Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ повреждаемости трубопроводов из стали марки 08Х18Н10Т реакторных установок типа РБМК и BWR 12
1.1. Анализ опыта эксплуатации трубопроводов АЭС и проявление склонности сварных соединений к межкристаллитному растрескиванию 12
1.2. Доминирующие факторы, определяющие склонность к растрескиванию сварных соединений аустенитных трубопроводов 17
1.3. Анализ выявленных закономерностей сенсибилизации металла сварных соединений трубопроводов из стали 08Х18Н10Т 22
1.3.1. Установление основных закономерностей сенсибилизации аустенитных коррозионностойких сталей типа Х18Н10Т 22
1.3.1.1. Влияние технологических процессов сварки на сенсибилизацию металла сварного соединения. Распределение температурных полей при сварке и условия нагружения сварных соединений трубопроводов Ду300 23
1.3.1.2. Распределение сенсибилизации вдоль линии сплавления дефектных сварных швов трубопроводов Ду300 Ленинградской АЭС 33
1.4. Связь сенсибилизации и проявления склонности сварных соединений к межкристаллитному растрескиванию 35
1.4.1. Расчетные зависимости скорости роста трещины от степени сенсибилизации металла 35
1.4.2. Результаты экспериментальных исследований кинетики трещин на металле околошовной зоны сварных соединений трубопроводов при постоянной нагрузке 36
1.4.3. Нормативные оценки скорости роста трещин в сталях типа Х18Н10Т 38
1.5. Анализ методов оценки сенсибилизации металла сварных соединений. Практика применения метода потенциодинамической реактивации 39
1.6. Анализ данных зарубежных и отечественных исследований по определению критической степени сенсибилизации 44
1.7. Практика применения метода потенциодинамической реактивации для оценки стойкости против межкристаллитного растрескивания под напряжением 48
1.8. Анализ существующих в России и за рубежом измерительных средств, позволяющих применять метод ПДР и обоснование разработки нового оборудования для оценки степени сенсибилизации 55
Выводы по главе 1 60
2. Разработка оборудования для оценки степени сенсибилизации и проведение исследований по влиянию сенсибилизации на механические характеристики металла сварных соединений аустенитных трубопроводов 62
2.1. Разработка оборудования для оценки степени сенсибилизации и стойкости против коррозионного растрескивания аустенитных хромоникелевых сталей 62
2.2. Результаты исследований по влиянию сенсибилизации на служебные характеристики металла сварных соединений аустенитных трубопроводов 65
2.2.1. Исследование изменений механических свойств основного металла и металла сварных соединений трубопроводов и коллекторов Ду300 от степени сенсибилизации, параметров среды и скорости деформирования 67
2.2.1.1. Подготовка образцов с различной степенью сенсибилизации для проведения испытаний с постоянной скоростью деформирования 67
2.2.1.2. Проведение испытаний и анализ диаграмм деформирования образцов с различными степенями сенсибилизации металла, полученных в среде теплоносителя при нагружении с постоянной скоростью деформирования 74
2.2.2. Построение зависимостей изменения механических характеристик металла околошовной зоны сварных соединений от степени сенсибилизации, параметров среды и скорости деформирования 86
2.2.3. Анализ влияния степени сенсибилизации на механические характеристики при нагружении в среде теплоносителя реактора РБМК 96
2.2.4. Исследования основных закономерностей распределения сенсибилизации вдоль линии сплавления сварного соединения 100
2.2.5. Статистический анализ и оценка скорости подроста трещины в околошовной зоне сварного соединения трубопровода 107
Выводы по главе 2 117
3. Разработка и верификация методики оценки сенсибилизации и стойкости стали марки 08Х18Н10Т против МКР в производственных условиях 120
3.1. Разработка эталонных образцов с различными степенями сенсибилизации 120
3.1.1. Выбор режимов термообработки для получения образцов с заданными уровнями сенсибилизации 120
3.1.2. Разработка технологии изготовления образцов с заданными степенями сенсибилизации 122
3.1.3. Верификация эталонных образцов с помощью арбитражных методов 126
3.2. Исследования влияния температуры на достоверность измерений степени сенсибилизации 128
3.3. Определение зависимости результатов измерений степени сенсибилизации образцов-эталонов от температуры 134
3.4. Совершенствование методики оценки склонности к межкристаллитному растрескиванию сварных соединений трубопроводов реакторов РБМК 135
Выводы по главе 3 137
4. Использование метода ПДР при сопровождении эксплуатации аустенитных трубопроводов реакторов РБМК 138
4.1. Анализ компенсирующих методов для предотвращения межкристаллитного растрескивания 138
4.2. Экспериментальная проверка эффективности технологии высокотемпературной термической обработки сварных соединений трубопроводов 143
4.3. Внедрение метода ПДР как средства эксплуатационного контроля эффективности проведения аустенизации сварных соединений трубопроводов Ленинградской АЭС 167
Выводы по главе 4 173
Выводы 175
Список сокращений и условных обозначений 178
Библиографический список 184
Приложение А. Сертификат об утверждении типа средств измерений преобразователей измерительных «САХС» 191
Приложение Б. Акт приемки передачи прибора для определения степени сенсибилизации основного металла и металла сварных соединений аустенитных трубопроводов «САХС» 193
Приложение В. Акт внедрения результатов диссертационной работы 195
- Влияние технологических процессов сварки на сенсибилизацию металла сварного соединения. Распределение температурных полей при сварке и условия нагружения сварных соединений трубопроводов Ду300
- Проведение испытаний и анализ диаграмм деформирования образцов с различными степенями сенсибилизации металла, полученных в среде теплоносителя при нагружении с постоянной скоростью деформирования
- Исследования влияния температуры на достоверность измерений степени сенсибилизации
- Внедрение метода ПДР как средства эксплуатационного контроля эффективности проведения аустенизации сварных соединений трубопроводов Ленинградской АЭС
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Основным конструкционным материалом, используемым в атомном
машиностроении для систем трубопроводов первого контура, является
коррозионностойкая сталь марки 08Х18Н10Т. Применение этой стали обусловлено
ее высокой коррозионной стойкостью, технологичностью и широкой номенклатурой
проката, освоенной промышленностью. Однако, при эксплуатации трубопроводов
из стали 08Х18Н10Т одноконтурных АЭС с реакторными установками (РУ) РБМК
имели место случаи повреждений, вызванные образованием и распространением в
околошовной зоне (ОШЗ) сварных соединений коррозионных трещин
межкристаллитного характера.
