Формування структури та властивостей сталі і сплавів при виробництві труб для ядерних енергетичних установок

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

ФОРМУВАННЯ СТРУКТУРИ ТА ВЛАСТИВОСТЕЙ СТАЛІ І СПЛАВІВ ПРИ ВИГОТОВЛЕННІ ТРУБ ДЛЯ ЯДЕРНИХ ЕНЕРГЕТИЧНИХ УСТАНОВОК

Спеціальність 05.16.01 - Металознавство та термічна обробка металів

ВАХРУШЕВА ВІРА СЕРГІЇВНА

Дніпропетровськ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному науково-дослідному і конструкторсько-технологічному інституті трубної промисловості ім. Я.Ю. Осади Міністерства промислової політики України

Науковий консультант: доктор фізико-математичних наук, професор, член-кореспондент Національної академії наук України Неклюдов Іван Матвійович, Інститут фізики твердого тіла, матеріалів та технологій Національного Наукового Центру “Харківський фізико-технічний інститут”, директор

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Шаповалова Оксана Михайлівна, Фізико-технологічний інститут при Дніпропетровському Національному університеті, завідуюча лабораторією нових матеріалів та безвідходних технологій кафедри безпеки життєдіяльності

доктор технічних наук, професор Волчок Іван Петрович, Запорізький Національний технічний університет, завідуючий кафедрою технології металів

доктор технічних наук, професор кафедри металознавства Куцова Валентина Зіновіївна, Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ

Провідна установа: Фізико-технологічний інститут металів та сплавів Національної академії наук України, м. Київ

Захист відбудеться 27 червня 2003 р. о 12³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д08.084.02 при Національній металургійній академії України за адресою: 49600 , м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600 , м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

Автореферат розісланий 26 травня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Должанський А.М.

АНОТАЦІЯ

Вахрушева В.С. Формування структури та властивостей сталі і сплавів при виробництві труб для ядерних енергетичних установок. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за фахом 05.16.01 - Металознавство та термічна обробка металів _ Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ, 2003.

Дисертація присвячена актуальній проблемі розробки наукових принципів побудови технологічних процесів виготовлення труб-оболонок твел, що забезпечують їх властивості та тривалість експлуатації у активних зонах ядерних реакторів. Визначено механізми структуроутворення і досягнення необхідних властивостей металу в нових технологічних схемах виготовлення зливків, трубної заготовки і труб зі сплаву цирконію з ніобієм. Розвита модель зміцнення і структуроутворення в технологічних процесах виробництва труб-оболонок з корозійностійкої сталі з використанням великих ступенів холодної деформації, раціональних режимів термічної і хіміко-технологічної обробки. Запропоновано технологію зернограничного проектування за рахунок виробництва труб з монокристалів і конструювання низькоенергетичних границь зерен у полікристалах. На основі використання нових засобів обробки отримана зовнішня і внутрішня поверхня труб з показниками шорсткості поверхні та її корозійних властивостей на рівні, що перевищують стандартні. Комплексне дослідження властивостей, текстури, фазового складу, орієнтації гідридів, корозійної стійкості, повзучості дослідних партій труб-оболонок зі сплаву цирконію з ніобієм підтвердили їхню високу якість, властивості, надійність, можливість промислового виробництва в Україні.

Ключові слова: труби, цирконій, сталі, сплави, пластичність, нагрівання, структура, властивості, текстура, поверхня.

АННОТАЦИЯ

Вахрушева В.С. - Формирование структуры и свойств стали и сплавов при производстве труб для ядерных энергетических установок. _ Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов - Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2003.

Диссертация посвящена актуальной проблеме разработки научных принципов построения технологических процессов производства труб-оболочек твэл, обеспечивающих их качество и длительность эксплуатации в активных зонах ядерных реакторов. Выполнено теоретическое обобщение современного состояния конструкционных материалов и технологии производства труб-оболочек твэл для ядерных энергетических установок. Определены металловедческие проблемы производства металлопродукции для АЭС Украины и направления совершенствования процессов деформационной и термической обработки. Определены особенности формирования структуры и свойств литых заготовок из сплава Zr1Nb при использовании известных и новых способов литья металла. Установлены принципы роста и структурообразования при фазовых превращениях в сплаве Zr1Nb в литом состоянии.

Выявлена зависимость ширины пакетных пластин циркония со свойствами литого и горячедеформированного металла. Обоснован выбор наиболее перспективных способов изготовления литых заготовок с точки зрения оптимальности их структуры и механических свойств для дальнейшей деформации, в качестве которых предложены гарнисажная электронно-лучевая плавка с электромагнитным перемешиванием и центробежное литье в вакууме.

Основным способом деформации слитков из сплава Zr1Nb рекомендовано горячее прессование, взамен ковки. Разработана общая концепция прессования, предусматривающая оптимальное использование температурно-деформационных параметров в области высоких температур и коэффициентов вытяжки. По результатам полупромышленного эксперимента для изготовления опытных партий труб предложены новые технологические схемы горячей и холодной деформации, термической и химико-технологической обработки труб, выбраны температурно-деформационные схемы и параметры, изготовлены опытные партии труб из сплава Zr1Nb на предприятиях Украины.

Развита физическая модель деформационного упрочнения, структурообразования и повреждаемости в металлах при использовании новых процессов холодной прокатки труб. Полученные результаты использованы для построения интенсивной технологии с большими степенями обжатия при изготовлении труб-оболочек из коррозионностойкой стали аустенитного класса. Расширены области использования предельных степеней деформации при прокатке труб на основе развития представлений о ротационных модах пластичности, процессах двойникования. Новые технологические режимы обусловили совершенствование методик построения калибровок рабочего инструмента станов холодной прокатки и соответственно интенсификацию технологии.

Исследовано влияние температурно-деформационных параметров интенсивной технологии и установлена корреляционная зависимость текстуры и механических свойств труб. Определено, что задача повышения пластичности металла решается за счет оптимизации кристаллографической текстуры металла с размытием компоненты (001) L-текстуры при больших степенях деформации. Установлено, что сочетание технологии интенсивных обжатий и применение слитков малых размеров, полученных способом центробежного литья, обеспечивают в промышленном производстве снижение расходного коэффициента металла, энергопотребления, цикличности процесса и себестоимости продукции.

