автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Определение допускаемых дефектов в сварных элементах сосудов высокого давления и разработка концепции эксплуатационного неразрушающего контроля корпусов реакторов ВВЭР-1000

//

Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей"

УДК 621.039.524.4:620.179

На правах рукописи

ВАРОВИН АНДРЕЙ ЯКОВЛЕВИЧ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОПУСКАЕМЫХ ДЕФЕКТОВ В СВАРНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ СОСУДОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

И РАЗРАБОТКА КОНЦЕПЦИИ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КОРПУСОВ РЕАКТОРОВ ВВЭР-1000

Специальность 05.03.06 - технологии и машины сварочного производства, 05.02.01 - материаловедение в машиностроении

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2004

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей"

Научный руководитель: доктор технических наук,

старший научный сотрудник Б.З. Марго лин

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор А.Ф. Гетман

доктор технических наук,

старший научный сотрудник А. В. Ильин

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие "Опытно-конструкторское бюро "Гидропресс" (г. Подольск)

Защита состоится " 2004 г. в 1000 час на заседании

диссертационного совета Д411.006.01 в Федеральном государственном унитарном предприятии "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" по адресу: 191015, г. Санкт-Петербург, ул. Шпалерная, д.49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей". ^^

Автореферат разослан

2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

В.А. Малышевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

В настоящее время оценка состояния оборудования АЭУ по критерию сплошности (отсутствие недопустимых дефектов) на стадии эксплуатации выполняется по тем же нормам допускаемых дефектов, что и на стадии изготовления при оценке качества выполнения сварных соединений. Прочностные расчеты и практика эксплуатации оборудования АЭУ с дефектами, превышающими допускаемые, показывают, что эти нормы чрезмерно консервативны. С другой стороны, анализ возможностей методов и средств, применяемых для поиска дефектов, показывает, что вероятность пропуска дефектов, близких по размерам к допускаемым, весьма велика. Кроме того, следует учитывать, что задачи, методы и средства контроля, а также возможности по устранению недопустимых дефектов на стадии эксплуатации существенно отличаются от тех, которые имеют место на стадии изготовления. Таким образом, есть достаточно веские основания для разработки и применения на стадии эксплуатации специальных норм допускаемых дефектов.

Эксплуатационный неразрушающий контроль (ЭНК) оборудования отечественных АЭУ выполняется с периодичностью I раз в 4 года. За рубежом этот период в 2-2,5 раза больше. Между тем ни по уровню технологии изготовления заготовок и сварных соединений и технологической дефектности, ни по сопротивлению конструкционных материалов разрушению, ни, наконец, по количеству отказов из-за появления дефектов отечественные АЭУ не уступают зарубежным аналогам. С другой стороны, расчеты показывают, что увеличение числа контролей свыше 5-6 уже не дает существенного повышения надежности результатов ЭНК, а, значит, приводит только к неоправданным расходам, связанным с простоем оборудования для выполнения ЭНК и ремонта дефектов. Таким образом, есть основания для пересмотра принятой сегодня периодичности контроля оборудования АЭУ в процессе эксплуатации.

В последнее время изменился общий подход к ЭНК. Основной упор делается на обеспечение гарантий работоспособности оборудования и безопасности его эксплуатации в межремонтный период. В настоящее время отсутствуют данные, которые позволяют количественно оценить гарантию обнаружения недопустимых дефектов и достоверность заключения о состоянии металла по результатам ЭНК. Получение такой оценки может быть выполнено на базе так называемых функций выявляемости - зависимостей вероятности обнаружения дефекта от его размеров и параметров контроля. Определение и применение таких зависимостей является необходимой составной частью работ по модернизации системы ЭНК.

РОС НАЦИОНАЛЬНА* БИБЛИОТЕКА СД1ет«г£г»г л] О

оа

Цель работы

Разработка концепции ЭНК сварных элементов АЭУ и её реализация

для корпусов реакторов (КР) ВВЭР-1000.

Основные задачи работы

1. Разработка концепции ЭНК, методологии назначения допускаемых дефектов и периодичности контроля.

2. Разработка методологии определения типа и параметров расчетного дефекта с позиций прочности и выявляемости с учетом характерных для сварных узлов АЭУ дефектов технологического и эксплуатационного происхождения.

3. Разработка методики расчета остаточных сварочных напряжений (ОСН) в сварных соединениях КР с учетом ползучести, структурных превращений в стали и металле шва, а также перераспределения ОСН при приложении рабочих нагрузок.

4. Определение размеров дефектов, лимитирующих прочность КР, с учетом положения дефекта в КР, деградации свойств стали и металла шва и развития дефектов под действием остаточных напряжений и эксплуатационных нагрузок.

5. Исследование выявляемости дефектов в сварных элементах для системы СК-187, применяемой для УЗК КР ВВЭР-1000.

6. Расчет размеров допускаемых дефектов и периодичности ЭНК КР ВВЭР-1000.

Научная новизна разработана концепция ЭНК, гарантирующая при каждом контроле достоверность заключения об отсутствии или наличии в оборудовании недопустимых дефектов;

разработан подход, позволяющий схематизировать плоскими трещинами объемные и плоскостные, компактные и протяженные дефекты сварочного и эксплуатационного происхождения на основе анализа прочности и выявляемости;

разработаны методики оценки прочности КР с дефектами по характеристикам дефектов, которые можно определить при выполнении ЭНК по существующей технологии;

разработана методология численного расчета ОСН, обусловленных сваркой, наплавкой и отпуском, с учетом структурных превращений и ползучести в корпусной стали и металле сварных швов и особенностей технологии изготовления сварных элементов;

разработана методика аналитического расчета перераспределения ОСН, обусловленных выполнением антикоррозионной наплавки, при приложении рабочих нагрузок;

определены ОСН, действующие в наплавке, зоне термического влияния наплавки и в кольцевых сварных швах КР 'ВВЭР-ЮОО на

стадии эксплуатации с учетом конструкции сварных элементов и технологии сварки и наплавки;

определены размеры дефектов, лимитирующих прочность КР ВВЭР-1000, с учетом положения дефекта в корпусе и времени эксплуатации; разработана процедуру расчета размеров допускаемых дефектов; получены зависимости- вероятности обнаружения дефектов от их размеров для сварных швов и для основных элементов КР ВВЭР-1000;

разработана процедура расчета периодичности ЭНК, обеспечивающей"" заданную вероятность обнаружения недопустимых дефектов для всего срока службы КР.

