автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Исследование взаимодействия сталей с жидкометаллическими теплоносителями в условиях эксплуатации теплообменного оборудования реакторов на быстрых нейтронах

На правах рукописи

КУДРЯВЦЕВ Алексей Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СТАЛЕЙ С ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯМИ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ РЕАКТОРОВ НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ

Специальность 05.16.01 -металловедение и термическая обработка металлов

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2007 г.

003068243

Работа выполнена в ФГУП "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" (ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей").

Научный руководитель - кандидат технических наук

Марков Вадим Георгиевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Иванов Константин Дмитриевич",

кандидат технических наук, Панин Александр Алексеевич

Ведущее предприятие - ФГУП ОКБ "Гидропресс'

Защита состоится " I (г, " Д70.Д 2007 г в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 411.006.01 при Федеральном государственном унитарном предприятии "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" (ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей") по адресу: 191015, Санкт-Петербург, Шпалерная ул., д. 49.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей".

Автореферат разослан " " СХ^РвАЯ 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д 411.006.01,

доктор технических наук,

профессор

В.А. Малышевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышенный в настоящее время интерес к реакторам на быстрых нейтронах ставит задачи по созданию реакторов новых типов и совершенствованию имеющихся, в частности по продлению срока их эксплуатации.

Вследствие того, что вода, используемая в качестве теплоносителя в ядерных энергетических установках (ЯЭУ) на тепловых нейтронах, является замедлителем нейтронов, в ЯЭУ на быстрых нейтронах в качестве теплоносителей используются жидкие металлы. В качестве жидкометаллических теплоносителей могут использоваться натрий, свинец и сплавы на основе свинца. Применение такого рода теплоносителей ставит ряд металловедческих проблем, которые в обобщенной форме сводятся к выбору конструкционных материалов, имеющих достаточную работоспособность в контакте с жидкими металлами при высоких температурах. Основная трудность при выборе таких материалов заключается в отсутствии экспериментальных данных по влиянию жидкометаллических теплоносителей на длительные свойства, исключением является лишь контакт конструкционных материалов с жидким натрием. А ведь именно повреждение материалов вследствие процессов ползучести может являться причиной разрушения элементов конструкций ЯЭУ на быстрых нейтронах с жидкометаллическими теплоносителями. И если возможность длительной эксплуатации ЯЭУ с натриевым теплоносителем подтверждена действующими реакторами в различных странах, то возможность использования в качестве теплоносителя жидкого свинца только рассматривается в рамках концепции создания реактора с естественной безопасностью.

Цель работы. Цель настоящей работы состоит в создании научных и технических основ по оценке повреждающего воздействия, оказываемого жидкометаллическими теплоносителями на служебные свойства конструкционных материалов, и учете данного воздействия при проектировании и оценке допустимого срока эксплуатации теплообменного оборудования реакторов на быстрых нейтронах.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

В части исследования влияния натриевого теплоносителя на длительные свойства конструкционных материалов:

1. Оценить долговечность элементов теплообменного оборудования с учетом инициации трещины в науглероженном слое.

2. Получить данные по структуре и свойствам конструкционных материалов, проработавших в течение длительного времени в контакте с натриевым теплоносителем, и проанализировать их с позиции известных литературных данных по влиянию жидкого натрия на длительные свойства сталей. Оценить возможность продления ресурса теплообменного оборудования РУ БН-600. Для этого провести исследование материалов промпароперегревателя 5ПП-Б4 парогенератора ПГН-200М РУ БН-600, прошедших эксплуатацию в течение -130 тыс. ч.

В части исследования влияния свинцового теплоносителя на длительные свойства конструкционных материалов:

3. Установить закономерность процессов окисления сталей марок 10Х15Н9СЗБ и 10Х9НСМФБ, принятых в техническом проекте в качестве конструкционных материалов для РУ БРЕСТ ОД-ЗОО, в процессе длительной выдержки в контакте с жидким свинцом.

4. Оценить влияние напряжений на формирование оксидных пленок на поверхности образцов из сталей марок 10Х15Н9СЗБ и 10Х9НСМФБ.

5. Оценить влияние свинцового теплоносителя на длительные свойства сталей марок 10Х15Н9СЗБ и 10Х9НСМФБ при проведении одновременных испытаний в жидком свинце и на воздухе.

Методы исследования. В части исследования влияния натриевого теплоносителя на длительные свойства конструкционных материалов:

На основании современного параметра механики разрушения - С* проведена расчетная оценка скорости роста трещины, образование которой может иметь место в науглероженной поверхности элементов, изготовленных из стали марки 10Х18Н9. Произведена вырезка образцов из фрагментов корпуса и труб промпароперегревателя, металлографический анализ (методами оптической и электронной микроскопии), кратковременные и длительные механические испытания вырезанных образцов.

В части исследования влияния свшщового теплоносителя на длительные свойства конструкционных материалов:

Проведены коррозионные и длительные механические испытания в потоке жидкого свинца, а также длительные механические испытания на воздухе. Для испытаний в потоке жидкого свинца использовался стенд с принудительной циркуляцией свинцового теплоносителя, имитирующий условия эксплуатации теплообменного оборудования РУ БРЕСТ ОД-ЗОО. Оценка структуры образцов после испытаний проводилась методами оптической и электронной микроскопии.

Научная новизна.

1. Получены экспериментальные данные, позволившие подтвердить темп науглероживания элементов РУ с натриевым теплоносителем.

2. Получены кратковременные и длительные механические свойства аусте-нитных материалов после термического старения при эксплуатационной температуре и времени 130 тыс. ч.

3. На основании проведенной оценки скорости роста трещины, образование которой может произойти в науглероженном слое элементов РУ в процессе эксплуатации, показано, что науглероживание не является процессом, лимитирующим ресурс теплообменного оборудования РУ БН-600 на временной базе до 300 тыс. ч.

4. Установлена закономерность роста и разрушения оксидных пленок на поверхности сталей в потоке жидкого свинца на базе испытаний сталей марок 10Х15Н9СЗБ и 10Х9НСМФБ длительностью до 30 тыс. ч.

5. Впервые экспериментально установлено, что в результате контакта сталей с жидким свинцом происходит увеличение скорости ползучести и снижение длительной прочности. Изучены механизм и факторы, определяющие эти явления.

6. Предложен деформационный критерий для определения допускаемых напряжений в конструкциях, работающих в контакте с жидкометаллическим свинцовым теплоносителем.

Практическая значимость работы.

1. Полученные в ходе работы данные по науглероживанию натурных элементов использованы при продлении срока эксплуатации промежуточного теплообменника РУ Бор-60 до 300 тыс. ч.

2. Расчетная оценка развития постулируемой в науглероженном слое трещины, а также экспериментальное исследование степени повреждения материала промпароперегревателя, прошедшего эксплуатацию в течение 130 тыс. ч, могут быть использованы при обосновании продления ресурса теплообменного оборудования РУ БН-600.

3. Результаты длительных испытаний сталей в потоке жидкого свинца, полученные в работе, используются при проектировании и оценке срока эксплуатации ЯЭУ на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем — БРЕСТ ОД-300.

4. Предложены закономерности поведения сталей в потоке жидкого свинца, которые могут быть рекомендованы для использования при проектировании ЯЭУ на быстрых нейтронах с теплоносителем на основе сплава свинец-висмут - СВБР-75/100.

Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: конференциия молодых ученых и специалистов ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей", Санкт-Петербург, 30 июня - 1 июля 2004 г.; 9-ая Международная конференция "Проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации АЭС", г. Пушкин-Санкт-Петербург, 6-8 июня 2006 г.

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в четырех печатных работах и в трех технических отчетах.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов, библиографического списка и приложения. Работа изложена на 121 странице, содержит 6 таблиц и 43 рисунка. Библиографический список включает 75 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель исследований, показаны научная новизна и практическая ценность, представлена структура диссертации.

В первой главе приведены эксплуатационные условия теплообменного оборудования ЯЭУ на быстрых нейтронах с натриевым и свинцовыми теплоносителями, обозначены используемые конструкционные материалы, рассмотрено их поведение в условиях ползучести и методы прогнозирования длительной прочности.

Вторая глава посвящена анализу взаимодействия конструкционных материалов с жидкометаллическими теплоносителями. Отмечено отрицательное влияние натриевого теплоносителя на длительные свойства стали марки 10Х18Н9, которое связанно с процессами коррозии и науглероживания. Для РУ с натриевым теплоносителем типа БН наибольшую опасность представляет науглероживание стали марки 10Х18Н9 в результате перераспределения углерода от стали марки 10Х2М, что характерно для элементов, эксплуатируемых в контакте с натрием второго контура. Сведения по влиянию теплоносителей на базе свинца на длительные свойства сталей, принятых в техническом проекте РУ Брест ОД-ЗОО в качестве конструкционных материалов, в опубликованных литературных данных отсутствуют. Однако, ввиду агрессивности свинца (сплава РЬ-ВГ) по отношению к сталям, можно ожидать снижения длительных свойств конструкционных материалов, работающих в контакте с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями.

