Введение к работе
Актуальность проблемы. Требования повышенной безопасности, надежности и долговечности атомных энергетических установок (АЭУ) с обеспечением высоких технико —экономических показателей графиков электрических и тепловых нагрузок являются \оминирующими при выборе конструкций, материалов и разработке гехнических требований к изготовлению оборудования атомных эеакторов (АР) на тепловых и быстрых нейтронах для стационарных электростанций и ледокольного флота. Таким условиям в наибольшей :тепени удовлетворяют легководные водо —водяные энергетические реакторы корпусного типа (ВВЭР) и реакторы с натриевым геплоносителем бакового типа (БН). Повышение единичной мощности \Р неизбежно приводит к увеличению его габаритов, весовых характеристик, рабочего давления, а следовательно к увеличению толщины стенки корпуса, интенсификации дозового нейтронного облучения и коррозионного воздействия, а также при жестком эегламентировании габаритов фланцев с изменением их конструкции А геометрических параметров крепежа и его соединений по условиям гранспортирования АР, к повышению нагрузки на крепежные детали.
Эти проблемы в значительной мере освещены в исследованиях работоспособности реакторных металлических материалов российских /ченых Н.Н.Давиденкова, И.В.Горынина, А.П.Гусенкова, Ю.И.Звездина, З.А.Ишатова; Г.П.Карзова, В.ПКогаева, Н.А.Махутова, АА.Назарова, АМПаршина, Ю.Н.Работнова, И.А.Разова, В.В.Рыбина, С.В.Серенсенаг Э.Б. Фридмана, А.А.Чижика, Р.М.Шнейдеровича, С.С.Шуракова, З.Д.Ярошевича и др., зарубежных — Бюккнера, Вундта, Екобори, Лрвина, Куистра, Лэнджера, Никольса, Панасюка, Париса, Патона, Теллини, Писаренко, Сиха, Сноу и др.
Вместе с тем несмотря на значительные достижения некоторые іроблемьі работоспособности элементов АЭУ с АР на тепловых и Зыстрых нейтронах нуждаются в теоретическом развитии и экспериментальном подтверждении сопротивляемости деформированию и разрушению металлических материалов реакторного борудования. Так, для высоконагруженных крепежных деталей и их соединений оборудования АЭУ из — за отсутствия в России и за рубежом поверочных методов расчета на хрупкую прочность нет достаточгк обоснованных технических требований по сопротивляемости хрупком; разрушению к металлу крепежных деталей с учетом конструкцш резьбового соединения, геометрии резьбы и условий нестационарного нагружения. Кроме того, отсутствует взаимосвязь между сопротивляемостью металла крепежных деталей и их соединениі малоцикловой усталости (МЦУ) и хрупкому разрушению по критерияз вязкости разрушения и критической температуры хрупкости. Зті обстоятельства определяют необходимость повышения работоспособности металла, крепежных деталей и их резьбовых соединениі по критериям малоцикловой усталости и хрупкой прочности за сче введения регламентированного температурного запаса по критическоі температуре хрупкости (КТХ), оптимизации термической обработал применяемых высокопрочных металлических материалов и геометрш резьбы, а также разработки нового поколения — полифункциональны: крепежных материалов с высокими, комби —нированными по структурі металла и крепежной детали, прочностными и пластическими характеристиками. Поэтому исследование сопротивляемости металл крепежных деталей и их соединений деформированию и разрушении и оценка концентрации деформаций в резьбе металла крепежа различной склонностью к хрупкости, выбираемой как допуск на перехо, из пластического в хрупкое состояние, является проблемой безусловпе актуальной.
Работа является результатом систематических исследований : этом направлении, проводимых в НПО ЦКТИ им. И.И.Ползупова ] соответствии с планами научных работ института и решениям] соответствующих министерств, ведомств и комитетов.
Цель и задачи исследования- Исследование сопротивляемосп деформированию и разрушению высокопрочных металлически: материалов для крепежных деталей и их резьбовых соединений прі нестационарном нагружении с учетом напряженного состояния температуры, коррозии и радиационного облучения. Разработка расчетно —экспериментальных методов оценки работоспособності металла крепежных деталей и их резьбовых соединений по критерия малоцикловой усталостной и хрупкой прочности на основе структурны диаграмм сопротивляемости хрупкому разрушению, закономерностеі упругопластического деформирования резьбового соединение крепежных деталей, металл которых с различной склонностью хрупкости, и линейной механики разрушения (ЛМР).