Практическая ценность Применение разработанной концепции ЭНК, базирующейся на определении допускаемых дефектов по критериям прочности, оценке выявляемости этих дефектов применяемыми на АЭС средствами контроля, и учитывающей результаты не только текущего, но и всех предыдущих контролей, позволяет проводить ЭНК в 2 раза реже, чем принято в действующей нормативной документации, и при этом гарантировать достоверность заключения о текущем состоянии КР по результатам ЭНК.

Реализация концепции позволит уменьшить затраты на проведение ЭНК КР и ремонта дефектных участков без снижения безопасности эксплуатации.

По результатам работ Концерном " Росэнергоатом" принято решение о корректировке "Типовой программы эксплуатационного контроля за состоянием основного металла и сварных соединений оборудования и трубопроводов атомных электростанций с ВВЭР-1000" АТПЭ-9-97 в части норм допускаемых несплошностей, периодичности ЭНК, методики выполнения контроля и методики оценки состояния КР ВВЭР-1000 по результатам ЭНК.

Апробация работы Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинаре "Применение механики разрушения для оценки эксплуатационной надежности сварных соединений и конструкций" (СПб, ЛДНТП, 1983), V Всесоюзном симпозиуме "Малоцикловая усталость -критерий разрушения и структура материалов" (Волгоград, 1987), международной конференции "Сварные конструкции" (Киев, ИЭС им. Е.О. Патона, 1990), XI международном коллоквиуме "Механическая усталость металлов" (Киев, 1991), международной научно-практической школе-семинаре "Выявляемость дефектов при контроле оборудования на АЭС и оценка их допустимости при эксплуатации" (СПб, "Прометей", 1993), IAEA Specialists Meeting on Erosion/Corrosion of NPP Components (Vladimir, Russia, 1999), VII международной конференции "Проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации

оборудования АЭС" (СПб, "Прометей", 2002), III научно-технической конференции "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР" (Подольск, ОКБ "Гидропресс", 2003).

Публикации По теме диссертации опубликовано 17 работ.

Структура и объем диссертационной работы Диссертационная работа изложена на 298 страницах компьютерного текста, содержит 85 рисунков, 14 таблиц, список использованной литературы из 166 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ПОДХОДОВ К ОЦЕНКЕ ДОПУСКАЕМЫХ ДЕФЕКТОВ И ФОРМУЛИРОВКА КОНЦЕПЦИИ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ

Контроль дефектов в конструкции (контроль сплошности) в процессе эксплуатации является составной частью системы мер по обеспечению работоспособности оборудования и безопасности его эксплуатации. Заключение о состоянии оборудования по критерию сплошности выполняется по следующей формуле: если при текущем контроле не обнаружены дефекты, превышающие по размерам допускаемые, то конструкция может быть допущена к дальнейшей эксплуатации. Такое заключение будет достоверным только при выполнении двух условий: 1) все дефекты, не превышающие допускаемые, не влияют на нормальную эксплуатацию конструкции; 2) все дефекты, превышающие допускаемые, обязательно будут обнаружены при текущем контроле. Из приведенной формулы следует, что дефекты, превышающие допускаемые, должны быть устранены.

В настоящее время на стадии эксплуатации и при изготовлении используют одни и те же нормы допускаемых дефектов. Размеры допускаемых дефектов в сварных соединениях элементов АЭУ составляют 3-5% от толщины стенки. Они близки к тем, которые невозможно исключить даже при строгом соблюдении технологии изготовления и, одновременно, к тем, которые принципиально можно найти при существующих средствах контроля. Прочностные расчеты и практика эксплуатации показывают, что не только допускаемые дефекты, но и многие дефекты, превышающие допускаемые, действительно не влияют на работоспособность оборудования и безопасны. Например, в КР безопасными являются дефекты в 3-5 раз больше допускаемых по действующим нормам. В некоторых элементах АЭУ фактически реализуется концепция "течь перед разрушением", т.е. безопасными являются дефекты, близкие к сквозным. Таким образом, устранение многих формально недопустимых дефектов далеко не всегда оправдано. С другой стороны, допускаемые дефекты малы и с позиции выявляемости, т.к.

вблизи поисковой чувствительности нельзя гарантировать обнаружение дефекта. Основным методом ЭНК КР является ультразвуковой. Наиболее опасным дефектом является трещина. Отметим, что трещины в КР вообще считаются недопустимыми по действующим нормам. По результатам широкомасштабных исследований выявляемости дефектов, выполненных по программам PISC, можно сделать следующий вывод. Обнаружение трещин можно гарантировать (вероятность обнаружения >98%), если глубина трещины составляет не меньше 15% от толщины элемента. Трещины глубиной 2% от толщины элемента практически нельзя найти (вероятность обнаружения <2%) (см. рис. 1).

Рис. 1. Характерные размеры трещиноподобных дефектов,

обнаруживаемых при ультразвуковом контроле: 1 — расчетная оценка размеров минимальных ещё выявляемых вертикальных трещин, выходящих на внутреннюю поверхность; 2 — статистические данные по программе PISC для размеров трещин, выявляемых с вероятностью 0,985; 3 - область размеров допускаемых дефектов в сосудах давления; а) - PISC I (1979 г.), б) - PISC III (1991 г.); в) PISC II -(1983 г.).