В третьей главе проведена расчетная оценка скорости роста трещин, образование которых может происходить в науглероженном слое стали марки 10Х18Н9. Местом возникновения трещины принята наружная поверхность трубы промпароперегревателя — наиболее тонкостенного элемента указанного модуля (рис. 1). Снаружи трубы омываются натрием второго контура, внутри труб находится пар. По данным ФГУП ОКБ "Гидропресс" со стороны натрия на трубы действует давление 0,3 МПа, со стороны пара 3 МПа (результирующее давление 2,7 МПа). В результате анализа трещин различного типа наиболее опасным случаем признано образование полуэллиптической продольной трещины, раскрытию которой способствуют тангенциальные напряжения. При проведении расчета использовалась методика, разработанная в Соединенном Королевстве и используемая во французских и британских нормативных документах при оценке срока эксплуатации поврежденных материалов, эксплуатирующихся в условиях ползучести. Скорость роста трещины при ползучести определяется через параметр С*:

где а - глубина трещины, мм; Аг - коэффициент, (ч/мм)"' 1; пг - коэффициент; т- время, ч; С - параметр механики разрушения, МПа-мм/ч.

Параметр С* (С* интеграл) вычисляется на основании коэффициента интенсивности напряжений, базового напряжения и скорости ползучести:

С* = {к)2 ■ , (2)

Постулируемая трещина

Н ауглерозкенная поверхность

Направление роста трещины при ¿= const

Рис. 1. Схема развития постулируемой трещины.

Г &

где К - коэффициент интенсивности напряжений, МПа-^м; - значение установившейся скорости Ползучести при ст.,.,, ч'1; ст,^-— базовое напряжение, МИз-Базовое напряжение — это такое напряжение, что когда оно приложено к одноосному образцу мри эксплуатационной температуре элемента, тогда длительная прочность одноосного образца равна длительной прочности работающего под давлением элемента в условиях эксплуатационных нагрузок. Такой прием позволяет использовать для расчета С* данные стандартных длительных испытаний материалов на ползучесть. Значение базового напряжения для элементов без концентраторов напряжений может быть рассчитано с помощью выражения:

р

<% (3)

где Р - приложенное давление, МПа, Рс - давление, соответствующее предельной несущей способности элемента с трещиной, превышение которого вызывает пластическую деформацию, МПа; йо г - предел текучести материала, МПа.

Значение Рс находится методом конечных элементов, что значительно усложняет расчет. Поэтому в настоящей работе для определения сге/ использовалось готовое выражение, представленное в нормативных документах, которое после модификации на основании экспериментальных данных по стали марки I ОХ IКН9 выглядит следующим образом:

'Н

ЫУ

(4)

где О/,— изгибающее напряжение, МПа; <Тц — мембранное напряжение, МПа; геометрический коэффициент.

Коэффициенты, используемые при расчете, а также уравнение установившейся скорости ползучести для стали марки 10Х18И9 были получены сотрудниками ЦНИИ КМ "Прометей" в рамках разработки руководящего доку-

мента «Расчет прочности основных элементов РУ БН-600 в период дополнительного срока эксплуатации».

Для обеспечения консервативности расчета начальная глубина трещины была принята равной глубине науглероженного слоя за время эксплуатации 300 тыс. ч; время образования трещины соответствует времени начала эксплуатации модуля. Глубина науглероженного слоя определена по параметрической зависимости глубины науглероживания для стали марки 12Х18Н10Т, представленной в нормах расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. В ходе проведенного расчета было получено, что при эксплуатационном уровне напряжений скорость роста осевой трещины, образование которой может произойти в наружном слое труб промпароперегрева-теля, составит 1,01x10"14 мм/год, что, естественно, не представляет опасности.

С целью определения максимально допустимого уровня напряжений, который позволяет не учитывать процессы науглероживания, была проведена серия расчетов по аналогичной методике. В качестве объекта расчета была выбрана трещина, образование которой может произойти на поверхности наиболее тонкостенных элементов теплообменного оборудования РУ БН-600, а именно труб теплообменника (толщина 1,4 мм). Результаты расчетов показали, что при сроке эксплуатации ЯЭУ, равном 300 тыс. ч, для образования сквозного дефекта в трубах теплообменника в результате прироста трещины, образовавшейся непосредственно с началом эксплуатации, уровень тангенциальных напряжений должен быть не менее 112,5 МПа (соответствует давлению 15,75 МПа), что для стали марки 10Х18Н9 превышает на 15% предел текучести при эксплуатационной температуре. Полученный уровень напряжений значительно выше допустимого номинального напряжения для элементов оборудования и трубопроводов, нагруженных давлением, которое в соответствие с нормами расчета на прочность не может превышать 00,2/1,5.

На основании проведенных расчетов были сделаны выводы о том, что образование трещин в поверхностном слое труб промпароперегревателя РУ БН-600 не представляет опасности при эксплуатационном уровне напряжений и не приведет к заметному их росту при заданном сроке эксплуатации до 300 тыс. ч. В целом уровень допустимых номинальных напряжений для стали марки 10Х18Н9 лежит ниже уровня напряжений, который может привести к образованию сквозных дефектов в материале теплообменного оборудования с заданном сроком эксплуатации до 300 тыс. ч при максимально допустимой температуре 550°С.

Четвертая глава посвящена исследованию материала промпароперегревателя 5ПП-Б4 парогенератора ПГН-200М РУ БН-600, прошедшего эксплуатацию в течение -130 тыс. ч. В структуре материала обнаружены выделения карбидов хрома и сигма фазы, причем наибольшее количество выделений карбидов хрома наблюдается на поверхности материала, работавшего в контакте с натрием второго контура, что является следствием процессов науглероживания, глубина которого достигает 0,30-0,35 мм (рис. 2) при содержании углерода на поверхности 0,16%. Обнаруженные выделения не вносят существенных изме-

I I

Рис. 1. Микроструктура стали 10Х18Н9 после эксплуатации при температуре 503°С в течение 130 ООО ч в составе промпароперегревателя 5ПП-Б4 РУ БН-600. Электролитическое травление в 10% щавелевой кислоте. а - поверхность труб промпароперегревателя; б - внутренняя часть корпуса промпароперегревателя,

нений в фазовый состав исследуемого материала. Полученные данные по толщине слоя с повышенным содержанием углерода согласуются с параметрической зависимостью глубины науглероживания стали 12Х18Н10Т от температуры и времени, представленной в ПНАЭ Г-7-002-86, что свидетельствует о возможности ее использования для расчета глубины н ау глерожеиного слоя стали марки 10Х18Н9.

В структуре материала промпароперегревателя не обнаружено повреждений типа пор и микротрещин, что, а соответствии со шкалами повреждения структуры металлов ВТИ, говорит о возможности последующего контроля металла через срок, равный наработке на момент контроля.

Отдельно следует отметить отсутствие трещин не только со стороны на-углерожепного слоя в глубь основного металла, но и в самом науглероженном слое, что подтверждает выводы, сделанные на основании расчета скорости роста трещины, об отсутствии существенного влияния науглероживания на свойства стали марки ¡0X18119 при эксплуатационном уровне напряжений в тепло-обменном оборудовании РУ типа КН.

Таблица 1

Сопоставление кратковременных свойств при температуре 500°С образцов из стали 10Х18Н9, вырезанных из фрагментов корпуса и труб промпароперегревателя 5ПП-Б4 РУ БН-600 и прошедших эксплуатацию при температуре 500°С в течение 130 тыс. ч

Исследуемые элементы Временное сопротивление <У„, МПа Предел текучести ОЬ,2, МПа Относительное удлинение, %

Корпус 411,1 183,3 32,5

Грубы 408,6 180,5 29,3

Рис. 3. Длительная прочность стали 10Х18Н9 при температурах 550 (а) и 600°С (б) после эксплуатации в течение 130 тыс. ч в составе промпаро-перегревателя 5ПП-Б4 РУ БН-600: о — материал промпароперегревателя; 0 — исходное состояние. --гарантированные значения.

Результаты стандартных механических испытаний показали снижение пластических свойств сталей марок 10Х18Н9 и 08X16Н11МЗ в ходе длительной эксплуатации, при этом отмечено повышение прочностных свойств стали марки 08Х16Н11МЗ и отсутствие однозначного влияния длительной эксплуатации на прочностные свойства стали марки 10Х18Н9. Данные явления свидетельствуют о влиянии процессов старения на свойства материалов. Сопоставление кратковременных свойств образцов, вырезанных из корпуса промпароперегревателя, и трубчатых образцов с повышенной на поверхности концентрацией углерода показало отсутствие существенного влияния науглероживания при температуре близкой к эксплуатационной (табл. 1). Незначительность влияния науглероживания на кратковременные свойства связано с тем, что глубина науглероживая по телу зерна не превышает 0,1 мм, что составляет менее 5% сечения трубы.

