S 2 ^

О

ЬсГ

2007 2008 2009 2010 2011 2012 (план)

Рисунок 2 - Динамика ремонтов шва №23 на Нововоронежской и Кольской АЭС.

При сварке деталей из сталей аустенитного класса с деталями из углеродистых и кремнемарганцовистых сталей номинальной толщиной свыше 10 мм на кромках деталей из углеродистых и кремнемарганцовистых сталей должна выполнятся предварительная наплавка в 2 слоя: первый слой -сварочными материалами типа 10Х16Н25АМ6, второй слой сварочными материалами типа 04Х19Н11МЗ.

В рамках этой работы анализировался также опыт зарубежного энергетического и атомного машиностроения. Приходится констатировать, что в части материалов, используемых для выполнения 1 слоя предварительной наплавки на сварочные кромки, отечественная и зарубежная технологии отличаются диаметрально. Наиболее широко распространенный в отечественной промышленности однофазный, аустенитный и склонный к образованию горячих трещин состав типа 10Х16Н25АМ6 для предварительной наплавки кромок за рубежом не применяется вовсе, а применяется двухфазный аустенитно-ферритный состав типа 07Х25Н13 (Е309), который в зависимости от назначения модифицируется путем изменения содержания углерода и дополнительным

Кочьскдя АЭС ЗПГ-5'т» АЭС Дуковзны (Чехия) Н09-Дек

АЭС іпг-а«*» НВАЭС Сентвйрь

Кольская АЭС ЗПГ-4«*» Кольская АЭС 2ПГ-3-.Г" нв АЭС Август

Кольская АЭС 2ПГ-Л-Г» НЗ АЭС ЗПГ-1««» Кольская АЭС ЗЛГ-J..«» НВАЭС 4ПГ-2«*-» Кольская АЭС 1ПГ-1 «с»

НВАЭС ЗПГ-4«- Гв НВАЭС ЗПГ-1«г» НВАЭС 4ПГ-3* г» НВАЭС 4ПГ-5» г» НВАЭС ЗПГ-Дік» Кольская АЭС 1ПГ-1 «х»

легированием: Мо, 81, 1МЬ и др. Наличие в нем ферритной фазы предотвращает образование горячих трещин.

Глава 2 посвящена определению характера и причины образования повреждений сварных соединений приварки коллекторов к корпусу парогенераторов ПГВ-440, которое выполнялось путем исследования шлифов, вырезанных из поврежденных швов №23 парогенераторов ВВЭР-440 Нововоронежской и Кольской АЭС.

При исследовании макроструктуры на шлифах обнаружены магистральные трещины, которые имеют одинаковое расположение и

направление - от корня шва вверх по зоне сплавления.

Рисунок 3 Внешний вид трещины в разнородном сварном соединении №23: А) внутренняя, контактирующая с теплоносителем поверхность сварного соединения (зона инициирования трещины); Б) характер распространения трещины по зоне сплавления;

При металлографических исследованиях вырезанных шлифов особое внимание уделялось изучению зоны сплавления, которая включает в себя основные металлы 22К и 08Х18Н10Т, предварительную двухслойную наплавку и присущую разнородным сварным соединениям кристаллизационную прослойку .(рис.4)

Рисунок 4 Исследование зоны сплавления разнородного сварного соединения.

Из определения химического состава структуры зон сплавления, по которой распространяется трещина, следует:

• в зоне сплавления в металле loro слоя предварительной наплавки четко выявляется зона классической кристаллизационной прослойки, ширина которой составляет 0,08-0,010 мкм.

• В зоне распространения трещины содержание Сг составляет около 2,0-5,0%, a Ni в пределах 1,5-4,0%, что соответствует химическому составу мартенситной структуры.

• В зоне кристаллизационной прослойки выявляют зоны повышенной твердости, которые могут быть классифицированы как структурные включения игольчатого мартенсита.

Металлографический анализ микроструктуры представленных образцов на шлифах в плоскости поперечного сечения сварного соединения (рис.5), исследование методами сканирующей электронной микроскопии и микрорентгеноспектрапьного анализа, замеры микротвердости структуры позволяют констатировать следующие особенности развития трещин:

1) Трещины можно разделить на магистральные, имеющие большой размер и распространяющиеся вдоль линии сплавления по первому слою предварительной наплавки, выполненному электродами ЭА-395/9, и сателлитные микротрещины, как правило, несвязанные друг с другом и распространяющиеся перпендикулярно магистральной трещины по дендритам наплавленного металла..

2) Трещины носят коррозионный характер, инициирование и

I развитие которых проходит по механизму межкристаллитной коррозии; интенсивность процесса коррозии и степень развития трещины усугубляются наличием в зоне разнородного сварного соединения значительных растягивающих напряжений, прежде всего за счет разницы коэффициентов термического расширения основного и наплавленного металла.

- Рисунок 5 Общий вид характера распространения межкристаплитных трещины в первом слое предварительной наплавки выполненной электродами ЭА-395/9.

Таким образом, главной причиной образования повреждений разнородного сварного соединения №23 является низкая коррозионная стойкость в сочетании со склонностью к образованию горячих трещин 1-го слоя предварительной наплавки, выполненной электродами ЭА-395/9., что при отсутствии защиты корневой части сварного соединения №23 (в первую очередь, имеющую высокую склонность к МКК зоны сплавления основного металла и первого слоя наплавки - ЭА-395/9) от контакта со средой в кармане

узла приварки коллектора к патрубку парогенератора, что в сочетании с циклическим нагружением, вызванным разницей коэффициентов линейного расширения между аустенитными и перлитными металлами сварного соединения в условиях многолетней эксплуатации (20 и более лет) вызвало образование и развитие трещин.

Аргументами в пользу этой концепции являются:

- длительный инкубационный период инициирования трещины; стадийный рост, инициирование в зоне контакта наплавки электродом ЭА 395/9 с теплоносителем;

- характер разрушения - широко раскрытая магистральная трещина на линии сплавления; множественные трещины сателлиты в металле наплавки, по границам дендритов наличие отдельных микроочагов растрава основного металла (стали 22К) в контакте с зоной раскрытой трещины;

- специфическое структурное состояние металла наплавки электродом ЭА 395/9 в рассматриваемом сварном шве: высокая степень сенсибилизации, обусловленная собственным химическом составом нестабилизированного металла по ([Сг] и [С]") возможностью перемешивания в зоне контакта с основным металлом и применение после промежуточных наплавок отпуска при температуре 630°±20°С, который для аустенитных нержавеющих сталей этого уровня легирования является «провоцирующим» (т.е. температура максимальной интенсивности выпадения карбидов).