Аналогичные дефекты были обнаружены на оборудовании и трубопроводах зарубежных водо-водяных реакторов, выполненных из стабилизированных коррозионностойких сталей AISI 321 и AISI 347, а также нестабилизированной стали AISI 304.
Исследования показали, что такие повреждения вызваны проявлением склонности отдельных участков сварных соединений к межкристаллитному коррозионному растрескиванию под напряжением (МКР), основной причиной которого является сенсибилизация материала под действием процесса сварки. Под сенсибилизацией понимают выделение карбидов хрома по границам зерен, приводящее к снижению содержания хрома в твердом растворе в приграничных областях и к снижению коррозионной стойкости этих областей в целом. Разрушения происходят при одновременном воздействии коррозионно-активной среды, высоких рабочих и технологических остаточных сварочных растягивающих напряжений от термического воздействия на металл при сварке или нарушений технологического цикла при изготовлении полуфабриката еще в заводских условиях.
Для систем трубопроводов, находящихся в эксплуатации, снижение степени
сенсибилизации металла и, соответственно, склонности к растрескиванию сварных
соединений аустенитных трубопроводов достигается проведением
компенсирующих мероприятий, направленных на снижение до безопасных уровней сенсибилизации металла, наиболее технологичным из которых является аустенизация - высокотемпературная термическая обработка с использованием индукционного нагрева (ВТТО). Однако верификация применения данной технологии ограничивается отсутствием эффективных методов и средств контроля степени сенсибилизации.
В результате исследований установлено, что склонность сварных соединений к
коррозионному растрескиванию под напряжением может проявляться при
достаточно низких степенях сенсибилизации, порядка 1%, поэтому основной
задачей таких методов должна быть количественная оценка низких уровней
сенсибилизации и возможность ее определения как в лабораторных, так и в
производственных условиях на самом изделии неразрушающим способом. До
настоящего времени использование таких методов в производственных условиях
ограничивалось отсутствием эффективных средств измерения степени
сенсибилизации металла.
В настоящей работе сформулированы критерии и разработана процедура
внедрения метода оценки уровня сенсибилизации аустенитных сталей,
2
позволяющие проводить контроль оборудования и трубопроводов при
эксплуатации, а также оценить качество аустенизации сварных соединений трубопроводов, находящихся в эксплуатации. Для проведения расчетных оценок остаточного ресурса сварных соединений трубопроводов экспериментально получены расчетные скорости роста трещин, развивающихся по механизму межкристаллитного коррозионного растрескивания под напряжением.
Таким образом, актуальность диссертационной работы заключается в решении важной научно-технической задачи – обеспечении ресурса трубопроводов Ду300 контура многократной принудительной циркуляции (КМПЦ) реакторов РБМК-1000 при продлении их срока службы до 45 лет.
Цель и задачи.
Целью диссертационной работы являлись:
совершенствование метода потенциодинамической реактивации (ПДР) для экспресс оценки степени сенсибилизации металла трубопроводов из стали марки 08Х18Н10Т;
определение закономерностей инициирования и развития дефектов сварных соединений трубопроводов Ду300 реакторов РБМК-1000;
- разработка процедуры верификации и контроля качества технологии
высокотемпературной термической обработки сварных соединений трубопроводов.
Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:
- определены закономерности сенсибилизации металла околошовной зоны
сварных соединений и механизмы инициирования и развития дефектов сварных
соединений трубопроводов Ду300;
- разработан и внедрен комплекс для оценки степени сенсибилизации стали
марки 08Х18Н10Т;
были проведены исследования и построены зависимости по влиянию степени сенсибилизации на механические характеристики металла околошовной зоны сварных соединений трубопроводов Ду300 в среде теплоносителя РБМК;
получены расчетные оценки скорости роста трещин в зависимости от степени сенсибилизации металла околошовной зоны и характера ее распределения вдоль линии сплавления сварного соединения;
разработана методика оценки степени сенсибилизации металла сварных соединений трубопроводов из стали 08Х18Н10Т на стадиях ремонта и эксплуатации на базе разработанных и внедренных технических средств;
верифицирована и внедрена технология термической обработки сварных соединений трубопроводов Ду300 для обеспечения безопасной эксплуатации на проектный и продленный срок службы.