Длительные испытания образцов, вырезанных из фрагментов корпуса модуля промпароперегревателя, показали снижение длительной прочности стали марки 10Х18Н9 по сравнению с длительной прочностью в исходном состоянии (рис. 3), что является результатом частичного повреждения материала, вызванного процессами ползучести и старения. При этом значения длительной прочности материала, прошедшего эксплуатацию, все еще выше гарантированных значений.

Таким образом, анализ материала, прошедшего эксплуатацию в составе промпароперегревателя 5ПП-Б4, показал незначительность его повреждений, что свидетельствует о возможности дальнейшей эксплуатации модуля не только в рамках первоначально заданного ресурса, но и сверх него.

101 10* 104 101 109 104

Время до разрушения, ч Время до разрушения, ч

Рис. 4. Длительная прочность стали марки 10Х15Н9СЗБ (а) и стали марки 10Х9НСМФБ (б) в воздушной среде и в потоке жидкого свинца при температуре 550°С:

о,■—результаты испытаний сталей на воздухе и в свинце соответственно.

В пятой главе изучается влияние свинцового теплоносителя на длительные свойства конструкционных материалов, принятых в техническом проекте в качестве конструкционных для теплообменного оборудования РУ БРЕСТ ОД-300. Для этого были проведены испытания на длительную прочность образцов, изготовленных из аустенитной стали 10Х15Н9СЗБ и 9% хромистой стали 10Х9НСМФБ, в воздушной и жидкометаллической средах. Помимо испытаний на длительную прочность были проведены испытания на ползучесть образцов из стали марки 10Х9НСМФБ при двух уровнях напряжений . Оценка характера изменения толщины оксидной пленки во времени была проведена на образцах в потоке жидкого металла (без нагрузки).

Влияние величины напряжений на толщину оксидной пленки изучалось на образцах после длительных испытаний.

Для испытаний в потоке жидкого свинца использовался стенд с принудительной циркуляцией теплоносителя, в котором предусмотрены испытательный модуль на длительную прочность и коррозионная кассета для изучения процессов окисления. Стенд снабжен системой регулирования и поддержания определенной концентрации кислорода в теплоносителе. Оборудование стенда позволяет имитировать эксплуатационные условия теплообменного оборудования РУ, как по температурному перепаду (450 — 550°С), так и по скорости потока жидкого свинца (0,5 м/с).

Содержание кислорода в процессе испытаний поддерживалось в пределах (0,5 - 2)><10"б%, что является оптимальным для образования сплошной оксидной пленки, препятствующей агрессивному воздействию теплоносителя на по-

' Дополнительные испытания стали марки 10Х9НСМФБ обусловлены использованием ее в качестве материала теплообменных труб, а также возможностью возникновения жидкометаллического охрупчивания, характерного для хромистых сталей в контакте с жидким свинцом.

г

5 20"

ю'

Время до разрушения, ч

101

ю" 10' ю*

Время до разрушения, ч

Рис. 5. Длительная пластичность (удлинение) стали марки 10Х15Н9СЗБ (а) и стали марки 10Х9НСМФБ (б) в воздушной среде и в потоке жидкого свинца при температуре 550°С:

о,ш-результаты испытаний сталей на воздухе и в свинце соответственно.

а

10*

Время до разрушения, ч

ю' 10' 10'

Время до разрушения, ч

Рис. 6. Длительная пластичность (сужение) стали марки 10Х15Н9СЗБ (а) и стали марки 10Х9НСМФБ (б) в воздушной среде и в потоке жидкого свинца при температуре 550°С:

о,и-результаты испытаний сталей на воздухе и в свинце соответственно.

верхность образцов. Исходя из рабочих параметров реактора БРЕСТ ОД-ЗОО, температура испытаний была принята равной 550°С.

Полученные экспериментальные данные показали снижение длительной прочности сталей марок 10Х15Н9СЗБ и 10Х9НСМФБ в контакте с жидким свинцом, отрицательного влияния свинцового теплоносителя на длительную пластичность исследуемых сталей не обнаружено (рис. 4 - 6).

Данные испытаний на ползучесть 9% хромистой стали марки 10Х9НСМФБ, представленные на рис. 7, свидетельствуют о различном характере поведения кривых ползучести образцов, испытанных в потоке жидкого свинца и в воздушной среде. В целом скорость ползучести образцов, испытан-

30

25

£ 20

£

15

10

б

2000

Время, ч

1 15000

Время, ч

Рис. 7. Кривые ползучести стали марки 10Х9НСМФБ при температуре 550°С в

потоке жидкого свинца (-) и на воздухе (--):

а - напряжение 98 МПа; б- напряжений 68,6 МПа.

Рис. 8.11оверхность разорвавшихся образцов после испытаний на длительную прочность в жидком свинце при температуре 550°С: а - сталь марки 10Х15Н9СЗБ, напряжение 225,4 МПа, время до разрушения 454 ч;

6 —сталь марки 10Х9НСМФБ, напряжение 127,4 МГТа, время до разрушения 1025,3 ч.

пых в потоке жидкого свинца, превосходит скорость ползучести ооразцов, испытанных на воздухе. Однако, если при высоком уровне напряжений данный эффект наблюдается непосредственно с началом испытаний, то снижение уровня напряжений приводит к совпадению кривых ползучести на первой и частично на второй стадиях ползучести, Причем начавшееся после 10 тыс. ч испытаний ускорение ползучести свидетельствует не о начале третьей стадии ползучести, а скорее об изменении скорости второй стадии.

Причины различного поведения образцов в потоке жидкого свинца и на воздухе выявлены в ходе металлографического анализа. Анализ образцов, разорвавшихся в потоке теплоносителя, показал присутствие фронтальной жидко-металлической коррозии (рис. 8) па поверхности образцов, испытанных при высоком уровне напряжений. При уменьшении уровня напряжении на поверхности образцов наблюдается плотная оксидная пленка, сплошность которой на-

Рис. 9. Поверхность разорвавшихся образцов из стали марки 10Х9НСМФБ

после испытаний на длительную прочность в жидком свинце при температуре 550°С и напряжении 68,6 МПа (время до разрушения 20650 ч):

а - расстояние до места разрыва 2,5 мм; 6 — расстояние до места разрыва 6,5 мм; в - расстояние до места разрыва 11,25 мм; г - расстояние до места разрыва 16 мм.

рушается тем сильнее, чем ближе она к месту разрушения (рис. 9).

Дополнительный анализ поверхности образцов с помощью растрового электронного микроскопа показал проникновение жидкого свинца в трещины оксидной пленки и связанное с этим возникновение локальных очагов взаимодействия (рис. 10).

Различный вид поверхности образцов, испытанных в потоке жидкого свинца, связан с влиянием уровня напряжений на процессы формирования и устойчивость оксидной пленки. Это влияние выражается в ускорении скорости роста толщины оксидной пленки с ростом напряжений (табл. 2) и отсутствием возможности ее стабильного существования на поверхности сталей при высоком уровне напряжений.

Таким образом, обнаружено два различных характера разрушения сталей в контакте с жидким свинцом, определяемых при прочих равных условиях уровнем действующих напряжений. Высокий уровень напряжений, вызывая сильную деформацию образцов, препятствует образованию стабильной оксидной пленки на их поверхности. Деформация вызывает разрушение и отслоение пленки, препятствующей процессам жидко металлической коррозии, непосредственно при ее образовании. В результате, образец подвергается фронтальной жидкометаллической коррозии, вследствие которой происходит уменьшение его сечения и последующее ускоренное разрушение. В данном случае разница в

Таблица 2

Скорость окисления исследуемого материала под действием напряжения и без напряжения._______________

Напряжение при испытании на длительную прочность, МПа Время до разрушения / выдержки, ч Максимальная толщина оксидной пленки, мкм Средняя скорость окисления, мм/год

под напряжением без напряжения

Сталь марки 10Х15Н9СЗБ

225,4 454 12 0,232 -

176,4 3166 60 0,166 0,046

151,9 10705 100 0,082 0,025

137,2 20508 0,030 0,017

Сталь марки 10X911С МФБ

156,8 318 20 0,551 -

127,4 1025,33 20 0,171 0,051

117,6 755 30 0,348 -

98 4600 40 0,076 0,077

88,2 14486 160 0,097 0,043

68,6 20650 60' 0,025 0,032

Рис. 10. Поверхность разорвавшегося образца из стали марки 1 ОХ 9 НС МФБ после испытаний на длительную прочность в жидком свинце при температуре 550°С и напряжении 68,6 МПа (время до разрушения 20650 ч), растровый электронный микроскоп: а - расстояние до места разрыва 5 мм;

б - расстояние до места разрыва 5 мм При большем увеличении.

