Механизмы старения материалов основных деталей арматуры АЭС | ПО РЕМАРМ: Технологии, оборудование, приборы для производства и ремонта трубопроводной арматуры и трубопроводов

Апр 28, 2025

Механизмы старения материалов основных деталей арматуры устанавливают на базе анализа НД, КД, ЭД, а также эффектов проявления механизмов старения в процессе эксплуатации, в том числе и по данным контроля металла:

• выявляются и анализируются повреждающие факторы и механизмы старения составных частей арматуры;

• определяются «критичные» детали с точки зрения ресурса арматуры и безопасности энергоблока, их доминирующие механизмы старения;

• устанавливаются определяющие параметры старения (технического состояния) и критерии и признаки предельного состояния.

На основании анализа результатов технического освидетельствования, дефектации, контроля металла должна быть установлена значимость влияния этих процессов на деградацию арматуры и составных частей. Уровень значимости различается на основе следующих определений воздействий механизма старения на арматуру и ее составные части:

• низкий (Н) — со скоростями изменения параметров, характеризующих техническое состояние, приводящими к выработке их ресурса за период времени, существенно превышающий срок службы энергоблока;

• средний (С) — приводящий к выработке ресурса за период времени, соизмеримый со сроком службы энергоблока;

• высокий (В) — приводящий к выработке ресурса за период времени, существенно меньший срока службы энергоблока.

В табл. 1 приведены ориентировочные оценки значимости процессов старения для деталей и сборочных единиц арматуры. Результаты определения механизмов старения используются при составлении карт дефектов, картограмм контроля металла. В первую очередь механизмы старения устанавливаются для деталей арматуры, являющихся границами по отношению к внешней среде и рабочей среде.

Таблица 1. Ориентировочная оценка процессов старения деталей и сборочных единиц арматуры

Наименование детали	Механизмы старения деталей и узлов арматуры
Наименование детали	Терми- ческое старе- ние	Усталость мало- и много- цикловая, терми- ческая	Коррозион- ная усталость	Коррозион- ное растрески- вание под напряже- нием	Меж- криста- литное раст- рески- вание	Общая корро- зия	Локаль- ная корро- зия	Эрозионно- коррозион- ный износ	Наводо- ражива- ние	Износ	Пласти- ческая дефор- мация
Крышка:
- основной металл;	Н	Н, С	Н	Н, С	Н	С, В	Н, С	С, В	Н	Н	Н
- верхнее уплотнение;	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	С	Н
- уплотнительная поверхность фланца	H	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н
Корпус:	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	С, В	Н	Н	Н
- основной металл;	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н, С	Н	Н	Н
- уплотнительные кольца седла;	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н
- уплотнительная поверхность фланца	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н
Шпиндель, шток:	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	С, В	Н
- основной металл;	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	С, В	Н
- резьбовая часть;	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	С, В	Н
- зона сальникового уплотнения;	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н, С	Н	Н	С, В	Н
- зона верхнего уплотнения	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	С
Тарелка, золотник:	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	С
- основной металл;	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	С
- наплавка;	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н, С	Н	Н	С
- байонетное соединение	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	С
Крепеж:	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	С
- основной металл;	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	С
- резьбовая часть	Н	Н, С	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	С

В табл. 2 даны рекомендуемые методы неразрушающего контроля основных деталей, сварных соединений и наплавок арматуры АЭС [1].

Таблица 2. Методы неразрушающего контроля основных деталей, сварных соединений и наплавок арматуры