- определенный состав среды в анклаве «кармана», отличный от среды в объеме ПГ, в частности наличие высокой концентрации меди (11,2%) и высокие окислительные свойства среды (присутствие в шламе высшего окисла железа Ре2Оз).

В Главе 3, учитывая, что главной причиной повреждения разнородного соединения №23 является низкая (недостаточная) коррозионная стойкость металла первого слоя предварительной наплавки,

представлены результаты сравнительных исследований коррозионной стойкости отечественных и зарубежных сварочных материалов, используемых для выполнения первого слоя предварительной наплавки на сварочные кромки перлитных деталей разнородных сварных соединений оборудования АЭС.

Для выполнения первого слоя предварительной наплавки наиболее широко применяются два варианта:

• Отечественный с использованием сварочных материалов типа 10Х16Н25АМ6 (электроды ЭА-395/9 и сварочная проволока Св-10Х16Н25АМ6)

• Зарубежный с использованием сварочных материалов типа Х25Н13 (электроды Е-309 или Е-309Ь по коду А\У5.4 или 1.4825 по ЕК и аналогичная сварочная проволока.

Ко второму варианту могут быть отнесены отечественные сварочные материалы: электроды ЗиО-8 и ЦЛ-25 и сварочная проволока Св-07Х25Н13, которые допущены для применения при сварке разнородных сварных соединений толщиной до 10мм.

В рамках этой работы выполняли сравнительный анализ коррозионной стойкости сварочных материалов типа Св-07Х25Н13 (ЗиО-8) и Св-10Х16Н25АМ6 (ЭА-395).

Для аналитической оценки коррозионной стойкости наплавленного металла в этой работе впервые предлагается новая модификация диаграммы Шеффлера (рис.6), в которую внесена линия границы скачкообразного изменения коррозионной стойкости определяемой по содержанию Сг -12,6%. Кроме того, на диаграмму нанесен не эквивалентный химический состав по Сг и М, а только содержание Сг - элемента определяющего коррозионную стойкость составов 10Х16Н25АМ6 и 07Х25Н13.

N1 экв. « + 30 X "¿С + О 5 к ?ьМп

Рисунок 6. Оценка с помощью структурной диаграммы Шеффлера коррозионной стойкости металла шва (наплавки) при наплавке аустенитными сварочными материалами на перлитные стали в зависимости от доли участия.

Из рассмотрения диаграммы на рис.6 следует, что в отличие от состава 07Х25Н13 из-за низкого содержания Сг при разбавлении металла, наплавленного сварочным материалом Св-10Х16Н25АМ6 (ЭА-395/9) основным более 15-20% происходит резкое снижение его коррозионной стойкости. Поскольку при основных методах сварки доля участия основного металла составляет 30-40% можно сделать вывод, что первый слой металла, наплавленного сварочными материалам Св-10Х16Н25АМ6 практически всегда содержит менее 12% Сг и поэтому практически в столь же большой степени подвержен коррозии, как и перлитные стали. При этом коррозия такого наплавленного металла происходит в отличие от перлитных сталей не по механизму общей или питинговой коррозии, а по механизму МКК и носит характер щелевой коррозии.

Были выполнены сравнительные исследования стойкости к МКК металла, наплавленного электродами ЭА-895/9, ЗИО-8, а так же электродами Е1ес1ппох 309Е (АУБ 5.4-92) имеют низкое содержание углерода <0,03%, обеспечивающее существенное повышение их стойкости к МКК.

Химический состав электродов приведен в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав наплавленного металла образцов на стойкость к МКК

№ Марка электрода Диаметр, мм Химический состав, %

С Мп Р Б Сг № Мо N2

1. ЭА-395/9 (Св 1 ОХ 16Н25ЛМ6) ОСТ 5Р.9244-87 4 < 0,12 1,202,80 0,350,70 <0,018 <0,030 13,517,0 20,0027,00 4,507,00 0,080,20

2. ЗИО-8 (СВ-07Х25ШЗ) ОСТ 5Р.9244-87 4 < 0,12 <2,7 <1,0 <0,030 <0,020 23,027,0 11,514,0 - -

3. ЕІсИгіпох 309И6 АУ5 5.4-92 3,2 < 0,03 0,8 0,8 - - 24 13 - -

Сравнительные исследования коррозионной стойкости сварочных материалов показали используемых для выполнения первого слоя предварительной наплавки показали, что металл наплавленный электродами типа 07Х25Н13, и особенно 02Х25Н13 существенно превосходит состав 10Х16Н25АМ6 по коррозионной стойкости за счет высокого содержания Сг и низкого содержания углерода.

При необходимости выполнения разнородных сварных соединений в узлах сопряжения оборудования и трубопроводов для предварительной наплавки ответных деталей из перлитных (углеродистых и низколегированных) сталей могут быть рекомендованы составы типа 07Х25Н13 и 02Х25Н13, не склонные к растрескиванию и МКК.

В Главе 4 для подтверждения возможности применения новой технологии ремонта проводились исследования работоспособности отремонтированных сварных соединений по предложенной технологии с использованием сварочных материалов типа 07Х25Н13, которые включали следующие испытания:

1) Металлографические исследования и замеры твёрдости различных зон сварных соединений.

2) Определение механических свойств ремонтных сварных соединений при нормальной и рабочей температурах.

3) Определение сопротивления малоцикловой усталости ремонтных сварных соединений.

Исследования макрошлифов показало высокое качество разнородного ремонтного сварного соединения. Каких-либо дефектов формирования сварного соединения (поры, шлаковые включения, межваликовые несплавления, непровары и т.д.) не обнаружено, что свидетельствует о высоком качестве ремонтных разнородных соединений.

Из результатов испытаний на растяжение разнородных сварных соединений можно сделать следующие выводы:

1. Все разрушения испытанных образцов происходили вне сварного соединения, что свидетельствует об их высоких эксплуатационных свойствах.

2. Разрушения всех образцов происходили по основному металлу -стали 08Х18Н10Т, имеющей самый низкий предел текучести (ниже металла шва и перлитного основного металла).

3. Прочностные свойства разнородных сварных соединений, выполненных различными способами сварки (ручная электродуговая и аргонодуговая) практически одинаковые.

В работе выполнены малоцикловые испытания сварного соединения сталей 08Х18Н9Т и 22К на плоских образцах с рабочей частью длиной 110 мм сечением 6x30 мм общей длиной 285 мм. Сварной шов У-образной формы расположен в центре рабочей части (рис. 7).