' Уменьшение толщины оксидной пленки при максимальной длительности испытаний по сравнений с предыдущим значением (отмеченное ы>| стлсй обеих марок) осязано с ее отслоением н переносом потоком жидкого сплина при толщинах пленки 0.1 0.2 мм.

кривых ползучести наблюдается непосредственно с началом испытаний (рис. 7, а).

Уменьшение уровня напряжений приводит к снижению скорости ползучести образцов (деформации) до такого уровня, что становится возможным образование стабильной оксидной пленки, препятствующей контакту жидкого свинца с поверхностью материалов. При этом наблюдается совпадение кривых ползучести, полученных на воздухе и в потоке жидкого свинца, до момента начала образования трещин в оксидной пленке и проникновения в них свинца, что приводит к увеличению скорости ползучести (рис. 7, б) и последующему ускоренному разрушению. Образование трещин в оксидной пленке связано с достижением деформации образца значений ее квазипластичности, которое для пленки толщиной 64 мкм составляет 2,8%.

Объяснить эффект резкого увеличения скорости ползучести только за счет уменьшения сечения рабочей части образца вследствие процесса окисления и последующего растрескивания оксидной пленки не удается. В соответствии с уравнением скорости установившейся ползучести Нортона-Бейли произошедшее уменьшение сечения образца на 10% должно привести к увеличению скорости ползучести в 1,5 раза, на практике наблюдается рост скорости ползучести в 4,5 раза. То есть, проникновение жидкого свинца в трещины оксидной пленки приводит не только к образованию локальных очагов жидкоме-таллической коррозии, но и к повреждению материала вследствие адсорбционного воздействия.

Исходя из того, что уменьшение уровня напряжений способствует уменьшению как скорости ползучести, так и скорости роста толщины оксидной пленки и, следовательно, повышению стабильности оксидной пленки, можно ожидать снижения разницы длительной прочности стали в потоке жидкого свинца и на воздухе с увеличением времени до разрушения. При этом для длительной прочности стали в условиях контакта с жидким свинцом ожидается сохранение основных закономерностей, характерных для длительной прочности стали на воздухе, в частности, характера зависимости логарифма напряжения от логарифма длительности до разрушения.

В шестой главе даются рекомендации по учету влияния жидкометалли-ческих теплоносителей на длительные свойства конструкционных материалов.

Как показал анализ литературных данных, снижение длительных характеристик стали марки 10Х18Н9 в условиях науглероживания происходит только за счет уменьшения третьей стадии ползучести, то есть наиболее простым способом учета происходящих изменений является введение понижающего коэффициента. При этом допускается использование всей имеющейся экспериментальной базы по длительным свойствам стали марки 10Х18Н9 и существующих методов прогнозирования для получения расчетных значений длительной прочности (пластичности) на требуемую временную базу.

В случае прогнозирования длительных свойств стали марки 10Х18Н9, используемой в качестве конструкционного материала теплообменного оборудования реакторов с натриевым теплоносителем типа БН при максимальной

температуре до 550°С и заданном сроке эксплуатации до 300 тыс. ч, введение понижающих коэффициентов не требуется, так как науглероживание в данных условиях не приводит к возникновению сквозных дефектов.

Установленная зависимость характера разрушения сталей в контакте с жидким свинцом от уровня действующих напряжений накладывает ограничение на использование экспериментальных данных. А именно, недопустимо использование данных по длительной прочности, полученных на образцах со следами фронтальной жидкометаллической коррозии, в качестве базы для прогнозирования. При использовании экспериментальных данных, полученных на образцах без следов фронтальной жидкометаллической коррозии, прогнозирование длительной прочности сталей в контакте с жидким свинцом следует проводить, основываясь на закономерностях, характерных для поведения сталей в воздушной среде.

Ожидаемое сближение длительной прочности сталей на воздухе и в потоке жидкого свинца позволяет для прогнозирования длительных свойств сталей в контакте со свинцовым теплоносителем в первом приближении использовать данные, полученные при испытаниях на воздухе, с учетом введения понижающего коэффициента, величина которого составляет: для стали марки 10Х15Н9СЗБ - 0,95; для стали марки 10Х9НСМФБ - 0,85. Однако, использование данных коэффициентов для реальных конструкций требует уточнения, так как возможно наличие масштабного фактора, определяющего степень влияния свинцового теплоносителя на длительные свойства сталей, изучение которого в настоящей работе не проводилось.

Как было показано выше, в условиях наличия на поверхности образцов, испытанных в потоке жидкого свинца, сплошной оксидной пленки свойства сталей на воздухе и в контакте с жидким свинцом близки, то есть агрессивное по отношению к конструкционным материалам влияние свинцового теплоносителя сведено к минимуму. Устойчивое существование оксидной пленки связано с величиной ее квазипластичности. В виду этого, при расчете максимально допустимых напряжений в элементах РУ, работающих в контакте со свинцовым теплоносителем, целесообразно использование деформационного критерия, определяемого пределом ползучести, что обеспечит эксплуатацию материалов в условиях существования сплошной оксидной пленки.

ВЫВОДЫ

В работе проведено исследование влияния двух перспективных для ЯЭУ на быстрых нейтронах жидкометаллических теплоносителей - натрия и сплава на основе свинца на длительные свойства конструкционных материалов тепло-обменного оборудования, указанных ЯЭУ.

В части влияния натриевого теплоносителя на длительные свойства конструкционных материалов

1. Установлено, что наиболее опасным явлением, возникающим при контакте конструкционных материалов с натриевым теплоносителем в процессе длительной эксплуатации, является науглероживание хромоникелевых аустенит-ных сталей типа Х18Н9, в результате которого происходит охрупчивание поверхностного слоя стали.

2. На основании расчетной оценки развития трещины, величина которой принята равной толщине науглероженного слоя, при ползучести показано, что в условиях эксплуатации теплообменного оборудования РУ с натриевым теплоносителем типа БЫ образование трещины не приведет к появлению сквозных дефектов при заданном сроке эксплуатации до 300 тыс. ч, вследствие ее низкой скорости роста.

3. В ходе исследований материала промпароперегревателя 5ПП-Б4 парогенератора ПГН-200М РУ БН-600, прошедшего эксплуатации в течение 130 тыс. ч, было получено экспериментальное подтверждение выводов, сделанных на основании расчетной оценки распространения трещины. В материале не обнаружены как трещины, растущие вглубь материала от поверхности, так и трещины внутри науглероженного слоя.

4. На основании проведенного в работе исследования структуры и механических свойств материала промпароперегревателя 5ПП-Б4 парогенератора ПГН-200М РУ БН-600, прошедшего эксплуатации в течение 130 тыс. ч, показано, что повреждения материала, связанные с процессами старения и ползучести, после указанного срока эксплуатации незначительны, что с учетом полученной оценки развития трещин, постулируемых в науглероженном слое, гарантирует его безопасную эксплуатацию в рамках первоначально заданного ресурса и дает основание для рассмотрения вопроса о продлении ресурса теплообменного оборудования РУ БН-600 до 300 тыс. ч.

Рекомендовано:

5. Прогнозирование длительных свойств конструкционных материалов теплообменного оборудования РУ с натриевым теплоносителем типа БН с заданным сроком эксплуатации до 300 тыс. ч при температуре до 550°С проводить на базе данных воздушных испытаний без учета влияния науглероживания.

В части влияния свингрвого теплоносителя на длительные свойства конструкционных лштериалов

6. Впервые экспериментально установлено, что в результате контакта со свинцовым теплоносителем происходит увеличение скорости ползучести и снижение длительной прочности сталей.

7. Установлен степенной характер роста толщины оксидной пленки на поверхности сталей в потоке жидкого свинца.

8. При высоком уровне напряжений снижение длительной прочности материалов обусловлено сильной деформацией образцов, при которой невозможно устойчивое образование сплошной оксидной пленки, препятствующей контакту стали и жидкого свинца, что, в конечном счете, является причиной фронтальной жидкометаплической коррозии, которая и приводит к ускоренному разрушению.

9. При пониженном уровне напряжений на поверхности материала происходит образование сплошной оксидной пленки, однако образование в ней трещин при достижении деформации образцов значений ее квазипластичности приводит к образованию локальных очагов жидкометаллической коррозии и повреждению материала вследствие адсорбционного воздействия жидкого свинца.

10. В условиях наличия сплошной оксидной пленки на поверхности образцов из стали 10Х9НСМФБ кривая ползучести, полученная при испытаниях в жидком свинце, идентична кривой, полученной при испытаниях на воздухе. Разрушение оксидной пленки приводит к существенному увеличению скорости установившейся ползучести.

Рекомендовано:

11. Прогнозирование длительной прочности конструкционных материалов те-плообменного оборудования РУ со свинцовым теплоносителем проводить на базе экспериментальных данных, полученных в потоке жидкого свинца на образцах без следов фронтальной жидкометаллической коррозии. При отсутствии экспериментальных данных по длительной прочности в потоке жидкого свинца допускается прогнозирование длительной прочности на базе данных воздушных испытаний с учетом следующих понижающих коэффициентов: 0,95 — для хромоникелевой аустенитной стали марки 10Х15Н9СЗБ и 0,85 - для 9% хромистой стали марки 10Х9НСМФБ.