Определены закономерности развития пластической деформации моно- и поликристаллов коррозионной стали аустенитного класса в технологических процессах изготовления труб-оболочек твэл. Впервые изготовлены трубы-оболочки твэл размерами 6,90,4 мм и 5,80,3 мм из монокристаллической трубной заготовки. Изучена и практически доказана возможность конструирования низкоэнергетических границ зерен в поликристаллах аустенитной стали с использованием механико-термической обработки.

Исследована топография поверхности труб на технологических переделах. Предложены новые для трубного производства технологии обработки внутренней и наружной поверхности труб с использованием реверсивных потоков абразива и магнитных полей, которые обеспечивают получение поверхности с высокой геометрической и физико-механической однородностью, высокими коррозионными свойствами.

Выполнены комплексные исследования состава, свойств, структуры, текстуры опытных партий труб-оболочек твэл из сплава Zr1Nb. Установлено, что для труб украинского производства характерны высокие механические свойства и коррозионная стойкость без очагов разрушения и признаков нодулярной коррозии, высокая пластичность и длительная прочность с необходимым уровнем ориентации гидридов. Подтверждение требуемым эксплуатационным характеристикам труб-оболочек, соответствующим международным стандартам, получено по результатам их испытаний на моделях твэл в условиях, приближенных к реакторным. Проанализированы и оценены критические процессы по всему технологическому циклу изготовления труб, на базе которых разработана и утверждена нормативно-техническая документация на изготовление труб-оболочек твэл из сплава Zr1Nb в Украине. Рассчитан экономический эффект от реализации проекта освоения промышленного производства труб-оболочек твэл для реакторов ВВЭР-1000 и 440.

Ключевые слова: трубы, цирконий, стали, сплавы, пластичность, нагрев, структура, свойства, текстура, поверхность.

Summary

V.S. VAKHRUSHEVA. FORMATION OF STRUCTURE AND PROPERTIES OF STEELS AND ALLOYS DURING THE PRODUCTION OF TUBES FOR NUCLEAR POWER INSTALLATIONS. - MANUSCRIPT.

Thesis for degree of doctor of technical sciences on speciality 05.16.01 - Physical metallurgy and thermal treatment of metals - National Metallurgical Academy of Ukraine, Dniepropetrovsk, 2003.

The thesis is devoted to the actual problem of development of scientific principles of construction of the technological processes of production of tubes for fuel elements which will provide these tube quality and durability of their usage in the active zones of nuclear reactors. The mechanisms of structure formation and achievement of required metal properties in new technological schemes of manufacture of ingots, shells and tubes of zirconium-niobium based alloy were determined. The model of strengthening and structure formation in technological processes of production of tubes for fuel elements of corrosion resistant steel with the use of high degree cold deformations and rational schemes of thermal and chemico-technological treatment was developed. The technology of grain boundary designing by production of tubes of monocrystals and development of low-energy grain boundaries in polycrystals was proposed. The new methods of treatment of inner and outer tube surfaces were used. On the basis of the use of new methods of treatment the inner and outer tube surfaces with high indices of their roughness and corrosion resistance were obtained. The results of a complex investigation of mechanical properties, structure, texture, phase composition, hydride orientation, corrosion resistance and creep of experimental batches of zirconium-niobium based alloy tubes for fuel elements confirmed their high quality and possibility of their commercial production in Ukraine.

Key words: tubes, zirconium, steels, alloys, plasticity, heating, structure, properties, texture, surface.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У числі важливих державних проблем визначено створення Національного ядерно-паливного циклу (ЯПЦ) в Україні як основи росту питомої ваги атомної енергетики в енергетичному балансі країни. Складовою частиною Комплексної програми створення ЯПЦ є організація виробництва цирконієвого прокату - труб-оболонок тепловиділяючих елементів (твел) і комплектуючих тепловиділяючих збірок. Дотепер труби-оболонки твел зі сплавів цирконію в Україні не виробляли. Технологія виготовлення труб-оболонок твел належить до числа найбільш наукоємних у теорії та практиці трубного виробництва.

Експлуатація труб-оболонок твел в активній зоні здійснюється в найбільш екстремальних умовах: при високих робочих температурах, циклічних механічних і теплових навантаженнях, в інтенсивних потоках радіаційного випромінювання, при наявності агресивного середовища теплоносія і паливної таблетки. На цій підставі висувається комплекс надвисоких вимог до труб-оболонок: високі механічні властивості при різних температурах, корозійна стійкість у різних середовищах при високих тисках і температурах, необхідна структура, текстура, стан поверхні, обмеження по анізотропії властивостей, орієнтації гідридів, наявності іонів фтору на поверхні.

Саме металознавчі проблеми створення комплексу властивостей труб-оболонок твел визначають вимоги до побудови технологічного процесу. У світовій практиці технології виробництва труб-оболонок твел зі сплавів цирконію створювали 30-40 років тому, на цій підставі при організації їхнього виробництва в Україні варто враховувати досягнення сучасної науки і техніки. Рішення проблем вибору матеріалів активних зон реакторів, оцінки їхнього поводження в умовах експлуатації, створення технологій виробництва виробів з них у світовій науці і практиці спирається на використання праць відомих вітчизняних і закордонних учених: А.А. Бочвара, Ю.К. Бібілашвілі, В.Вайденгера, Д. Дугласа, А.Є. Займовського, В.Ф. Зеленського, Ю. Кондо, І.М. Неклюдова, А.В. Нікулиной, П.А. Платонова, Ф.Г. Решетникова та інших.

Творче узагальнення світової науки і практики дозволило встановити, що в найбільш повній мірі комплекс металознавчих та технологічних задач виробництва і використання труб в активній зоні АЕС зводиться до зменшення структурної і хімічної неоднорідності металів на всіх стадіях технологічних процесів: виплавки металу, виготовлення заготовки і труб; створення структур визначеного типу, що забезпечать підвищення радіаційної, корозійної стійкості, зниження гідридної крихкості; поліпшення якості поверхні виробів. Завершальною фазою досліджень і розробок є організація виробництва труб-оболонок твел з цирконієвих сплавів в умовах підприємств України.