Сопоставление результатов малоцикловых испытаний разнородных сварных соединений с полученными значениями механических свойств показывает, что величина максимального значения циклического нагружения разнородного сварного соединения существенно превосходит предел текучести испытуемых сталей. 08Х18Н10Т (302 МПа) и 22К (331 МПа), что свидетельствует о значительном запасе циклической прочности испытуемого разнородного сварного соединения.

Сталь 08X1!

Н10Т

С- аль 22К

_285

120

Ґ

^ у о

-\ >-

Рисунок 7 - Плоский образец "погона" для испытаний на малоцикликовую

усталость.

Комплекс выполненных исследований эксплуатационных свойств ремонтных сварных соединений подтвердил возможность использования разработанной технологии для ремонта сварных соединений №23 (76,77) приварки коллекторов теплоносителя (08Х18Н10Т) к корпусу парогенераторов (сталь 22К (20)) с использованием сварочных материалов типа 07Х25Н13: электроды ЗиО-8 для ручной электродуговой сварки и присадочная проволока Св-07Х25Н13 для автоматической аргонодуговой сварки.

В Главе 5 представлены результаты разработки и внедрения технологии ремонта сварных швов №23.

Первый вариант технологии ремонтов швов №23 на парогенераторах ЗПГ-1 блока №3 Нововоронежской АЭС и 2ПГ-4 Кольской АЭС, который фактически повторял технологию выполнения швов №23 используемую на заводе - изготовителе ЗиО-Подольск, и включал следующие операции (рис.8):

• кольцевая вырезка дефектных шов;

• механическая обработка реза;

• предварительная наплавка первого слоя на кромку перлитного патрубка электродами ЭА-395/9;

• термообработка предварительной наплавки первого слоя по режиму 650°С в течении 5 часов;

• предварительная наплавка второго слоя электродами ЭА-400/1 ОТ;

• формирование усов под вварку формирующей пластины;

• вварка формирующей пластины с использованием проволоки Св-04Х19Н11МЗ;

• заполнение выборки электродами ЭА-400/1 ОТ

• неразрушающий контроль

Вышеназванная технология была оформлена в Типовой технологической инструкции: «Ремонт разнородных сварных соединений приварки переходных втулок из стали 08Х18Н10Т к патрубкам ДуПОО из стали 22К узла крепления ПГВ-4М, ПГВ-4Э, ПГВ-2В энергоблоков ВВЭР-440.

В процессе проведения первых ремонтов с использованием традиционных (заводской) технологии восстановления вырезанного дефектного шва был выявлен ряд серьезных недостатков этой технологии, которые были устранены путем изменения или введения новых технологических операций: • выполнена защитная наплавка корневого участка предварительной наплавки, тем самым не предотвращался контакт первого слоя

предварительной наплавки ЭА-395/9 с теплоносителем, и создавались условия для протекания коррозионных процессов при эксплуатации.

• Были исключены вырезка темплета, которая резко усложняла проведение ремонта и увеличило трудозатраты, а так же предварительная наплавка на кромки выполнялась в потолочном положении и вместе с контрольными операциями и термообработкой составляла до 40% общей трудоемкости.

• Исключена термическая обработка после наплавки первого слоя, являющаяся фактически провоцирующим нагревом, резко понижающим стойкость к МКК первого слоя предварительной наплавки, и не приводящим к снижению остаточных напряжений из-за разницы коэффициентов линейного расширения перлитного металла патрубков и металла аустенитной наплавки

Исследования коррозионной стойкости и механических свойств сварных соединений, выполненных с использованием сварочных материалов типа 07Х25Н13 (Глава 3,4) показали их высокую эксплуатационную надежность, что позволило рекомендовать их для выполнения ремонтных эазнородных соединений без выполнения предварительной наплавки кромок. Выполненные исследования были опубликованы и систематизированы в виде лтестационного отчета.

На основании данных, представленных в этом отчете, было юдготовлено и оформлено техническое решение о применения сварочных материалов с высоким содержанием Сг (ЗиО-8 и Св-07Х25Н13) для (ыполнения разнородных сварных соединений без предварительной шплавки на кромки при ремонте швов №23.

Новая усовершенствованная технология ремонта, существенно сличающаяся от технологии использованной на заводе-изготовителе, лилась основой Типовой технологической инстукции «Ремонт разнородных варных соединений приварки переходных втулок из стали 08Х18Н10Т к

патрубкам Ду1100 из стали 22К узла крепления коллекторов к патрубкам ПГВ-4М, ПГВ-4Э, ПГВ-213 энергоблоков ВВЭР-440»

С использованием этой инструкции в настоящий момент выполнен ремонт 15 сварных соединений приварки коллекторов теплоносителя на парогенераторах ВВЭР-440 Кольской и Нововоронежской АЭС, и продолжается плановая подготовка к дальнейшим ремонт на этих станциях, а так же на АЭС Дукованы (Чехия).

Общие выводы:

1. Начиная с 2007 года, в разнородных сварных соединениях приварки коллекторов теплоносителя из стали 08Х18Н10Т к патрубкам парогенераторов ПГВ-440 из стали 22К Нововоронежской АЭС и Кольской АЭС выявлялись и продолжают выявляться повреждения, обнаруживаемые при эксплуатационном УЗК.

2. Повреждения металла разнородных сварных соединений приварки коллекторов теплоносителя из стали 08Х18Н10Т к патрубкам парогенераторов ПГВ-440 представляют собой коррозионные трещины максимальной высотой до 55 мм. Наиболее опасные магистральные трещины развиваются с внутренней поверхности сварного соединения по зоне вблизи линии сплавления (кристаллизационной прослойке) со стороны первого слоя наплавки (ЭА-395/9) по механизму межкристаллитного растрескивания. Основная часть предварительной наплавки, выполненной электродами ЭА-395/9, так же подвергается разрушению по механизму межкристаллитной коррозии (по границам дендритов). Такие трещины расположены, как правило, перпендикулярно линии сплавления.

3. Главной причиной образования повреждений разнородного сварногс

соединения №23 является низкая коррозионная стойкость в сочетании со

склонностью к образованию горячих трещин 1-го слоя предварительной

наплавки, выполненной электродами ЭА-395/9., что при отсутствии

2?