Научная новизна.
На базе исследований по оценке сенсибилизации металла определены технические требования, разработан и внедрен диагностический комплекс «САХС» для оценки степени сенсибилизации стали марки 08Х18Н10Т методом потенциодинамической реактивации.
Получены зависимости по влиянию сенсибилизации на механические свойства металла околошовной зоны сварных соединений трубопроводов в среде теплоносителя реакторов РБМК. На базе лабораторных исследований образцов определено пороговое значение степени сенсибилизации металла КПДР = 3%, ниже
3 которого отсутствует влияние сенсибилизации на механические характеристики прочности и пластичности металла при нагружении в среде теплоносителя с различной скоростью деформирования. В то же время на исследованных натурных сварных соединениях с трещинами были зафиксированы значения степени сенсибилизации металла в диапазоне 1 % КПДР 3 %. Поэтому, для оценки целостности элементов трубопроводов введен коэффициент запаса, учитывающий масштабный фактор и реальную шероховатость поверхности, и обосновано критическое значение степени сенсибилизации проявления склонности металла ОШЗ сварного соединения к межкристаллитному растрескиванию [КПДР] = 1 %.
Установлены зависимости скорости роста трещины по механизму
межкристаллитного растрескивания от степени сенсибилизации металла и с учетом особенностей ее распределения вдоль линии сплавления сварного соединения трубопроводов из стали 08Х18Н10Т. Для сильно сенсибилизированных участков ОШЗ сварного соединения (КПДР = 6 15 %) максимальная оценка скорости роста трещины составила max = 4,3 мм/год, для слабо сенсибилизированных участков (КПДР = 1 6 %) max = 1,1 мм/год.
Рассчитана допустимая скорость роста трещины, ниже которой гарантировано обеспечение герметичности и прочности сварных соединений трубопроводов реакторов РБМК. При развитии трещины от 0 до 3 мм от внутренней поверхности сварного соединения допустимая скорость [] = 1,6 мм/год, а при развитии трещины от 3 мм и более [] = 1,1 мм/год.
Определен режим термической обработки и разработана методика подготовки образцов-эталонов из стали 08Х18Н10Т, обеспечивающая равномерный уровень требуемых степеней сенсибилизации по рабочей части испытательного образца. На изготовленных эталонных образцах экспериментально определены зависимости по влиянию температуры проведения испытаний на результаты измерений степени сенсибилизации по методу потенциодинамической реактивации.
Усовершенствован метод ПДР в части введения корректирующих функций по
влиянию температуры на результаты измерений, что позволило применить его в
качестве неразрушающего метода эксплуатационного контроля степени
сенсибилизации.
Практическая значимость работы.
Изготовлен, сертифицирован и внедрен диагностический комплекс «САХС» для оценки степени сенсибилизации и склонности к межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию стали 08Х18Н10Т.
С использованием подходов, изложенных в диссертационной работе, по оценке
влияния температуры испытаний на результаты измерений степени сенсибилизации
внесены изменения в РД ЭО 0411-02, а также разработана, одобрена
«Ростехнадзором» и введена в действие «Методика оценки склонности к
межкристаллитному коррозионному растрескиванию сварных соединений
трубопроводов КМПЦ реакторов РБМК на основе метода потенциодинамической реактивации» № 1.3.3.99.0034-2009, позволяющая применять метод ПДР в качестве неразрушающего метода эксплуатационного контроля.
Выпущен стандарт предприятия № СТП УЕИА.246-2007 «Образцы из стали марки 08Х18Н10Т с заданными уровнями сенсибилизации. Процедура аттестации».
Использование разработанной методики № 1.3.3.99.0034-2009 и
диагностического комплекса «САХС» дало возможность подтвердить
эффективность технологии и обосновать режим высокотемпературной термической обработки сварных соединений трубопроводов реакторов РБМК.
Для проведения аустенизации сварных соединений приварки донышек раздаточно-групповых коллекторов (РГК) на энергоблоках №№ 1-4 Ленинградской АЭС разработаны и введены в действие следующие документы эксплуатирующей организации АО «Концерн «Росэнергоатом»:
«Технологическая инструкция. Техническое обслуживание энергоблоков АЭС с реакторами РБМК установкой высокотемпературной индукционной термообработки для аустенизации узла приварки донышек РГК», РД ЭО 0527-2004;
«Рабочая инструкция для определения степени сенсибилизации методом ПДР основного металла на наружной поверхности трубопроводов Ду300 в зоне приварки донышек РГК и Ду55 в производственных условиях», № РИ 60/6115-2006.
Выполнена термическая обработка металла сварных соединений приварки донышек раздаточно-групповых коллекторов трубопроводов Ду300 энергоблоков №№ 1-4 Ленинградской АЭС.
Практическая значимость результатов работы подтверждена актом о внедрении в Филиале АО «Концерн Росэнергоатом» «Ленинградская АЭС».
Методология и методы исследования.