Поряд з дослідженням цирконієвих сплавів до важливих напрямків належить збільшення тривалості експлуатації труб-оболонок твел з корозійностійкої сталі аустенітного класу. Труби-оболонки твел зі сталі цього класу вимагають поліпшення комплексу властивостей, пов'язаних з підвищенням міцності, пластичності, опору повзучості при радіаційному впливі. На цей час ці проблеми вимагають дослідження та відшукання оптимальних рішень на етапах технології виготовлення труб для забезпечення тривалої експлуатації твел.

Таким чином, необхідність рішення комплексної наукової проблеми підвищення якості труб і організації їхнього виробництва для активної зони ядерних енергетичних установок (ЯЕУ) в Україні визначає актуальність і загальнодержавне значення теми дисертації.

Зв'язок дисертації з науковими програмами, планами, темами. Наукові дослідження і практичні результати дисертації безпосередньо пов'язані з визначеними напрямками впровадження новітніх технологій в енергетиці і промисловості відповідно до статті 7 (п. 6) Закону України “Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки”, затвердженого Президентом України 11.07.01 р. № 2623-III. Дисертація узагальнює результати науково-дослідних робіт, що виконані в Державному трубному інституті ім. Я.Ю. Осади (ДТІ) за координаційними планами Державного Комітету з атомної енергетики, Міністерства палива та енергетики, Міністерства промислової політики України та інших замовників (номери державної реєстрації: 0193U015402, 0194U034126, 0194U006011, 0194U007019, 0195U024602, 0196U012821, 0196U012822, 0196U012793, 0197U014230, 0197U002254, 0198U009119, 0199U001525, 0199U001529, 0199U001530, 0199U002274, 0199U004221, 0102U003428 та інші). Наукові результати дисертації та промислове впровадження розробок спрямовані на реалізацію і сприятимуть виконанню завдань, поставлених найважливішими державними документами та галузевими програмами: Концепцією розвитку паливно-енергетичного комплексу України на період до 2010 р., затвердженою Постановою Верховної Ради України від 02.02.1994 р. № 9907 -ХІІ; Указом Президента України “Про першочергові заходи щодо розвитку атомної енергетики і формування ядерно-паливного циклу в Україні” від 23.02.1994 р. № 64/94; Комплексною програмою створення ядерно-паливного циклу в Україні, основні положення якої затверджені Постановою Кабінету Міністрів України від 12.04.1995 р. № 267, а рішенням від 06.06.2001р. №634-8 затверджена її уточнена редакція; Національною програмою розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010 р., схваленою Кабінетом Міністрів від 11.03.96, її подальшим коректуванням у 1999, 2002 р.; Комплексною програмою інтеграції сплаву цирконію на основі КТЦ у ядерне паливо України для реакторів ВВЕР-1000, затвердженою Мінпаливенерго України та Мінатоменерго Росії від 18.05.1999 р.

Мета і задачі дослідження. Метою досліджень є розробка наукових принципів управління структуроутворенням і формуванням властивостей на всіх стадіях виготовлення труб-оболонок твел зі сплаву цирконію (Zr1Nb) і корозійностійкої сталі аустенітного класу, що задовольняють умовам експлуатації в активній зоні ядерних енергетичних установок.

Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно вирішити наступні задачі:

1. Узагальнити стан світової науки в галузі конструкційних матеріалів для активних зон ядерних енергетичних установок, практики їхнього промислового виробництва і вибрати напрямки досліджень по розробці та впровадженню нових ефективних рішень на вітчизняних підприємствах.

2. Визначити закономірності структуроутворення, фазових перетворень і формування комплексу властивостей сплаву КТЦ 110 (Zr1Nb) на всіх етапах технологічного процесу: одержання литої трубної заготовки, деформаційної, термічної, хіміко-технологічної обробок.

3. Обґрунтувати розвиток фізичної моделі деформаційного зміцнення, структуроутворення і пошкоджуваності металу при використанні нових технологічних процесів прокатки труб з великими ступенями деформації.

4. Дослідити закономірності розвитку пластичної деформації моно- і полікристалів корозійностійкої сталі аустенітного класу в схемах трубного виробництва і визначити можливості одержання низькоенергетичних границь зерен у структурах сталі і сплавів для труб, що використовуються в активних зонах АЕС.

5. Вивчити процеси формування мікрорельєфу поверхні на різних стадіях технологічного процесу виготовлення труб і розробити ефективні способи його обробки для зменшення шорсткості.

6. Розробити технологію виготовлення труб-оболонок твел зі сплаву Zr1Nb на українських підприємствах і провести її промислове випробування; комплексно оцінити якість прокатаних труб за такими показниками: хімічний склад, механічні властивості при різних температурах, анізотропія властивостей, повзучость, структура, текстура, фазовий склад, корозійні властивості, орієнтація гідридів; установити критичні процеси, що визначають якість цирконієвої продукції на всіх стадіях її виготовлення, і розробити нормативну документацію (ТУ, методики, технологічні інструкції) для організації промислового виробництва труб-оболонок твел реакторів ВВЕР-1000 в Україні.

Об'єкт дослідження. Процеси структуроутворення і формування комплексу властивостей при виготовленні труб-оболонок тепловиділяючих елементів активних зон ядерних реакторів зі сплаву Zr1Nb і корозійностійкої сталі аустенітного класу.