защиты корневой части сварного соединения №23 от контакта со средой в кармане узла приварки коллектора к патрубку парогенератора, в сочетании с циклическим нагружением, вызванным разницей коэффициентов линейного расширения между аустенитными и перлитными металлами сварного соединения в условиях многолетней эксплуатации (20 и более лет) вызывает образование и развитие трещин. Сравнительные исследования коррозионной стойкости сварочных материалов используемых для выполнения первого слоя предварительной наплавки показали, что металл наплавленный электродами типа 07Х25Н13, и особенно 02Х25Н13 существенно превосходит состав 10Х16Н25АМ6 по коррозионной стойкости за счет высокого содержания Сг и низкого содержания углерода.

При необходимости выполнения разнородных сварных соединений в узлах сопряжения оборудования и трубопроводов для предварительной наплавки ответных деталей из перлитных (углеродистых и низколегированных) сталей могут быть рекомендованы составы типа 07Х25Н13 и 02Х25Н13, не склонные к растрескиванию и МКК. Уменьшение содержание углерода в составе 07Х25Н13 до состава 02Х25Н13 делает такой состав наиболее коррозионностойким.

Сразу после образования повреждения сварных соединений приварки коллекторов теплоносителя к корпусам парогенераторов была разработана технология ремонта, полностью повторяющая заводскую технологию выполнения швов №23. На основании проведенных исследований, полученных в этой работе, разработана новая технология ремонта разнородных сварных соединений №23 (76,77) узла приварки теплоносителя к корпусу парогенератора ПГВ-440 из стали 08Х18Н10Т к патрубку из стали 22К с использованием сварочных материалов типа 07Х25Н13 без предварительной наплавки на перлитную кромку и без последующей термообработки.

7. Для подтверждения возможности применения новой технологии ремонта с использованием сварочных материалов типа 07Х25Н13 была выполнена её аттестация путем исследования работоспособности отремонтированных сварных соединений по предложенной технологии сварки, которые включали следующие испытания:

1) Металлографические исследования и замеры твёрдости различных зон сварных соединений.

2) Определение механических свойств ремонтных сварных соединений при нормальной и рабочей температурах при испытаниях на растяжение при температурах +20°С и +350°С

3)Определение сопротивления малоцикловой у стал осп отремонтированных сварных соединений.

4) Сравнительные исследования коррозионной стойкости сварочны; материалов, используемых для ремонта.

8. Металлографические исследования макрошлифов показали высоко! качество разнородного ремонтного сварного соединения. Каких-либ( дефектов формирования сварного соединения (поры, шлаковьи включения, межваликовые несплавления, непровары и т.д.) не обнаружено что свидетельствует о высоком качестве ремонтных разнородны: соединений.

9. На основании результатов на растяжение установлено:

•Все разрушения испытанных образцов происходили вне сварной соединения, что свидетельствует о высоких эксплуатационны: свойствах ремонтных сварных соединений •Разрушения всех образцов происходили по основному металлу - сташ 08Х18Н10Т, имеющей самый низкий предел текучести (ниже металл: шва-07Х25Н13 и перлитного основного металла - стали 22К (20). •Прочностные свойства разнородных сварных соединений, выполненны: различными способами сварки (ручная электродуговая и аргонодуговая практически одинаковые.

0. Сопоставление результатов малоцикловых испытаний с полученными значениями механических свойств показывает, что величина максимального значения циклического напряжения существенно превосходит предел текучести стали 08Х18Н10Т (302 МПа) и 22К (331 МПа). Это свидетельствует о значительном запасе циклической прочности испытуемого сварного соединения.

1. Комплекс выполненных исследований эксплуатационных свойств ремонтных сварных соединений подтвердил возможность использования разработанной технологии для ремонта сварных соединений №23 (76,77) приварки коллекторов теплоносителя (08Х18Н10Т) к корпусу парогенераторов (сталь 22К (20)) с использованием сварочных материалов типа 07Х25Н13: электроды ЗиО-8 для ручной электродуговой сварки и присадочная проволока Св-07Х25Н13 для автоматической аргонодуговой сварки.

12. Подготовлен аттестационный отчет, оформлено и одобрено техническое Решение №АЭСР-152К(04-02)2012 от 02.05.2012 «об использовании сварочных материалов типа 07Х25Н13 для ремонтной сварки сварных соединений №23 (76,77) приварки коллекторов теплоносителя к патрубкам парогенераторов атомных энергоблоков ВВЭР-440.»

3. На основании исследований, выполненных в это работе, выявленные повреждения швов №23 были признанными типичными и характерным для всех парогенераторов, находящихся в эксплуатации. Было принято решение о плановом ремонте всех парогенераторов ПГВ-440. По состоянию на 2012 года отремонтировано 15 сварных соединений №23, и проводится подготовка к проведению дальнейших плановых ремонтов на российских АЭС с реакторами ВВЭР-440, а так же (впервые) на АЭС «Дукованы »(Чехия).

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Ходаков В. Д. Харина И. J1. Базанов М.А. Лукичева С. В. Ходаков Д. В. Митрофанова М.Н. «Разнородные сварные соединения оборудования и трубопроводов АЭС. Проблемы и пути их решения». Сборник тезисов 6-ой международной научно-технической конференции Обеспечение безопасноти АЭС с ВВЭР. ОКБ «Гидропресс». Подольск, Россия. 2009год.

2. Ходаков В.Д., Базанов М.А., Лукичева C.B., Ходаков Д.В., Абросин A.A. «Ремонт с использованием сварки узла приварки коллекторов теплоносителя к патрубкам ДУ 1100 корпусов парогенераторов ВВЭР-440 после длительной эксплуатации». Сборник тезисов докладов 8 Международный семинар по горизонтальным парогенераторам. Россия, Подольск ОКБ «Гидропресс».20Ю год.

3. Ходаков Д.В., Ходаков В.Д., Харина И.Л. Сравнительные исследованш коррозионной стойкости сварочных материалов, используемых дш выполнения первого (переходного) слоя разнородных сварны; соединений перлитных и аустенитных сталей атомноэнергетическогс оборудования. Материалы VI начуно-технической конференцш молодых ученых и специалистов. Сварка и родственные технологии Киев. ИЭС им. Патона. 2011 год.

4. Ходаков В.Д., Харина И.Л., Старченко Е.Г. Ходаков Д.В., Базанов М.А «Исследование коррозионной стойкости сварочных материалов дш выполнения разнородных сварных соединений оборудования i трубопроводов АЭС.» Тяжелое машиностроение 2012. №6.стр.17-25.

