Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Аналитический обзор литературы 8
1.1 Условия эксплуатации и требования, предъявляемые к трубам давления CANDU 8
1.2 Основные характеристики труб давления CANDU 9
1.2.1 Химический состав и схема изготовления 9
1.2.2 Структура и текстура 12
1.2.3 Кратковременные механические свойства 12
1.2.4 Коррозия 14
1. 2.5 Ползучесть и радиационный рост 15
1 2.6 Вязкость разрушения 18
1.2.7 ЗГР и концепция "течь перед разрушением " 21
1.3 Направления совершенствования труб давления CANDU 24
1.4 Современное состояние проблемы ЗГР сплавов циркония 28
1.5 Выводы по аналитическому обзору 34
1.6 Постановка задачи исследования 37
Глава 2 Методы исследований 39
2.1 Определение содержания легирующих и примесных элементов 39
2.2 Определение температуры полиморфного превращения 40
2.3 Металлография и электронная микроскопия 40
2.4 Определение текстуры 43
2.5 Механические испытания 43
2.6 Испытания на ЗГР 45
2.7 Испытания на вязкость разрушения 51
2.8 Испытания на ползучесть 55
2.9 Коррозионные испытания 56
Глава 3 Основные факторы згр и вязкости разрушения труб давления из сплавов циркония 59
3.1 Исследуемый материал 59
3.2 Влияние текстуры на вязкость разрушения 61
3.3 Скорость ЗГР в зависимости от состава, структуры и уровня прочности 66
3.4 Заключение к главе 3 73
Глава 4 Разработка схем деформационной и термической обработки усовершенствованных труб давления candu 74
4.1 Циркониевые сплавы для усовершенствованных труб давления CANDU 74
4.1.1 Сплав Zr-2,5%Nb 74
4.1.2 Сплав Zr-l,2%Sn l%Nb-0,35%Fe 16
4.2 Схемы деформационной и термической обработки опытных образцов труб давления CANDU 76
4.3 Обоснование режимов термических операций в схемах обработки усовершенствованных труб давления CANDU 81
4.3.1 Структура и свойства по переделам опытных образцов труб давления 81
4.3.2 Режимы окончательной термообработки 97
4.3.3 Основные свойства опытных труб давления 105
4.3.4 Температурно-временные параметры закачки гильз 112
4.3.5 Режим промежуточной термообработки усовершенствованной трубы
давлен ия из сплава Zr-2,5%Nb 117
4.4 Выбор схем деформационной и термической обработки усовершенствованных труб давления CANDU 120
4.5 Оценка применимости разработанных схем для труб давления РБМК 122
Глава 5 Опытно-промышленное изготовление и характеристики полномасштабных усовершенствованных труб давл ения сandu 123
5.1 Изготовление и контроль труб 123
5.2 Характеристики усовершенствованных труб
5.2.1 Химический состав 128
5.2.2 Структурно-фазовое состояние 132
5.2.3 Однородность механических свойств 143
5.2.4 Текстура 143
5.2.5 Вязкость разрушения 143
5.2.6 Распределение гидридов 152
5.2.7 Стойкость к ЗГР 152
5.2.8 Сопротивление ползучести 156
5.2.9 Коррозионная стойкость 156
5.3 Заключение по качеству и свойствам усовершенствованных труб 162
5.4 Взаимосвязь текстуры и предела текучести циркониевых сплавов с вязкостью разрушения и сопротивлением ЗГР 164
Выводы 170
Список использованных источников 172
Приложение А 185
Приложение Б 197
- Основные характеристики труб давления CANDU
- Определение температуры полиморфного превращения
- Влияние текстуры на вязкость разрушения
- Схемы деформационной и термической обработки опытных образцов труб давления CANDU
Введение к работе
Будущее российской и мировой атомной энергетики, доля которой в общемировом потреблении электроэнергии составляет 17 %, связывается со снижением затрат и сроков на строительство новых, более мощных реакторов с высоким уровнем безопасности, и продлением ресурса уже действующих атомных электростанций (АЭС) /1, 21. К числу таких станций относятся и АЭС с реакторами канального типа - российским легководным реактором РБМК (Реактор Большой Мощности Канальный) и канадским тяжёловодным реактором CANDU (CANada Deiterium Uranium). В настоящее время реакторы РБМК эксплуатируются в России (11 блоков) и Литве (2 блока). Реакторы CANDU, на которых базируется ядерная энергетика Канады (22 блока), нашли более широкое распространение и используются в таких странах как Индия (6 блоков), Республика Корея (4 блока), Пакистан, Аргентина, Китай и Румыния (по 1 блоку). И если в России после аварии на Чернобыльской АЭС не предусматривается развитие реакторов РБМК, то в Канаде, помимо продления сроков эксплуатации имеющихся реакторов CANDU, решаются задачи и по разработке более энергоёмких и конкурентоспособных ядерных установок этого типа, обеспечивающих надёжность и безаварийность. Так в лаборатории Atomic Energy of Canada Limited (AECL) разработан проект реакторов CANDU нового поколения - ACR-700 (Advanced CANDU Reactor), мощностью 700 МВт эл, который появится на рынке в 2005 г. и ведутся работы по созданию реактора ACR-1000. По оценкам AECL, содержание тяжёлой воды в реакторе будет снижено и стоимость капитальных затрат уменьшится на 40% /3/.