Предмет дослідження. Закономірності процесів структуроутворення і формування комплексу фізико-механічних властивостей у традиційних та нових технологіях виготовлення труб, що задовольняють умовам експлуатації в активних зонах ядерних реакторів.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження основані на фундаментальних закономірностях теорії фазових перетворень, пластичної деформації, рекристалізації, руйнування. Основою досліджень є комплексний підхід, що базується на використанні: хімічного аналізу, оптичної мікроскопії, електронної, растрової електронної мікроскопії, рентгеноструктурного аналізу, механічних випробувань, визначення коефіцієнтів анізотропії, випробувань на твердість і схильність до крихкого руйнування, тривалої міцності і повзучості, корозійних випробувань у різних середовищах, ультразвуковій дефектоскопії, гідростатичному зважуванні, встановленні орієнтації гідридів, оцінці наявності іонів фтору, нових методичних розробках по акустоемісійній діагностиці і профилометрії поверхні з використанням автоматизованих і комп'ютеризованих комплексів. Оцінку закономірностей розвитку пластичної деформації проводили на зразках труб, прокатаних з полі- і монокристалічної трубної заготовки. Для статистичної обробки результатів досліджень використані сучасні методи на базі комп'ютерної техніки останнього покоління. Лабораторні і дослідно-промислові дослідження виконані відповідно до існуючих стандартів на приладах і устаткуванні, які пройшли метрологічний контроль, що підтверджує вірогідність отриманих результатів.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукову новизну мають перераховані нижче результати теоретичних і експериментальних досліджень, що отримані в дисертації.

Вперше встановлені закономірності розпаду -фази при перетворенні в домонотектоїдному сплаві Zr1Nb, характерні для нових способів виплавки: електронно-променевої гарнисажної плавки з електромагнітним перемішуванням і відцентровим литтям у вакуумі. Суть закономірностей полягає у встановленні принципів росту структурних складових при перетворенні і розподілі ніобію в різних зонах фронту перетворення, поверхня якого має плоско-хвилясту конфігурацію, де вершинами хвиль є зони з найбільш широкими пластинами, а западинами - зони з вузькими пластинами, що мають більш високу питому концентрацію ніобію. Встановлено неоднорідність у розподілі ніобію в пакетах і доведено взаємозв'язок періодичності ширини пластин у пакетах -цирконію з властивостями литого, гарячедеформованого і термообробленого металу. Раніше схеми росту структурних складових при перетворенні і дані про періодичність ширини пластин -цирконію для електронно-променевих способів виплавки з електромагнітним перемішуванням і відцентровим литтям у вакуумі сплаву Zr1Nb не були досліджені. Використання литих трубних заготовок сплаву Zr1Nb запропоновано вперше.

Вперше теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено одержання перекристалізованих структур мартенсито- і бейнітоподібного типів з литого стану сплаву Zr1Nb шляхом використання високотемпературної обробки злитків у -області (950…1000С) з високими ступенями деформації (=27...50, 90%)способом пресування з наступним загартуванням у воді з деформаційного нагріву. Традиційно злитки зі сплаву цирконію піддаються куванню. Одержання тонкодиференційованої перекристалізованої структури після високотемпературного пресування дозволило виключити процеси кування злитків і забезпечити технологічну пластичність металу на наступній стадії холодної деформації.

Одержала подальший розвиток фізична модель деформаційного зміцнення металів при великих ступенях пластичної деформації (ln більш 5...6)в умовах нових високоефективних процесів холодної прокатки труб. Новизна полягає в запропонованому механізмі структуроутворення при великих ступенях деформації в умовах застосування схем напруженого стану в зоні деформації, властивих новим процесам дворядної прокатки з урахуванням ротаційних мод пластичності, активізації процесів поперечного ковзання, двійникування і формування дислокаційних побудов типу субзерених малокутових границь, що створюють зони релаксації напружень і можливість подальшої деформації без руйнування. Розроблено нові моделі розрахунку пошкоджуваності металу (W) у залежності від показників пластичності.

Досягнення високих ступенів деформації труб-оболонок твел з корозійностійкої сталі забезпечує одержання більш однорідних властивостей і структури по довжині і периметру труб, меншу швидкість повзучості, що багато в чому визначає збільшення терміну експлуатації труб в активній зоні ядерних реакторів.

Вперше досліджена і встановлена кореляція текстури і механічних властивостей труб-оболонок з аустенітної сталі 026Х16Н15М3Б, що дозволило вирішити задачу підвищення технологічної пластичності труб за рахунок формування нестійких компонентів перехідного типу в кристалографічній текстурі при прокатці труб. Новизна полягає у встановленні закономірностей впливу на осьову текстуру труби (L-текстуру). Збільшення розмиття компоненти (001) у L-текстурі підвищує ресурс пластичності при великих ступенях деформації труб.

Підвищення технологічної пластичності металу труб за рахунок формування кристалографічної текстури металу раніш не було встановлено.

Вперше встановлені закономірності розвитку пластичної деформації та розглянуті проблеми конструювання границь зерен монокристалів аустенітної сталі 026Х16Н15М3Б і 03Х17Н14М3 у технологічних процесах виробництва труб-оболонок твел. Труби-оболонки твел з монокристалічної заготовки раніше не виготовляли. Конструювання границь зерен у технологічних процесах виробництва труб є принципово новим напрямком. При встановленні закономірностей по-новому розглянута проблема придушення негативних зернограничних процесів в аустенітній сталі шляхом створення технологій зернограничного проектування. Збільшення частки низькоенергетичних границь при виготовленні труб з монокристалічної заготовки приводить до підвищення міцності при одночасному підвищенні пластичності, або збереженні її на колишньому рівні, а також до придушення зернограничних процесів, що активізуються при опроміненні в реакторі.

Одержали подальший розвиток уявлення про формування рельєфу поверхні на різних стадіях технологічного процесу виробництва труб і вперше в трубному виробництві запропоновані нові способи обробки зовнішньої і внутрішньої поверхні для досягнення високої чистоти поверхні і підвищення експлуатаційних властивостей продукції.

Вперше для дослідних партій труб зі сплаву Zr1Nb, виготовлених в Україні, виконано комплексне дослідження властивостей і структури, що показало високі значення механічних властивостей при випробуванні при кімнатній і підвищеній температурах у поздовжньому та поперечному напрямках, високі корозійні властивості при тривалих випробуваннях, відсутність нодулярної корозії, високий опір утомі і повзучості. Орієнтація гідридів та іонів фтору на поверхні знаходиться на рівні вимог стандартів Росії і ASTM, що свідчить про обґрунтованість розробленої технології на всіх етапах виробництва.

