Мар 28, 2025
Анализ механизмов старения диагностируемой арматуры АЭС. Общие положения. Основными требованиями, предъявляемыми к деталям арматуры, являются прочность и долговечность, поэтому другие материалы, хотя и более дешевые, но менее надежные, чем стали, на АЭС, как правило, не применяются. Обычно материал корпусных деталей арматуры соответствует материалу трубопровода, на котором она устанавливается, поскольку основные требования к ним совпадают. Однако могут быть и исключения, например, для арматуры вспомогательных трубопроводов [1].
Арматура, предназначенная для радиоактивных теплоносителей, изготовляется из сталей, коррозионно-стойких в промывочных и дезактивирующих растворах. Одним из наиболее важных факторов, определяющих условия работы и выбор материала деталей арматуры, является температура. По ГОСТ 356 стали сгруппированы в девять групп, каждая имеет свою градацию температур в соответствии с изменениями механических свойств по мере повышения рабочей температуры среды. В табл. 1 приведены предельные температуры для некоторых конструкционных материалов, применяемых в арматуре АЭС.
Таблица 1. Предельные температуры для конструкционных материалов
|
Материал
|
Область применения
|
Максимальная рабочая температура, °С
|
|
Аустенитная коррозионностойкая сталь
|
Трубопроводы и арматура первых контуров
|
600
|
|
Перлитная низколегированная сталь
|
Паропроводы и арматура перегретого пара одноконтурных реакторных установок
|
500
|
|
Углеродистая сталь
|
Паропроводы насыщенного пара одно- и двухконтурных реакторных установок, трубопроводы конденсатно-питательного тракта, арматура
|
350
|
|
Титановые сплавы
|
Арматура систем химических реагентов
|
250
|
Трубопроводы и арматура первого контура обычно изготавливаются из коррозионно-стойких сталей, что диктуется требованиями снизить до минимума количество продуктов коррозии в теплоносителе, а трубопроводы и арматура второго контура с водяным теплоносителем — из углеродистых или низколегированных сталей перлитного класса, так как параметры среды допускают применение этих сталей.
Исследования и опыт эксплуатации установок показали, что коррозионная стойкость углеродистых сталей при обеспечении чистоты кислородсодержащей воды может считаться вполне приемлемой. В потоке обессоленной воды, содержащей растворенный кислород при концентрации 0,1—10 мг/кг, углеродистая сталь заметно корродирует лишь первые 250—400 ч, проникая на глубину до 0,8 мкм. При этом на стенке образуется окисная плотная и прочная пленка, препятствующая дальнейшей коррозии. Это свойство проявляется во всем интервале рабочих температур воды и насыщенного пара, начиная от комнатной температуры.
Для оценки прочности материалов используется целый комплекс механических характеристик. При выборе стали и других конструкционных материалов должны также учитываться их технологические свойства: литейные качества, свариваемость, обрабатываемость резанием, возможность применения ковки и горячей штамповки, а также термического и химико-термического упрочнения поверхности детали (закалки, цементации, азотирования и пр.), притираемость. При оценке эксплуатационно-физических характеристик учитываются следующие свойства материалов: коррозионная стойкость, износостойкость, кавитационно-эрозионная стойкость, отсутствие схватываемости (холодной адгезии) и задиров между сопрягаемыми поверхностями в рабочей среде, а в некоторых случаях — присутствие (или отсутствие) легирующих элементов или компонентов сплава с интенсивной степенью вторичной радиоактивности и большим временем полураспада изотопов.
В соответствии с ОТТ [2] материалы, применяемые для изготовления корпусных деталей арматуры (подлежащих соединению с трубопроводами), должны обладать хорошей свариваемостью, а также иметь характеристики прочности и пластичности, обеспечивающие надежную и долговечную работу оборудования в заданных условиях с учетом изменения свойств металла под действием радиоактивного облучения и температуры рабочей среды.