Важнейшим элементом конструкции канальных реакторов являются трубы давления, от целостности которых зависит нормальная эксплуатация и безопасность АЭС. Проектный ресурс эксплуатации труб давления в реакторах CANDU составляет более 30 лет /4/. Исходя из этого, к ним предъявляются определённые требования по прочности, сопротивлению формоизменению, склонности к паводороживанию при коррозии, вязкости разрушения и замедленному гидридному растрескиванию (ЗГР) /4, 5/.
Облучение и наводороживание труб давления в процессе эксплуатации в водородосодержащих средах приводит к повышению склонности материала труб к хрупкому разрушению, что существенно ограничивает срок их службы. При общей высокой надёжности реакторов CANDU наблюдаются случаи повреждений труб давления, приводящие к преждевременной их замене. Основной причиной такой деградации труб давления в реакторах CANDU является гидрирование и растрескивание по механизму ЗГР,
В связи с этим задача повышения стойкости к ЗГР труб давления CANDU в обеспечение проектного ресурса их эксплуатации является актуальной, над решением которой занимаются не только в лаборатории AECL, но и в других странах, например, в Республике Корея, где, как указано выше, эксплуатируются 4 тяжёловодных реактора этого типа.
Учитывая опыт в разработке труб давления для реакторов РБМК и наличие в России соответствующей базы для опытно-промышленного опробования в заводских условиях изготовления полномасштабных труб, Корейский исследовательский институт атомной энергии (КАЕРИ) предложил участвовать в разработке улучшенных труб давления CANDU с повышенным сопротивлением ЗГР российским предприятиям ФГУП ВНИИНМ и ОАО «Чепецкий механический завод». Работа осуществлялась в рамках сотрудничества между Министерством науки и технологии Республики Корея и Минатомом России по проекту МНТЦ № 1635р.
Целью работы являлась разработка улучшенных труб давления из сплавов циркония для тяжёловодных реакторов CANDU с повышенным сопротивлением ЗГР и всеми другими свойствами на уровне, как у стандартных труб давления из сплава Zr-2,5%Nb, для обеспечения службы в реакторе этих изделий на срок более 30 лет,
В задачи работы входило определение основных факторов, определяющих высокие значения вязкости разрушения и сопротивления ЗГР труб давления из сплавов циркония и выявление количественных взаимосвязей этих характеристик с составом, структурой, текстурой и уровнем прочности материала труб.
Немаловажно было оценить возможность использования для канальных труб РБМК разработанного подхода к схемам деформационной и термической обработки усовершенствованных труб давления CANDU в обеспечение однородности структурного состояния и свойств труб топливных каналов РБМК с целью продления ресурса эксплуатации этого реактора до 40 лет и более.
Научная новизна
Определены основные факторы - текстура и предел текучести, обеспечивающие сплавам циркония высокие вязкость разрушения и сопротивление ЗГР.
С ростом величины отношения долей нормалей к базисным плоскостям в радиальном и тангенциальном направлениях ґц/іт от 0,57 до 1,29 значения вязкости разрушения dJ/da при 250 С для труб давления из сплава Zr-2,5%Nb возрастают в 1,6 раза с 240 МПа до 375 МПа с наиболее интенсивным изменением этого параметра в 1,4 раза при увеличении fK/fj до 0,75.
Вязкость разрушения труб давления из сплаваZr-l,2%Sn-l%Nb-0,35%Fe, помимо текстуры, зависит от дисперсности интерметаллидов в матрице. С увеличением плотности распределения частиц в 1,7 раза вязкость разрушения при 250 С линейно повышается на 20 %.
3 Присутствие фтора до 5 ррт в сплаве Zr-2,5%Nb, изготовленном на основе смеси
электролитного и йодидного циркония, не влияет на вязкость разрушения материала труб
давления, в отличие от хлора в этом сплаве на основе губчатого циркония
4 Независимо от состава и структурно-фазового состояния циркониевого сплава с
уменьшением его предела текучести в направлении нормали к плоскости гидридного
растрескивания скорость ЗГР линейно снижается и при 250 С описывается соотношением:
log(V3rp) = 4,115 log (сод) - 42,826, а Кш - пороговый коэффициент интенсивности напряжений ЗГР - линейно возрастает при осевом движении трещины в трубе.