Практичне значення отриманих результатів. Вперше в Україні на підставі результатів наскрізного масштабного експерименту, що включає дослідження виплавки металу різними способами, вибору температурно-деформаційних параметрів процесів гарячої і холодної деформації, термічної обробки створена нова технологічна схема виробництва труб-оболонок твел зі сплаву цирконію Zr1Nb, яка захищена патентами України 31165А, 31558А, 38160. Технологія реалізована в промислових умовах Дослідного заводу Державного трубного інституту ім. Я.Ю. Осади (ДЗ ДТІ)(Акт від 24.01.03 р.) і ВАТ “Нікопольський Південнотрубний завод” (ВАТ “НПТЗ”) (Акт від 10.02.03 р.); Комплексна оцінка якості дослідних партій показала, що наукові принципи і рекомендації забезпечили необхідний комплекс властивостей труб розміром 9,130,7 мм зі сплаву Zr1Nb, що задовольняють технічним вимогам закордонних стандартів і технічним умовам Росії на оболонки твел щодо точності геометричних параметрів, рівня механічних властивостей, корозійної стійкості, коефіцієнта орієнтації гідридів, величини зерна, коефіцієнта анізотропії, повзучості, малоциклової утоми.

Виявлені закономірності розвитку пластичної деформації в процесах дворядної холодної прокатки труб використані для забезпечення технологічної пластичності металу при створенні нової технології інтенсивних обтисків, що знайшла застосування в умовах ВАТ “НПТЗ” (Акт від 27.04.1988 р.). Виконані дослідження з розвитку фізичної моделі деформаційного зміцнення обумовили розробку нових підходів, закладених у методиках побудови калібровок робочого інструмента станів холодної прокатки труб ХПТ-4в, використання яких зумовило збільшення одноразових ступенів деформації за прохід на 20...50%, що дозволило в 2 рази скоротити циклічність виробництва за рахунок зниження загальної кількості операцій з 220 до 120, знизити енергоспоживання в 1,5 рази, скоротити до 40% загальні витрати на виробництво при холодному переділі. Калібровки інструменту впроваджені також у промислових умовах Сумського машинобудівного об'єднання ім. Фрунзе (Акт від 27.04.1988 р.).

Принципи побудови технологічних процесів виробництва труб-оболонок твел зі сталі аустенітного класу з використанням малогабаритних злитків, одержаних способом відцентрового лиття та наступною деформацією з високими ступенями обтиску, забезпечили одержання необхідного комплексу їх властивостей. Мобільна ресурсозберігаюча технологія підтверджена патентами України на винахід 31194А, 31195А, авторськими посвідченнями №№1353544, 1736049 і впроваджена в умовах ДЗ ДТІ (Довідка від 18.02.03 р.).

Обробка зовнішньої і внутрішньої поверхні труб реверсними потоками абразиву використана при виготовленні труб-оболонок твэл з корозійностійкої сталі і сплавів. Виконано технічні проекти і робочі креслення верстатів по обробці поверхні. В умовах ДТІ виготовлено верстат для обробки зовнішньої поверхні труб магнітними абразивами (Акт від 15.10.02 р.).

Вперше в Україні створена і затверджена нормативна документація, основні і кваліфікаційні методики випробувань труб-оболонок твел: технічні умови ТУ 27.1-8-53-2001 “Труби безшовні холоднодеформовані зі сплаву цирконію Zr1Nb”; технічні умови ТУ 27.1-8-52-2001 “Прутки зі сплаву цирконію Zr1Nb”; технологічні інструкції на виробництво труб-оболонок в умовах ВАТ “НПТЗ” (ТТІ від 21.12.1998 р.), і ДЗ ДТІ (ТТІ-З-ТР-24-357-97 від 25.02.1997 р.); галузеві методики (12 розробок) контролю якості труб-оболонок зі сплаву Zr1Nb (Наказ Міністерства палива та енергетики від 07.11.02 р. № 658) .

Виконані дослідження і розроблені на цій основі рекомендації з організації виробництва в Україні цирконієвої продукції з об'єктивною оцінкою її якості визначили практичний вибір наукоємних технологій для впровадження в промисловому комплексі України. Рекомендації використано Мінпаливенерго і Мінпромполітики України: при розробці “Комплексної програми створення ядерно-паливного циклу в Україні” (1998-2003 р.); при формуванні “Національної програми розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010р.” (1996-2002 р. р.); при створенні “Комплексної програми інтеграції сплаву цирконію на основі КТЦ у ядерне паливо для реакторів ВВЕР-1000 України” (2000 р.) (Довідка Мінпаливенерго від 16.01.2003 №06/33-416; Довідка Мінпромполітики України від 17.02.2003 №12/5-1-142).

