Особенности повреждаемости сварных соединений №111 в парогенераторах энергоблоков ВВЭР-1000
Механизмы повреждаемости сварных соединений в парогенераторах энергоблоков. Исследование с помощью современных экспериментальных методов и оборудования особенностей повреждаемости и механизма разрушения сварных соединений при длительной эксплуатации.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 19.11.2018 |
Размер файла | 1,1 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Особенности повреждаемости сварных соединений №111 в парогенераторах энергоблоков ВВЭР-1000
И.М. Неклюдов, Л.С. Ожигов, А.С. Митрофанов
Введение
За время эксплуатации энергоблоков с реакторами ВВЭР-1000 неоднократно имели место сварных соединений №111 приварки коллектора теплоносителя к корпусу парогенератора. В ряде случаев в зоне термического влияния и на самом шве образовывались трещины, представляющие значительную угрозу для эксплуатации. Ранее было показано, что причинами зарождения микротрещин могут быть различные дефекты поверхности металла, в том числе коррозионные язвы, образующиеся при эксплуатации [1-3]. Однако, механизм образования и роста дефектов, вызывающих разрушение крупных толстостенных конструкций, до настоящего времени не имеет должного понимания.
Целью настоящей работы было исследование с помощью комплекса современных экспериментальных методов и оборудования особенностей повреждаемости и механизма разрушения этих сварных соединений при длительной эксплуатации на АЭС Украины.
Материал и методы исследований
Материалом для исследований служили темплеты, вырезанные из сварных соединений на Южноукраинской и Запорожской АЭС. При ремонте поврежденных сварных соединений была произведена выборка дефектного металла шва с образовавшимися трещинами. Трещины, в основном, зарождаются в области корня сварного шва на поверхности, омываемой водой второго контура, и распространяются как по телу сварного шва, так и по зоне термического влияния в металле патрубка.
Исследования проводили с помощью металлографии, электронной микроскопии, фрактографии, микрорентгеноспектрального анализа и метода термодесорбционной масс-спектрометрии. Использовали металлографический микроскоп ММО-1600-АТ, сканирующий электронный микроскоп с катодом Шоттки JEOL JSM-7001F и термодесорбционный масс-спектрометр МХ-7304. Испытания материала темплетов на ударную вязкость проводили на инструментованном маятниковом копре SI-1M «INSTRON». Образцы Шарпи с V-образным надрезом были изготовлены из материала, свободного от трещин. Они имели размеры 10Ч10Ч55 мм и были вырезаны в направлении, параллельном трещине [4, 5].
Результаты и обсуждение
Парогенератор имеет два коллектора: для входа теплоносителя при температуре 310°С (горячий) и выхода - при 280°С (холодный). На рис. 1 показан фрагмент трещины, которая идет по основному материалу патрубка «холодного коллектора» (сталь 10ГН2МФА) параллельно сварному шву в зоне его термического влияния. Вторичные трещины распространяются от магистральной как по границам, так и по телу зерен. Характер трещины и микроструктура металла вокруг нее не имеют существенных отличий по сравнению с тем, что наблюдалось на «горячем» коллекторе 3.
Рис.1. Фрагмент трещины в металле патрубка 1200 мм в зоне термического влияния сварного шва.
Значения ударной вязкости металла, полученные в результате испытаний, составили 14,5 и 20,5 кгс/см2 при 20 и 300 °С, соответственно. Вязкая составляющей в изломе, определенная по методике [6], составила 100% при 300 °С и около 60% при 20 °С. Полученные значения соответствуют требованиям технических условий на сталь 10ГН2МФА [7] и свидетельствуют о том, что в процессе эксплуатации механические свойства материала практически не изменились.
Для изломов ударных образцов, испытанных при 20 0С были проведены металлографические исследования в зонах надреза, разрушения и долома рис.2.
Рис. 2. Излом ударного образца при 20°С. Зоны излома: 1-плоскость надреза, 2,3 - зоны вязкого и хрупкого разрушения, соответственно, 4 - долом.
Фрактографические исследования участков излома ударного образца стали 10ГН2МФА показали, что вблизи надреза и на доломе наблюдается волокнистый излом, типичный для вязкого разрушения. Видно характерное «ямочное» строение с вытянутой структурой (рис.3а), являющейся следствием пластической деформации, которая предшествовала разрушению. Фрактограмма зоны 3 показывает ручьистое строение (рис. 3б), что свидетельствует о хрупком образовании первичных трещин (на рис. 3 показаны стрелками).