5 При сопоставимом уровне прочности сопротивление ЗГР циркониевых сплавов
определяется текстурой и вязкостью разрушения. С увеличением отношения текстурных
параметров ґц/іУ скорость ЗГР линейно снижается, независимо от состава и структуры сплава, а
Кщ возрастает и зависит от вязкости разрушения материала.
6 Снижение скорости ЗГР и увеличение Кш с уменьшением предела текучести сплава Zr-
2,5%Nb сопровождается увеличением межбороздчатого расстояния в изломе гидридной трещины.
Соотношение между скоростью ЗГР и нормированным на предел текучести межбороздчатым
расстоянием подчиняется линейной закономерности с коэффициентом корреляции R=0,97 при
интенсивности напряжений Кі=15-25 МПа-%/м.
Разработаны усовершенствованные трубы давления из сплавов Zr-2,5%Nb и Zr-l,2%Sn-l%Nb-0,35%Fe для тяжёловодных реакторов CANDU с повышенным сопротивлением ЗГР и однородной прочностью по длине, стабильно высокими вязкостью разрушения и коррозионной стойкостью для трубы из сплава Zr-2,5%Nb и сопротивлением ползучести на уровне стандартной трубы давления. Улучшенные характеристики усовершенствованных труб обеспечиваются формированием в них радиальной текстуры (fR/fr > 0,75) и структурно-фазового состояния с наличием P-Zr фазы объёмной долей 10-20 % в трубе из сплава Zr-2,5%Nb и дисперсно-распределённых выделений интерметаллидов средним размером не более 0,05 мкм в трубе из сплава Zr-,1,2%Sn-l%Nb-0,35%Fe.
Ключевыми операциями для формирования необходимой текстуры и структурно-фазового состояния материала в схемах деформационной и термической обработки усовершенствованных труб давления CANDU являются: закалка гильз из (сс+Р)-области при температуре на 20-60 С ниже перехода (а+Р)/р с последующим снятием напряжений в а-области, холодная прокатка с промежуточной термообработкой в а-области при температуре на 80-130 С ниже перехода а/(сс+Р) для сплава Zr-I,2%Sn-l%Nb-0,35%Fe или (а+р)-области при температуре на 30-130 С выше перехода сс/(а+р) для сплава Zr-2,5%Nb и окончательной термообработкой в а-области при температурах в диапазоне от 150 до 250 С ниже а/(а+р) перехода. При этом холодная прокатка осуществляется в два этапа с общей деформацией более 70 % и Q-фактором (отношение
деформации по стенке к деформации по диаметру) на втором этапе более 5, что не мене чем в 2 раза превосходит таковой на первом- этапе.
Практическая ценность
Разработаны схемы деформационной и термической обработки для изготовления улучшенных труб давления тяжёловодных реакторов CANDU с повышенным сопротивлением ЗГР, стабильно высокой вязкостью разрушения, однородной прочностью по длине, высокой коррозионной стойкостью и сопротивлением ползучести на уровне стандартных труб давления из сплава Zr-2,5%Nb для обеспечения службы в реакторе этих изделий на срок более 30 лет.
Впервые в отечественной практике циркониевого производства реализовано в промышленных условиях изготовление полномасштабных труб давления CANDU по спецификационным требованиям, предъявляемым к этим изделиям. Показана принципиальная возможность постановки на производство в условиях ОАО «ЧМЗ» труб такой номенклатуры с улучшенными характеристиками, по сравнению со стандартными трубами давления CANDU, выпускаемыми за рубежом.
Реализованный подход к разработке улучшенных труб давления из сплавов циркония для тяжёловодных реакторов CANDU может быть использован при совершенствовании отечественных труб топливных каналов РБМК с получением изделий со стабильной структурой и однородными свойствами в обеспечение продления ресурса реакторов на срок более 40 лет.
Установленные количественные взаимосвязи характеристик ЗГР с пределом текучести, текстурой и вязкостью разрушения использованы при разработке моделей этого процесса разрушения в сплавах циркония и прогнозирования гидридного растрескивания циркониевых компонентов при эксплуатации в реакторе и в условиях сухого хранения отработавшего ядерного топлива.
Основные характеристики труб давления CANDU
Как было сказано выше, стандартные трубы давления CANDU изготавливаются из сплава Zr-2,5%Nb, слитки которого по химическому составу должны отвечать, приведенным в таблице ] .2 спецификационным требованиям /8/.