Особистий внесок здобувача. При проведені досліджень у дисертації не використані ідеї інших співробітників, що сприяли виконанню досліджень. Автор брала безпосередню участь в організації, проведенні експериментів і впровадженні розробок у виробництво. Основні наукові результати отримані автором самостійно в ході досліджень, експериментальних та промислових випробувань, а також при виконанні науково-дослідних робіт, що здійснювалися під її безпосереднім керівництвом. Усі теоретичні узагальнення і рекомендації виконані автором самостійно. Публікації відображають результати досліджень, що виконані при особистій участі автора. Особистий внесок у спільних публікаціях: [1] _ аналіз стану конструкційних матеріалів та технології їх виробництва у світовій практиці, власний досвід структурних досліджень; [2, 3, 5, 7, 15, 45] - обґрунтування рівня властивостей труб, напрямки підвищення пластичності металу; [6, 10, 11] - трактування результатів досліджень та висновки про структуру, текстуру і властивості труб; [4, 12] - дослідження зернограничних процесів, створення низькоенергетичних границь у структурі труб з полі- і монокристалів; [13, 14] - ідея дослідження нових способів абразивної обробки поверхні, структурні зміни при імпульсній обробці труб; [16, 18, 22, 23, 28, 29, 31, 32] - дослідження властивостей, структуроутворення, газонасичення при литті металу та гарячому пресуванні, вибір параметрів технології; [20, 26, 40, 41] - одержання та трактування результатів про властивості, структуру, текстуру труб з цирконію у зв'язку з технологіями їх виготовлення; [24, 33, 34, 35, 42] - одержання та трактування результатів про структуроутворення при інтенсивному обтиску труб, ідея зниження пошкоджуваності металу корозійностійкої сталі; [8, 19, 27, 36, 37, 38, 39, 43, 46] - прикладні результати, одержані при провадженні розробок в промисловості.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертації були повідомлені й одержали позитивну оцінку на наступних симпозіумах, конференціях, науково-технічних радах, нарадах: Всесоюзній конференції “Проблеми ефективності виробництва і якості труб” (м. Дніпропетровськ, 1988 г); IV і V Всесоюзних семінарах “Структура дислокацій і механічні властивості металів і сплавів” (м. Свердловськ, 1998 р., 1990 р.); Всесоюзній зустрічі “Досвід виробництва нержавіючих труб для атомної енергетики” (м. Москва, 1989 р.); Всесоюзній конференції “Виробництво труб” (м. Дніпропетровськ. 1990 р.); Міжнародному симпозіумі “Mechanical alloying” (м. Кіото, Японія, 1991 р.); Міжнародних конференціях по фізиці радіаційних явищ і радіаційному матеріалознавству (м. Алушта, Крим, 1996 р., 1998 р., 2000 р., 2002 р.); Міжнародній конференції “Проблеми цирконію і гафнію в атомній енергетиці” (м. Алушта, Крим, 1999 р.); Конференції між представниками України і США з питань ядерної торгівлі і співробітництва (США, Вашингтон, 1998 р.); Нарадах по обговоренню і підписанню “Програми інтеграції сплаву цирконію українського виробництва в ядерне паливо для реакторів ВВЕР-1000” (м. Дніпродзержинськ, 1998 р., м. Москва, 1999 р.); Міжнародній конференції “Атомна енергетика на порозі XXI століття” (м. Електросталь, 2000 р.); Міжнародній конференції “Теоретичні проблеми прокатного виробництва” (м. Дніпропетровськ, 2000 р.); Засіданні секції “Конструкції і устаткування атомної енергетики” науково-координаційної й експертної ради з питань ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд і машин Національної Академії наук України “Матеріалознавчі проблеми реакторів ВВЕР України” (м. Енергодар, 2001 р.); Науково-технічних радах Міністерства палива та енергетики (м. Київ, 1999 р., 2000 р., 2001 р.); Міждержавній координаційній нараді з питань реалізації “Програми інтеграції цирконію українського виробництва в ядерне паливо реакторів ВВЕР-1000” (м. Жовті Води, 2002 р.)

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 1 брошурі, 22 статтях у спеціалізованих наукових журналах, 14 додаткових статтях у збірниках наукових праць, тезах доповідей. Новизна розробок захищена 5 авторськими посвідченнями колишнього СРСР, 4 патентами на винахід, виданими Держпатентом України.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків загальним обсягом 462 сторінки, включаючи 90 рисунків і 20 таблиць на 110 сторінках, списку використаних джерел з 279 найменувань на 29 сторінках, додатків на 27 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

ТЕОРЕТИЧНЕ УЗАГАЛЬНЕННЯ СТАНУ КОНСТРУКЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ І ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА ТРУБ ДЛЯ ЯДЕРНИХ ЕНЕРГЕТИЧНИХ УСТАНОВОК

Теорія і практика розробки й удосконалення паливної складової АЕС є історією боротьби за герметичність і надійність роботи елементів трубних конструкцій, що широко використовують в активних зонах ядерних реакторів - тепловиділяючих збірок (ТВЗ), тепловиділяючих і поглинаючих елементів (твел і пел). Найважливіший фактор подальшого росту ефективності атомної енергетики - підвищення вигоряння палива по U-235 - безпосередньо зв'язаний з подовженням терміну служби ТВЗ і твел, виключенням виникнення дефектів у захисній оболонці - трубі в процесі експлуатації.

Елементи трубних конструкцій - труби-оболонки твел експлуатуються у важких реакторних умовах, що ускладнюються при підвищенні глибини вигоряння палива. З погляду надійності і працездатності конструкційних елементів ЯЕУ, особливо в умовах збільшення вигоряння палива ставиться задача використання оболонкових матеріалів, що мають комплекс властивостей, серед яких: механічні характеристики такі як межі міцності, плинності, повзучості, тривалої міцності, відносного подовження, звуження, в'язкості руйнування; витривалості при циклічних навантаженнях; відсутності залишкових напружень; стабільності структурно-фазового складу в процесі експлуатації. Особлива увага приділяється системі “метал - водень” з позицій поглинання водню оболонкою і розвитком процесів “водневої крихкості”. Опромінення матеріалів в активній зоні прискорює процеси корозії, у ряді випадків відбувається зміна механізму і різке підвищення швидкості корозії. У роботі проаналізовані матеріали оболонок твел, що використовуються різними провідними фірмами світу, а також тенденції застосування нових матеріалів.

Узагальнення досвіду провідних вчених та світової практики вказує, що основними причинами розгерметизації твел є: гідридна крихкість, корозія під напруженням, радіаційний ріст і повзучість, що змінюють геометричні розміри твел і, як результат, механічна взаємодія між паливними таблетками і оболонкою, осадження продуктів корозії першого контуру на поверхні твел та інш. Збільшення вигоряння палива ставить задачу про використання оболонкових матеріалів з низькою схильністю до радіаційної крихкості, роль якої в цих процесах не можна недооцінювати. У цьому зв'язку виникають проблеми підвищення вимог до якості труб-оболонок щодо припустимих дефектів, створення певних типів мікроструктури, усунення структурної неоднорідності всіх рівнів, поліпшення стану поверхні.

