Введение к работе
Актуальность. Федеральной целевой программой «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года» предусмотрено строительство и ввод в эксплуатацию новых типовых серийных энергоблоков АЭС с усовершенствованными реакторными установками ВВЭР-1200. ВВЭР-1200 разрабатывается на основе серийной реакторной установки ВВЭР-1000, находящейся в эксплуатации в России и за рубежом, а также на основании последних проектов реакторных установок для Китая (АЭС «Тяньвань»), Индии (АЭС «Куданкулам»), Ирана (АЭС «Бушер»).
В реакторной установке ВВЭР-1200 предусматривается увеличение тепловой мощности с 3000 МВт до 3200 МВт и срока службы с 30 до 60 лет. Ужесточенные требования к новым реакторным установкам, предусматривают эксплуатацию ядерного топлива в условиях специального водно-химического режима, повышенных рабочих температур, давления и повышенного паросодержания в теплоносителе.
Требования повышения глубины выгорания и увеличения эксплуатационного ресурса ядерного топлива при его работе в длительных циклах, как для новых типов реакторов, так и действующих ВВЭР-1000, ВВЭР-440 выдвигают новые требования к материалам и конструкции оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) и каркасов тепловыделяющих сборок (ТВС).
В настоящее время для ТВС действующих реакторов ВВЭР-1000 приняты два варианта повышения ураноемкости: увеличение диаметра топливных таблеток в твэлах, при одновременном уменьшении толщины оболочек твэлов и увеличение топливного столба при сохранении габаритных размеров ТВС.
Этого же требует ужесточившаяся конкурентная борьба между российской Топливной компанией «ТВЭЛ» и фирмой Westinghouse (США) за топливные рынки реакторов ВВЭР в Восточной Европе. Так Топливная компания «ТВЭЛ» выиграла у фирмы Westinghouse (США) тендер на поставку ядерного топлива для АЭС «Темелин» (Чехия). Одним из основных условий тендера, являлось применение для изготовления оболочек твэлов циркониевого сплава Zr-l,0Nb (Э110), выплавленного на основе циркониевой губки. В России циркониевая губка в промышленном масштабе не производится. В губке, поставляемой фирмой Wah Chang (США), содержится 250...700 ррт железа и 600...990 ррт кислорода. Применение действующей технологии изготовления труб для оболочек твэлов из сплава ЭПО, выплавленного на основе электролитического порошка циркония, для получения труб из сплава Э110 с повышенным содержанием кислорода и железа привело к недопустимо большому уровню брака.
Наиболее эффективно вышеизложенные проблемы решаются за счет разработки и внедрения в серийную технологию принципиально новых процессов изготовления трубных полуфабрикатов и труб из сплава ЭПО, в том числе с повышенным содержанием кислорода и железа в сплаве. Результаты разработки конкурентоспособной технологии изготовления трубных полуфабрикатов и труб, полученных из них, были использованы при модернизации циркониевого производства ОАО «Че-пецкий механический завод», входящего в Топливную компанию «ТВЭЛ» и являющегося монопольным производителем циркониевой продукции в России.
Целью исследований является металловедческое обоснование возможности создания однородной структуры трубных полуфабрикатов из сплава ЭПО, выплав-
ленного на основе циркониевой губки или электролитического порошка циркония, использованием процесса радиальной ковки и внедрение этого процесса в сериину технологию изготовления труб, используемых в качестве оболочек твэлов.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие частные задачи:
-
Определить оптимальные режимы пластической деформации и термичесю обработки в процессе изготовления трубных полуфабрикатов из сплава Э110.
-
Изучить влияние степени деформации при радиальной ковке на структур текстуру и технологическую пластичность сплава Э110.
-
Изучить влияние степени деформации при радиальной ковке на разнотолщи ность трубных полуфабрикатов.