При работе над диссертацией был использован опыт эксплуатации аустенитных
трубопроводов Ду300 реакторов РБМК-1000 в сочетании с экспериментальными
материаловедческими исследованиями. На основании данных о механизмах
повреждения, деформирования и разрушения сварных соединений сталей типа
Х18Н10Т, а также анализа и статистической оценки результатов экспериментальных
исследований, создана методология, положения которой заложены в методику
оценки степени сенсибилизации, разработаны процедуры верификации и внедрения
технологии ВТТО сварных соединений донышек раздаточно-групповых
коллекторов энергоблоков №№ 1-4 Ленинградской АЭС.
Основные положения, выносимые на защиту.
Зависимости, определяющие влияние степени сенсибилизации на механические характеристики прочности и пластичности металла околошовной зоны сварных соединений трубопроводов Ду300 из стали марки 08Х18Н10Т реакторов РБМК-1000 при нагружении в среде теплоносителя с постоянной скоростью деформирования при определении склонности к межкристаллитному растрескиванию.
Зависимости скорости роста трещины по механизму МКР от степени сенсибилизации металла ОШЗ сварных соединений трубопроводов, позволяющие прогнозировать развитие трещины с учетом особенностей распределения сенсибилизации металла вдоль линии сплавления сварного соединения, полученные на основе металлографических и электрохимических исследований фактических эксплуатационных коррозионных повреждений трубопроводов.
Процедуры оценки и корректировки результатов измерений степени
сенсибилизации, заложенные в «Методику оценки склонности к
межкристаллитному коррозионному растрескиванию сварных соединений
трубопроводов КМПЦ реакторов РБМК на основе метода потенциодинамической реактивации», № 1.3.3.99.0034-2009.
5
Применение метода ПДР для оценки степени сенсибилизации основного
металла и металла околошовной зоны сварных соединений при верификации
технологии ВТТО, а также в качестве неразрушающего метода контроля качества
проведения термической обработки сварных соединений аустенитных
трубопроводов РБМК-1000.
Степень достоверности и апробация результатов.
Достоверность полученных результатов обеспечивается проведением
экспериментов с достаточной воспроизводимостью и необходимым количеством повторных испытаний, а также сопоставлением результатов, полученных разными методами и сравнением с аналогичными результатами, полученными другими авторами.
Основные положения диссертационной работы были представлены на конференциях международного уровня:
-
Конференция молодых ученых специалистов ГНЦ ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» // Разработка принципов практического использования электрохимического метода потенциодинамической реактивации для оценки степени сенсибилизации металла сварных соединений аустенитных трубопроводов. Санкт-Петербург 7-9 июня 2003 г.
-
Девятая международная конференция «Проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС» // Опыт аустенизации сварных соединений трубопроводов из аустенитной стали на энергоблоках Ленинградской АЭС. Санкт-Петербург, 6-8 июня 2006 г.
-
Девятая международная конференция «Проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС» // Оценка коррозионной стойкости нержавеющей стали в эксплуатационных условиях. Санкт-Петербург, 6-8 июня 2006 г.
-
Научно-практическая конференция «Прочность и долговечность сварных конструкций в тепловой и атомной энергетике» // Метод борьбы с коррозионными трещинами в сварных соединениях трубопроводов АЭС канального типа. Санкт-Петербург, 25-27 сентября 2007 г.
-
Десятая международная конференция «Проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС»//Разработка и совершенствование методов и средств неразрушающего эксплуатационного контроля сенсибилизации трубопроводов АЭС канального типа. Санкт-Петербург, 7-9 октября 2008 г.
Личный вклад автора.
Автор является одним из разработчиков диагностического комплекса «САХС»
для оценки степени сенсибилизации и склонности к межкристаллитной коррозии и
коррозионному растрескиванию аустенитных сталей методом
потенцоидинамической реактивации.
Автор выполнил лично или принимал непосредственное участие во всех исследованиях, представленных в настоящей диссертации:
- в металлографических и электрохимических исследованиях особенностей распределения степени сенсибилизации по металлу сварных соединений трубопроводов реакторов РБМК, содержащих реальные дефекты;
- в получении зависимостей, определяющих влияние степени сенсибилизации
на механические характеристики металла околошовной зоны сварных соединений
трубопроводов Ду300 РБМК при нагружении в среде теплоносителя с различной
скоростью деформирования;
- в разработке зависимостей скорости роста трещины от уровня
сенсибилизации и характера ее распределения вдоль линии сплавления сварного
соединения;
- в разработке технологии и изготовлении образцов-эталонов из стали
08Х18Н10Т с заданными степенями сенсибилизации;
- в установлении зависимостей результатов измерений степени сенсибилизации
образцов-эталонов из стали 08Х18Н10Т от температуры проведения испытаний по
методу потенциодинамической реактивации;
- в определении линейных корреляционных зависимостей корректировки
значений степени сенсибилизации, измеренных при различных температурах, на
стандартную температуру Т=25С;
- в верификации и внедрении технологии термической обработки сварных
соединений трубопроводов энергоблоков №№ 1-4 Ленинградской АЭС.
Все документы, определяющие практическую значимость диссертационных исследований, разработаны с непосредственным участием автора диссертации.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ: 9 научных статей и 5 тезисов докладов, в том числе 4 статьи в рецензируемых научно-технических изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы и двух приложений. Работа изложена на 197 страницах, содержит 129 рисунков и 29 таблиц. Библиографический список содержит 73 наименования.