У роботі проаналізований досвід побудови технологічного процесу виготовлення труб зі сплавів цирконію провідними фірмами світу та напрямки їхньої діяльності по удосконаленню технології, що, в основному, полягає у використанні плакування внутрішніх шарів чистим цирконієм, модифікації поверхні, розробки і використанні нових сплавів, а також удосконаленні процесів -гартування і поліпшення деформаційної субструктури металу. Аналіз літературних джерел дозволяє зробити висновок про те, що основним напрямком досліджень по досягненню якісних показників роботи твел і тривалості їхньої експлуатації є удосконалення і створення нових матеріалів. Кількість робіт, що стосуються технології виробництва твел, значно скоротилася.

Разом з тим, на думку автора, проблеми підвищення корозійної та радіаційної стійкості варто вирішувати не тільки за рахунок вибору нових матеріалів, але й за рахунок удосконалення технологічних процесів виробництва труб-оболонок з використанням нових схем деформації, термічної обробки, їхнього поєднання й інших нетрадиційних підходів. Довговічність матеріалів і виробів, що працюють в активній зоні, багато в чому визначається розробкою фізичних принципів і технологічних прийомів цілеспрямованого формування зеренної структури, текстури, однорідності та стабільності властивостей і стану поверхні металів. Дані проблеми вирішували в дисертації шляхом постановки складного комплексного експерименту, включаючи всі етапи технології виготовлення - від виплавки металу до створення труб для активної зони АЕС зі сплавів на основі цирконію і корозійностійкої сталі аустенітного класу.

Комплексна спрямованість досліджень в дисертації основана на творчому узагальненні вітчизняних і закордонних розробок і обумовлена необхідністю пошуку шляхів поліпшення пластичного плину металу, його структуроутворення в технологічних процесах виробництва труб. Відповідно вирішено цілий ряд проблем, спрямованих на створення умов бездефектного деформування з одночасним поліпшенням експлуатаційних характеристик трубної продукції, її надійності і якості.

Однією з найважливіших проблем експерименту було одержання достовірних результатів структуроутворення і механізмів розпаду твердого розчину, температурно-деформаційних параметрів нових технологічних схем виготовлення трубних заготовок і труб зі сплаву Zr1Nb, що забезпечують формування на практиці необхідної структури і властивостей продукції, створення в Україні технології виробництва труб-оболонок твел.

Другою проблемою був розвиток фізичної моделі деформаційного зміцнення при великих ступенях пластичної деформації в умовах нових технологічних процесів виробництва труб з використанням розробок М.В. Попова та авторських, спрямованих на підвищення технологічної пластичності металу, і одержання комплексу властивостей, що забезпечують збільшення терміну експлуатації труб-оболонок.

Третьою була проблема створення і практичного використання матеріалів з високим опором пошкоджуваності в умовах ЯЕУ. Результати існуючих досліджень та авторський аналіз вказують, що ефективним напрямком придушення дефектоутворення в корозійностійкій сталі аустенітного класу є зниження активності границь зерен, а також створення технології зернограничного проектування з одержанням в матеріалі спеціальних границь зерен. Перспективним є напрямок використання трубних заготовок у вигляді монокристалів.

Як четвертий напрямок розглядалися проблеми досягнення високої якості зовнішньої і внутрішньої поверхні труб-оболонок твел на технологічних переділах з використанням нових способів обробки поверхні.

П'ятої була проблема комплексного дослідження хімічного складу, корозійної стійкості, механічних характеристик, повзучості, структури, текстури, фазового складу, орієнтації гідридів у трубах-оболонках твел та оцінка критичних процесів, відповідальних за формування цих властивостей. Розробка на цій основі спеціальної нормативної бази (технічних умов, технологічних інструкцій, методик випробувань) для організації промислового виробництва труб для твел та комплектуючих збірок для реакторів типу ВВЕР в Україні.

РОЗРОБКА НАУКОВИХ ОСНОВ ПОБУДОВИ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ ВИРОБНИЦТВА ТРУБ-ОБОЛОНОК ТВЕЛ ЗІ СПЛАВУ Zr1Nb В УКРАЇНІ

Концепція створення і розвитку ядерно-паливного циклу в Україні заснована на використанні національних сировинних ресурсів, потужностей вітчизняних підприємств-виробників цирконієвих сплавів і прокату. В Україні для виробництва зливків з цирконію і його сплавів використовується технологія електронно-променевого переплаву (ЕПП), що є альтернативою способу вакуумно-дугового переплаву, який широко застосовується у світовій практиці. Дослідження зливків ЕПП, отриманих за діючими технологіями, показало підвищений вміст кисню, грубозернисту макроструктуру, неоднорідність структури по довжині і периметру зливка, що визначило необхідність пошуку нових способів одержання заготовок зі сплаву Zr1Nb. Виконані порівняльні дослідження різних способів виплавки: ЕПП, гарнисажної електронно-променевої плавки з електромагнітним перемішуванням (ГЕМП), а також вперше випробуваного в рамках роботи відцентрового лиття у вакуумі (ВЦБЛ). Для зниження вмісту кисню використовували додавання йодидного цирконію.

Встановлено, що оптимальним способом лиття з погляду формування однорідної макро- і мікроструктури, рівня механічних властивостей, які забезпечують технологічну пластичність при гарячій деформації, є спосіб ГЕМП. Технологічні властивості сплаву залежать не тільки від макробудови зливка, але й від параметрів мікроструктури, обумовленої механізмами розпаду твердого розчину -фази . Вивчення процесів структуроутворення при кристалізації зливків сплаву Zr1Nb, отриманих різними способами виплавки, показало, що при розпаді твердого розчину формується характерна рейкова структура (рис. 1).

Дослідження, виконані з використанням електронної мікроскопії, показали, що між пластинами -цирконію утворюються прошарки -ніобію. Морфологія -Nb прошарків різноманітна _ від суцільних пластин шириною у декілька часток мікрона (0,01...0,1 мкм) і довжиною до сотень мікронів до вузьких стрічок чи стрижнів. Для сплавів цирконію характерна наявність в одному колишньому -кристалі від 4 до 12 систем односпрямованих взаємно паралельних пластин (пакетів), границя між якими майже прямолінійна (див. рис. 1). Така морфологія характерна для бейнітних і мартенситних структур, походження яких обумовлено зрушеннями при переході одних кристалічних решіток в інші.