12. При расчете максимально допустимых напряжений в конструкциях, эксплуатирующихся в контакте со свинцовым теплоносителем, рекомендовано введения деформационного критерия, что обеспечит эксплуатацию материалов в условиях существования сплошной оксидной пленки, предотвращающей коррозионное повреждение и недопустимую деформацию конструкций.

Автор выражает благодарность д.т.н., профессору Г.П. Карзову, д.пин. Б.З. Марголину за методическую помощь при проведении экспериментальных исследований и обсуждении результатов работ.

ОСНОВНОЕ НАУЧНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

В периодических изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Кудрявцев A.C., Марков В.Г., Лаврухш B.C. Длительная прочность стали в жидкометаллическом теплоносителе на основе свинца // Вопросы материаловедения, 2006, № 4 (48), с. 89-94.

2. Кудрявцев A.C., Каштанов А.Д., Марков В.Г., Лаврухин B.C. Ползучесть хромистой мартенситной стали в теплоносителе на основе свинца // Вопросы материаловедения, 2007, № 1 (49), с. 78-82.

В других изданиях:

3. Кудрявцев A.C., Марков В.Г., Гршимановская Р.Н. Прогнозирование длительной прочности хромоникелевых аустенитных сталей // Труды конференции молодых ученых и специалистов, Санкт-Петербург, 30 июня - 1 июля 2004, с. 67-72.

4. Кудрявцев А. С., Грншмановская Р. Н., Марков В. Г. Оценка изменения свойств сталей марок Х18Н9 и Х16Н11МЗ после эксплуатации в течение 130 000 часов в составе промпароперегревателя РУ БН-600 // Труды 9-ой Международной конференции "Проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации АЭС", г. Пушкин-Санкт-Петербург, 6-8 июня 2006 г.Т. 2. с. 290-298.

Подписано в печать 02.04.2007 г. Формат 60x84 1/16. Печать - офсетная. Усл. п. л. 1. Уч.-изд. л. 1,5 Тираж 80 экз. Заказ № 2/43

Отпечатано в типографии ФГУП "ЦНИИ КМ "Прометей" 191015, Санкт-Петербург, улица Шпалерная, дом 49

Лицензия на полиграфическую деятельность ЛР № 020644 от 13 октября 1997

Введение.

1. Глава I. Условия эксплуатации конструкционных материалов в контакте с жидкометаллнческими теплоносителями. Длительные механические свойства сталей.

1.1. Условия эксплуатации конструкционных материалов теплообменного оборудования ядерных установок на быстрых нейтронах.

1.2. Повреждающие факторы конструкционных материалов теплообменного оборудования ядерных установок на быстрых нейтронах.

1.3. Конструкционные материалы для теплообменного оборудования РУ на быстрых нейтронах с жидкометаллнческими теплоносителями.

Натриевый теплоноситель.

Свинцовый теплоноситель.

1.4. Длительные механические свойства. Методы прогнозирования длительной прочности.

С самого начала ядерной эры быстрые реакторы были определены как лучший способ использования урановых ресурсов [1]. Ведь в реакторах на быстрых нейтронах используется до 80% энергии загруженного урана, по сравнению с приблизительно 1% в современных реакторах на тепловых нейтронах [2, 3]. При этом в качестве топлива для быстрых реакторов может использоваться как естественный уран и торий, так и обедненный уран (отвалы обогатительного производства, отработавшее топливо тепловых реакторов) и оружейный плутоний.

Высокая стоимость капитальных затрат при строительстве реакторных установок (РУ) на быстрых нейтронах и низкая стоимость обогащенного урана, являющегося топливом для реакторов на тепловых нейтронах, затормозили развитие установок этого типа. Однако, в последние десятилетия они вызывают повышенный интерес в мире, и такие страны как США, Великобритания, Япония, Индия и страны Евросоюза принимают долгосрочные программы по развитию ядерной энергетики на быстрых нейтронах [1, 2,3,4, 5]. Повышенный интерес обусловлен двумя факторами. Первый заключается в растущей стоимости урана, цена которого за последние три года увеличилась на 267% и продолжает расти [6]. Второй фактор заключается в том, что быстрые реакторы являются единственной доказанной технологией, способной обеспечить почти неограниченные поставки энергии без ограничений со стороны топливных ресурсов [2, 7]. Это является следствием того, что в процессе облучения нейтронами урана-238 либо тория-232 происходит образование делящегося изотопа плутония-239. Причем плутоний-239 создается с большей скоростью, чем потребляется. Так в РУ БН-6001 с натриевым теплоносителем воспроизводство топлива достигает 6% в год (удвоение количест РУ БН-600 является третьим энергоблоком Белоярекой Атомной станции. ва плутония-239 за 12 лет) [7], а проведенные расчеты показывают возможность достижения 10-15% темпа воспроизводства.

Вследствие того, что вода, используемая в качестве теплоносителя в ядерных энергетических установках (ЯЭУ) на тепловых нейтронах, является замедлителем нейтронов, в ЯЭУ на быстрых нейтронах в качестве теплоносителей используются жидкие металлы, В качестве жидкометаллических теплоносителей могут использоваться натрий, свинец и сплавы на основе свинца [8] (помимо жидкометаллических теплоносителей рассматривается возможность использования газового теплоносителя на основе гелия). Применение такого рода теплоносителей ставит ряд металловедческих проблем, которые в обобщенной форме сводятся к выбору конструкционных материалов, имеющих достаточную работоспособность в контакте с жидкими металлами при высоких температурах. Основная трудность при выборе таких материалов заключается в отсутствии экспериментальных данных по влиянию жидкометаллических теплоносителей на длительные свойства, исключением является лишь контакт конструкционных материалов с жидким натрием. А ведь именно повреждение материалов вследствие процессов ползучести может являться причиной разрушения элементов конструкций ЯЭУ на быстрых нейтронах с жидкометаллическими теплоносителями [9]. И если возможность длительной эксплуатации ЯЭУ с натриевым теплоносителем подтверждена действующими реакторами в различных странах, то возможность использования в качестве теплоносителя жидкого свинца только рассматривается в рамках концепции создания реактора с естественной безопасностью [10].

Цель настоящей работы состоит в создании научных и технических основ по оценке повреждающего воздействия, оказываемого жидкометаллическими теплоносителями на служебные свойства конструкционных материалов, и учете данного воздействия при проектировании и оценке допустимого срока эксплуатации теплообменного оборудования реакторов на быстрых нейтронах.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

В части исследования влияния натриевого теплоносителя на длительные свойства конструкционных материалов:

1. Оценка долговечности элементов теплообменного оборудования с учетом инициации трещины в науглероженном слое.

2. Получение данных по структуре и свойствам конструкционных материалов, проработавших в течение длительного времени в контакте с натриевым теплоносителем, и их анализ с позиции известных литературных данных по влиянию жидкого натрия на длительные свойства сталей. Оценка возможности продления ресурса теплообменного оборудования РУ БН-600, Для этого было проведено исследование материалов промпароперегревателя 5ПГТ-Б4 парогенератора ПГН-200М РУ БН-600, прошедших эксплуатацию в течение -130 тыс. ч.

В части исследования влияния свинцового теплоносителя на длительные свойства конструкционных материалов:

3. Оценка процессов окисления сталей марок 10Х15Н9СЗБ и 10Х9НСМФБ, принятых в техническом проекте в качестве конструкционных материалов для РУ типа БРЕСТ, в процессе длительной выдержки в контакте с жидким свинцом.

4. Оценка влияния напряжений на формирование оксидных пленок на поверхности образцов из сталей марок 10Х15Н9СЗБ и 10Х9НСМФБ.

5. Оценка влияния свинцового теплоносителя на длительные свойства сталей марок 10Х15Н9СЗБ и 10Х9НСМФБ при проведении одновременных испытаний в жидком свинце и на воздухе.

Методы исследования.

В части исследования влияния натриевого теплоносителя на длительные свойства конструкционных материалов:

На основании современного параметра механики разрушения - С* проведена расчетная оценка скорости роста трещины, образование которой может иметь место в науглероженной поверхности элементов, изготовленных из стали марки 10Х18Н9. Произведена вырезка образцов из фрагментов корпуса и труб промпароперегревателя, металлографический анализ (методами оптической и электронной микроскопии), кратковременные и длительные механические испытания вырезанных образцов.

В части исследования влияния свинцового теплоносителя на длительные свойства конструкционных материалов:

Проведены коррозионные и длительные механические испытания в потоке жидкого свинца, а также длительные механические испытания на воздухе. Для испытаний в потоке жидкого свинца использовался стенд с принудительной циркуляцией свинцового теплоносителя, имитирующий условия эксплуатации теплообменного оборудования РУ БРЕСТ ОД-ЗОО (см. раздел 4.1). Оценка структуры образцов после испытаний проводилась методами оптической и электронной микроскопии.