Таким образом, методы и средства ЭНК далеко не гарантируют обнаружение тех дефектов, которые считаются недопустимыми.

Анализ задач, методов, средств и условий контроля, а также возможностей ремонта дефектных участков показал, что концепция ЭНК должна быть принципиально другой, чем на стадии изготовления. На стадии эксплуатации достаточно устранить только те дефекты, которые могут помешать нормальной работе оборудования. Но при этом необходимо гарантировать, что все недопустимые дефекты будут обнаружены. Такой подход обеспечит достоверность заключения о текущем состоянии оборудования по критерию сплошности и исключит нецелесообразный ремонт без снижения работоспособности оборудования и безопасности его эксплуатации.

Применительно к КР ВВЭР-1000 сформулирована следующая концепция ЭНК: при существующих средствах ЭНК в течение всего проектного срока службы КР с вероятностью не ниже заданной должны быть обнаружены все дефекты, которые могут стать опасными в период от текущего до следующего контроля. Для реализации принятой концепции необходимо решить следующие задачи.

1. Разработать схему регламентации допускаемых дефектов на стадии эксплуатации.

2. По критериям прочности определить максимальные размеры тех дефектов, которые не могут создать критическую ситуацию ни на одном из проектных режимов эксплуатации.

3. Определить функции выявляем ости (зависимость вероятности обнаружения дефекта от его размеров) для тех средств, которые используются при ЭНК.

4. Разработать регламент ЭНК, который обеспечит достоверность заключения об отсутствии или наличии в металле опасных дефектов по результатам ЭНК.

В полном объеме комплекс перечисленных задач в данной работе решен для КР типа ВВЭР-1000.

АНАЛИЗ ДЕФЕКТОВ С ПОЗИЦИЙ ПРОЧНОСТИ И ВЫЯВЛЯЕМОСТИ. ВЫБОР РАСЧЕТНЫХ ДЕФЕКТОВ

Прочность конструкции с дефектами и выявляемость дефектов зависят от огромного количества факторов. Их можно объединить в следующие группы.

1. Дефект. Тип, форма, размеры и ориентация дефекта определяют то, как наличие дефекта изменяет напряженно-деформированное состояние материала по сравнению с номинальными, т.е. при отсутствии дефекта. Они же определяют при УЗК величину сигнала, отраженного от дефекта в направлении приемника.

2. Конструкция. Форма и толщина элемента при заданных рабочих параметрах определяют номинальные напряжения. Поскольку они могут быть неоднородными, в т.ч. из-за ОСН, то важным является и то, в каком элементе и в каком месте этого элемента находится дефект. При УЗК эти параметры конструкции определяют геометрические характеристики акустического тракта на пути "излучатель — дефект -приемник".

3. Материал. Его свойства определяют напряжения и деформации, возникающие при воздействии термосиловых рабочих нагрузок, и сопротивление разрушению. Соотношение нагрузок и свойств материала определяет доминирующий механизм и кинетику разрушения. С другой стороны, свойства материала определяют физические характеристики акустического тракта.

4. Время. Этот фактор определяет степень деградации свойств материала, изменение размеров дефекта вследствие роста и количество выполненных контролей при заданной периодичности.

На основании анализа наиболее вероятных механизмов разрушения материалов КР (хрупкий, вязкий, усталостный, коррозионное растрескивание) показано, что в заданный период целостность КР при наличии дефекта гарантируется при исключении двух критических ситуаций:

появление дефекта в наплавке, который может развиваться по механизму коррозионного растрескивания;

появление дефекта в корпусной стали и металле сварных швов, который может инициировать хрупкое разрушение.

Эти ситуации приняты критическими. Показано, что развитие дефектов на докритической стадии контролируется механизмом усталости. Далее введены следующие понятия:

критический дефект - наименьший по размерам дефект, который может создать критическую ситуацию при данном сроке эксплуатации. потенциально опасный дефект - дефект, который за заданный период времени эксплуатации может постепенно вырасти до размеров критического дефекта.

допускаемый дефект - дефект, размер которого с определенным запасом меньше, чем размер потенциально опасного дефекта. расчетный дефект - дефект, схематизирующий множество возможных реальных дефектов, который выбран для расчетов на прочность и выявляемость.

Для выбора расчетного дефекта и его контрольных параметров был выполнен анализ влияния типа, формы, ориентации и расположения дефекта в КР на прочность и выявляемость.

По результатам оценки раскрытия трещин, близких по размерам к дефекту максимально допустимому по нормам расчетов на прочность, было установлено следующее. У трещин, которые теоретически могут возникнуть и развиваться в стенке КР по механизму усталости, шероховатость поверхности и остаточное раскрытие таковы, что эти трещины будут отражать ультразвук практически так же, как идеальная полуплоскость (параметр Рэлея при шероховатости, равной половине пластического раскрытия, много меньше 1, а полное раскрытие больше 10-5 длины волны ультразвука). Это значит, что у этих дефектов эквивалентная и реальная площадь практически будут совпадать.

Далее были рассмотрены объемные дефекты, характерные для сварных швов АДСф и РДС - поры и шлаковые включения. Сперва был рассмотрен дефект в виде сферической полости (модель поры). В запас по долговечности было принято, что до начала эксплуатации на исходном дефекте уже образовалась зародышевая трещина протяженностью порядка диаметра зерна корпусной стали. Консервативно был оценен усталостный подрост такой трещины за полный срок службы КР. Для образовавшегося дефекта рассчитаны размеры плоских трещин, которые будут эквивалентны данному дефекту по коэффициенту интенсивности напряжений и по амплитуде эхо-сигнала при УЗК. Как следует из результатов, приведенных на рис. 2а, эквивалентная площадь по УЗК дает консервативную оценку опасности такого дефекта.