Процесс изготовления стандартных труб давления включает в себя следующие основные операции (рисунок 1.2) /6, 9/выплавку слитка 0585 мм четырёхкратным вакуумно - дуговым переплавом на основе губчатого циркония, оборотного металла и легирующих элементов; ковку (первоначально слиток куется до 0356 мм на прессе с предварительным нагревом в В - области, а затем ротационной ковкой в (а + р) - области прокатывается в круг 0210 мм); изготовление заготовок механической обработкой;Р - закалку в воду с 1015 С; экструзию (выдавливание) при температуре существования (а+Р) - Zr ( 817 С), ц=10,5; холодное волочение с обжатием 25-30%;- обточку наружной и хонингование внутренней поверхностей; термообработку автоклавированием при 400 С в течение 24 часов; правку и контроль
Трубы, изготовленные таким способом, по спецификации подвергаются инспекционному контролю на соответствие требованиям, приведенным в таблице 1.3 /8/. Структура и фазовый состав стандартных труб давления CANDU из сплава Zr-2,5%Nb определяются технологией изготовления труб /6, 9-11/ и характеризуются вытянутыми зёрнами а -Zr фазы, разделёнными тонкими прослойками фазы р - Zr состава 80% Zr + 20% Nb /6, 9, 11/ (рисунок 1.2). По данным /6, 9/ средний размер зёрен а - Zr составляет 0,4x2x20 мкм с бо льшим размером в осевом направлении и меньшим в радиальном направлении трубы. Такое структурно-фазовое состояние обеспечивает материалу труб давления необходимую прочность и сопротивление ползучести, при этом размер и форма зёрен являются определяющими параметрами указанных характеристик /10/.
Техпроцесс изготовления труб определяет и их кристаллографическую текстуру /6, 10, 12, В стандартных трубах давления CANDU из сплава Zr-2,5%Nb кристаллографическая текстура, главным образом, формируется в процессе выдавливания и характеризуется концентрацией базисных полюсов в окружном (тангенциальном - Т) направлении (таблица 1.4). Отношение долей нормалей к базисным плоскостям в радиальном и тангенциальном направлении (fr/ft) в материале труб соответствует значениям 0,48-0,57 /6, 10/. Тангенциальный тип текстуры (в дополнение к структурному состоянию) обеспечивает трубам давления CANDU высокое сопротивление ползучести /5, 7, 10/, однако, при такой текстуре сопротивление ЗГР труб не удовлетворяет требуемому уровню /5,14/.
Одной из основных эксплуатационных характеристик труб давления является их прочность. Существующая технология получения труб давления из сплава Zr-2,5%Nb с жестким контролем химического состава и технологических параметров изготовления обеспечивает материалу труб требуемую прочность (ств 480 МПа при температуре 300 С) с незначительным разбросом прочностных характеристик от трубы к трубе. В то же время, в силу особенностей процесса выдавливания, стандартные трубы давления CANDU имеют неоднородные механические свойства по длине /5, 6, 10, 12/ - на переднем конце трубы прочностные свойства заметно ниже, чем на заднем конце (таблица 1.5). Кроме того, для стандартных труб давления CANDU характерна анизотропия механических свойств - материал трубы в поперечном направлении прочнее, чем в продольном (таблица 1,5). В реакторах CANDU в результате воздействия теплоносителя (тяжелой воды D2O) поверхность труб давления из сплава Zr-2,5%Nb окисляется, образуя хорошо сцепленную оксидную плёнку ZrC 2 /5, 6, 11/. Тем не менее, в результате коррозионного воздействия часть дейтерия из теплоносителя диффундирует сквозь плёнку в материал трубы и приводит к увеличению содержания водорода.
Одной из основных характеристик, которая влияет на коррозию и поглощение дейтерия, является структура сплава, определяемая термической обработкой /11,15-17/.
Как следует из раздела 1.2.2, для стандартных труб давления CANDU из сплава Zr -2,5%Nb характерна микроструктура, состоящая из a- Zr зерен, окружённых p-Zr прослойками с содержанием ниобия до 20 % /6, 11/. Такое структурное состояние обеспечивает удовлетворительную коррозионную стойкость трубам давления /б, 11, 17]. Однако присутствие р-Zr фазы в материале труб давления (свыше20 % по объему) может ухудшить их коррозионную стойкость/11, 17/.
В результате исследований влияния микроструктуры на коррозию и поглощение дейтерия, проведённых на трубах давления с различной термической обработкой, установлено /11/, что материал трубы с р-закалкой заготовки перед экструзией при температурах испытания 250 С и 300 С показывает более низкие показатели окисления и коэффициенты поглощения дейтерия, чем материал, который не подвергался р-закалке. Под действием облучения быстрыми нейтронами с плотностью потока до 2,08x1017 нейтр/м2 при температуре 250 С в материале труб давления с Р-закалкой и без неё происходит падение коэффициентов поглощения дейтерия.