5. Ходаков В.Д., Ходаков Д.В., Мазепа А.Г., Абросин A.A. «Разработка i совершенствование технологии ремонта с использованием сварк1 разнородных сварных соединений узла крепления коллектора i парогенераторам ВВЭР-440.» Тяжелое машиностроение .№7.2012 стр.8-13.

6. Ходаков В.Д., Старченко Е.Г., Ходаков Д.В., М.А.Базанов., Мазепа А.Г., Аброеин А.А. «Исследование работоспособности разнородных сварных толстостенных соединений деталей из перлитных и аустенитных сталей атомного энергетического оборудования, выполненных сварочными материалами типа Св-07X25 Н13.» 12я международная конференция проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС. Сборник докладов. Том 3. ФГУП ЦНИИ «Прометей». Санкт-Петербург. Россия. 2012 год.

7. Ходаков В.Д., Ходаков Д.В., Карась В.А. «Состояние и перспективы использования автоматической аргонодуговой сварки при ремонте оборудования АЭС». Материалы 8 международной научно-технической конференции ОАО «Концерн «Росэнергоатом» «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики» (МНТК-2012). Москва, 2012 год.

Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,75. Тираж 60 экз. Заказ 30.

Отпечатано с готового оригинал-макета 115088, Москва, ул Шарикоподшипниковская, 4

Введение

Глава 1. Особенности выполнения ремонта разнородных сварных соединений узла приварки коллекторов теплоносителя к корпусам парогенераторов атомных энергоблоков ВВЭР-440 (литературный обзор)

1.1 Назначение, конструкция, технология изготовления и условия 10 эксплуатации разнородных сварных соединений (швов №23).

1.2 Особенности сварки комбинированных конструкций из сталей 14 перлитного и аустенитного класса (разнородных сварных соединений)

1.3 Сварочные материалы для выполнения разнородных сварных 20 соединений оборудование и трубопроводов АЭС

1.4 Динамика обнаружения повреждений и проведение ремонтов 25 разнородных сварных соединений приварки коллекторов теплоносителя к патрубкам парогенераторов ГТГВ-440.

1.5 Выводы и конкретизация задач исследования.

Глава 2. Определение характера и причин образования повреждений сварных соединений приварки коллекторов к корпусу парогенераторов ГТГВ-440.

2.1 Методика обнаружения повреждения в шве №23 (77,76) сварных 29 соединений приварки коллекторов к корпусу парогенераторов ПГВ

2.2 Методика исследования характера и причин образования 31 повреждений сварных соединений №23 (76,77)

2.2.1 Внешний осмотр.

2.2.2. Фрактографическое исследование.

2.2.3 Определение химического состава

2.2.4 Оптическая металлография и измерение микротвердости.

2.2.5 Сканирующая электронная микроскопия

2.3 Определение характера повреждения швов№23 (76,77) 2.3.1. Исследование макроструктуры 2.3.2 Исследование микростурктуры

2.4 Определение причины повреждений разнородных сварных 46 соединений (23 шов)

Глава 3. Сравнительные исследования коррозионной стойкости отечественных и зарубежных сварочных материалов, используемых для выполнения первого слоя предварительной (силовой) наплавки на сварочные кромки перлитных деталей разнородных сварных соединений оборудования АЭС.

3.1 Аналитический сравнительный анализ коррозионной стойкости 50 сварочных материалов, используемых для выполнения первого слоя предварительной наплавки на кромки перлитных деталей разнородных сварных соединений.

3.2 Сравнительные экспериментальные исследования коррозионной 53 стойкости сварочных материалов, используемых для выполнения первого слоя предварительной наплавки на кромки.

3.3 Выводы по Главе 3.

Глава 4. Исследование работоспособности ремонтных разнородных сварных соединений коллектор теплоносителя (сталь 08Х18Н10Т) -патрубок парогенератора (сталь 22К), выполненных сварочными материалами типа 07Х25Н13.

4.1 Металлографические исследования и измерения твердости.

4.2 Определение механических свойств ремонтных сварных 67 соединений.

4.3 Малоцикловые испытания образцов разнородного сварного 72 соединения стали 08Х18Н10Т и 22К.

4.4 Выводы по Главе 4.

2.5 Выводы по Главе

Глава 5. Разработка и внедрение технологии ремонта сварных швов №23 (76, 77) узла приварки коллекторов теплоносителя из стали 08Х18Н10Т к патрубкам Ду1100 из стали 22К парогенераторов атомных энергоблоков ВВЭР-440.

5.1 Определение основных требований и принципов для разработки 82 технологии ремонта швов №23 (76,77) ПГВ-440.

5.2 Подготовка к ремонту, вырезка дефектных швов и их 84 восстановление с использованием сварки.

5.3 Производственная аттестация технологии ремонта 93 (восстановления) швов №23 (76,77)

5.4 Совершенствование технологии ремонта разнородных сварных соединений узла крепления коллекторов теплоносителя к патрубкам корпусов парогенераторов ПГВ - 440 и дальнейшие перспективы ее использования.

5.4.1 Основные направления и результаты совершенствования 96 технологии ремонта.

5.4.2 Вырезка темплета и подготовка кромок.

5.4.3 Предварительная наплавка кромок и последующая 100 термическая обработка.

5.4.4 Антикоррозионная защита корня и переход на аустенитно- 101 ферритные сварочные материалы типа 07Х25Н13.

5.4.5 Автоматизация технологии ремонта

5.5 Выводы по Главе

Актуальность работы:

Развитие атомной энергетики и длительная эксплуатация действующих энергоблоков, а так же задача повышения срока их службы до 45-60 лет при повышении коэффициента использования установленной мощности за счет сокращения сроков ремонта, определили возросшие требования к надежности и безопасной работе оборудования и трубопроводов АЭС, которая во многом определяется правильным техническим обслуживанием и ремонтом.

По мере роста срока эксплуатации АЭС в связи с износом оборудования и ухудшением радиационной обстановки значительно осложняются техническое обслуживание и ремонт оборудования, увеличиваются трудозатраты и численность ремонтного персонала.

Начиная с 2007 года, одной из самых острых проблем на действующих АЭС является повреждения разнородных сварных соединений трубопроводов и оборудования, выполненного с использованием сварочных материалов типа 10Х16Н25АМ6 (электроды ЭА-395/9 и сварочная проволока Св-10Х16Н25АМ6). При этом систематизированные сведения о характере и причине возникновения вышеназванных повреждений отсутствовали. В связи с этим анализ и систематизация выявленных повреждений, определение характера и причины их образования, а так же разработка мероприятия по предотвращению их образования и устранению является актуальной задачей.