а б
Рис. 3. Фрактограммы участков излома ударного образца стали 10ГН2МФА при 20°С. а - строение поверхности в зонах 2 и 4 (рис.2), б - излом в зоне вязко-хрупкого разрушения.
Излом ударных образцов при температуре 300 °С, начиная от надреза и заканчивая доломом, имеет вязкое ямочное строение (рис.4).
Рис 4. Фрактограмма излома стали 10ГН2МФА при 300 °С; область долома.
Исследования эксплуатационной трещины, образовавшейся в стали 10ГН2МФА в зоне влияния сварного шва, показали, что вблизи ее вершины имеет место квазихрупкое разрушение, в котором сочетаются элементы хрупкого и вязкого разрушения (рис. 5).
а б
Рис 5. Участки квазихрупкого разрушения в раскрытой эксплуатационной трещине
а- с преобладанием хрупких и б- вязких составляющих.
Таким образом, при температурах испытаний 300°С, соответствующих рабочим температурам парогенераторов, наблюдается вязкое разрушение ударных образцов. В то же время раскрытая эксплутационная трещина содержит участки квазихрупкого разрушения, что позволяет предположить об образовании трещин при температурах ниже эксплуатационной температуры парогенератора, то есть при разогреве или расхолаживании реактора.
Устья и вершины трещин заполнены продуктами коррозии серого цвета, по внешнему виду напоминающие окислы железа. На рис.6,а показана поверхность раскрытой трещины с участком наслоений продуктов коррозии и сеткой микротрещин, которые распространяются как по границам, так и по телу зерен. Элементный состав материала выделенного участка, установленный методом микрорентгеноспектрального анализа, представлен на спектре (рис.6,б) и в табл. ниже. Концентрации элементов определяли по К-линиям характеристического рентгеновского излучения.
а Б
Рис.6. а - Область поверхности с микротрещинами (выделены пунктиром) (а), рентгеновский спектр от участка наслоений (выделен кругом на рис. 6,а) (б).
Таблица
Элементный состав продуктов коррозии в трещине
Элемент |
O |
Si |
Ca |
V |
Cr |
Mn |
Fe |
Ni |
Cu |
Итого |
|
Содержание, ат. % |
62,5 |
0,22 |
0,07 |
0,08 |
0,09 |
1,09 |
34,63 |
1,17 |
0,12 |
100 |
В продуктах коррозии внутри трещины содержится около 35 ат. % железа и свыше 62 ат. % кислорода. Остальные элементы, представленные в спектре, входят в состав стали 10ГН2МФА и среды второго контура. Повышенное содержание кислорода в исследованных пробах свидетельствует о том, что, в основном, продуктами коррозии являются окислы. Из всех возможных химических соединений железа с кислородом такому экспериментально определенному соотношению железа и кислорода ближе всего соответствует формула гидроксида Fe(OH)2 (34 ат. % железа и 62 ат. % кислорода). Поверхность металла, не занятая оксидами, отвечает нормативному составу стали 10ГН2МФА.
Обнаружение наслоений окислов (гидроксидов) в устьях и вершинах трещин подтверждает известные предположения о связи трещинообразования в области сварных соединений с процессами коррозионного растрескивания под напряжением. Хорошо известно [8] расклинивающее действие твердых продуктов коррозии типа окислов (Cr, Fe)3O4, (Cr, Fe)2O3, NiCr2O4, образующихся в трещине и превосходящих по объему исходный металл. Удельный объем гидроксида Fe (OH)2, составляющий 0,29 см3/г, более чем в два раза превышает удельный объем стали (? 0,13 смі/г). Образовавшиеся в трещине гидроксиды оказывают расклинивающее действие, усиливающееся при понижении температуры, и влияют на напряженно-деформированное состояние окружающего металла, что может привести к росту трещины и дальнейшему разрушению.