Наилучшей коррозионной стойкостью сплав Zr-2,5%Nb обладает при структуре, отвечающей минимальному содержанию ниобия в а-твердом растворе и с высокодисперсным распределением выделений частиц p-Nb-фазы /7,11,12/. Кроме того, большое влияние на коррозионную стойкость и поглощение водорода в сплаве Zr - 2,5%Nb оказывает содержание в нём примесных элементов /5, 7, 18/. Анализ малых легирующих добавок к сплаву Zr - 2,5%Nb /5, 18/ позволил сделать вывод, что присутствие Ni, Мп, Ті оказывает вредное воздействие на коррозионную стойкость и содержание их в сплаве должно быть ограничено, тогда как наличие таких примесных элементов как Сг, Fe, Mo, Si не ухудшает коррозионное сопротивление сплава. Одним из важных факторов, определяющих скорость коррозии циркониевых сплавов, является состав теплоносителя, т.е. воды, пара или пароводяной смеси П, 19, 20/. Сплав Zr-2,5%Nb показывает высокую чувствительность к содержанию кислорода в воде и паре. Показано /7, 21/, что при содержании кислорода 0,5-6,0 мг/кг в кипящей воде привесы возрастают в 2-3 раза, а при содержании кислорода 12-17 мг/кг увеличиваются еще в 1,5-2,0 раза.
Сплав Zr-2,5%Nb обнаруживает /7, 22/ чрезвычайно интересную особенность: снижение привесов при коррозии в нейтронном поле, т.е. в реальных условиях эксплуатации, по сравнению с привесами в той же среде, но без воздействия нейтронного поля.
Определение температуры полиморфного превращения
Температура фазового превращения (а + Р) в (J область сплавов Zr-2,5%Nb канадской спецификации и многокомпонентного сплава Zr-l,2%Sn-l%Nb-0,35%Fe определялась на образцах, отобранных от горячекатаных штанг 0305 мм, методом дифференциального термического анализа на установке "Момент-2" по характерным точкам термограмм с точностью регистрации ± 5 "С. Вычисление температуры полиморфного превращения исследуемых образцов при термическом анализе производилось путем прибавления температурной поправки от температуры полиморфного превращения йодидного циркония: 86.
Изучение макро- и микроструктуры исследуемого материала производилось методами световой металлографии и электронной микроскопии.
Анализ структурного состояния исследуемых материалов методом световой металлографии осуществлялся на оптических микроскопах НЕОРНОТ-4, МИМ-10 и других в светлом поле при увеличениях 100,200, 500, 800 крат.
Электронно-микроскопические исследования микроструктуры проводили с помощью электронного микроскопа высокого разрешения JEM - 2000 FXII при ускоряющем напряжении до 200 кВ и увеличениях от 2 до 200 тыс. крат.
. Фольги приготавливали из пластинок, вырезанных в плоскостях L, Т и R, перпендикулярных, соответственно, направлениям L, Т и R трубы давления. Фольги утоняли с помощью электрополировки в отечественной установке "Микрон" в электролите состава 85%С2Н5ОН и 15% НС104 при напряжении 30+40 В и температуре == -30С.
Размер субзерен определяли по методу секущих, подсчитывая количество пересечений границ субзерен с линиями секущих на определенной длине. Секущие проводили перпендикулярно и параллельно длинным направлениям субзерен. Величины размеров субзерен, определенные для трех сечений - L, Т и R, не совсем точно отражают истинную структуру образцов. В реальности субзерна имеют не прямую, а изогнутую форму во всех сечениях, поэтому прямая секущая линия может пересекать одну и ту же границу несколько раз и средний размер оказывается меньше истинного.
Т Площадь областей P-Zr фазы, распадающейся на выделения фазы p-Nb, находили путем расчета площадей, занимаемых бывшей p-Zr фазой относительно площади всего микроснимка, и выражали в объемных процентах.
Максимальные и минимальные размеры частиц p-Nb фазы, находящихся в местах бывшей p-Zr фазы определяли с помощью прямого измерения на микрофотографиях, полученных с большим увеличением. Гистограммы распределения частиц p-Nb фазы по размерам рассчитать довольно сложно в связи с перекрытием изображения частиц в местах их скопления.
Средние размеры частиц p-Nb и фазы Лавеса, распределенных хаотическим образом по L . структуре образцов, определяли путем прямого измерения и подсчета их количества на микроизображениях, снятых при большом увеличении ( 20000 крат). При определении среднего размера (d) использовали формулу:
Концентрацию выделений вторых фаз рассчитывали по формуле: где - р - концентрация выделений вторых фаз, (м-3) N- количество частиц; S- площадь фотоснимка, м2; М- увеличение на микрофотографии; t- толщина электронно-микроскопической фольги, м. Ее величину определяли по изменению ширины проекции границы субзерна в зависимости от угла наклона гониометра электронного микроскопа.
Тип образующихся в сплавах фаз определяли с помощью микродифракционного фазового анализа на электронограммах, полученных от различных фаз и содержащих одновременно, как матричные рефлексы, так и рефлексы наблюдаемых фаз.
Частицы p-Nb, имеющего ОЦК - структуру, идентифицировали по линии (hkl), соответствующей плоскостям типа {110}. Межплоскостные расстояния для данных плоскостей р-Nb фазы изменяются в зависимости от содержания Nb и соответствуют 2,33 А для частиц с составом 90%Nb и 2,56 А для частиц с 20%Nb.