Влияние технологических процессов сварки на сенсибилизацию металла сварного соединения. Распределение температурных полей при сварке и условия нагружения сварных соединений трубопроводов Ду300
Как было установлено, повреждение сварных соединений опускных трубопроводов Ду300 АЭС с реакторами РБМК вследствие МКР обусловлено сенсибилизацией зоны термического влияния, происходящей по следующему механизму: при нагреве свыше 1200-1300С происходит растворение карбидов титана и при быстром охлаждении эти карбиды не успевают вновь образоваться. При повторном нагреве до температур 500-700С в металле происходит образование карбидов хрома по границам зерен, при этом, чем больше время пребывания металла в интервале температур 500-700С, тем выше степень его исходной сенсибилизации. В свою очередь, время пребывания металла околошовной зоны в опасном, с точки зрения возрастания степени сенсибилизации границ зерен, интервале температур в прямую зависит от особенностей технологии выполнения сварного шва. Первое условие сенсибилизации – нагрев основного металла в ЗТВ выше температур 1200-1300С – выполняется при любом режиме и способе сварки. В зависимости от технологии сварки размер ОШЗ, а также размер области, подверженной воздействию температур выше 1200-1300С, изменяются, но полностью избежать появления этой области невозможно. Поэтому, важен анализ повторных нагревов, следующих после заварки корня шва.
В работе [31] был выполнен расчет тепловых полей при сварке в зоне корня шва для следующих технологических процессов:
- заводская технология сварки;
- ремонтная технология сварки в аргоне с присадочной проволокой (Iсв=80-100 А);
- ремонтная технология сварки в аргоне с присадочной проволокой при охлаждении водой с внутренней поверхности трубы начиная с четвертого прохода;
- ремонтная комбинированная технология сварки (первые три слоя проходов – сварка в аргоне с присадочной проволокой Iсв=80-100 А; остальные проходы – сварка электродами);
- ремонтная комбинированная технология сварки (первые четыре слоя проходов – сварка в аргоне с присадочной проволокой Iсв=80-100 А; остальные проходы – сварка электродами).
Результаты расчетов, проведенных В.И. Костылевым, представлены на рисунках 1.3.1.1.1 – 1.3.1.1.5 [32]. Проведенными в данной работе расчетами показано, что в зависимости от технологии выполнения сварного соединения, время нахождения металла в зоне корня шва в интервале температур 500-700С, может существенно варьироваться, но, тем не менее, вероятность увеличения исходной сенсибилизации металла околошовной зоны в результате сварочного процесса существует при любых способах сварки.
Сварное соединение трубопровода Ду300 КМПЦ реакторов РБМК-1000 в процессе эксплуатации нагружено при температуре эксплуатации внутренним давлением Р и первичными мембранными напряжениями аm. Кроме того, в сварном соединении действуют также остаточные сварочные напряжения.
Первичные мембранные напряжения были определены в работе [21] c учетом совместного действия внутреннего давления, собственного веса трубопровода, усилий компенсации перемещений трубопровода и граничных условий на концах трубопровода. При этом были использованы данные по эксплуатационным нагрузкам [31].
Величины внутреннего давления и температуры в трубопроводе Ду300 приведены по материалам [31] для нормальных условий эксплуатации (НУЭ) в таблице 1.3.1.1.1. Согласно работе [21] в большинстве случаев максимальный уровень компенсационных напряжений ак составляет 100 МПа.
Сварные соединения Ду300 выполнены по технологии многопроходной сварки. Для такой технологии характер распределения остаточных сварочных напряжений по сечениям сварного соединения существенно зависит от жесткостей свариваемых элементов, порядка заполнения разделки и ряда других факторов. Это означает, что при анализе напряженно-деформированного состояния (НДС) данного соединения необходимо учитывать технологию сварки. На практике применяются несколько способов подготовки кромок, которые отличаются углом разделки кромок от 30 до 60 градусов и, соответственно, количеством проходов при выполнении сварки. В настоящем отчете рассмотрен случай с 60о разделкой свариваемых кромок, при котором в силу самого большого объема наплавленного металла следует ожидать наибольших остаточных напряжений.
Расчетное исследование ОСН было выполнено с помощью программного комплекса, позволяющего проводить методом конечных элементов численное моделирование истории термомеханического воздействия на металл, в том числе при заполнении разделки при сварке. Результаты расчетов в виде полей ОСН приведены на рисунках 1.3.1.1.6 и 1.3.1.1.7.
Результаты проведенных расчетов показали, что поле ОСН неоднородно по сечению сварного соединения. Максимальные растягивающие окружные (ое) ОСН локализованы на внутренней поверхности трубопровода в области усиления шва. После заполнения первых проходов уровень остаточных напряжений незначителен, так как податливость сварного соединения при выполнении первых проходов велика. При остывании металл каждого последующего прохода растягивается, но металл предыдущего прохода при этом сжимается. Поэтому в первых проходах по мере заполнения разделки происходит уменьшение растягивающих напряжений ое, вплоть до того, что эти напряжения могут из растягивающих перейти в сжимающие. Максимальные осевые напряжения (oz) ОСН локализованы в районе корня шва. Рост осевых ОСН в этом районе обусловлен изгибом стенки трубопровода, происходящим в процессе наложения проходов. Высокие растягивающие осевые напряжения оказывают влияние на окружные напряжения. В результате окружные напряжения на внутренней поверхности трубопровода являются растягивающими.