Виявлена особливість литої структури сплаву Zr1Nb у виді періодично розташованих широких і вузьких пластин - Zr в межах одного пакета, що є реальною просторовою побудовою і утворюється в процесі формування пакета.

На рис.2 схематично представлена конфігурація фронту розпаду -твердого розчину у сплаві, а на рис. 3 - відповідно розподіл концентрації Nb у різних зонах фронту. Можна зробити висновок, що поверхня фронту має хвилясту конфігурацію, де вершинами хвиль є зони з найбільш широкими пластинами, а западинами - зони з вузькими пластинами.

Формування періодичної структури в пакеті починається з утворення куполоподібної форми перерізу фронту перетворення, причому у вершині купола знаходяться лідируючі торці стовщених пластин, що ростуть за механізмом зсуву, а на його схилах і в поглибленні - більш тонкі. В міру росту купола атоми ніобію за механізмом далекодіючої дифузії витісняються з нього і скупчуються в поглибленні фронту, де концентрація ніобію підвищується і пластини -ніобію зароджуються частіше (див. рис. 3). Виходячи з запропонованої схеми структуроутворення, можна вивести, що зони з вузькими пластинами мають більш високу питому концентрацію ніобію, тобто під час перетворення має місце неоднорідність розподілу ніобію в пакетах, що визначає властивості і якість виплавленого металу. Результати, що характеризують особливості формування литих структур, покладено в основу рекомендацій щодо виготовлення литих трубних заготовок зі сплаву Zr1Nb з виділенням ряду основних вимог до них, поза залежністю від способу виплавки.

Виявлена неоднорідність вносить істотні відхилення в кінетику фазових перетворень при наступних обробках у промислових умовах (рис.4).

Гаряче пресування показало, що при нагріві, який здійснювався до температур б+в інтервалу, та після пресування і наступного охолодження на повітрі в структурі заготовки спостерігається характерна полосчатість (рис. 4 а).

Ділянки, що зазнали перетворення, розташовуються в тих колишніх шарах пакетів, де міжпластиночні відстані були менше, а, отже, вміст ніобію вище. Оскільки при більш високих концентраціях ніобію в -фазі температура її (б+в)в переходу знижується, при фіксованій температурі такі ділянки зазнають перекристалізацію раніш, ніж ті, котрі мають широкі міжпластиночні відстані. Ділянки, які не зазнали перекристалізацію, зберігають пластинкову будову, але самі пластини плавно згинаються згідно з плином металу при пресуванні, а міжпластиночні відстані між ними зменшуються. Це також є однією з причин того, що збільшення ступеня деформації (коефіцієнта витяжки м) сприяє більш повній перекристалізації при фіксованій температурі. Коли перекристалізація виявляється майже повною, у структурі залишаються тільки самі товсті пластини (тобто їхні гарячедеформовані залишки, рис. 4 б), періодичність розташування яких майже цілком (з урахуванням деформації) відповідає періодичності в литій структурі (порівняння рис. 1 з рис. 4 б).

Таким чином, підтверджено, що спосіб виплавки і розміри пакетів -фази, їхня періодичність впливають на процеси перекристалізації при гарячій деформації. На цій підставі вперше рекомендовано режими деформації зливків зі сплаву Zr1Nb способом гарячого пресування труб-треків замість традиційного кування.

Загальна концепція пресування передбачає високотемпературну схему обробки зливків у -області з високими коефіцієнтами витяжки ( = 27…49, 90%) і охолодженням у воді. Оцінка ефективності вибору виконана з використанням варіантних досліджень технології пресування, що дозволяє оцінити вплив якості зливків на якість труб-заготовок: за вмістом кисню, схемами деформації, температурами фазових перетворень і газонасиченням. За результатами досліджень доведено:

1. Підвищений вміст кисню в зливках впливає на температуру + перетворень у металі при пресуванні, що в остаточному підсумку визначає температуру процесу. Дослідження труб-заготовок при різних температурах пресування від 850С до 1150С з =7…49 дозволили установити, що підвищений вміст кисню до 0,14…0,18% приводить до збільшення температури + переходу до 1100С…1150С. Пресування при більш низьких температурах зумовлює неповну перекристалізацію -фази, підвищення макро- і мікронеоднорідності в трубах.

2. Результати складного напівпромислового експерименту з варіюванням температурних режимів пресування (850…1100С), параметрів витяжки (= 7, 14, 13, 21, 49), маршрутів пресування (заготовка діаметром 80, 130, 170 мм), розмірів труб-заготовок (діаметрстінка _ 488,5; 5912 мм) указують, що керування схемами деформації і відповідно структуроутворенням у металі варто засновувати на оптимальному сполученні параметрів температури і деформації. Пластична деформація, що приводить до дроблення вихідного -зерна зливка, повинна бути високою _ не нижче 27, при верхній межі _ = 41…49; оптимальний температурний режим пресування варто витримувати таким, щоб весь обсяг металу зазнавав -- перекристалізацію. У залежності від вмісту кисню в зливку - найбільш низькою температурою пресування (при 0,15…0,20% О₂) є 1100С.

Дослідження процесів структуроутворення і формування властивостей при різних режимах нагрівання, охолодження і деформації металу труб зі сплаву Zr1Nb на стадії гарячого пресування дозволило установити необхідність деформації зливка у високотемпературній області з наступним охолодженням у воді. Це обумовило можливість формування тонкодиференційованої структури мартенсито- і бейнітоподібного типу, що забезпечує технологічну пластичність металу на наступній стадії холодної деформації. У залежності від способів виплавки рівень механічних властивостей гарячепресованих труб: _в = 472…695 (470…644) Н/мм²; _0,2= 420…610 (392…528) Н/мм²; ₅ = 16,5...27 (9…13)%; = 53…69 (29…45)% _ у поперечному і подовжньому (у дужках) напрямках. Нове для цирконію рішення щодо виготовлення трекс-труби способом гарячого пресування з високими ступенями деформації в -області і наступним охолодженням у воді з прокатного нагріву, що виключає процес кування, запатентоване в Україні (Декл. пат. 38160).