Введение к работе
Актуальность работы. Одно из перспективных направлений развития атомной энергетики - эксплуатация реакторов на быстрых нейтронах (РБН). Федеральная целевая программа «Развитие атомного комплекса России до 2015 года» предусматривает активное строительство и коммерческое использование РБН. Наиболее ответственными изделиями активной зоны РБН являются оболочки тепловыделяющих элементов (твэлов). Для более полной реализации экономических возможностей таких реакторов японскими специалистами предложено использование в качестве конструкционного материала тонкостенных оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) сталей ферритного и мартенситного классов, изготовленных методом порошковой металлургии и дисперсионно упрочненных наночастицами оксида У2Оз (ОДС сталей).
Обязательной частью технологии изготовления твэлов реакторов является процесс их герметизации с помощью сварки. Изучению вопроса сварки металлов, изготовленных методом порошковой металлургии, посвящены работы В.В. Редчица, Г.Д. Никифорова, Г.Х. Гессингера, С. Укай и других специалистов. Из мировой практики Японии, США, Франции известно, что задача формирования качественных сварных соединений металлов, изготовленных методом порошковой металлургии, в большинстве случаев решается с применением способов сварки, обеспечивающих соединение деталей в твердой фазе или с минимальным расплавлением кромок: контактно-стыковой, диффузионной, магнитно-импульсной. Однако технология герметизации оболочек твэлов, выполняемая в дистанционных условиях защитных боксов, предполагает использование менее трудоемких и более экономически оправданных способов сварки плавлением -аргонодуговой сварки неплавящимся электродом (АДС) и лазерной сварки (ЛС). О широком применении этих способов сварки свидетельствуют работы Ю.И. Казеннова, Л.И. Ревизникова, А.Г. Григорянца, И.Е. Лапина. Но при сварке плавлением изделий из рассматриваемых сталей в сварных соединениях наблюдается повышенная склонность к образованию пор, дефектов, приводящих к нарушению их сплошности и, как следствие, к недопустимому снижению работоспособности твэлов.
Актуальность работы подтверждается ее выполнением в рамках международного контракта № 392/20553876/125166 между фирмами JAER (Япония) и ОАО «ГНЦ НИИАР» (Россия) «Исследование оксидных упрочненных сталей для их использования в качестве оболочек твэлов реакторов на быстрых нейтронах».
Цель работы. Повышение качества сварных соединений тонкостенных оболочек твэлов из дисперсионно-упрочненных оксидами сталей (ОДС) путем уменьшения образования пор при сварке плавлением в дистанционных условиях.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
Исследованы причины и условия образования пор при сварке плавлением тонкостенных оболочек из ОДС сталей.
Определены основные технологические параметры процесса сварки плавлением тонкостенных оболочек твэлов из ОДС сталей в дистанционных условиях защитных боксов, обеспечивающие повышение качества сварных соединений.
Проверена работоспособность сварных соединений в условиях эксплуатации.
Методы исследований. В работе использованы как общепринятые, так и разработанные автором расчетные и экспериментальные методики исследования процесса образования пор при сварке дисперсионно-упрочненных сталей. Качество сварных соединений оценивалось методами рентгенографического, масс-спектрометрического и металлографического контроля. Работоспособность сварных соединений определялась с применением методик электронной сканирующей микроскопии (для изучения распределения оксида иттрия), испытаниями на конструктивную прочность растяжением и нагружением внутренним давлением на образцах специально разработанной конструкции. Теоретические исследования по определению влияния теплового воздействия сварки на время существования металла сварного шва в расплавленном состоянии были выполнены с использованием пакета программ ANSYS и расчетных кодов SOLID70.
Экспериментальные исследования технологии сварки проводились на отечественном и импортном сварочном оборудовании (для аргонодуговой сварки неплавящимся электродом и лазерной сварки), адаптированном к дистанционным условиям изготовления твэлов. Результаты работы апробированы при изготовлении экспериментальных тепловыделяющих сборок для облучения в реакторе БОР-60. Достоверность полученных результатов подтверждается использованием сертифицированных методик, известных положений, сходимостью расчетных и экспериментальных данных, а также промышленной проверкой.