Зона корня шва в трубопроводе при эксплуатации находится под воздействием нагрузок от давления, самокомпенсации температурных перемещений и остаточных сварочных напряжений.
В зоне концентрации напряжений металл ОШЗ при пусках-остановах и ГИ нагружен по жесткому циклу и скорости трещины МКР не зависят от длины трещины (0 a 3 мм). В этой связи представляется возможным в локальной зоне у концентратора (рисунок 1.3.1.1.8) ее принимать постоянной и зависящей от є и степени сенсибилизации металла ОШЗ.
Расчет остаточных сварочных напряжений и деформаций в трубопроводе Ду300, возникающих после выполнения сварного шва при режимах ГИ и НУЭ, представлен в [24, 31, 32].
История нагружения зоны корня шва прослежена для последовательности технологических этапов: исходное состояние ГИ разгрузка НУЭ. Распределение компоненты нормального напряжения по линии сплавления в исходном состоянии после сварки и на стационарном режиме НУЭ и ГИ приведено на рисунке 1.3.1.1.10.
Проведение испытаний и анализ диаграмм деформирования образцов с различными степенями сенсибилизации металла, полученных в среде теплоносителя при нагружении с постоянной скоростью деформирования
Испытания образцов из металла сварных соединений с ПСД на склонность к МКР проводили в соответствии с [52, 54].
В процессе испытаний снимались диаграммы зависимости нагрузки (Р) от перемещения захватов (), по которым определяли параметр РШах (максимальная нагрузка). На разрушенных образцах оценивались величины относительного удлинения и относительного сужения.
Оценку стойкости против МКР проводили по степени снижения параметров (Зтах, и в среде относительно параметров, полученных в испытаниях на воздухе при той же температуре, а также по механизму разрушения образца.
После испытаний с ПСД были выборочно выполнены металлографические исследования основного металла и металла ОШЗ для нескольких однородных и сварных образцов и фрактографические исследования изломов.
Микроструктура основного металла и металла ОШЗ сварных соединений испытанных образцов исследовалась на микрошлифах. Для выявления микроструктуры применялось электролитическое травление шлифов в 10% растворе щавелевой кислоты.
Результаты испытаний с ПСД ( = 810"7 с"1 и = 210"7 с"1) разрывных образцов, изготовленных из основного металла трубопровода Ду300 с ЛАЭС с баллом зерна 3-4 и с разной степенью сенсибилизации в воде высоких параметров (Т=290С, [О2] = 58 мг/л) и на воздухе (Т=290С, = Ю"3 с"1) представлены в таблицах 2.2.1.4 и 2.2.1.2.2 и на рисунке 2.2.1.2.1.
Визуальный осмотр испытанных в воде образцов, а также результаты металлографических и фрактографических исследований показали:
- все образцы разрушились по вязкому механизму (рисунок 2.2.1.2.2);
- по поверхности практически всех испытанных образцов имелись поверхностные механические надрывы глубиной до 0,1 мм (рисунки 2.2.1.2.3 - 2.2.1.5), что связано с наличием на поверхности образцов наклепанного слоя, образованного в процессе его изготовления (токарная обработка, шлифовка).
При испытаниях в воде ( = 810-7 с-1 и = 210-7 с-1) наблюдался значительный разброс механических характеристик в, и образцов (таблица 2.2.1.2.2).
Можно заключить, что наблюдаемый на испытанных с ПСД (при = 810-7 с-1 и = 210-7 с-1) в воде высоких параметров образцах с разной степенью сенсибилизации (таблица 2.2.1.2.2) разброс механических характеристик связан с двумя факторами:
- разными механическими свойствами образцов в исходном состоянии;
- образованием поверхностных надрывов на отдельных образцах при испытании с ПСД в воде.
Наблюдаемое на испытанных образцах с разной степенью сенсибилизации снижение механических характеристик не связано с проявлением МКР.
Визуальный осмотр испытанного в воде образца L1, а также результаты металлографических и фрактографических исследований показали, что образец разрушился по межкристаллитному механизму, доля межкристаллитной составляющей в изломе - около 46% (рисунки 2.2.1.2.7, 2.2.1.2.8).
Результаты испытаний с ПСД (при = 810-7 с-1) в воде высоких параметров (Т = 290 0С, [О2] = 5 8мг/л) сварных образцов, изготовленных из опытных сварных стыков по разным технологиям и дополнительно термообработанных при температуре 6000С (2 часа), с целью получения разных значений степеней сенсибилизации, представлены в таблице 2.2.1.2.3 и на рисунке 2.2.1.2.9.