-
На основе данных, полученных при анализе структуры, текстуры, механнч ских свойств и изменения разнотолщинности трубных полуфабрикатов из спла Э110, обосновать оптимальные диапазоны деформации при радиальной ковке и р жимы термической обработки трубных полуфабрикатов, обеспечивающие провед ние последующей многостадийной холодной прокатки тонкостенных труб с су маркой относительной деформацией более 90% без нарушения сплошности металл
Научная новизна работы заключается в следующем:
показано, что при применении радиальной ковки циркониевого сплава Э11 выплавленного на основе из циркониевой губки или электролитического порош циркония, может быть получена мелкодисперсная равномерная по длине трубно полуфабриката структура с размером зерна (3...5)±1 мкм, которую, по действующ технологии, можно было получить только за три стадии холодной прокатки труб;
установлено, что в трубных полуфабрикатах из сплава Э110 после холодной р;-альной ковки возникает текстура, типичная для частично рекристаллизованного сост ния. Последующий двухчасовой отжиг при 580С приводит к тому, что эта текстура пр ближается к той, которую необходимо получить в результате холодной прокатки труб;
установлена зависимость изменения разнотолщинности трубных полуфабрикат от степени деформации при холодной радиальной ковке. Показано, что снижение разі толщинности трубных полуфабрикатов до <0,4 мм, достигаемое степенью деформац 47,6-60% при радиальной ковке, обоснованной в работе, позволяет обеспечить повыш нуто точность геометрических размеров труб используемых в качестве оболочек твэлов;
показано, что однородность структуры, достигаемая режимами радиальн ковки и термической обработки, обоснованными в работе, позволяет вести холо ную прокатку труб с большими суммарными деформациями по сравнению с дей вующей технологией без нарушения сплошности сплава Э110, выплавленного основе циркониевой губки или электролитического порошка циркония.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что обос ваны, проанализированы и подготовлены для использования в серийной технолог режимы радиальной ковки и термической обработки трубных полуфабрикатов, і рантиругощие выполнение повышенных требований к трубам оболочек твэлов сплава Э110. На основе проведенных исследований создана и внедрена на О «Чепецкий механический завод» конкурентоспособная технология изготовлен трубных полуфабрикатов из сплава Э110. С применением новой технологии изі товлены трубы для оболочек твэлов из сплава Э110, выплавленного на основе цп кониевой губки, для ТВС АЭС «Темелин» (Чехия). При этом за счет снижен уровня отбраковки труб по разнотолщинности и несплошности металла получ
экономический эффект в 29,8 млн. рублей в год. На основе новой технологии изготовления трубных полуфабрикатов из сплава Э110, разработана технология производства и изготовлены трубные полуфабрикаты из многокомпонентного сплава Zr-l,5Nb-0,4Sn-0,2Fe-0,lCr. Полученные в ходе работы результаты позволили ОАО «Чепецкий механический завод» эффективно провести модернизацию прокатного передела за счет приобретения радиально-ковочных машин (РКМ) SKK-10, SKK-14. С декабря 2010 г. технология изготовления трубных полуфабрикатов из сплава Э110 с применением РКМ SKK-10, SKK-14 используется для серийного изготовления труб для оболочек твэлов из сплава Э110, выплавленного на основе циркониевой губки или электролитического порошка циркония. Основные положения, выносимые на защиту:
-
Способ получения мелкодисперсной и равномерной по длине заготовки структуры с размером зерна (3...5)±1 мкм для полуфабрикатов из сплава Э110 с применением процесса радиальной ковки.
-
Зависимость, связывающая разнотолщинность трубных заготовок со степенью деформации при холодной радиальной ковке.
-
Доказательства положительного влияния процесса радиальной ковки на качество труб для оболочек твэлов из сплава Э110.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 62-их и 63-их Днях науки студентов МИСиС: международных, межвузовских и институтских научно-технических конференциях (Москва 2007,2008), IV-ой и V-ой Евразийских научно-практических конференциях «Прочность неоднородных структур» (Москва, 2008, 2010), XIX Петербургских чтениях по проблемам прочности (Санкт-Петербург, 2010), Международной конференции «Ті-2010 в СНГ» (Екатеринбург, 2010), научной сессии НИЯУ МИФИ-2011 (Москва, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 1 статья в рецензируемом журнале из перечня ВАК РФ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов, списка использованных источников из 104 наименований и приложения, всего 143 страницы текста, включая 53 рисунка и 27 таблиц.