Научная новизна работы заключается в установлении взаимосвязей времени нахождения металла сварного шва оболочки из ОДС стали в расплавленном состоянии и доли участия этой стали в формировании сварного шва со скоростью увеличения размеров пор, изменением средней концентрации и равномерностью распределения частиц оксида иттрия в сечении шва.
Установлено, что причиной образования пор при сварке оболочек из ОДС сталей является состояние металла, изготовленного методом порошковой металлургии, содержащего в микронесплошностях аргон. При этом диаметр пор увеличивается со скоростью от 0,1 до 0,6 мм/с пропорционально доле участия ОДС стали в формировании сварного шва, по механизму коалесценции мелких пор в крупные. Поры браковочного размера образуются при нагревании металла до температуры более 1440 С и при его расплавлении.
Определено, что частицы упрочняющей фазы, введенной в матрицу металла механическим легированием, и имеющие плотность меньше основы,
всплывают, перемешиваясь в сварочной ванне. При этом, соприкасаясь, они коагулируют в скопления при температуре плавления основы, причем часть этих скоплений выходит на поверхность сварного шва. Средняя концентрация оксида иттрия в сварном шве изменяется пропорционально доле участия ОДС стали в его формировании, а равномерность распределения его дисперсных частиц пропорционально времени t>K нахождении свариваемого металла в расплавленном состоянии. При 1ж более 0,3 с большая часть упрочняющих оксидов находится в шве в виде скоплений.
3. Установлено, что при сварке ОДС сталей за счет повышения давления инертного газа над сварочной ванной ограничивается процесс образования пор и при давлении большем 0,5 МПа поры в сварных соединениях отсутствуют.
Практическая ценность результатов работы. На основании экспериментальных данных установлены основные причины образования пор в сварных соединениях оболочек тепловыделяющих элементов из ОДС сталей, заключающиеся в длительном пребывании свариваемого металла, содержащего аргон при температуре, превышающей 1440 С. Разработаны конструкции сварных соединений с оптимальной долей участия используемых материалов оболочки (ОДС сталь) и заглушки (сталь 05X12Н2М). С использованием экспериментальных и расчетных методик определены технологические приемы и режимы АДС и импульсной лазерной сварки, при которых за счет нахождения металла шва в расплавленном состоянии менее 0,15 с при 100 %-й и 0,8 с при 15 %-й долях участия ОДС стали в формировании соединения ограничивается процесс образования пор и повышается качество сварных соединений. Отработаны технологические приемы исправления дефектов сплошности сварных соединений за счет повторной сварки в условиях повышенного давления инертного газа и многократной ремонтной сварки. С помощью исследования состояния сварных соединений после эксплуатации твэлов в течение двух с половиной лет в реакторе БОР-60 и испытаний на конструктивную прочность проведено обоснование их работоспособности. Результаты выполненных исследований использованы при производстве экспериментальных тепловыделяющих элементов РУ БОР-60 для проведения дальнейших исследований по обоснованию повышенного ресурса эксплуатации оболочек из ОДС сталей. Экономический эффект внедрения результатов работ составил около 300 тыс. руб. Основная часть эффекта получена за счет уменьшения вероятности образования пор в сварных соединениях при герметизации годовой программы производства оболочек твэлов тепловыделяющих сборок РУ БОР-60. Это подтверждает достижение цели работы.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «Сварка и смежные технологии» (28-30 ноября 2000 г., г. Москва), на Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы повышения эффективности сварочного производства» (15-17 ноября 2006 г., г. Тольятти), на научно-технической конференции,
посвященной 50-летию НИИАРа «Экспериментальное обоснование проектных, конструкторских и технологических решений в инновационных разработках ядерной энергетики» (4-8 декабря 2006 г., г. Димитровград), на научно-практической конференции «Прочность и долговечность сварных конструкций в тепловой и атомной энергетике» (25-27 сентября 2007 г., г. Санкт-Петербург).
Публикации. Основные результаты выполненных исследований отражены в 22 публикациях, в том числе в восьми статьях в рецензируемых журналах («Сварочное производство», «Атомная энергия», «Технология машиностроения», «Вопросы материаловедения»), в 12 публикациях в других журналах, сборниках докладов и тезисов, а также в двух патентах РФ на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованных источников из 115 наименований. Содержит 167 страниц машинописного текста, 82 рисунка, 9 таблиц.