Спектры термодесорбции водорода для стали 10ГН2МФА в зоне термического влияния сварного шва показаны на рис. 7. Для металла внутренней и внешней сторон патрубка спектры термодесорбции водорода имеют незначительные отличия по температурам максимумов и интенсивности газовыделения (Спектр 1). Заметное выделение водорода начинается при температуре ~ 300 °С, а максимальное - происходит при 600 єС. Пик газовыделения достаточно широкий, не имеет явно выраженных стадий, так что даже при 900 єС наблюдается заметный выход водорода. Спектр 2 снимался от образца металла, содержащего раскрытую эксплуатационную трещину, спектр 3 получен для зоны, расположенной примерно в 1,5 мм от устья трещины. Качественно эти спектры различаются: на спектре 2 температура максимума сдвинута примерно на 100 °С в сторону меньших температур, на спектре 3 в интервале температур 700…900 °С наблюдается заметно большее выделение водорода, даже по сравнению со спектром 2.
Рис.7. Спектры термодесорбции водорода из стали 10ГН2МФА: 1 - внутренняя и внешняя сторона патрубка, 2 - материал с раскрытой трещиной, 3 - в 1,5 мм от устья трещины.
повреждаемость сварной парогенератор энергоблок
Наблюдаемые особенности отражают различия в термодинамических параметрах связи водорода и свидетельствуют о его накапливании в металле вблизи устья трещины. Ранее [9] была определена объемная концентрация водорода, накопившегося в материале сварного шва после 70000 ч эксплуатации парогенератора Южно-Украинской АЭС. Было показано, что в области трещины аккумулировалось примерно в три раза большее количество водорода, чем в других участках. Выделение водорода было зарегистрировано в диапазонах температур 300…700 С и 800…1000 С. На основании экспериментов, моделирующих захват и удержание дейтерия в стали 10ГН2МФА [9], был сделан вывод, что развитая система границ в перлитной стали способствует выходу водорода уже при комнатной температуре. В то же время межфазные границы между ферритом и цементитом могут являться ловушками для водорода и удерживать его в перлитной стали до температур ~ 600С. Результаты, полученные в настоящей работе для стали 10ГН2МФА в зоне термического влияния сварного шва свидетельствуют, что выделение водорода наблюдается практически в том же интервале температур 300…1100єС. Наличие в обоих случаях только высокотемпературной компоненты десорбции связано, по-видимому, с тем, что температура эксплуатации металла составляла около 260єС.
Обнаруженное повышенное содержание водорода в металле вблизи устья трещин свидетельствует о том, что именно в этой области интенсивное окисление ювенальных раскрытых поверхностей сопровождается выделением водорода. Растворяясь в металле, водород вызывает его локальное охрупчивание, что способствует дальнейшему растрескиванию. Механизм водородного охрупчивания связывают чаще всего с внедрением (диффузией) в металл атомов водорода, образованием в вершине (у вершины) трещины хрупкого гидрида, что уменьшает силы связи между зернами.
Можно предположить, что особенностью повреждений толстостенных крупногабаритных сварных конструкций из стали 10ГН2МФА - соединения коллекторов с парогенераторами - является протекание коррозионных процессов, при которых развитие трещин осуществляется по следующему стадийному механизму:
1) заполнение свежеообразованной трещины рабочей жидкостью второго контура или растворами химической отмывки;
2) окисление металла, в результате которого в вершинах и устьях трещин откладываются твёрдые продукты коррозии (гидроксиды), одновременно в окружающем металле растворяется выделяющийся водород;
3) при охлаждении парогенератора локальные напряжения, вызванные расклинивающим действием гидроксидов, обуславливают скачкообразный рост трещины, чему также способствует охрупчивающее действие водорода.
В дальнейшем стадии повторяются.
В реальных случаях схема растрескивания, по-видимому, усложняется влиянием сопутствующих факторов, таких как напряженное состояние, свойственное металлам в зонах влияния сварных швов и усиление коррозионных процессов на участках с повышенной концентрацией напряжений [10].
Проведенные комплексные исследования и данные, полученные ранее [3,11], дают основания полагать, что характер разрушения сварных соединений в парогенераторах Южно-Украинской и Запорожской АЭС одинаков, несмотря на то, что трещины образовались на «горячем» коллекторе в первом случае, и на «холодном» - во втором.
Ранее была показана склонность стали 10ГН2МФА к замедленному деформационному коррозионному растрескиванию в воде высоких параметров [12]. Следует отметить, что растрескивание сварного соединения корпуса парогенератора с коллектором можно отнести к медленным процессам, если связывать его с циклами расхолаживания и разогрева энергоблока. Однако растрескивание будет идти с нарастающими темпами, так как с каждым циклом в нем участвуют все большие объемы металла. Что же касается различных дефектов на поверхности металла, в том числе коррозионных язв, то они играют большую роль на начальной стадии образования первичных трещин.