Представленные результаты показали, что все сварные образцы из стыков, сваренных по разным технологиям, имели на металле ОШЗ невысокие значения степени сенсибилизации КПДР = 0 2,5% и при испытании с ПСД в воде высоких параметров разрушились по основному металлу, при этом наблюдался вязкий характер разрушения (рисунок 2.2.1.11). Значения механических характеристик max, и для всех исследованных сварных образцов практически не отличались между собой. Поверхностных трещин на металле ОШЗ вдоль линии сплавления, характеризующих проявление МКР, не обнаружено. Измерения методом ПДР металла ОШЗ указанных сварных образцов после провоцирующей термообработки (Т = 6000С, 2 часа)
Испытания с ПСД ( = 0,810-6 с-1) сварных образцов после провоцирующей термообработки с разной степенью сенсибилизации (КПДР = 4 % и КПДР 4 % показали):
- при КПДР = 4% начиналось проявление МКР; разрушение образцов происходило по вязкому механизму в основном металле, при этом на металле ОШЗ выявлены трещины, что могло быть связано с тем, что образование шейки на ОМ затруднило процесс развития трещин МКР на металле ОШЗ;
- при КПДР 4% наблюдалось разрушение сварных образцов по металлу ОШЗ и, по мере повышения КПДР, снижение механических характеристик.
Результаты испытаний с ПСД ( = 810-7 с-1 и 210-7с-1) в воде высоких параметров (Т = 2900С, [О2] = 58мг/л) сварных образцов, изготовленных из сварного соединения трубопровода Ду300 в состоянии после эксплуатации в течение 160 тыс. часов (с трещинами МКР), а также дополнительного провоцирования при 6000С (1 и 26 часов) представлены в таблице 2.2.1.2.4 и на рисунке 2.2.1.2.10.
Исследования влияния температуры на достоверность измерений степени сенсибилизации
В ходе решения задачи по применению метода ПДР для оценки степени сенсибилизации и стойкости аустенитых нержавеющих сталей против МКР непосредственно на эксплуатирующихся трубопроводах АЭС с РБМК возникла необходимость учета температурных условий на результаты измерений степени сенсибилизации. Для определения влияния температуры на результаты измерений степени сенсибилизации использовались эталонные образцы с различными степенями сенсибилизации [51, 57].
Маркировка, средние значения степеней сенсибилизации образцов-эталонов и температуры испытаний приведены в таблице 3.2.1.
Измерения проводили на образцах в термостатированной электрохимической ячейке с поддержанием установленной температуры, площадь поля образца ограничивали кислотостойким лаком и для всех образцов поддерживали одинаковой и равной S= 0,8 мм2.
Следует отметить, что на каждом эталонном образце было проведено не менее 20 измерений при каждой температуре, указанной в таблице 3.2.1.
Зависимость результатов измерений степени сенсибилизации образцов-эталонов от температуры измерений представлена на рисунке 3.2.1.
После проведения испытаний все результаты структурировались в виде отдельных графиков – зависимостей значений степени сенсибилизации при рабочей температуре от степени сенсибилизации при стандартной температуре с линиями средних значений и линиями границ областей средних отклонений. Массивы значений степени сенсибилизации, измеренных при температурах в диапазоне от 20С до 40С и соотнесенных с стандартной температурой Т=25С приведены на рисунках 3.2.2 – 3.2.5 [51, 58].
По полученным графикам были построены зависимости пересчета результатов измерений при рабочих температурах на стандартную температуру. Вид зависимости для пересчета значений степени сенсибилизации с температуры 30С на температуру 25С представлен на рисунке 3.2.6. Для каждой температуры согласно таблице 3.2.1 были построены отдельные зависимости для корректировки значений степени сенсибилизации на стандартную температуру. На каждом графике зависимости построены: линия средних значений степени сенсибилизации и линии, ограничивающие области допустимых отклонений от средних значений степени сенсибилизации.
Корректировка на стандартную температуру (Т = 25С) с помощью зависимостей для корректировки на стандартные условия проводили следующим образом:
- замеряем на металле сварного соединения трубопровода значение степени сенсибилизации при температуре помещения (рабочей температуре – например, при Т=30С);
- на оси абсцисс графика «корректировки значений степени сенсибилизации на стандартные условия» для соответствующей рабочей температуры (рисунок 3.2 6) откладываем точку со значением степени сенсибилизации, полученной при рабочей температуре, от этой точки строим вертикаль до пересечения с линией средних значений и с линиями, ограничивающими область допустимых отклонений; от точки пересечения построенной вертикали с линией средних значений опускаем перпендикуляр на ось ординат (ось степени сенсибилизации при Т=25С). Полученное на оси ординат значение будет средним значением степени сенсибилизации при стандартной температуре (Т=25С).
- аналогично опуская перпендикуляры на ось ординат от точек пересечения с линиями, ограничивающими область допустимых отклонений, получаем допустимые отклонения от среднего значения при Т = 25С.
Таким образом можно получить скорректированные значения степени сенсибилизации при стандартной температуре (Т = 25С) при измерениях, проведенных при любой температуре в диапазоне от +20 до +40С, пользуясь соответствующей зависимостью, или значениями степени сенсибилизации, полученными на образцах-эталонах, измерения на которых были проведены при нестандартной температуре.
Внедрение метода ПДР как средства эксплуатационного контроля эффективности проведения аустенизации сварных соединений трубопроводов Ленинградской АЭС
Оборудование, разработанное для отработки технологии высокотемпературной термической обработки, было использовано на блоках 1-4 ЛенАЭС для исследования сенсибилизации трубопроводов и донышек РГК при выполнении локальной индукционной термообработки сварных соединений.
Были проведены также сравнительные измерения степени сенсибилизации на макетах сварных соединений трубопроводов Ду300 в том числе на образцах из основного металла, образцах из ОШЗ, а также на искусственно сенсибилизированных образцах, имитирующих состояние металла до и после проведения ВТТО [68]. Измерения проводили на наружной и внутренней поверхности трубопроводов, а также по всему сечению сварного соединения.