Анализ микроструктуры материалов проводился с помощью металлографического инвертированного микроскопа фирмы Carl Zeiss, а также растрового электронного микроскопа JEOL с приставкой для микрорентгеноспек-трального анализа производства фирмы OXFORDS INSTRUMENTS.

Кратковременные механические испытания проводились на разрывной машине Р5.

Длительные механические испытания при постоянной нагрузке на воздухе проводились на стандартной машине АИМА-5-2.

Длительные механические испытания при постоянной нагрузке в потоке жидкого свинца проводились на стандартной машине АИМА-5-1.

Испытания проводились на тестированном и аттестованном оборудовании.

Подробнее методы исследования рассмотрены в соответствующих разделах.

Научная новизна данной диссертационной работы состоит в следующем:

1. Получены экспериментальные данные, позволившие подтвердить темп науглероживания элементов РУ с натриевым теплоносителем.

2. Получены кратковременные и длительные механические свойства ау-стенитных материалов после термического старения при эксплуатационной температуре и времени 130 тыс. ч.

3. На основании проведенной оценки скорости роста трещины, образование которой может произойти в науглероженном слое элементов РУ в процессе эксплуатации, показано, что науглероживание не является процессом, лимитирующим ресурс теплообменного оборудования РУ БН-600 на временной базе до 300 тыс. ч.

4. Установлена закономерность роста и разрушения оксидных пленок на поверхности сталей в потоке жидкого свинца на базе испытаний сталей марок 10Х15Н9СЗБ и 10Х9НСМФБ длительностью до 30 тыс. ч.

5. Впервые экспериментально установлено, что в результате контакта сталей с жидким свинцом происходит увеличение скорости ползучести и снижение длительной прочности. Изучены механизм и факторы, определяющие эти явления.

6. Предложен деформационный критерий для определения допускаемых напряжений в конструкциях, работающих в контакте с жидкометалли-ческим свинцовым теплоносителем.

Практическая значимость полученных в ходе проведенной работы результатов состоит в следующем:

1. Полученные в ходе работы данные по науглероживанию натурных элементов использовались при продлении срока эксплуатации промежуточного теплообменника РУ Бор-60 до 300 тыс. ч.

2. Расчетная оценка развития постулируемой в науглероженном слое трещины, а также экспериментальное исследование степени повреждения материала промпароперегревателя, прошедшего эксплуатацию в течение 130 тыс. ч, MOiyr быть использованы при обосновании продления ресурса теплообменного оборудования РУ БН-600.

3. Результаты длительных испытаний сталей в потоке жидкого свинца, полученные в работе, используются при проектировании и оценке срока эксплуатации ЯЭУ на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем - БРЕСТ ОД-ЗОО.

4. Предложены закономерности поведения сталей в потоке жидкого свинца, которые могут быть рекомендованы для использования при проектировании ЯЭУ на быстрых нейтронах с теплоносителем на основе сплава свинец-висмут-СВБР-75/100.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1.Ha основании расчетной оценки развития постулируемой в науглероженном слое трещины, а также экспериментального исследования степени повреждения материала промпароперегревателя, прошедшего эксплуатацию в течение 130 тыс. ч, обоснована возможность продления срока службы теплообменного оборудования РУ БН-600.

2. Прогнозирование длительных свойств конструкционных материалов теплообменного оборудования РУ с натриевым теплоносителем типа БН с заданным сроком эксплуатации до 300 тыс. ч при температуре до 550°С можно проводить без учета влияния науглероживания на базе данных воздушных испытаний.

3. В результате контакта с жидким свинцом происходит увеличение скорости ползучести и снижение длительной прочности сталей.

4. С целью предотвращения коррозионного повреждения и недопустимой деформации конструкций, эксплуатирующихся в контакте с жидким свинцом, необходимо обеспечить эксплуатацию материалов в условиях образования на их поверхности стабильной оксидной пленки.

Далее приводится аннотированное изложение диссертации по главам.

В первой главе приведены условия эксплуатации теплообменного оборудования ЯЭУ на быстрых нейтронах с натриевым и свинцовыми теплоносителями, обозначены используемые конструкционные материалы, рассмотрено их поведение в условиях ползучести и методы прогнозирования длительной прочности.

Вторая глава посвящена анализу взаимодействия конструкционных материалов с жидкометаллическими теплоносителями. Отмечено отрицательное влияние натриевого теплоносителя на длительные свойства стали марки 10Х18Н9, которое связанно с процессами коррозии и науглероживания. Для РУ с натриевым теплоносителем типа БН наибольшую опасность представляет науглероживание стали марки 10Х18Н9 в результате перераспределения углерода от стали марки 10Х2М, что характерно для элементов, эксплуатируемых в контакте с натрием второго контура. Сведения по влиянию теплоносителей на базе свинца на длительные свойства сталей, принятых в техническом проекте РУ Брест ОД-ЗОО в качестве конструкционных материалов, в опубликованных литературных данных отсутствуют. Однако, ввиду агрессивности свинца (сплава Pb-Bi) по отношению к сталям, можно ожидать снижения длительных свойств конструкционных материалов, работающих в контакте с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями.

В третьей главе проводится расчетная оценка скорости роста трещин, образование которых может происходить в науглероженном слое труб промпа-роперегревателя, изготовленных из стали марки 10Х18Н9. Получено пороговое значение напряжения, до превышения которого образование трещин в науглероженном слое элементов теплообменного оборудования РУ с натриевым теплоносителем при заданном сроке эксплуатации до 300 тыс. ч не опасно.

Четвертая глава посвящена исследованию материала промпароперегревателя 5ПП-Б4 парогенератора ПГН-200М РУ БН-600, прошедшего эксплуатацию в течение -130 тыс. ч. В структуре материала обнаружены выделения карбидов хрома и сигма фазы, причем наибольшее количество выделений карбидов хрома наблюдается на поверхности материала, работавшего в контакте с натрием второго контура, что является следствием процессов науглероживания, глубина которого достигает 0,30-0,35 мм. Обнаруженные выделения не вносят существенных изменений в фазовый состав исследуемого материала. На основании проведенных кратковременных и длительных механических испытаний сделан вывод о частичном повреждении материала, произошедшем вследствие процессов ползучести и старения. Данное повреждение не является критическим и не обнаруживается в структуре материала в виде микропор и микротрещин, что гарантирует безопасную эксплуатацию материала в течение заданного ресурса.

В пятой главе освещаются проведенные исследования, связанные с изучением влияния свинцового теплоносителя на длительные свойства стали ау-стеиитного класса (10Х15Н9СЗБ) и хромистой мартенситиой стали (10Х9НСМФБ). Представлена конструкция свинцового стенда и модуля для испытаний на длительные свойства материалов в потоке жидкого свинца, обоснованы экспериментальные условия.

Полученные экспериментальные данные показали увеличение скорости ползучести и снижение длительной прочности сталей марок 10Х15Н9СЗБ и 10Х9НСМФБ в контакте с жидким свинцом, отрицательного влияния свинцового теплоносителя на длительную пластичность исследуемых сталей не обнаружено.

Отмечено влияние уровня напряжений на процессы формирования и устойчивость оксидной пленки, выражающиеся в ускорении скорости роста толщины оксидной пленки с ростом напряжения и отсутствии возможности ее стабильного существования на поверхности сталей при высоком уровне напряжений.

Обнаружено два различных характера разрушения сталей в контакте с жидким свинцом, определяемых при прочих равных условиях уровнем действующих напряжений. Разрушение при высоком уровне напряжений связано с процессами фронтальной жидкометаллической коррозии, имеющей место вследствие высокой скорости деформации материала и невозможности образования стабильной оксидной пленки. Разрушение при низком уровне напряжений связано с совокупным влиянием процессов образования на поверхности материала сплошной оксидной пленки, ее растрескивания при исчерпании значения квазипластичности и проникновения теплоносителя в образовавшиеся трещины, что приводит к возникновению локальных очагов жидкометаллической коррозии и адсорбционному взаимодействию стали с жидким свинцом.

Показано, что при наличии на поверхности образцов сплошной оксидной пленки, длительные свойства сталей в контакте с жидким свинцом практически не отличаются от длительных свойств сталей на воздухе. При этом сохраняется зависимость логарифма длительной прочности от логарифма времени до разрушения, характерная для длительной прочности материалов на воздухе.

В шестой главе даются рекомендации по учету влияния жидкометалличе-ских теплоносителей на длительные свойства конструкционных материалов.

Показана возможность использования данных по длительным свойствам конструкционных материалов, полученных при испытаниях на воздухе, для прогнозирования длительных свойств конструкционных материалов в контакте с натриевым и свинцовыми теплоносителями при введении понижающих коэффициентов в последнем случае, которые определены в ходе работы.