Цель и задачи работы:

Цель работы - исследование, разработка и внедрение эффективной технологии ремонта разнородных сварных соединений Ду 1100 узла приварки коллекторов теплоносителя из нержавеющей стали 08Х18Н10Т к патрубкам корпусов парогенераторов из стали 22К атомных энергоблоков ВВЭР-440.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

• На основании металлографических и физико-химических исследований определить характер и причины массового повреждения разнородных сварных соединений

• Разработать и экспериментально обосновать комплекс мероприятий, способствующих предотвращению образования таких повреждений

• На основании сравнительных исследований механических свойств и коррозионной стойкости обосновать выбор сварочных материалов для выполнения разнородных (в том числе ремонтных) сварных соединений деталей атомноэнергетического оборудования из перлитных и аустенитных сталей.

• разработать и аттестовать технологию ремонта с использованием сварки поврежденных разнородных сварных соединений узла крепления коллекторов к корпусам парогенераторов ВВЭР-440 с использованием новейших достижений сварочной науки и техники

• Внедрить разработанную технологию на отечественных и зарубежных АЭС с реакторами ВВЭР-440.

Методы исследований

Для исследований характера и причин образования повреждений в сварных соединений использованы следующие методы исследования:

• внешний осмотр;

• фрактография;

• химический анализ различных зон сварного соединения;

• оптическая металлография;

• измерение твердости;

• сканирующая электронная микроскопия;

Для исследования свойств и производственной аттестации технологии сварки использовались:

• методы неразрушающего контроля (внешний осмотр, КК, УЗК и РГК);

• методы разрушающего контроля (металлография, испытания на растяжение, ударную вязкость и циклическую прочность);

• испытания на склонность к МКК;

Научная новизна:

1. Впервые определен характер и механизм повреждения сварных соединений деталей из сталей разного структурного класса (сталь 22К+сталь 08Х18Н10Т), выполненных с использованием электродов ЭА-395/9 после длительной эксплуатации;

Повреждения разнородных сварных соединений узла приварки коллекторов теплоносителя к корпусам парогенераторов ПГВ-440 во всех случаях имеют вид трещин, берущих начало со стороны контакта сварного соединения с теплоносителем и развивающихся вдоль линии сплавления сталь 22К - наплавленный металл ЭА-395/9 по первому слою предварительной наплавки.

Трещины носят коррозионный характер, инициирование и развитие которых проходит по механизму межкристаллитной коррозии; интенсивность процесса коррозии и степень развития трещины усугубляются наличием в зоне разнородного сварного соединения значительных растягивающих напряжений, прежде всего за счет разницы коэффициентов термического расширения основного и наплавленного металла.

2. Впервые установлено, что главной причиной образования повреждений разнородных сварных соединений является склонность к МКК с возможностью усугубления этого процесса также склонностью к образованию горячих трещин 1-го слоя предварительной наплавки, выполненной электродами ЭА-395/9.

3. Показано, что сплавление 1 слоя предварительной наплавки, выполненного электродами ЭА395/9, и перлитного металла осуществляется через кристаллизационную прослойку, ширина которой составляет 0,08-0,10 мкм, в которой содержание Сг и № меняется от 0 до 10-12%Сг и 15-18%№. В зоне распространения трещин содержание Сг составляет около 2,5-5,0%, а № в пределах 1,5-4%, что соответствует химическому составу мартенситной структуры.

4. Обоснована ограниченная пригодность наиболее широко используемого при выполнении первого слоя разнородных сварных соединений сварочного материала состава 10Х16Н25АМ6 (электроды ЭАЗ95/9 и сварочная проволока Св-10Х16Н25АМ6).

5. Предложена новая модификация диаграммы Шеффлера, которая может быть использована для оценки коррозионной стойкости металла швов при выборе сварочных материалов для выполнения разнородных сварных соединений;

6. На основании сравнительных исследований стойкости к МКК различных зон разнородного сварного соединения и напряженного состояния обосновано исключение технологической операции термообработки после выполнения первого слоя предварительной наплавки

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечивается широкими экспериментальными исследованиями и испытаниями, а так же положительными результатами 15 выполненных ремонтов швов №23 (76,77) сварных соединений приварки коллекторов к корпусам парогенераторов ПГВ-440 по технологии, разработанной на основании вынесенных на защиту принципов и положений.

Практическая значимость работы:

Разработана и аттестована технология ремонта разнородных сварных соединений №23 (76,77) узла приварки теплоносителя к корпусу 8 парогенератора ПГВ-440 из стали 08Х18Н10Т к патрубку из стали 22К с использованием сварочных материалов типа 07Х25Н13 без предварительной наплавки на перлитную кромку и последующей термообработки. Разработанная технология может применяться с использованием ручной электродуговой сварки (электроды ЗиО-8) или автоматической аргонодуговой сварки с использованием присадочной проволоки Св-07Х25Н13 (ГОСТ 2246).

На применение сварочных материалов типа 07Х25Н13 для выполнения разнородных сварных соединений толщиной более 10 мм без предварительной наплавки оформлено техническое Решение №АЭСР-152К(04-02)2012 от 02.05.2012 об использовании сварочных материалов типа 07Х25Н13 для ремонтной сварки сварных соединений №23 (76,77) приварки коллекторов теплоносителя к патрубкам парогенераторов атомных энергоблоков ВВЭР-440.(Приложение 1)

Разработанная технология оформлена в виде Типовой Технологической инструкции «Ремонт разнородных сварных соединений приварки переходных втулок из стали 08Х18Н10Т к патрубкам Ду1100 из стали 22К узла крепления коллекторов к патрубкам ПГВ-4М, ПГВ-4Э, ПГВ-213 энергоблоков ВВЭР-440», согласованной и утвержденной ОКБ «Гидропресс», ОАО «ЗИО-Подольск», Нововоронежской и Кольской АЭС и утвержденной ОАО «Концерн Росэнергоатом».

С использованием этой инструкции в качестве РД успешно выполнен ремонт 15 сварных соединений приварки коллекторов теплоносителя на парогенераторах ВВЭР-440 Кольской и Нововоронежской АЭС, и запланированы дальнейшие ремонтные работы на отечественных и зарубежных АЭС.

Разработано и изготовлено оборудование и начаты работы по автоматизации технологии ремонта.

Разработанная технология может быть использована при ремонте других разнородных сварных соединений оборудования и трубопроводов 9

АЭС, например для ремонта узла приварки нержавеющей втулки Ду 500 к корпусу реактора ВВЭР-440 из стали 15Х2МФА.