Аналогичным образом был проанализирован дефект в виде полости, заполненной шлаком (модель шлакового включения). При этом были

рассмотрены разные варианты характера связи включения с матрицей. Сопоставление размеров трещин, эквивалентных данному дефекту, показало (рис. 26), что и в этом случае по результатам УЗК дефект будет казаться опасней, чем он есть на самом деле.

Аналогичные результаты были получены и для протяженных объемных дефектов.

Таким образом, не только с позиций прочности, но и с позиций выявляемости в качестве расчетного дефекта может быть выбрана трещина.

Далее был рассмотрен вопрос о форме трещины. Расчетная схема приведена на рисунке 3. Обычно используют зависимость Kt от глубины трещины а. В такой форме Kj при заданном а монотонно увеличивается при уменьшении соотношения полуосей эллиптической трещины а/с (рис. 4а). Но однозначное описание Kj от размеров трещины может быть выполнено и при использовании площади трещины S И ale. Величина K¡ на малой полуоси трещины может быть рассчитана по зависимости вида:

V —1/4 с К|=Я СТ-Ь

1/4

( V4

— • f • f ' где ^ - функция формы трещины, f2

поправка, зависящая от характера распределения номинальных напряжений. Оказалась, что при фиксированном S зависимость К ¡(а/с) имеет максимум. Это *дает возможность выбрать расчетную трещину, обеспечивающую консервативную оценку критической площади для трещин разной формы.

Результаты расчетов критической величины S для трещин разной формы при разном характере нагружения приведены на рисунке 4.

Аналогичные исследования были выполнены и для роста трещин по усталостному механизму.

С X

Д q=ô7

В /С X

Рис. 3. Схема нагружения и положение расчетных

трещин при оценке влияния градиента напряжений на критические размеры трещин разной формы.

а)

б)

1.2-1 1.1-

о ОТ

g 1.0 от

* 0.9 4 0.8

0.0 0.2

I

0.8

—1 1.0

I 'I 0.4 0.6 а/с

Рис. 4. Зависимость максимальной величины Кг от формы трещины при различной неоднородности напряженного состояния; К,(ао), ККБо) - параметры круговой трещины; 1-4 ц=1,0,75,0,5,0 соответственно;^ - область нагружения корпуса реактора.

Скорость изменения площади трещины может быть рассчитана по

п+2 п+2

зависимости ^ = рд—^ п (Ш 1 2А

^ f2A=l~i 3—

*2А

(1-q)

12

:f2B=l-49 + £] cl с)

где

(1 - R)Œ

fi=l-0,37(a/c). Результаты расчетов приведены на рисунке 5 а) 3-51 б) «1

1

? 1.0 H -ъ от

5-0.84

•а От о.в-■о

ОА-

0.0

0.2

—'—Г" 0.4 аб а/с

-г-0.8

I

1.0

Рис. 5. Зависимость скорости усталостного роста глубины da/dN (а) и площади dS/dN (б) трещины от ее формы при различной неоднородности напряженного состояния; dVdN и dSoAJN параметры круговой трещины; 1-4 q=l, 0,75,0,5,0 соответственно; ЕЗ - область нагружения корпуса реактора.

Результаты расчетов показывают, что в данном случае экстремум отсутствует, но скорость изменения площади менее чувствительна к форме, чем скорость изменения глубины. Установлено, что при использовании площади в качестве характеристического размера эллиптической трещины с незначительной и консервативной погрешностью можно пренебречь тем, что по мере роста форма трещины изменяется.

По результатам выполненных исследований за расчетный дефект принята эллиптическая трещина с Площадь такой трещины

является единственным геометрическим параметром, контролирующим опасность дефекта и обеспечивает консервативную оценку эквивалентной площади допускаемых дефектов в стенке корпуса.

Аналогичные исследования были проведены для трещин, расположенных на поверхности наплавки и на наружной поверхности КР. Для таких трещин при контроле могут быть определены только размеры на поверхности, в то время как с позиции прочности наиболее важна глубина трещины. Для трещин на поверхности наплавки обоснована возможность оценки глубины по величине раскрытия под действием ОСН. Величина этого раскрытия и протяженность на поверхности приняты в качестве контрольных параметров. Для трещин на наружной поверхности КР обоснована возможность регламентировать допускаемые размеры по протяженности на поверхности. В качестве расчетного дефекта для определения этого размера принята полуэллиптическая трещина близкая к сквозной (а/с=5).

По условиям нагружения КР наиболее опасной и, одновременно, наиболее вероятной является такая ориентация трещины, когда её плоскость перпендикулярна поверхности КР. Тем не менее, учитывая возможность несплавлений на кромках разделки под сварку (угол разделки 8-13°) был рассмотрен случай, когда плоскость трещины отклоняется от нормали.

Результаты расчетов приведены на рисунке 6. Они показывают, что при анализе прочности расчетный дефект можно расположить по нормали к поверхности. Но при анализе выявляемости во избежание опасных ошибок необходимо рассмотреть трещины, отклоненные от нормали к поверхности.

Что касается положения дефекта по высоте корпуса и по толщине стенки, то этот вопрос решен прямым расчетным моделированием наиболее значимых ситуаций.

Таким образом выбраны тип и параметры расчетных дефектов, которые позволяют получить умеренно консервативные оценки для основных наиболее вероятных дефектов.