Фазу Лавеса, имеющую ГПУ структуру и химическую формулу Zr(Nb,Fe)2, идентифицировали по типичным электронограммам от двойниковых кристаллов, содержащих рефлексы с характерными тяжами. Данные рефлексы соответствуют плоскостям типа {00.1} при оси зоны кристалла (10.0) и позволяют определить непосредственно параметр с ГПУ решетки. Межплоскостные расстояния а рассчитывали по рефлексам типа {11.0} на электронограммах при других осях зоны. Величины я и с могут зависеть как от химического состава сплавов, так и от предшествующих обработок материала труб давления, что влияет на состав выделений.
Идентификацию с - дислокаций в структуре ос-циркониевой матрицы, имеющей ГПУ-решетку, проводили на темнопольных изображениях, полученных в сильных рефлексах типа {00.2} при оси зоны кристалла на электронограмме [10.0]. Изображения с - дислокаций в
темном поле сравнивали с изображениями в светлом поле. Плотность с - дислокаций определяли по количеству пересечений дислокаций с окружностью длиной L при радиусе г по формуле:
Влияние текстуры на вязкость разрушения
В 1996-98 гг. для труб давления реактора CANDU, строившегося в Китае, канадская фирма «Nu Tech» использовала заготовки, произведенные на ОАО ЧМЗ из металла на основе смеси электролитного и йодидного циркония. Анализ вязкости разрушения этих труб, проведенный Чок-Риверской Лабораторией (AECL, Канада), показал значительный разброс данных, причём некоторые образцы труб имели значения параметра dJ/da менее 250 МПа /9, 50-55/.
Предполагалось, что, возможно, такое различие результатов, связано с содержанием в трубах фтора, который попадает в металл при производстве электролитного циркония и влияет на вязкость разрушения аналогично хлору в трубах, изготовленных на губчатом цирконии.
В связи с этим, была поставлена задача проанализировать влияние фтора на вязкость разрушения труб давления CANDU из сплава Zr-2,5%Nb, изготовленного на основе смеси электролитного и йодидного циркония, и попытаться выявить причины наблюдаемого разброса результатов. Решение такой задачи потребовало проведения параллельных с Чок-Риверской Лабораторией исследований на тех же образцах труб давления CANDU, изготовленных в Канаде, а также образцах экспериментальных труб давления CANDU (варианты 1 и 2), изготовленных на ОАО ЧМЗ в процессе проведения работ по разработке техпроцесса изготовления усовершенствованных труб давления CANDU (см. ниже главу 4) и образцах труб технологических каналов (ТК) РБМК из сплава Zr-2,5%Nb, изготовленных по штатной технологии и с применением обработки ТМО-2.
В таблице 3.2 приведены результаты испытаний на вязкость разрушения всех исследованных образцов труб давления различного типа, изготовленных из сплава Zr-2,5%Nb российского производства на основе смеси электролитного и йодидного циркония. Как видно, значения вязкости разрушения стандартных труб давления CANDU, изготовленных по принятой для них термомеханической схеме 19, 10/, могут заметно различаться от трубы к трубе и между передним и задним концом трубы. При этом значения вязкости разрушения для переднего конца стандартной трубы ниже допустимого для труб давления CANDU требования в 250 МПа. В отличие от стандартных труб давления CANDU экспериментальные трубы давления аналогичного размера имеют существенно более высокую вязкость разрушения. Средние значения dJ/da для экспериментальных труб на 10-20 % превосходят лучший вариант исследованной стандартной трубы. Результаты испытаний образцов штатных труб давления РБМК по средним значениям параметра dJ/da занимают промежуточное положение между экспериментальными трубами давления вариантов 1 и 2. Вязкость разрушения трубы давления РБМК с обработкой ТМО-2 примерно на 25-30 % ниже, по сравнению с вязкостью разрушения штатных труб давления РБМК.
Анализ изломов образцов в сканирующем электронном микроскопе обнаружил, что во всех образцах зарождение стабильного разрушения от исходной усталостной трещины начинается с образования в центральной части излома вторичной трещины, плоскость которой существенно отклоняется от плоскости усталостной трещины. В образцах стандартных труб давления CANDU эти вторичные трещины небольшие (рисунок 3.1), а в изломах образцов экспериментальных труб давления они по величине раскрытия значительно больше, Кроме того, многочисленные вторичные микротрещины, расположенные поперек движения магистральной трещины, наблюдаются и по всей центральной части излома образцов экспериментальных труб (рисунок 3.16).