Личный вклад;

Автор диссертационной работы принял участие на всех этапах проведения исследований, опытных работ, промышленном внедрении, является соавтором предлагаемой технологии ремонта разнородных сварных соединений №23 (76,77) узла приварки коллекторов к корпусам парогенераторов ПГВ-440.

Апробация работы:

Основное содержание диссертации Ходаков Д.В. доложено на 6 конференциях, изложено в 7 научных статьях, опубликованных в рецензируемых научных журналах и изданиях.

Структура и объем работы:

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы, изложена на 113 листах, включая 54 рисунка, 19 таблиц и список литературы из 45 наименований.

Общие выводы:

1. Начиная с 2007 года, в разнородных сварных соединениях приварки коллекторов теплоносителя из стали 08Х18Н10Т к патрубкам парогенераторов ПГВ-440 из стали 22К Нововоронежской АЭС и Кольской АЭС выявлялись и продолжают выявляться повреждения, обнаруживаемые при эксплуатационном УЗК.

2. Как показали исследования, выполненные в ОАО НПО ЦНИИТМАШ повреждения металла разнородных сварных соединений приварки коллекторов теплоносителя из стали 08Х18Н10Т к патрубкам парогенераторов ПГВ-440 представляют собой кристаллизационные трещины максимальной высотой до 55 мм. Наиболее опасные магистральные трещины развиваются с внутренней поверхности сварного соединения по зоне вблизи линии сплавления (кристаллизационной прослойке) со стороны первого слоя наплавки (ЭА-395/9) по механизму межкристаллитного растрескивания, который ввиду строго локального развития может быть классифицирован как ножевая коррозия (разновидность МКК). Кроме того, основная часть предварительной наплавки, выполненной электродами ЭА-395/9, подвергается разрушению по механизму межкристаллитной коррозии (по границам дендритов). Такие трещины расположены, как правило, перпендикулярно линии сплавления.

3. Главной причиной образования повреждений разнородного сварного соединения №23 является низкая коррозионная стойкость в сочетании со склонностью к образованию горячих трещин 1-го слоя предварительной наплавки, выполненной электродами ЭА-395/9., что при отсутствии защиты корневой части сварного соединения №23 от контакта со средой в кармане узла приварки коллектора к патрубку парогенератора, в сочетании с циклическим нагружением, вызванным разницей коэффициентов линейного расширения между аустенитными и перлитными металлами сварного соединения в условиях многолетней эксплуатации (20 и более лет) вызывает образование и развитие трещин.

4. Сравнительные исследования коррозионной стойкости сварочных материалов используемых для выполнения первого слоя предварительной наплавки показали, что металл наплавленный электродами типа 07Х25Н13, и особенно 02Х25Н13 существенно превосходит состав 10Х16Н25АМ6 по коррозионной стойкости за счет высокого содержания Сг и низкого содержания углерода.

5. При необходимости выполнения разнородных сварных соединений в узлах сопряжения оборудования и трубопроводов для предварительной наплавки ответных деталей из перлитных (углеродистых и низколегированных) сталей могут быть рекомендованы составы типа 07Х25Н13 и 02Х25Н13, не склонные к растрескиванию и МКК. Уменьшение содержание углерода в составе 07Х25Н13 до состава 02Х25Н13 делает такой состав наиболее коррозионностойким.

6. Сразу после образования повреждения сварных соединений приварки коллекторов теплоносителя к корпусам парогенераторов была разработана технология ремонта, полностью повторяющая заводскую технологию выполнения швов №23. На основании проведенных исследований, полученных в этой работе, разработана новая технология ремонта разнородных сварных соединений №23 (76,77) узла приварки теплоносителя к корпусу парогенератора ПГВ-440 из стали 08Х18Н10Т к патрубку из стали 22К с использованием сварочных материалов типа 07Х25Н13 без предварительной наплавки на перлитную кромку и без последующей термообработки.

7. Для подтверждения возможности применения новой технологии ремонта с использованием сварочных материалов типа 07Х25Н13 была выполнена её аттестация путем исследования работоспособности отремонтированных сварных соединений по предложенной технологии сварки, которые включали следующие испытания:

1) Металлографические исследования и замеры твёрдости различных зон сварных соединений.

2) Определение механических свойств ремонтных сварных соединений при нормальной и рабочей температурах при испытаниях на растяжение при температурах +20°С и +350°С

3) Определение сопротивления малоцикловой усталости отремонтированных сварных соединений.

4) Сравнительные исследования коррозионной стойкости сварочных материалов, используемых для ремонта.

8. Металлографические исследования макрошлифов показали высокое качество разнородного ремонтного сварного соединения. Каких-либо дефектов формирования сварного соединения (поры, шлаковые включения, межваликовые несплавления, непровары и т.д.) не обнаружено, что свидетельствует о высоком качестве ремонтных разнородных соединений.

9. На основании результатов на растяжение установлено:

• Все разрушения испытанных образцов происходили вне сварного соединения, что свидетельствует о высоких эксплуатационных свойствах ремонтных сварных соединений

• Разрушения всех образцов происходили по основному металлу -стали 08Х18Н10Т, имеющей самый низкий предел текучести (ниже металла шва - 07Х25Н13 и перлитного основного металла - стали 22К (20).

• Прочностные свойства разнородных сварных соединений, выполненных различными способами сварки (ручная электродуговая и аргонодуговая) практически одинаковые.

10.Сопоставление результатов малоцикловых испытаний с полученными значениями механических свойств показывает, что величина максимального значения циклического напряжения существенно превосходит предел текучести стали 08Х18Н10Т (302 МПа) и 22К (331 МПа) даже на I ступени нагружения. Это свидетельствует о значительном запасе циклической прочности испытуемого сварного соединения.

11.Комплекс выполненных исследований эксплуатационных свойств ремонтных сварных соединений подтвердил возможность использования разработанной технологии для ремонта сварных соединений №23 (76,77) приварки коллекторов теплоносителя (08Х18Н10Т) к корпусу парогенераторов (сталь 22К (20)) с использованием сварочных материалов типа 07Х25Н13: электроды ЗиО-8 для ручной электродуговой сварки и присадочная проволока Св-07Х25Н13 для автоматической аргонодуговой сварки.