Фактор времени рассмотрен как при определении размеров потенциально опасных дефектов (деградация свойств, рост дефекта), так и при расчете вероятности обнаружения допускаемых дефектов (периодичность и количество ЭНК).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ КОРПУСА РЕАКТОРА НА СТАДИИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Во многих исследованиях, посвященных оценке прочности КР, было отмечено, что в таких расчетах должны быть учтены ОСН, вызванные сваркой и наплавкой. Однако, в настоящее время величина и характер распределения ОСН часто принимаются достаточно произвольно, в том числе вне их зависимости от особенностей технологии сварки, наплавки и отпуска. Расчет ОСН, обусловленных выполнением антикоррозионной наплавки и сварки кольцевых швов КР, был выполнен в данной работе с помощью на ранее созданного в ЦНИИ КМ "Прометей" программного комплекса "Сварка". Комплекс базируется на решении задачи нестационарной теплопроводности и пошаговом решении деформационной задачи и позволяет рассчитать ОСН с учетом геометрии разделки, порядка выполнения проходов и режимов сварки. В процедуру расчета были включены изменения, которые позволяют в рамках теории течения учесть протекание структурных превращений в стали в термическом цикле сварки и релаксацию напряжений по механизму ползучести в процессе послесварочного отпуска. Схема моделирования структурных превращений и связанных с ними изменений дилатометрических кривых и предела текучести материала в полуциклах нагрева и охлаждения приведена на рисунке 7. Для учета деформаций ползучести при использовании теории течения условие текучести сформулировано в следующей форме:

ст,=Ф(/с!ер,ёр,Т), где Ф(/с1Ер,ёр,Т)

функция, описывающая

поверхность текучести.

Рис. 7. Зависимости ет (а) и а0.г (б) от температуры Т при нагреве и охлаждении для основного металла и металла шва (кривые 1 3) и наплавки (аустенитный металл).

Определение для данной температуры выполнено на

базе экспериментальных данных о релаксации напряжений. Результаты исследования структурных превращений по полученной модели показали, что этот фактор может привести к резкому, вплоть до знака, изменению ОСН. Но при многопроходной сварке этот эффект нивелируется. В сварных соединениях КР структурные превращения существенно изменяют уровень ОСН только в районе последних проходов на наружной поверхности сварных швов. В зоне термического влияния наплавки фактор структурных превращений проявляется при пониженной толщине первого наплавленного слоя и при повышенном тепловложении при нанесении второго слоя. Этот случай показан на рисунке 8.

О 50 100 150 0 50 100 150

толщина стенки, мм толщина стенки , мм

Рис. 8. Распределение остаточных напряжений после наплавки (а) и отпуска (б) при

отклонении от номинального режима наплавки.

Характер распределения ОСН в сварных соединениях КР до и после отпуска показан на рисунке 9.

Получено также аналитическое решение для расчета перераспределения ОСН в антикоррозионной наплавке при приложении рабочих нагрузок. Показано, что после проведения первых гидравлических испытаний при сдаче КР распределение остаточных напряжений стабилизируется и остается практически неизменным в течение всего срока службы КР. На основе теории течения получено аналитическое решение

Результаты расчета остаточных напряжений были использованы при определении размеров критических дефектов, кинетики потенциально опасных дефектов, а также раскрытия трещин на поверхности наплавки в стояночном режиме.

РАСЧЕТ РАЗМЕРОВ ДЕФЕКТОВ, ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫХ С ПОЗИЦИЙ ПРОЧНОСТИ

Критические дефекты

Для трещин на поверхности антикоррозионной наплавки критическая глубина принята равной толщине внешнего слоя наплавки, который, в отличие от внутреннего, не склонен к коррозионному растрескиванию.

Для дефектов, расположенных в корпусной стали и сварных швах, размеры критического дефекта рассчитаны по условию хрупкого разрушения. При этом рассмотрены два наиболее опасных режима: аварийное расхолаживание и гидравлические испытания на прочность.

При наличии трещин в зоне, непосредственно примыкающей к наплавке, в элементах зоны патрубков и всей нижней части КР по сочетанию температур и напряжений наиболее опасным является аварийный режим. В остальных случаях размеры критических трещин лимитирует режим гидравлических испытаний.

Расчет размеров критической трещины выполнен по методике МРК-СХР-2000 (РД ЭО 0353-02), регламентирующей расчет на сопротивление

хрупкому разрушению на стадии эксплуатации. При выполнении расчетов учтены ОСН, зависимость вязкости разрушения от температуры, а также кинетика радиационного и теплового охрупчивания. Расчет величин Е и размеров критических дефектов для режима аварийного расхолаживания выполнен численно методом конечных элементов специалистами ОКБ "Гидропресс" И.Ф. Акбашевым, В.А. Пиминовым и Ю.М. Максимовым. Расчет критических дефектов для режима гидравлических испытаний выполнен аналитически по полученным в работе зависимостям и данным о напряженном состоянии КР под давлением. По результатам расчетов получены величины критической площади трещин и их изменение во времени вследствие деградации свойств материалов для всех основных элементов КР, а также для разных положений трещины по толщине стенки. Для трещин, расположенных вблизи наружной поверхности, критические размеры определены так, чтобы дефект не стал критическим после прорыва перемычки и превращения трещины в поверхностную. Для трещин на наружной поверхности КР определена критическая протяженность на поверхности.

Потенциально опасные дефекты

На следующем этапе был выполнен расчет кинетики усталостного роста дефектов в интервале времени от начала эксплуатации до момента достижения дефектом критических размеров. Расчет кинетики выполнен с учетом ОСН и термосиловых циклических нагрузок, возникающих на переходных режимах. Расчет выполнен аналитически по полученным в данной работе зависимостям и параметрам эксплуатационных режимов. По результатам выполненных расчетов определены размеры потенциально опасных дефектов, т.е. тех дефектов, которые должны быть обязательно выявлены при ЭНК. Анализ полученных результатов показал следующее.

В районе активной зоны площадь критических расчетных дефектов в течение проектного срока службы монотонно снижается более, чем в 10 раз вследствие радиационного охрупчивания. Наименьший критический размер имеют дефекты в сварном шве №4. В остальных элементах наименьший размер критических дефектов достигается в первые годы эксплуатации и определяется тепловым охрупчиванием корпусной стали. Исследования показывают, что этот эффект носит временный характер. Через 5-7 лет эксплуатации он практически снимается и площадь критической трещины увеличивается более, чем в 2 раза, возвращаясь почти к исходному уровню.