ОТТ обуславливают применение материалов в пределах температур, указанных табл. 1. В отдельных случаях допускается применение материалов для работы при повышенных параметрах, а также новых материалов на основании совместного согласованного с Ростехнадзором решения проектной и материаловедческой организаций, завода-изготовителя конструкции (монтажной или ремонтной организации). В этих случаях должны быть представлены данные о физических, коррозионных и технологических свойствах (включая свариваемость и режимы термообработки), а также необходимые данные о механических свойствах при температуре 20 °С и рабочих температурах (пределе прочности при разрыве, пределе текучести, относительном удлинении, относительном сужении, характеристиках ползучести, длительной прочности, длительной пластичности, сопротивлении циклическому и хрупкому разрушению). Для стали аустенитного класса должны быть, кроме того, представлены данные по стойкости к межкристаллитной коррозии.
Качество и свойства материалов и полуфабрикатов должны удовлетворять требованиям соответствующих стандартов и технических условий и быть подтверждены сертификатами заводов-поставщиков. В сертификате должен быть указан также режим термообработки, которому был подвергнут полуфабрикат на заводе-поставщике.
Завод — изготовитель арматуры должен осуществлять входной контроль качества материалов и полуфабрикатов, поступающих для изготовления арматуры, по номенклатуре и в объеме, устанавливаемом в технических условиях на изготовление арматуры.
Материалы и полуфабрикаты из стали аустенитного класса подлежат проверке на склонность к межкристаллитной коррозии.
На материалы и полуфабрикаты, предназначенные для изготовления, монтажа и ремонта арматуры, наносится маркировка, которая должна оставаться до полного изготовления изделия. Материалы маркируются любым способом, не влияющим на работоспособность детали. Маркировка должна позволять определить марку материала и номер плавки (садки).
По результатам ультразвукового контроля заготовки разбраковываются следующим образом.
• не допускаются протяженные дефекты и участки, в которых при рабочей чувствительности пропадает донный эффект (при контроле нормальным искателем);
• для сталей марок 08Х18Н10Т, ХНЗ5ВТ, 14Х17Н2 нормы разбраковки зависят от толщины заготовки. При толщине заготовки до 100 мм включительно фиксируются дефекты эквивалентной площадью более 15 мм2 на любом квадратном участке площадью 100 см2. Сумма эквивалентных площадей всех зафиксированных дефектов не должна превышать 50 мм2. При толщине заготовки 100—200 мм фиксации подлежат дефекты эквивалентной площадью более 10 мм2. Точечные дефекты эквивалентной площадью более 20 мм2 не допускаются. На любом квадратном участке поверхности площадью 200 см2 сумма эквивалентных площадей всех зафиксированных дефектов не должна превышать 100 мм2, при этом число точечных дефектов эквивалентной площадью 15— 20 мм2 не должно быть более трех. На любом квадратном участке детали площадью 1 м2 сумма эквивалентных площадей всех зафиксированных точечных дефектов не должна превышать 300 мм2;
• при толщине заготовки 250—400 мм фиксации подлежат дефекты эквивалентной площадью более 10 мм2, точечные дефекты эквивалентной площадью более 30 мм2 не допускаются. На любом квадратном участке поверхности площадью 300 см2 сумма эквивалентных площадей всех зафиксированных точечных дефектов не должна превышать 200 мм2, при этом число точечных дефектов эквивалентной площадью 25—30 мм2 не должно быть более трех. На любом квадратном участке детали площадью 1 м2 сумма эквивалентных площадей всех зафиксированных точечных дефектов не должна превышать 400 мм2.
В связи с непрерывным совершенствованием процессов, выполняемых на АЭС, и повышением требований, предъявляемых к арматуре, для деталей оборудования АЭС разрабатываются и используются новые материалы, в том числе и для деталей арматуры. В целях обеспечения надежности предъявляется определенный комплекс требований в отношении прочностных характеристик.