Начальный участок стабильного разрушения при переходе от вторичной трещины в макроплоскость излома по рельефу похож на рельеф усталостного излома (рисунок 3.1а). Протяженность такого участка увеличивается с ростом параметра вязкости разрушения образцов. Затем микроизлом переходит в типично ямочный с наличием участков более плоского рельефа и глубоких ямок - пор округлой формы, которые при определенном положении излома к пучку электронов в сканирующем микроскопе становятся тёмными (рисунок 3.2). С увеличением вязкости разрушения образцов площадь участков с плоским рельефом в изломе увеличивается, а доля глубоких ямок и их размер уменьшается. В изломе образца от переднего конца трубы давления CANDU (стандартная 2), имеющего пониженную вязкость разрушения, глубокие ямки занимают около 46 % площади излома. В изломе образца от заднего конца этой трубы, вязкость разрушения которого заметно выше, доля таких ямок составляет 27 %. Наименьшая объемная доля темных ямок 7 % зафиксирована в изломе образца экспериментальной трубы давления 2, имеющей самые высокие значения вязкости разрушения.
Изломы образцов труб давления РБМК по характеру разрушения похожи на изломы образцов экспериментальных труб давления CANDU. Для них, также, характерны большие вторичные трещины в начале зарождения стабильного разрушения и вторичные поперечные микротрещины по всей длине излома, что отчетливо видно на снимках макроизломов.
Анализ результатов испытаний на вязкость разрушения образцов труб давления и данные химического анализа этих образцов на фтор (таблица 3.2) показывают, что содержание фтора в исследуемых трубах давления из сплава Zr-2,5%Nb в пределах 1,2 - 4,9 ррт, не оказывает влияния на снижение вязкости разрушения материала труб. И, даже, наоборот, в трубах с более высоким содержанием фтора вязкость разрушения может быть выше, чем в трубах с более низким содержанием.
Отсутствие влияния фтора в количествах до 5 ррт на вязкость разрушения сплава Zr-2,5%Nb подтверждается и результатами микрофрактографических исследований. В исследуемых изломах не было обнаружено каких-либо частиц с фтором или другими вредными примесями. В структуре поверхности разрушения образцов труб давления, изготовленных на основе смеси йодидного и электролитного циркония, не наблюдаются, так называемые, расщелины («fissures»), характерные для труб давления CANDU на основе губчатого циркония, в которых находили хлор, фосфор и углерод /44, 47, 48/. Таким образом, аналогичного, как хлор, влияния фтора на вязкость разрушения сплава Zr-2,5%Nb, не обнаружено, и причина различий (таблица 3.2) в вязкости разрушения стандартных труб давления CANDU, изготовленных на основе электролитного и йодидного циркония обусловлена другими факторами.
По-видимому, существенную роль в вязкости разрушения труб давления из сплава Zr-2,5%Nb играет их текстура и структурное состояние. Основано такое представление на результатах испытаний на вязкость разрушения образцов стандартных и экспериментальных труб давления CANDU, текстура и структура которых существенно между собой различаются (таблица 3.1). Как видно (таблица 3.2), и различия в вязкости разрушения стандартных и экспериментальных труб давления CANDU довольно существенные. Если сравнить экспериментальную трубу 2 и стандартную трубу 2 (передний конец), эти различия достигают — 60 %. Из данных таблицы 3.2 можно заметить, что чем более радиальный тип текстуры (больше отношение fR/fr) имеет труба давления, тем выше её значение вязкости разрушения. Как показывает анализ, влиянием текстурного фактора можно объяснить и различие в вязкости разрушения переднего и заднего концов трубы давления CANDU (стандартная труба 2).
Схемы деформационной и термической обработки опытных образцов труб давления CANDU
Разработка схем деформационной и термической обработки опытных образцов труб давления CANDU с улучшенными эксплуатационными свойствами производилась с учетом следующего:за основу взят процесс изготовления труб технологических каналов РБМК, являющийся наиболее близким по достигаемому результату к цели настоящей работы. На сегодняшний день трубы РБМК по уровню вязкости разрушения и сопротивлению ЗГР существенно превосходят аналогичные характеристики для труб давления CANDU.схемы изготовления опытных труб давления разработаны таким образом, чтобы можно было использовать существующее на ОАО ЧМЗ оборудование.в процессе изготовления опытных образцов труб давления применялась действующая на заводе практика оценки качества таких изделий.
Существующий техпроцесс изготовления труб из сплава Zr-2,5%Nb для реакторов РБМК предусматривает следующие основные операции: выдавливание кованой и закаленной заготовки при температуре (700-750) С, и проведение холодной прокатки в три этапа, либо с а отжигамипосле первого и последнего проката, соответственно, при 580 С - 3 часа и 540 С - 5 часов (штатная для РБМК-1000 технология), либо с использованием между второй и последней прокатками дополнительной операции (а+Р)-закалки с температуры (850-870) "С в воду (обработка ТМО-1) или в смесь гелия с аргоном (обработка ТМО-2) и применения, в этом случае, конечной термообработки, соответственно, при температурах 515 С или (530-540) С с выдержкой 24 часа /94/.