Наибольший усталостный подрост трещин происходит в районе галтели главных патрубков и элементах верхней части КР. Здесь подрост трещин на поверхности наплавки за 20 лет эксплуатации не превышает 10% от глубины критической трещины. Подрост трещин, расположенных в этих элементах непосредственно под наплавкой, за 40 лет не превышает 1530% от критической площади. В остальных случаях усталостный подрост трещин не превышает 3-7%.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫЯВЛЯЕМОСТИ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ДЕФЕКТОВ В КОРПУСЕ РЕАКТОРА ВВЭР-1000

Универсальным и наиболее убедительным методом построения функций выявляемости (зависимости вероятности обнаружения дефекта от его размеров) является экспериментальный, базирующийся на статистической обработке представительного объема результатов контроля естественных и искусственных дефектов в реальных конструкциях и полномасштабных моделях. Для КР таких данных нет. В то же время, морфология наиболее вероятных потенциально опасных дефектов и конфигурация основных элементов КР достаточно просты для математического анализа. С учетом этого в данном случае функции выявляемости для УЗК КР системой СК-187 были получены расчетным путем. Вывод уравнения акустического тракта и моделирование на их основе процесса УЗК методом Монте-Карло были выполнены к.ф.-м.н. Б.А. Кругловым. Исследование функций выявляемости проведено для всех сварных швов н основных элементов КР с учетом возможного отклонения трещин от нормали к поверхности на ±5° для поисковой чувствительности от 20 мм2 до 80 мм2.

Для оценки допустимости дефектов на поверхности антикоррозионной наплавки предложена методика оценки глубины трещины по величине раскрытия в стояночном режиме. Методика базируется на использовании подходов механики разрушения и результатов расчета ОСН, полученных в данной работе. Расчет величины раскрытия выполнен для двух схем нагружения. Первая схема предполагает, что потенциально опасная трещина появилась в процессе эксплуатации, так что пластическая и упругая часть раскрытия определяются нагружением остаточными напряжениями, действующими в наплавке на стадии эксплуатации. Вторая схема предполагает, что эти трещины возникли уже на стадии изготовления. В этом случае пластическая часть раскрытия определяется ОСН, сформировавшимися после выполнения наплавки и отпуска, и термосиловыми нагрузками при сдаточных гидравлических испытаниях на прочность. Упругая часть раскрытия определяется остаточными напряжениями после гидравлических испытаний. Расчет раскрытия выполнен для трещин осевой и окружной ориентации в разных частях КР. Полученные результаты показали, что в большинстве элементов КР раскрытие потенциально опасных трещин более, чем в 5-10 раз, превышает чувствительность системы телевизионно-измерительного контроля. Это гарантирует выявление трещин и вполне достаточно для измерения их раскрытия. Исключение составляют только трещины осевой ориентации в галтели главных патрубков.

ДОПУСКАЕМЫЕ ДЕФЕКТЫ И ПЕРИОДИЧНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КОРПУСОВ РЕАКТОРОВ ВВЭР-1000 Несмотря на разнообразие вариантов- сочетаний временных зависимостей критической площади и усталостного подроста, практически в КР реализуется две ситуации: одна - в районе активной зоны, другая - в остальных частях корпуса.

В районе активной зоны наблюдается значительное монотонное уменьшение площади критического дефекта из-за радиационного охрупчивания корпусных материалов. Для выбранного расчетного момента

зоны (б); 1 — критический дефект; 2 - потенциально опасный дефект; 3 - допускаемый дефект.

В течении времени от начала эксплуатации до расчетного момента времени I площадь потенциально опасной трещины увеличивается от некоторой начальной т.е. Р(3,)>Р(81.]).. Примем, что в течение всего промежутка времени от нуля до расчетного момента площадь дефекта не должна превышать начальную площадь потенциально опасного дефекта Бо-Вероятность обнаружения потенциально опасного дефекта хотя бы 1 раз за

к контролей равна: Рк(5) = 1 — —Р(Б )] ■ Вероятность обнаружить

дефект площадью равна: Рк (80) = 1 - [1 - Р(80)]к. Поскольку Б.^о,

то Если система ЭНК обеспечит это с

запасом гарантирует обнаружение потенциально опасного дефекта. В этом случае размер трещины, допустимой по прочности, будет зависеть только от того, для какого срока эксплуатации прогнозируется безопасность, но не будет зависеть от того, где мы находимся внутри этого интервала времени при проведении текущего ЭНК. Тогда для периода эксплуатации от 0 до I площадь допускаемого дефекта можно принять равной где п -

коэффициент запаса. Отметим, что недопустимый дефект должен быть

обнаружен не позднее момента Поскольку падает по мере увеличения 1, то и [8] тоже будет уменьшаться. Соответственно, будет уменьшаться и вероятность обнаружения недопустимого дефекта при текущем ЭНК. Однако это в определенной степени должно компенсироваться увеличением числа выполненных контролен -

периодичность ЭНК.

Рассмотрим схему назначения допускаемого дефекта в остальных частях КР (рис. 106). Здесь радиационное охрупчивание отсутствует. Тепловое охрупчивание корпусной стали приводит к снижению в 2-3 раза. Этот эффект носит временный характер и проявляется только в первые годы эксплуатации. По истечении лет вязкость разрушения стали и 8 восстанавливаются почти до исходного уровня. Максимальный усталостный подрост дефектов за полный срок службы КР не превышает 30% от 8 . Таким образом, наименьшую площадь имеют те дефекты, которые являются потенциально опасными в первые несколько лет эксплуатации. Это означает, что практически наименьший потенциально опасный дефект должен быть найден при однократном контроле. Если это возможно, то любой потенциально опасный дефект будет найден и в более поздние сроки, т.е. при большем количестве контролей и большом размере дефекта. Это значит, что для всего заданного срока эксплуатации размер допускаемого дефекта можно принять одинаковым, т.к. использование зависимости допускаемой площади дефекта от времени не имеет практического смысла.