Установлена целесообразность введения при расчете допускаемых напряжений в конструкциях теплообменного оборудования ЯЭУ на быстрых нейтронах со свинцовыми теплоносителями деформационного критерия, связанного с квазипластичностью оксидной пленки.

Выводы и рекомендации

В работе проведено исследование влияния двух перспективных для ЯЭУ на быстрых нейтронах жидкометаллических теплоносителей - натрия и сплава на основе свинца на длительные свойства конструкционных материалов теплообменного оборудования, указанных ЯЭУ.

В части влияния натриевого теплоносителя на длительные свойства конструкционных материалов

1. Установлено, что наиболее опасным явлением, возникающим при контакте конструкционных материалов с натриевым теплоносителем в процессе длительной эксплуатации, является науглероживание хромо-никелевых аустенитных сталей типа Х18Н9, в результате которого происходит охрупчивание поверхностного слоя стали.

2. На основании расчетной оценки развития трещины, величина которой принята равной толщине науглероженного слоя, при ползучести показано, что в условиях эксплуатации теплообменного оборудования РУ с натриевым теплоносителем типа БН образование трещины не приведет к появлению сквозных дефектов при заданном сроке эксплуатации до 300 тыс. ч, вследствие ее низкой скорости роста.

3. В ходе исследований материала промпаропере1ревателя 5ПП-Б4 парогенератора ПГН-200М РУ БН-600, прошедшего эксплуатации в течение 130 тыс. ч, было получено экспериментальное подтверждение выводов, сделанных на основании расчетной оценки распространения трещины. В материале не обнаружены как трещины, растущие вглубь материала от поверхности, так и трещины внутри науглероженного

4. Нюямсновании проведенного в работе исследования структуры и механических свойств материала промпароперегревателя 5ПП-Б4 парогенератора ПГН-200М РУ БН-600, прошедшего эксплуатации в течение 130 тыс, ч, показано, что повреждения материала, связанные с процессами старения и ползучести, после указанного срока эксплуатации незначительны, что с учетом полученной оценки развития трещин, постулируемых в науглероженном слое, гарантирует его безопасную эксплуатацию в рамках первоначально заданного ресурса и дает основание для рассмотрения вопроса о продлении ресурса теплообменного оборудования РУ БН-600 до 300 тыс. ч.

Рекомендовано:

5. Прогнозирование длительных свойств конструкционных материалов теплообменного оборудования РУ с натриевым теплоносителем типа БН с заданным сроком эксплуатации до 300 тыс. ч при температуре до 550°С проводить на базе данных воздушных испытаний без учета влияния науглероживания.

В части влияния свинцового теплоносителя на длительные свойства конструкционных материалов

6. Впервые экспериментально установлено, что в результате контакта со свинцовым теплоносителем происходит увеличение скорости ползучести и снижение длительной прочности сталей.

7. Установлен степенной характер роста толщины оксидной пленки на поверхности сталей в потоке жидкого свинца.

8. При высоком уровне напряжений снижение длительной прочности материалов обусловлено сильной деформацией образцов, при которой невозможно устойчивое образование сплошной оксидной пленки, препятствующей контакту стали и жидкого свинца, что, в конечном счете, является причиной фронтальной жидкометаллической коррозии, которая и приводит к ускоренному разрушению.

9. При пониженном уровне напряжений на поверхности материала происходит образование сплошной оксидной пленки, однако образование в ней трещин при достижении деформации образцов значений ее квазипластичности приводит к образованию локальных очагов жидкометаллической коррозии и повреждению материала вследствие адсорбционного воздействия жидкого свинца.

10.В условиях наличия сплошной оксидной пленки на поверхности образцов из стали 10Х9НСМФБ кривая ползучести, полученная при испытаниях в жидком свинце, идентична кривой, полученной при испытаниях на воздухе. Разрушение оксидной пленки приводит к существенному увеличению скорости установившейся ползучести.

Рекомендовано:

11 .Прогнозирование длительной прочности конструкционных материалов теплообменного оборудования РУ со свинцовым теплоносителем проводить на базе экспериментальных данных, полученных в потоке жидкого свинца на образцах без следов фронтальной жидкометаллической коррозии. При отсутствии экспериментальных данных по длительной прочности в потоке жидкого свинца допускается прогнозирование длительной прочности на базе данных воздушных испытаний с учетом следующих понижающих коэффициентов: 0,95 - для хромоникелевой аустенитной стали марки 10Х15Н9СЗБ и 0,85 - для 9% хромистой стали марки 10Х9НСМФБ

12.При расчете максимально допустимых напряжений в конструкциях, эксплуатирующихся в контакте со свинцовым теплоносителем, рекомендовано введение деформационного критерия, что обеспечит эксплуатацию материалов в условиях существования сплошной оксидной пленки, предотвращающей коррозионное повреждение и недопустимую деформацию конструкций.

Автор выражает благодарность д.т.н., профессору Г.П. Карзову, д.т.н, Б.З. Марголину за методическую помощь при проведении экспериментальных исследований и обсуждении результатов работ.

1. Crette J. P. Review of The Western European Breeder Programs. Energy. Vol. 23, No. 7/8, pp. 581-591,1998.

2. Mourogov V., Juhn P. E., Kupitz J. and Rineiskii A. Liquid-Metal-Cooled-Fast Reactor (LMFR) Development and IAEA Activities. Energy. Vol. 23, No. 7/8, pp. 637-648,1998.

3. Massoud Simnad. Overview of Fast Breeder Reactors. Energy. Vol. 23, No. 7/8, pp. 523-531,1998.

4. Shunsuke Kondo. History and Perspective of Fast Breeder Reactor Development in Japan. Energy. Vol. 23, No. 7/8, pp. 619-627,1998.

5. Rodriguez P. and Bhoje S. B. The FBR Program in India. Energy. Vol. 23, No. 7/8, pp. 629-636,1998.

6. Минашин К Радиоактивное обогащение // РБК. 2006, № 5. с. 82-83.

7. Атомной энергетике XX лет. Под редакцией О. М. Малявина. М.: Атомиздат, 1974.216 с.

8. David S. Future Scenarios for Fission Based Reactors. Nuclear Physics A, Volume 751,18 April 2005, pp. 429-441.

9. Yukio Takahashi, Takashi Ogata and Koji Take. Study on creep-fatigue failure prediction methods for type 304 stainless steel. Nuclear Engineering and Design, Volume 153, Issues 2-3, January 1995, pp. 235-244.

10. Adamov E. 0., Orlov V. V.,FilinA. T. et al. Conceptual Design of BREST-300 Lead-Coold Fast Reactor. Proc. Int. Topical Meeting on Advanced Reactor Safety. Pittsburg, 1994. V. 1. pp. 509-515.

11. Тайра С., Отани P. Теория высокотемпературной прочности материалов. -M,: Металлургия, 1986. 280 с.

12. Баландин Ю. Ф., Горынин И. В., Звездин Ю. И., Марков В. Г. Конструкционные материалы АЭС. М.: Энергоатомиздат, 1984,280 с.

13. Машиностроение. Энциклопедия / Редакционный совет: К. В. Фролов (председатель) и др. М.: Машиностроение. Машиностроение ядерной техники. Т. IV-24. Кн. 1. Е. О. Адамов, Ю. Г. Драгунов, В. В. Орлов и др. Под общей редакцией Е. О. Адамова. 2005. 960 с.

14. Горынин И. В., Трапезников Ю. М, Марков В. Г., Гришмановская Р. Н., Ананьева М. А., Курсевич И. П. Разработка и выбор материалов для быстрых реакторов с натриевым теплоносителем. Металловедение и термическая обработка металлов, 1999, № 9. с. 24-31.

15. Williams Т. М„ Boothby Т. М., Titchmarsh М. Void swelling and phase transformation in fast neutron irradiated 12 Cr 15 Ni - Si - Ti Steels. Material Nucl. React. Core. Appl., Proc. Int. Conf. Bristol, 1987. London, 1987, V. l.p. 293-299.

16. Бесценная H, А., Бытенский И. А., Ковешников Г. И. и др. Использование хромоникелевых сталей для изготовления многослойных силь-фонов. Металловедение: Сборник. Л.: Судостроение, 1969. № 13. с. 66-73.

17. Shinya N., Tanaka H., Murata M., Kaise M., Yokoi S. Creep Fracture Mechanism Maps Based on Creep Rupture Tests up to about 1000 000 h for Type 316 Stainless Steel.- Journal of The Iron and Steel Institute of Japan. 1985. Vol. 71. N 1. P. 114-126.

18. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок (ПНАЭ Г-7-002-86) / Госатомнадзор СССР. М.: Энергоатомнадзор, 1989. 525 с. (Правила и нормы в атомной энергетике).

19. ОСТ 108.901.102-78. Котлы» турбины и трубопроводы. Методы определения жаропрочности металлов.