Для новых материалов определяются следующие характеристики механических свойств в пределах температур, для которых рекомендуется этот материал: временное сопротивление разрыву σв, (предел прочности), предел текучести σт, относительное удлинение δ, относительное сужение ψ, относительное равномерное сужение, ползучесть, длительная прочность (для циклически нагруженных элементов), критическая температура хрупкости (по данным испытаний образцов типа IV по ГОСТ 6996 и ГОСТ 9454), сдвиг критической температуры хрупкости в результате старения и циклической усталости, длительная пластичность и др. Количество указанных характеристик устанавливается для каждого материала в зависимости от рекомендуемых температур и условий его эксплуатации. Механические свойства, определяемые первыми четырьмя из перечисленных характеристик ( σв, σт, δ, ψ соответственно), должны быть исследованы в температурном интервале от 20° С до температуры, не менее чем на 50° С превышающей максимальную рекомендуемую рабочую температуру. Ударная вязкость а, должна быть исследована в интервале от критической температуры хрупкости материала до температуры, указанной выше.
Материалы, предназначенные для работы при высоких температурах, должны иметь экспериментальные данные о ползучести и длительной прочности, позволяющие осуществлять экстраполяцию кривых до 100000 ч.
На свариваемые материалы должны быть представлены данные, характеризующие свойства выполненных по рекомендуемой технологии сварных соединений. Сварные соединения подвергаются тем же испытаниям и исследованиям, что и основной материал. Испытания механических свойств сварных соединений следует производить в соответствии с требованиями ГОСТ 6996.
Должны быть представлены также сведения о физико-механических свойствах материалов: модуле упругости при различных температурах, среднем коэффициенте теплового расширения и коэффициенте теплопроводности при соответствующих температурах.
В табл. 2 приведены марки стали и сплавов, рекомендуемые для энергетической арматуры АЭС.
Таблица 2. Материалы, рекомендуемые для арматуры АЭС
|
Теплоноситель
|
Материал
|
||||
|
Среда
|
Рабочее давление, МПа
|
Рабочая температура, °С, не более
|
Корпусные детали
|
Шпиндели, штоки, плунжеры, золотники
|
Наплавка уплотнительных колец
|
|
Пар, техническая вода
|
6,4
|
350
|
20; 20Л-III;
25Л-II;
25Л-III;
22к
|
35, 20Х13
|
ЦН-6;
ЦН-6Л;
ЦН-6М;
ЦН-12М
|
|
Дистиллят, пароводная смесь, азот, воздух,
дистиллят с примесью борной кислоты до 35 мг/л
|
10,0
|
510
|
20ХМЛ
|
ХНЗ5ВТ**
|
—
|
|
22,5
|
565
|
12Х1МФ
|
ХНЗ5ВТ**
|
—
|
|
|
23,0
|
600
|
10Х18Н9ТЛ*
08Х18Н10Т*
|
08Х18Н10Т*
ХНЗ5ВТ**
|
В3К
|
|
|
22,5
|
350
|
10Х18 Н9ТЛ
08Х18Н10Т
10Х18Н12М2ТЛ
|
08Х18Н10Т
ХНЗ5ВТ**
10Х17Н13М2Т
|
В3К;
ЦН-6;
ЦН-6Л;
ЦН-6М;
ЦН-12М
|
|
|
Гелий
|
10,0
|
600
|
12Х18Н9Т
08Х18Н10Т
|
12Х18Н9Т
08Х18Н10Т
ХНЗ5ВТ**
|
В3К
|
|
12,0
|
750
|
ХН60В
ХН70ВМЮТ
|
ХН60В
ХН70ВМЮТ
|
—
|
|
* Для сварных деталей пригодны при рабочей температуре среды не выше 350° С.
** При применении для штоков и шпинделей рекомендуется упрочнение, например, азотирование.
Принятые сокращения:
ОТТ - НП-068-05. Трубопроводная арматура. Общие технические требования
ЛИТЕРАТУРА:
1. Гуревич Д.Ф., Ширяв В.В., Пайкин И.Х. Арматура атомных электростанций. М: Энергоиздат, 1982, 312 с.
2. НП-068-05. Трубопроводная арматура для атомных станций. Общие технические требования. 2005.