Пусть очередной ЭНК выполняется в момент 1. Тогда оценка состояния элемента по критерию сплошности при текущем ЭНК выполняется следующим образом. Пусть ни при одном контроле от входного до текущего включительно не был обнаружен дефект, превышающий [8]. При этом вероятность обнаружения дефекта $=[$] с учетом всех выполненных проверок сплошности обеспечивается на уровне не ниже заданного. В этом случае можно гарантировать следующее: на данном этапе эксплуатации с вероятностью не ниже заданной в данном элементе конструкции недопустимые дефекты отсутствуют. Если это условие выполняется во всех элементах КР, то он может быть допущен в дальнейшую эксплуатацию.

Рассмотрим результаты оценки вероятности обнаружения дефектов, равных допускаемым. Примем при назначении допускаемых дефектов коэффициент запаса, равный 2 для линейных размеров и 4 для площади дефекта.

Для наименьших по размерам потенциально опасных дефектов (дефекты под наплавкой в сварном шве в районе активной зоны в конце срока службы КР) при существующей схеме ЭНК вероятность обнаружения составляет около 40% при условии, что дефект благоприятно ориентирован. Для дефектов, отклоненных от нормали к поверхности на 5° в неблагоприятную сторону, вероятность обнаружения может быть ниже

10%. И это при том, что данный дефект в 2,5 раза превышает допускаемый по действующим сегодня правилам. Приведенная оценка свидетельствует о весьма низкой достоверности заключений, которые делаются в настоящее время порезультатам текущего ЭНК.

По результатам исследований был разработан ряд рекомендаций не только в части изменения размеров допускаемых дефектов, но и в части методики ЭНК и процедуры оценки результата (сканирование с разворотом системы на 180°, учет кратности контроля, изменение размеров допускаемого дефекта во времени и др.). С учетом этих рекомендаций

недопустимых дефектов с

можно гарантировать обнаружение вегюятшзстью не ниже 94% (см. пис. 11).

Ш

л- 96 &

о

Е 92

о.

з

84

Рис. П. Зависимость вероятности обнаружения дефекта от времени эксплуатации и периодичности контроля (трещина площадью 100 мм2 под наплавкой в районе активной зоны).

♦ ♦ ♦ - 1 раз в 4 года;

• * -1 раз в 8 лет, А А А - 1 раз в 12 лет.

I

_1_

I

40

10 20 30 время, годы

Такая гарантия обеспечивается, в том числе, для дефектов, отклоненных на от вертикали, на всем протяжении заданного срока службы и при увеличении периодичности ЭНК с 4 лет, как принято в настоящее время, до 8 лет. При введении дополнительного промежуточного контроля через первые 2-3 года эксплуатации можно гарантировать выявление недопустимых дефектов с вероятностью 96-97%, а при использовании модернизированной системы СК-187МБ - с вероятностью выше 99%. Такой же уровень выявляемости обеспечивается и для дефектов, расположенных в большинстве элементов КР в зоне, примыкающей к наплавке. Однако, такая благоприятная ситуация реализуется не везде. Для обнаружения дефектов осевой ориентации под наплавкой на галтели главных патрубков, а также дефектов, удаленных от наплавки и расположенных в элементах КР за пределами активной зоны, необходима модернизация самой системы СК-187.

Аналогичные трудности возникают при оценке допустимости трещин осевой ориентации на поверхности наплавки в галтели главных патрубков. В остальных случаях телевизионно-измерительный контроль позволяет надежно выявить и оценить опасность трещин по величине их раскрытия. Допускаемая протяженность этих дефектов может быть принята равной половине длины потенциально опасной трещины.

Основные результаты и выводы

1. Разработана концепция ЭНК, гарантирующая при каждом контроле достоверность заключения об отсутствии или наличии в оборудовании дефектов, недопустимых с позиций прочности и безопасности.

2. Показано, что целостность КР при наличии в нем дефектов гарантируется при исключении двух ситуаций: 1) появление дефекта в наплавке, который может развиваться по механизму коррозионного растрескивания; 2) появление дефекта в корпусной стали и металле сварных швов, который может инициировать хрупкое разрушение. Введены понятия расчетной критической ситуации, а также критического, потенциально опасного, допускаемого и расчетного дефектов.

3. Разработан подход, позволяющий схематизировать плоскими трещинами объемные и плоскостные, компактные и протяженные

. дефекты сварочного и эксплуатационного происхождения на основе анализа прочности и выявляемости.

4. Определен тип и контрольные параметры расчетных дефектов на поверхности наплавки, внутри стенки КР и на его наружной поверхности. Основными контрольными параметрами для трещин в наплавке является раскрытие на поверхности, для дефектов внутри стенки КР - эквивалентная площадь, для трещин на наружной поверхности КР - протяженность на поверхности.

5. Разработана методология расчета и определены ОСН, возникающие при сварке кольцевых швов и выполнении антикоррозионной наплавки, с учетом структурных превращений и процесса ползучести в корпусной стали и металле сварных швов, особенностей технологии изготовления сварных элементов и перераспределения остаточных напряжений в наплавке при эксплуатационном нагружении.

6. Разработана процедура расчета и определены размеры допускаемых дефектов в КР ВВЭР-1000 на стадии эксплуатации с .учетом расположения дефекта в КР, деградации свойств основного металла и металла сварных швов и развития дефектов под действием остаточных напряжений и рабочих термосиловых нагрузок.

7. Определены функции выявляемости дефектов для всех сварных швов и основных элементов КР для системы СК-187, применяемой для УЗК КР ВВЭР-1000 на стадии эксплуатации.