20. Iain Le May. Developments in Parametric Methods for Handling Creep and Creep-Rupture Data// Journal of Engineering Materials and Technology, 1979, vol. 101, No. 4, pp. 326-330.

21. Larson F. R., Miller J. A. A time-temperature relationship for rupture and creep stress// Trans. ASME. 1952. - V. 74, No. 5.

22. Dorn J. E. Some Fundamental Experiments on High Temperature Creep// NLP.-1956. p. 89.

23. Manson S. S., HaferdA. M. A liner time-temperature relation for extrapolation of creep and stress rupture data// NACA TN 2800, Washington, D. C. -March 1953.

24. Угорский А. Э. О параметрических методах температурно-временной экстраполяции предела длительной прочности. Проблемы прочности, 1986, №1, с. 40-43.

25. Цвилюк И. С., Авраменко Д. С. Параметрические методы описания и экстраполяции характеристик длительной прочности тугоплавких материалов. Проблемы прочности, 1985, № 12, с. 59-63.

26. Медведев Н. А. Ползучесть материалов в гелиевых контурах и ее влияние на прочность высокотемпературных теплообменников. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Санкт-Петербург, 1993,

27. Кудрявцев А.С., Марков ВТ., Гриишановская Р,Н. Прогнозирование длительной прочности хромоникелевых аустенитных сталей // Труды конференции молодых ученых и специалистов, Санкт-Петербург, 30 июня 1 июля 2004, с. 67-72.

28. Data sheets on the elevated temperature properties of 18Cr-10Ni-Ti stainless steel for boiler and heat exchanger seamless tubes (SUS 321H ТВ). / NR1M creep data sheets No. 5B. National research institute for metals. - Tokyo, Japan, 1987. p. 32.

29. Геминов B.H., Иванова B.C., Фридман З.Г. Экспресс-прогнозирование жаропрочности на основе принципов термоактивационного анализа и оценка остаточного ресурса деталей после МТО и наработки. Проблемы прочности, 1985, № 12, с. 53-59.

30. Sourmail Т., Bhadeshia Н. К. D. Н., and MacKay D. J. С. Neural network model of creep strength of austenitic stainless steels // Materials Science and Technology, 2002, June, Vol. 18, pp. 655-663.

31. Vaidehi Ganesan, V. Ganesan, Borgstedt H. U. Analysis of CRENOVA sodium loop material // Journal of Nuclear Materials, 2003, Vol. 312, pp. 174-180.

32. Karpov A.V., Kononyuk M.Kh., Mamaev L.I., Kulikov Yu.L. Compatibility of Structural Materials with Sodium According to Data from the Experience Gained in 40 Years of Operation of the BR-5/BR-10 Reactor // Atomic Energy, 2001, Volume 91, pp. 951-955.

33. Невзоров Б.А. Коррозия конструкционных материалов в натрии. М,: Атомиздат, 1968. 160 с.

34. Borgstedt H.U., Fress G. andHuthmannH. The Influence ofDecarburizing Sodium on the Creep-rupture Behaviour of Type 304 Stainless Steel. Int. Conf. on Properties of Structural Materials in Liquid Metal Environment, Karlsruhe, December 1991. p. 86-101.

35. Borgstedt H.U., Huthmann H. Influence of sodium on the creep-rupture behaviour of Type 304 steel // Journal of Nuclear Materials, 1991, Vol. 183, Issues 3, pp. 127-136.

36. Throley A.W., Tyzack C. Liquid Alkali Metals, BNES, London, 1973, p. 257.

37. Borgstedt H.U. in: Proceedings of Second International Conference on Liquid Metal Technology in Energy Production, Conf-800401, Richland, Washington, 1980, p. 7.

38. Старков O.B., Трапезников Ю.Ы., Умняшкин E.B. Оценка работоспособности конструкционных материалов в условиях переноса углерода в натриевом теплоносителе. Вопросы судостроения, сер. Металловедение. 1974. Вып. 19. с. 55.

39. Trapeznikov Ju.M., Grishmanovskaja R.N., Groynin I.V., Trojanov V.M., Malygin A.F. Materials for fast sodium cooled reactors// Int. Conf, on Properties of Structural Materials in Liquid Metal Environment, Karlsruhe, December 1991. p. 37-45.

40. Wada Y, Yoshida E., Aoki M, Kato S. and Ito T. Influence of Sodium Exposure on Creep Rupture Strength of Type 304 and 316 Steels// Int. Conf. on Properties of Structural Materials in Liquid Metal Environment, Karlsruhe, December 1991. p. 17-27.

41. Карзов Т.П., Марков В.Г., Яковлев B.A. Совместимость конструкционных материалов с теплоносителем на основе свинца и его сплавов // Прогрессивные материалы и технологии, 1999, № 3. с. 51-56.

42. Sapundjiev D., Van Dyck S. and Bogaerts W. Liquid metal corrosion of T91 and A316L materials in Pb-Bi eutectic at temperatures 400-600°C. Corrosion Science, Volume 48, Issue 3, March 2006, Pages 577-594.

43. Schroer C., Vofi Z,, Wedemeyer ОNovotny J. and Konys J, Oxidation of steel T91 in flowing lead-bismuth eutectic (LBE) at 550°C. Journal of Nuclear Materials. Article in Press,

44. Yachemenyov G. S., Rusanov A. Ye., Gromov B. F., Belomytsev Yu. S., Skvortsov N. S„ and Demishonkov A.P. Problems of structural materials corrosion in lead-bismuth coolant, HLMC-98, Obninsk (1998), pp. 133— 140.

45. Gorynin I. V., Karzov G.P.t Markov V.G., Lavrukhin V.S. and Yakovlev V.A. Structural materials for power plants with heavy liquid metals as coolants, HLMC-98, Obninsk (1998), pp. 120-132.

46. Deloffre Ph., Balbaud-Celerier F. and Terlain A. Corrosion behaviour of aluminized martensitic and austenitic steels in liquid Pb-Bi. Journal of Nuclear Materials. Vol, 335, Issues 2, 1 November 2004, pp. 180-184.

47. Auger Т. and Lorang G. Liquid metal embrittlement susceptibility of T91 steel by lead-bismuth// Scripta Materialia, Vol. 52, Issue 12, June 2005, pp. 1323-1328.

48. Legris A., Nicaise G., Vogt J. -B. and Foct J. Liquid metal embrittlement of the martensitic steel 91: influence of the chemical composition of the liquidmetal// Journal of Nuclear Materials, Vol 301, Issue 1, February 2002, pp. 70-76.

49. R5, Assessment Procedures for the High Temperature Response of Structures. UK: Nuclear Electric, 1991.

50. RCC-MR, Design and Construction Rules for Mechanical Components of FBR Nuclear Islands, Appendix A ! 6, Edition 2002, AFCEN, France, 2002.

51. Khosrow Zarrabi, Asad Modarres-Motlagh. An approximate and computationally efficient algorithm for computing reference stress for creep life assessment // International Journal of Pressure Vessels and Piping. 1998, Volume 75, pp. 459-465.

52. Webster G.A. Ainsworth RA. High temperature component life assessment. London: Chapman and Hall, 1994.

53. Anderson RG, Gardner LRTr Hodgkins WR. Deformation of uniformly loaded beams obeying complex creep laws. Journal of Mechanical Engineering Science, 1963;5:238.

54. Marriott DL, Leckie FA. Some observations on the deflection of structures during creep. Proceedings of Institution of Mechanical Engineers, Part 3L, 1964;178:115-125.

55. Пароперегреватель промежуточный парогенератора ПГН-200М. Программа оценки технического состояния и определения причин разгерметизации нижних трубных досок. 127-Пр-ОЗЗ. ФГУП ОКБ "Гидропресс". Подольск, 2003 г.

56. Data sheets on the elevated-temperature properties of 18Cr-8Ni stainless steel for boiler and heat exchanger seamless tubes (SUS 304H ТВ) // NRIM creep data sheets No. 4B. National research institute for metals. -Tokyo, Japan, 1986. - 32 p.

57. Yin Y.F., Faulkner R.G. Creep damage and grain boundary precipitation in power plant metals. // Materials Science and Technology. Volume 21, Number 11, November 2005, pp. 1239-1246.

58. ГорюновЮ.В., ПерцовН.В., СуммБ.Д. Эффект Ребиндера.-М., 1966.

59. Y.M. Potak and l.M. Shchlegakov. Zhurnal Tekhnicheskoi Fiziki. 25, 897, 1955.

60. Михайлов-Михеев П.Б. Справочник по металлическим материалам турбинно- и моторостроения. Л.: «Красный Печатник». 1961. 842 с.

61. Алексеева Л. П., Марков В. Г Исследование деформационной способности оксидных пленок // Научно-технический сборник "Вопросы судостроения", серия: Металловедение, выпуск 19, ЦНИИ "Румб", 1974.