На рисунках 4.1 и 4.2 приведены варианты схем деформационной и термической обработки, которые были разработаны и использованы для изготовления опытных образцов усовершенствованных труб давления CANDU из сплавов Zr-2,5%Nb и Zr-l,2%Sn-l%Nb 0,35%Fe. Представленные технологические схемы включают в себя следующие основные операции:горячая деформационная обработка слитков в Р - области на стане винтовой прокатки;изготовление заготовок;гомогенизирующая р - закалка заготовки с температуры 1010 С, использовать которую предполагалось в одном из вариантов изготовления труб из сплава Zr-2,5%Nb;выдавливание заготовок в гильзы в (ос+р) - области;закалка гильз из р - области с температуры 950 С и из (а+р) - области с температур 850 С и 880 С, соответственно для сплаваZr-2,5%Nb и Zr-l,2%Sn-l%Nb-0,35%Fe;отпуск в а - области при температурах 560 С и 540 С, соответственно для сплава Zr-2,5%Nb и Zr-l,2%Sn-l%Nb-0,35%Fe;холодная прокатка;промежуточная термообработка в а-области при температурах 540 С для сплава Zr l,2%Sn-l%Nb-0,35%Fe и 560С для сплава Zr-2,5%Nb, в (сс+р)-области при температур 720 С для сплава Zr-2,5%Nb;окончательная термообработка в а - области при температурах (400—520) С с выдержкой 6-24 часа.
Одна из отличительных особенностей разработанных схем деформационной и термической обработки заключается в изменении процесса горячей обработки сплавов. Применение для обработки слитков горячей прокатки (взамен ковки) за счет большей скорости деформации позволило производить деформирование слитков в высокотемпературном однофазном р -состоянии, с одним типом кристаллической ОЦК - решетки. Это положительно повлияло на способность сплавов к пластической деформации по механизму скольжения и способствовало формированию однородной структуры.
Другой особенностью разработанных схем являлось то, что горячее выдавливание заготовок 0298x118 мм из обоих сплавов в гильзы 0153x116 мм, в отличие от существующей д труб РБМК технологии, производилось на подвижной игле при усилии прессования 160 кг/см , скорости 18-20 мм/сек. Разностенность выдавленных гильз после этого составляла не более 0,7 -0,8 мм. Выдавливание гильз с неподвижной иглой приводит к интенсивному налипанию металла на инструмент в очаге деформации, вследствие чего внутренняя поверхность гильзы имеет дефекты и её разностенность составляет 0,8 - 2,0 мм.
Для устранения структурной неоднородности, свойственной материалу труб после экструзии, и получению более изотропной, а не тангенциальной, текстуры в разработанных схемах предусмотрены операции закалки гильз из р - или (а+р)-области, что ранее в практике изготовления труб давления не применялось.
В работах /133-135/ было показано, что применение обработки с р-закалкой после горячего выдавливания перед холодной прокаткой и отжигом обеспечивает материалу повышенное сопротивление разрушению за счет получения однородной мелкодисперсной структуры с равномерным распределением выделений второй фазы. Предполагалось, что в результате применения р - закалки произойдет фазовая перекристаллизация сплавов и это позволит получить однородную по длине и сечению гильз структуру мелкоигольчатого мартенсита и максимально перевести в раствор примесные и интерметаллидные составляющие. Влияние р - закалки в воду с температуры 950 С после выдержки 1 ч было опробовано при изготовлении опытных труб по схемам 1 и 3 (рисунки 4.1 и 4.2).
В задачу закалки гильз из (а+Р)-области входило получение в материале типа структуры, состоящего из пересыщенного твердого раствора ct -Zr фазы с глобулярными зернами aDCT-Zr содержанием (15—20) %. Для изготовления опытных труб давления по схемам 2 и 4 применена закалка из (сс+р)-области с температур 850 С для сплава Zr-2,5%Nb и 880 С для многокомпонентного сплава. Различие в температурно-временных параметрах нагрева гильз после выдавливания из исследуемых сплавов обусловлено различием их температур полиморфного превращения и кинетики фазовой перекристаллизации в промежуточной (а+р)-области для получения одинакового соотношения в этих сплавах превращенной и не превращенной фаз.
С целью получения благоприятного сочетания структурного состояния и свойств для проведения холодной прокатки во всех схемах изготовления опытных образцов труб давления на гильзах после закалки и их расточки, обточки в размер 0150x120 мм предполагалось провести вакуумный отпуск в a-области. Отпуск опытных гильз из сплава Zr-2,5%Nb, закаленных из р и (а + Р) - областей, проводился при температуре 560 С с выдержкой 5 часов, а из сплава Zr-l,2%Sn-l%Nb-0,35%Fe при температуре 540 С и времени выдержки 3 часа.