Выводы
В результате проведенных комплексных материаловедческих исследований установлены особенности повреждений сварных соединений коллекторов с корпусами парогенераторов энергоблоков ВВЭР-1000. Установлено, что характер повреждений одинаков на «горячих» и «холодных» коллекторах.
Показано, что образование твердых продуктов коррозии железа и повышенное содержание водорода в окружающем металле приводят к развитию трещин в сварных соединениях коллекторов с корпусами парогенераторов в реакторных установках ВВЭР-1000 в результате циклического коррозионного растрескивания под действием локальных расклинивающих напряжений со стороны образующихся продуктов коррозии.
Квазихрупкий характер разрушения в эксплуатационных трещинах свидетельствует об инициировании растрескивания материала сварных соединений при охлаждении энергоблоков.
Литература
1. Харченко С.А., Трунов Н.Б., Коротаев Н.Ф., Лякишев С.Л. Меры по обеспечению надежности сварного соединения коллектора 1 контура с корпусом парогенератора АЭС с ВВЭР-1000. Теплоэнергетика. 2011. № 3. С. 27-32.
2. Ю.Г. Драгунов, О.Ю. Петрова, С.Л.Лякишев, С.А. Харченко / Повышение надёжности эксплуатации коллекторов парогенераторов ПГВ-1000, - 1000М // Атомная энергия. - 2008. - №1. - С.9 - 13.
3. А.С.Митрофанов, Л.С.Ожигов, Є.О.Крайнюк, В.И.Савченко. Про причини ушкодження зварних з'єднань № 111 парогенераторів ПГВ-1000 // «Вісник ТДТУ», Тернопіль, 2009, Т14, №4.
4. ГОСТ 9454-78 Межгосударственный стандарт "Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах"
5. ПНАЭ Г-7-002-86 «Норма расчёта на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок» М.: Энергоатомиздат, 1989.
6. РД 26-11-08-86. Руководящий документ. Соединения сварные. Механические испытания.
7. ТУ 108.766-86. Технические условия. Заготовки из стали марки 10ГН2МФА для оборудования АЭС
8. Богоявленский В. Л. Коррозия сталей на АЭС с водным теплоносителем. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 168 с.
9. В.М. Ажажа, Г.Д. Толстолуцкая, В.В. Ружицкий, И.Е. Копанец, С.Д. Лавриненко, Н.Н. Пилипенко, Л.С. Ожигов, Ю.П. Бобров. Определение объемной концентрации водорода в материале сварного соединения №111 парогенератора АЭС // Тяжелое машиностроение, 2008, №6, с.32-34.
10. Походня И.К. Проблемы сварки высокопрочных низколегированных сталей. В кн.: Сучасне матеріалознавство ХХІ століття. - Киев: Наук. думка, 1998. - С. 31-69.
11. И.М.Неклюдов, В.М. Ажажа, Л.С.Ожигов, А.С.Митрофанов. Эксплуатационные повреждения теплообменных трубок и сварных соединений в парогенераторах энергоблоков АЭС с ВВЭР-1000. Проблемы прочности. 2008, №2, стр. 105-111
12. Ю.Г. Драгунов, А.С. Зубченко, О.Ю. Петрова, И.Л. Харина. Влияние воды высоких параметров на склонность стали 10ГН2МФА к замедленному деформационному коррозионному растрескиванию // Машиностроение и инженерное образование. - 2007. - №4. - С.35-41.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Общие характеристики и конструкция тепловой части реактора ВВЭР-1000. Технологическая схема энергоблоков с реакторами, особенности системы управления и контроля. Назначение, состав и устройство тепловыделяющей сборки. Конструктивный расчет ТВЕЛ.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 25.01.2013Зависимость, описывающая основное принципиальное положение теории внешнего трения. Схема строения поверхности при повреждаемости и изнашиваемости. Понятие окислительного износа. Факторы возникновения усталостных повреждений. Описание фреттинг-процесса.