Основные детали, узлы	Класс и группа арматуры по ОТТ
Основные детали, узлы	1А	2ВIIа 2ВIIв	2ВIIIа 2ВIIIв 2ВIIIс	3СIIIа 3СIIIв 3СIIIс
1. Корпус, крышка
1.1 Наружные стенки корпуса, крышки в местах радиусных переходов к патрубкам и патрубки	ВК, КК	ВК, КК	ВК	ВК
1.2 Толщины стенок корпусных деталей и патрубков	ИК, УЗТ	ИК, УЗТ	ИК	ИК
1.3 Сварные швы	ВК УЗК, РК КК	ВК УЗК, РК КК	ВК, КК	ВК
2. Уплотнительные поверхности клиньев, золотников, седел корпусов	ВК, КК	ВК, КК	ВК, КК	ВК, КК
3. Сильфонные сборки	ВК, ИК ГИ, ГК	ВК ГИ, ГК	ВК, КК ГИ	ВК, КК ГИ
4. Крепежные детали:
- шпильки	ВК, ИК КК, УЗК	ВК, ИК КК	ВК, ИК	ВК
- гайки	ВК, ИК	ВК, ИК	ВК, ИК	ВК
5. Шпиндели, штоки
5.1. Цилиндрическая поверхность	ВК, ИК КК	ВК, ИК КК	ВК, ИК	ВК
5.2. Ходовая резьба	ВК, ИК	ВК, ИК	ВК, ИК	ВК, ИК
6. Втулка резьбовая	ВК, ИК	ВК, ИК	ВК, ИК	ВК, ИК

Условные обозначения, принятые в табл. 2:

КК — капиллярный контроль;

УЗК — ультразвуковой контроль;

УЗТ — ультразвуковая толщинометрия;

РК — радиографический контроль, если корпусные детали или сварные швы подвергались ранее ремонту сваркой;

ВК — визуальный контроль;

ИК — измерительный контроль;

ГИ — гидравлические (пневматические) испытания;

ГК — контроль гелиевым течеискателем, проводится при необходимости, по решению комиссии для определения сплошности сильфонной сборки.

Механизмы износа уплотнительных поверхностей деталей арматуры. Детали арматуры могут подвергаться различным видам изнашивания [2].

Механическое изнашивание происходит в результате взаимного трения деталей, например, уплотнительных колец клина и седла корпуса задвижек, шпинделя и ходовой гайки в их резьбовом соединении, валов в подшипниках скольжения и т.п. Степень изменений геометрических параметров деталей в результате механического изнашивания (износ) зависит от действующих сил, прочности и твердости металла деталей, числа циклов срабатывания арматуры, износостойкости трущихся поверхностей. Решающую роль при механическом изнашивании могут играть процессы:

• окислительные, происходящие в поверхностном слое металла (окислительное изнашивание);

• микрорезания абразивными частицами (абразивное изнашивание);

• усталостные на поверхности металла зубчатых колес и шарикоподшипников (усталостное изнашивание);

• схватывания металла, смятия микронеровностей и др.

Увеличение срока службы деталей при механическом изнашивании достигается повышением износостойкости материала, которое обеспечивается главным образом путем повышения твердости поверхности металла. Для этой цели применяются: объемная закалка, поверхностная закалка токами высокой частоты, химико-термическая обработка поверхности в виде цементации, азотирования, диффузионного хромирования, алитирования и борирования. В ряде случаев достаточно электролитического хромирования поверхности.

Эрозионному изнашиванию подвергаются детали арматуры, осуществляющие дросселирование жидкости: плунжеры и седла дросселирующих и регулирующих клапанов. Износ при эрозионном изнашивании зависит от режима дросселирования жидкости, продолжительности его воздействия на деталь и свойств материала детали. Увеличение срока службы деталей при эрозионном изнашивании достигается изменением режимов работы арматуры: уменьшением скорости среды в дросселирующем сечении путем снижения перепада давлений, применением ступенчатого (каскадного) дросселирования, увеличением сечения отверстий для прохода среды, применением эрозионно-стойких материалов.

Тепловое изнашивание, или тепловое старение материала — структурные превращения, возникающие в материалах при нагревании. Наиболее характерным, например, является старение резины, в результате чего она теряет эластичность, становится хрупкой и ломкой. Сальниковая набивка под действием высокой температуры и давления выгорает и твердеет.

Химическое изнашивание происходит в результате коррозии — химического воздействия рабочих сред на материал деталей арматуры. В результате образуются химические соединения с низкими механическими свойствами, которые разрушаются под действием силовых нагрузок или вымываются рабочей средой. В конденсате и питательной воде АЭС могут быть растворены соли и газообразные вещества: кислород воздуха, углекислота, азот, аммиак, водород, радиолитический кислород, радиоактивные благородные газы (РБГ) — ксенон, криптон, аргон и др. Однако коррозию металла оборудования вызывают лишь растворы солей, кислород и углекислота. Для удаления солей питательную воду обессоливают, а для удаления коррозионно-активных газов воду деаэрируют химически или термически. Основным методом является термическая деаэрация, заключающаяся в нагреве воды до температуры кипения. Несмотря на обессоливание и деаэрацию, в воде остается некоторое количество веществ, которые вызывают коррозию металлов, в результате образуются оксиды, оседающие на стенках оборудования, в том числе и на арматуре. В 1 контуре оксиды, проходя активную зону реактора, приобретают радиоактивные свойства. Вода проявляет активное коррозионное действие: уже через 2 часа пребывания стали в воде на поверхности металла можно обнаружить следы коррозии.