12. Подготовлен аттестационный отчет, оформлено и одобрено техническое Решение №АЭСР-152К(04-02)2012 от 02.05.2012 «об использовании сварочных материалов типа 07Х25Н13 для ремонтной сварки сварных соединений №23 (76,77) приварки коллекторов теплоносителя к патрубкам парогенераторов атомных энергоблоков ВВЭР-440.»

13. На основании исследований, выполненных в это работе, выявленные повреждения швов №23 были признанными типичными и характерным для всех парогенераторов, находящихся в эксплуатации. Было принято решение о плановом ремонте всех парогенераторов ПГВ-440 и поэтому технология ремонта продолжает усовершенствоваться. По состоянию на апрель 2012 года отремонтировано 15 сварных соединений, тем не менее, работы по совершенствованию технологии ремонта продолжаются.

1. Атомные электрические станции. Т.Х. Маргулова. 3-е изд. перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1978.

2. Википедия. http://ru. wikipedia.org/wiki/BB3P-440

3. Удостоверение о качестве изготовления сосуда. Заводской №5540, Парогенератор ПГВ-4М. Дата изготовления: август 1969 г. Машиностроительный завод им. Орджонекидзе (ЗиО)

4. Оборудование и трубопроводы атомных энергетических установок. Сварка и наплавка, основные положения ПНАЭ Г-7-009-89. Введ. 1.06.1990 г.

5. Ходаков В.Д., Зубченко A.C. Опыт эксплуатации и ремонта разнородных сварных соединений оборудования и трубопроводов из аустенитных и перлитных сталей. Вопросы атомной науки и техники. Выпуск 23. Реакторный установки ВВЭР-1000.2008 год.

6. Сварные соединения разнородных сталей. В.Н.Земзин. Издательство "Машиностроение". Москва, Ленинград, 1966 год.

7. Википедия. http://en.wikipedia.org/wiki/Stainlesssteel

8. Петров Г.Л. Неоднородность металла сварных соединений. Л., Судпрогиз, 1963.206 с.

9. Ерохин A.A. Кинетика металлургических процессов дуговой сварки. М. Машиностроение, 1964. 252 с.

10. Шубин Ф.В. Сварка разнородных сварных соединений. Сварка в машиностроении: Справочник в. 4-х т. Под ред. А. И. Акулова. Том 1. — М.: Машиностроение, 1978. 504 с.

11. De Long W. T. a. Ostrom G.A., Stumachowsky. Measurement and Calculation of Ferrite in Stainless Steel. "Welding Journal", 1956, v.35, N 11.14.3акс И. A. Сварка разнородных сталей.-JI. : Машиностроение, 1973.208 с

12. Теория сварочных процессов: Учеб. для вузов по ТЗЗ спец. «Оборуд. и технология сварочн. пр-ва»//В. Н. Волченко, В. М. Ямпольский, В. А. Винокуров и др.; Под ред. В. В. Фролова. М.: Высш. щк„ 1988.559 е.: ил.

13. Каховский Н. И. Сварка нержавеющих сталей. Киев, Техника-, 1968.

14. Основные положения по сварке и наплавке узлов и конструкцийатомных электростанций, опытных и исследовательских ядерных реакторов и установок ОП1513-72. 1972 год.

15. Технические условия AWS (American Welding Society) А5.9-93.

16. Гальперин М. А., Иванова Т. И., Младзиевский К. К., Старец Е. Е., Строкан Б. В. Проверка протектирующего действия перлитной стали на межкристаллитную коррозию аустенитного металла наплавки. «Сварка» Сб. статей, изд. «Судостроение» 1971.

17. Игнатов Б.А., Строкан Б.В., Рохлин Э.А., Хачатурянц Л.В. «Обоснование замены перлитных электродов марки УОНИ 13/45 на аустенитные марки ЭА 855/51 для приварки выпусков к корпусам парогенераторов ПГВ-1000 из стали марки 10ГН2МФА». Ленинград 1972.

18. Заключение №532/2007 от 12.06.07 года по АУЗК с применением системы АВГУР 5.2.

19. ПН АЭ Г 7-010-89. Оборудования и трубопроводы АЭС. Правила контроля. Москва, 1990.- 77 с

20. Решение Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору «О ремонте сварных соединений №23 патрубков Ду1100 парогенератора №1(ЗПГ-1) энергоблока №3 Нововоронежской АЭС №НВАЭС ЗР-78 (1.7)2007 от 11.07. 2007.

21. Заключение о характере повреждения металла сварного соединения №23«г» узла приварки переходного кольца к патрубку Ду1100 парогенератора 2ПГ-4 Кольской АЭС. Москва. 2007 год. 10 стр.

22. Типовая Технологическая инструкция № 060200.025000ТИ2760179-00212179 «Парогенератор ПГВ-1000. Ремонт с использованием сварки узла приварки коллектора теплоносителя к патрубку парогенератора (сварные швы №111 (76,77)» 2008 год.

23. Заключение «О характере повреждения металла сварного соединения №23 «х» узла приварки коллектора теплоносителя к патрубку Ду-1100 парогенератора ЗПГ-1 Нововоронежской АЭС».Москва. ОАО НПО «ЦНИИТМАШ».2007 год. 9 стр.

24. Ходаков В.Д., Харина И.Л., Старченко Е.Г. Ходаков Д.В., Базанов М.А. «Исследование коррозионной стойкости сварочных материалов для выполнения разнородных сварных соединений оборудования и трубопроводов АЭС.» Тяжелое машиностроение 2012. №6.стр. 17-25

25. Прохоров Н. Н. Горячие трещины при сварке / Н. Н. Прохоров. -Машгиз, 1952.

26. Жук Н.П.Курс теории коррозии и защита металлов. М.: Металлургия, 1976

27. Гуляев, А. П. Металловедение : учебник для втузов / А. П. Гуляев . 6-е изд., перераб. и доп . - М. : Металлургия, 1986 . - 544 с.

28. Denny А. Jones, Нержавеющая сталь. Принципы и предотвращение коррозии, 1996г., доклад конференции, NJ.ISDN 0-13-35 9993-0.

29. Шаберайтер X., Рабенштайнер Г., Теш Й. Металлургия и технология при сварке нержавеющих сталей. Bohler Schweisstechnik.

30. Измерение твердости http://techdiagnostica.ru/stati/izmerenie-tverdosti.html

31. Типовая технологическая инструкция № 0-09-248ТИ-10: «Механическая вырезка и восстановление швов №23 (76,77) переходного кольца «холодного» («горячего») коллектора и патрубка Ду1100 парогенераторов типа ПГВ-4Э, ПГВ-4М, ПГВ-213». 2010год