В диссертации решаются следующие задачи:
— получение и систематизация экспериментальных данных по исследованию взаимосвязи между пределом МЦУ крепежа и его соединений из высокопрочных крепежных сталей марок 25Х1МФ и 38ХНЗМФА для оборудования АР ВВЭР и температурным запасом вязкости по КТХ металла крепежных деталей;
— комплексная экспериментальная оценка влияния таких факторов, как температурный запас по КТХ металла крепежных шпилек и гаек, номинальный диаметр резьбы, шаг и радиус впадины резьбы, длина свинчивания и конструкция резьбового соединения на сопротивляемость металла крепежных деталей из высокопрочных сталей 25Х1МФ и ЗЗХНЗМФА малоцикловому усталостному разрушению;
— экспериментальные исследования влияния таких факторов, как материал защитного покрытия, температура, время экспозиции металла крепежных деталей в коррозионной реакторной среде, содержащей борную кислоту, щелочь и хлорид натрия повышенной концентрации, на коррозионную стойкость и сопротивляемость деформированию и разрушению высокопрочных крепежных деталей и его соединений из стали ЗЗХНЗМФА в условиях МЦУ;
— экспериментальные исследования служебных свойств, облученных в АР типа БН(БР 5 и БОР — 60) крепежных материалов: железоникелевого дисперсионно —твердеющего сплава ХН35ВТ и хромоникелевой аустенитиой стали 08Х18Н10Т с различным флюенсом нейтронного потока и разработка режимов термо—деформационной обработки этих материалов для моделирования уровней прочности и пластичности с учетом температуры эксплуатации крепежных деталей оборудования АР БН;
— проведение комплекса экспериментальных исследований по оценке влияния облученного состояния металла крепежных деталей на МЦУ резьбового соединения из модельных высокопрочных крепежных материалов ХН35ВТ и 08Х18Н10Т в интервале температур эксплуатации АР БН;
— сравнительный анализ работоспособЕїости облученного металла крепежных деталей и их резьбовых соединений и оценка остаточного ресурса резьбового соединения применительно к условиям эксплуатации АР БН;
— применение полученных результатов для практических рекомендаций при использовании высокопрочных металлических материалов для высоконагруженных крепежных деталей и их соединений в оборудовании АЭУ.
Научная новизна. Впервые разработан и реализован на баз комплексного подхода к оценке сопротивляемости деформировании и разрушению высокопрочных металлических материалов прі стационарном и нестационарном режимах нагружения с учетов напряженного состояния, температуры, коррозии и облученю расчетно —экспериментальный метод повышения несущей способности крепежных деталей и их соединений оборудования АЭУ с АР ВВЭР і БР по критериям малоцикловой усталостной и хрупкой прочности заключающийся в оптимизации геометрии резьбы, конструкцш соединения, применяемых режимов термической обработки, расчетно! оценке коэффициентов запаса по трещиностойкости и допускаемы: значений КТХ металла крепежных деталей и их соединений и созданиі нового поколения — полифункциональных крепежных материалов высокими, комбинированными по структуре металла и крепежної детали, прочностными и пластическими характеристиками.
Впервые установлена экспериментальная зависимость межд? пределом МЦУ крепежа и его соединений на базе 104 цикл Д( разрушения и температурным запасом вязкости по КТХ металле крепежных деталей, позволяющая определять работоспособное металла крепежа в условиях МЦУ в зависимости от типа соединения геометрии резьбы и др. факторов на основе простых испытаний пс определению КТХ металла крепежных деталей.
Впервые выполнено систематическое исследование влияниз геометрии резьбы, типа соединения, масштабного фактора температурного запаса по КТХ металла, материала гайки в случае резьбового соединения со шпилькой, длины свинчивания и уровш нагружениости на МЦУ крепежных деталей и их соединений и: высокопрочных металлических материалов.
Предложен и апробирован метод расчета концентрации деформаций в резьбе крепежных деталей с учетом перераспределенш нагрузки по виткам при МЦУ соединений из материалов с различным циклическими свойствами.
Показано, что основными параметрами оптимизации конструкций крепежных деталей и их соединений по критериям МЦУ і хрупкой прочности являются на стадии зарождения разрушения — шаг и радиус впадины резьбы, на стадии развития разрушения — шаі резьбы. Основными параметрами оптимизации структуры являются скорость охлаждения при закалке и температурно —временны параметры отпуска, которым принадлежит ведущая роль в обеспечение высокой сопротивляемости металла крепежных деталей и их соединений хрупкому разрушению.
В результате комплекса экспериментальных исследований материалов защитных покрытий, температура и время экспозиции крепежных деталей в коррозионной реакторной среде с борным регулированием на коррозионную стойкость и сопротивляемость крепежа и его соединений из стали 38ХНЗМФА МЦУ показано, что хромовое и аморфно —микрокристаллическое никель—фосфорное покрытие обеспечивают максимальный ресурс. Также установлено, что влияние коррозионного фактора на сопротивляемость резьбового соединения шпилька —гайка М8х1,25 из стали 38ХНЗМФА сопоставимо с влиянием масштабного фактора при МЦУ соединения на воздухе и гем самым практически адекватно смещению КТХ металла в область отрицательных значений температурного запаса вязкости при минимальной температуре эксплуатации.
Впервые выполнены комплексные исследования механических характеристик кратковременного растяжения облученных в АР БН крепежных материалов: ХН35ВТ и 08Х18Н10Т при различном флюенсе нейтронного потока и их моделируемых с учетом дозовой нагрузки аналогов, а также сопротивляемости МЦУ крепежных деталей и их соединений в интервале температур 20 500°С. При этом было установлено, что минимальная несущая способность резьбового соединения крепежных деталей из моделируемых облучение с различной дозой материалов имела место при флюенсе нейтронного потока 3,7 1022 нейтр/см2 практически независимо от температуры испытания в следствие упрочнения и повышения склонности и хрупкости металла шпилек из сплава ХН35ВТ.
Развита и апробирована расчетно — экспериментальная методика оценки концентрации деформации в резьбе крепежных деталей, металл которых имеет большие различия по прочности и пластичности, при МЦУ резьбового соединения с учетом дозовой нагрузки при нейтронном облучении для циклически упрочняющихся материалов.
Похожие диссертации на Сопротивляемость деформированию и разрушению высокопрочных металлических материалов для крепежных деталей атомных энергетических установок