8. По результатам исследований разработаны нормы допускаемых дефектов для основного металла, металла сварных швов и антикоррозионной наплавки КР на стадии эксплуатации.

9. Разработана процедура расчета периодичности ЭНК основного металла и металла сварных соединений КР ВВЭР-1000 и обоснована возможность изменения периодичности ЭНК с 4 до 8 лет без снижения безопасности эксплуатации.

10. Разработаны рекомендации по корректировке схемы ЭНК и системы оценки результатов. Показано, что с учетом этих рекомендаций для дефектов, расположенных в районе активной зоны, а также для дефектов, расположенных под наплавкой в остальных элементах КР (кроме галтели главных патрубков) вероятность обнаружения недопустимых дефектов составит 96-97% в течение всего срока службы КР. При использовании модернизированной системы СК-187МБ вероятность обнаружения этих наиболее опасных дефектов превышает 99%.

11. По результатам работ Концерном "Росэнергоатом" принято решение о корректировке "Типовой программы эксплуатационного контроля за состоянием основного металла и сварных соединений оборудования и трубопроводов атомных электростанций с ВВЭР-1000" АТПЭ-9-97 в части норм допускаемых несплошностей, периодичности ЭНК, методики выполнения контроля и методики оценки состояния КР ВВЭР-1000 по результатам ЭНК.

Основные результаты опубликованы в следующих работах

1. Шахматов М.В., Ерофеев В.В., Петров С.А., Варовин А.Я., Тимофеев Б.Т. Исследование методом голографической интерферометрии деформаций сварных стыковых соединений теплоустойчивой стали 15Х2МФА в условиях нагрева//Автоматическая сварка №8, 1984, с. 710.

2. Браженас А.П., Варовин А.Я., Дундулис Р.К., Тимофеев Б.Т. Распределение деформаций при малоцикловом нагружении сварных соединений с неоднородными механическими свойствами и структуройУД' Всесоюзный симпозиум "Малоцикловая усталость -критерий разрушения и структура материалов", тезисы докладов и сообщений часть I. Волгоград, 1987, с. 148-151.

3. Варовин А.Я., Моисеева Н.Н., Поляков Е.И., Тимофеев Б.Т. Исследование термоциклической прочности пластины из стали марки 15Х2МФА с антикоррозионной наплавкой//Судостроительная промышленность, сер. Сварка, 1987, вып. 4, с. 6-10.

4. Варовин А.Я., Карзов Г. П. Особенности напряженного состояния в вершине трещины, находящейся на границе сплавления разнородных материалов//Материалы научно-технического семинара, ЛДНТП,1987.

5. Трощенко В.Т., Покровский В.В., Ярусевич В.Л., Ясний П.В., Тимофеев Б.Т., Захарченко В.В., Варовин А.Я. Исследование влияния температуры на трещиностойкость стали и сварного соединения//Проблемы прочности, 1988, № 2, с. 8-14.

6. Варовин А.Я., Карзов ГЛ., Тимофеев Б.Т., Чернаенко Т.А. Расчетная оценка напряженно-деформированного состояния и ресурса сварного узла корпуса аппарата//" Сварные конструкции", международная конференция, 24-28 сентября, тезисы докладов, Киев, ИЭС им. Е.О. Патона, 1990, с. 95-96.

7. Варовин А.Я., Марголин Б.З., Тимофеев Б.Т. Оценка пр'очности и ресурса- отремонтированного патрубка Ду-500//"Механическая усталость металлов", XI международный коллоквиум, 13-17 мая 1991, тезисы докладов, Киев, с. 67-68.

8. Варовин А.Я., Швецова В.А., Правдина Н.Н. Фрактура изломов и кинетика распространения трещин в аустенитных швах//Судостроительная промышленность, сер. Материаловедение: сварка, 1991, №12.

9. Марголин Б.З., Швецова В.А., Варовин А.Я. Предварительное сжатие материала как фактор смены механизма хрупкого разрушения ОЦК-металлов/,Проблемы прочности, 1996, № 4, с. 5-18.

10. Kostylev V.I., Margolin B.Z., Fedorova V.A, Varovin A. Y. Prevention of stress corrosion of the nozzles transition welds of the Novovoronezh unit '. \ reactor pressure vessel, Proc. IAEA Specialists Meeting on Erosion/Corrosion of NPP Components, Vladimir, Russia, 1999.

И. Варовин А.Я., Круглое Б.А., Марголин Б.З. "Новая концепция системы эксплуатационного неразрушающего контроля корпусов реакторов ВВЭР"//Труды VII международной конференции "Проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС", СПб, "Прометей", 2002, с. 204-227.

12. Kostylev V.I., Margolin B.Z., Varovin A.Y., Keim E. Investigation of residual stresses caused by welding, cladding and tempering of reactor pressure vessels, 2003 ASME pressure vessels and piping conference, July 20-24,2003, Cleveland, Ohio, USA, PVP-Vol. 464, pp.3-10.

13. Марголин Б.З., Варовин А.Я., Костылев В.И. Исследование остаточных напряжений в корпусах реакторов типа ВВЭР, вызванных сваркой, наплавкой и отпуском//Научно-технические ведомости СПбГТУ, №3, 2003, с. 193-201.

14. Варовин А.Я., Круглое Б.А., Марголин Б.З. и др. Новая концепция системы эксплуатационного неразрушающего контроля корпусов реакторов ВВЭР//Ш научно-технической конференции "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР", тезисы докладов, 26-30 мая, 2003, Подольск, ФГУП ОКБ "Гидропресс", с. 17-19.

¿"7 93 9

Подписано в печать 23.03.04 Формат 60x84 1/16 Печать - офсетная. Усл. п. л. 1,4. Уч.-изд. л. 1,0 Тираж 70 экз. Заказ 2/30

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