Измерения показали, что:
- ВТТО сварных соединений практически полностью устраняет сенсибилизацию основного металла, металла околошовной зоны и в корне сварного шва, значения степени сенсибилизации после проведения аустенизации становятся практически близкими к 0% по всему сечению трубопровода в зоне проведения термической обработки, даже если в исходном состоянии имелась высокая степень сенсибилизации.
- по результатам измерений степени сенсибилизации, проведенных на наружной поверхности сварных соединений, т.е. неразрушающим способом до и после проведения ВТТО, можно оценить качество металла сварных вблизи соединений на внутренней поверхности сварных соединений, и, соответственно, оценить эффективность проведенной термообработки.
В предыдущем разделе показано, что проведенные в соответствии с «Программой испытаний головного образца установки и технологии высокотемпературной термообработки индукционным методом сварных соединений узла приварки донышек РГК ДУ300 на АЭС с РБМК» исследования на искусственно сенсибилизированных образцах и представительных макетах позволили:
- подтвердить эффективность технологии высокотемпературной термообработки сварных соединений трубопроводов Ду300 с использованием индукционного нагрева;
- рекомендовать оборудование и разработанную технологию высокотемпературной термообработки сварных соединений трубопроводов Ду300 к опытному применению в условиях станции для аустенизации бездефектных сварных соединений РГК КМПЦ Ленинградской АЭС.
Для проведения работ по внедрению оборудования и разработанной технологии высокотемпературной термообработки сварных соединений трубопроводов Ду300 в условиях атомной электрической станции для аустенизации сварных соединений РГК КМПЦ Ленинградской АЭС была разработаны и введены в действие следующие документы:
- технологическая инструкция РД ЭО 0527-2004 «Техническое обслуживание энергоблоков АЭС с реакторами РБМК установкой высокотемпературной индукционной термообработки для аустенизации сварных соединений узла приварки донышек РГК» [73];
- «Рабочая инструкция для определения степени сенсибилизации методом ПДР основного металла на наружной поверхности трубопроводов Ду300 в зоне приварки донышек РГК и Ду55 в производственных условиях», № РИ 60/6115-2006.
Внедрение вышеуказанных документов обусловило проведение высокотемпературной термической обработки сварных соединений приварки донышек РГК трубопроводов Ду300 КМПЦ РУ РБМК-1000 на Ленинградской АЭС (Приложение В).
Для проведения работ на Ленинградскую АЭС было передано:
- оборудование по проведению ВТТО сварных соединений трубопроводов;
- диагностический комплекс «САХС» для определения степени сенсибилизации и стойкости сварных соединений против МКР, с помощью которого проводится эксплуатационный контроль эффективности проведенной высокотемпературной термической обработки сварных соединений трубопроводов Ду300.
В 2006 году на Ленинградской АЭС была завершена высокотемпературная термическая обработка сварных соединений приварки донышек РГК нижних водяных коммуникаций первого и второго блоков.
Работы по проведению высокотемпературной термической обработки сварных соединений донышек РГК на Ленинградской АЭС проводились совместно с специалистами Ленинградской АЭС и АО «МСУ-90».
Подготовку к установке оборудования для ВТТО, включающую раскрепление сварных соединений приварки донышек РГК, установку и подключение индуктора (рисунок 4.3.1), обеспечение подключения к шине индуктора и охлаждения генератора осуществляли специалисты АО «МСУ-90» совместно со сменным персоналом Ленинградской АЭС.
Авторский надзор и координация действий по проведению ВТТО сварных соединений осуществлялся специалистами ЦНИИ КМ «Прометей».
Контроль за процессами разогрева, поддержания температурных режимов и длительности термообработки обеспечивался с помощью дистанционного управления по показаниям приборов контроля температуры – инфракрасных пирометров (Рисунок 4.3.2.) и телевизионного мониторинга за счет трех смонтированных в зоне нагрева видеокамер, обеспечивающих визуальный контакт с разогреваемым сварным швом.
Для обеспечения техники безопасности помещение, в котором проходил процесс термообработки сварного соединения, блокировалось с помощью разработанной системы блокировок установки ВТТО с немедленным автоматическим отключением в случае какого-либо нарушения параметров нагрева или закрытости помещения.
В период с 2008 г. по 2012 г. была проведена высокотемпературная термическая обработка сварных соединений приварки донышек РГК нижних водяных коммуникаций третьего и четвертого блоков Ленинградской АЭС.
Для всех сварных соединений приварки донышек РГК трубопроводов Ду300 КМПЦ энергоблоков №№ 1-4 Ленинградской АЭС в соответствии с Рабочей программой РИ 60/6115-2006 проведена оценка степени сенсибилизации основного металла на наружной поверхности трубопровода на расстоянии не более чем 5 мм от усиления сварного шва как со стороны донышка, так и со стороны трубопровода до и после проведения индукционной высокотемпературной термической обработки. Пример распределения степени сенсибилизации металла сварных соединений приварки донышек РГК энергоблоков №№1-4 Ленинградской АЭС в исходном состоянии и после проведения ВТТО представлен на рисунке 4.3.5