Коррозия может проявляться в различных видах: общая (всей поверхности металла); трещины (растрескивание стали); щелевая, межкристаллитная, питтинговая (язвенная, точечная) и другие (ножевая, эрозионная, селективное вытравливание). Для арматуры АЭС наибольшую опасность представляет коррозионное растрескивание стали, возникающее при одновременном воздействии среды и механических напряжений, в том числе остаточных, например, созданных после сварки или термообработки. Наиболее подвержены коррозионному растрескиванию высокопрочные стали и сплавы: трещины могут развиваться между кристаллическими зернами (межкристаллитная коррозия) или пересекая зерна (транскристаллитная).

Можно выделить электрохимическую коррозию, возникающую при соприкосновении деталей с разными электрическими потенциалами. Наиболее часто она действует в местах уплотнений запорных органов и сальниковых уплотнений. Наличие влаги в набивке, оставшейся после гидравлического испытания арматуры или в результате поглощения набивкой влаги и кислорода воздуха при длительном хранении арматуры, создает условия для электрохимической коррозии шпинделя. Во избежание этого явления потенциал металла должен быть более положительным, чем потенциал набивки. Определить разность электродных потенциалов между набивкой и металлом шпинделя можно при лабораторных испытаниях.

Срок службы деталей при химическом изнашивании можно увеличить, используя легированные коррозионно-стойкие стали, применяя коррозионно-стойкие металлические и неметаллические защитные покрытия, в том числе пассивируя поверхности деталей, применяя электрохимическую защиту (катодную — «минус» на детали) или создавая пассивную анодную пленку (анодная защита — «Плюс» на детали).

Перечисленные механическое, эрозионное, тепловое и химическое изнашивания при известных условиях могут действовать одновременно, что ускоряет выход из строя деталей. Так как в процессе эксплуатации арматуры процессы изнашивания деталей происходят непрерывно, то для обнаружения возможных неисправностей необходимо наблюдение за ее техническим состоянием. Наиболее тщательный контроль необходим для деталей сальникового узла запорного органа и ходового узла, а также фланцевых или резьбовых соединений крышки с корпусом и корпуса с трубопроводом.

С течением времени сальниковая набивка приходит в негодность и требуется ее замена. При утечках коррозионной среды поверхность шпинделя в сальниковом узле также приходит в негодность. В запорном органе уплотнительные кольца подвергаются механическому изнашиванию, эрозии, коррозии, что приводит к потере герметичности запорного органа. В ходовом узле изнашиваются поверхности резьбы шпинделя и гайки. Под действием температуры может происходить коробление уплотнительных поверхностей соединения крышки с корпусом и корпуса с трубопроводом, между которыми обычно устанавливается прокладка; в результате нарушается герметичность соединения. При действии теплосмен в прокладке периодически происходят сжатие, пластические деформации, уплотнение материала, после чего упругие свойства материала прокладки ухудшаются и она не в состоянии обеспечивать герметичность. Этому при утечках может способствовать и коррозионное действие среды. Резиновые прокладки стечением времени твердеют. Изнашиваются детали электропривода, пневмопривода; контакты электроаппаратуры подвергаются электроэрозионному разрушению.

Принятые сокращения:

НД — нормативная документация

КД — конструкторская документация

ЭД — эксплуатационная документация

ЛИТЕРАТУРА:

1. РД ЭО 1.1.2.01.0190-2010. Положение по оценке технического состояния и остаточного ресурса трубопроводной арматуры энергоблоков атомных станций. 2010.

2. Гуревич Д.Ф., Ширяв В.В., Пайкин И.Х. Арматура атомных электростанций. М: Энергоиздат, 1982, 312 с.