реферат [216,7 K], добавлен 23.12.2013Изучение принципа работы солнечных элементов и их характеристик. Рассмотрение принципиальных схем соединения СЭ в батареи. Исследование проблем возникающих при использовании соединений и их решение. Технология изготовления кремниевого фотоэлемента.
реферат [282,1 K], добавлен 03.11.2014Метод прогнозирования глушения теплообменных трубок на основе анализа химического состава воды. Особенности применения современных средств автоматизации. Оценка технико-экономических показателей АЭС общей мощностью 4000 МВт (4 энергоблока с ВВЭР-1000).
дипломная работа [3,0 M], добавлен 29.05.2010Органические и неорганические полимеры. Физика и химия высокомолекулярных соединений. Молекулярный вес полимеров, определение их основных свойств и особенностей химических реакций. Дробное поведение макромолекул полимера, анализ их геометрической формы.
курсовая работа [780,3 K], добавлен 14.06.2014Основная задача электростанции. Выполнение диспетчерского графика электрической и тепловой нагрузки. Снижение удельных расходов топлива на ТЭС. Управление оперативным персоналом, режимами работы оборудования, преодоление возникающих аварийных ситуаций.
реферат [22,1 K], добавлен 15.10.2011Формирование структурной схемы электростанции. Технико-экономическое обоснование принципиальной схемы электрических соединений. Выбор структурной схемы станции, основного оборудования. Выбор схемы электрических соединений всех РУ. Расчет жестких шин.
курсовая работа [5,7 M], добавлен 20.03.2011Расчет сварного соединения встык и внахлест. Проверка соблюдения условий прочности при действии продольной силы. Определение расчетной длины лобового шва. Вычисление и сравнение металлоёмкости и экономичности сварного и заклепочного соединений внахлест.
контрольная работа [176,3 K], добавлен 13.11.2015Общие положения по регулированию энергоблока АЭС. Принцип управления мощностью ядерного реактора и турбогенератора, работающего на автономную сеть. Программы изменения основных параметров ЯЭУ АЭС. Регуляция уровня воды в парогенераторах двухконтурных.
контрольная работа [3,3 M], добавлен 18.04.2015Составление альбома главных принципиальных технологических схем АЭС и ее вспомогательных систем. Устройство, состав оборудования и элементы двух типов атомных реакторов: ВВЭР-1000 и РБМК-1000. Характеристика технологического режима работы системы.
методичка [2,3 M], добавлен 10.09.2013Выбор вариантов схем соединений распределительной сети 220/110 кВ. Выбор номинальных напряжений сети и сечений проводов. Составление полных схем электрических соединений. Точный электрический расчет режимов и минимальных нагрузок выбранного варианта.
курсовая работа [952,5 K], добавлен 22.01.2015Ядерный реактор ВВЭР-1000 - водо-водяной энергетический реактор с водой под давлением, без кипения в активной зоне. Регулирование мощности, топология локальной вычислительной сети. Коррекция базы данных конфигурации. Обмен данными между ОБД и ЛВС.
дипломная работа [1,3 M], добавлен 11.09.2011Особенности конструкции основного и вспомогательного оборудования Ростовской атомной электрической станции, принципы его действия. Тепловая схема энергоблока АЭС, контуры циркуляции. Технические характеристики реактора ВВЭР-1000, системы парогенератора.
отчет по практике [1,5 M], добавлен 26.09.2013Атомная энергия. Мощность Преобразование энергии. Ее виды и источники. История развития атомной энергетики. Радиационная безопасность атомных станций с опредленными типами реакторов. Модернизация и продление сроков эксплуатации энергоблоков АЭС.
реферат [203,5 K], добавлен 24.06.2008Характеристика изоляторов, используемых в распределительных устройствах. Выполнение соединений алюминиевых шин и проводов. Виды и элементы выключателей, особенности их работы. Назначение разъединителей, отделителей, короткозамыкателей и их приводов.
реферат [32,9 K], добавлен 29.10.2014Назначение комплектных распределительных устройств внутренней и наружной установок. Требования, предъявляемые к ним. Исполнение и монтаж шкафов КРУ. Выполнение электрических контактных соединений. Обеспечение безопасности эксплуатации и ремонта КРУ.
реферат [28,4 K], добавлен 23.08.2012Строение и конструкция реакторной установки РБМК-1000. Запорно-регулирующий клапан. Перегрузка топлива в реакторах РБМК. Механизмы для подъема и опускания ТВС. Тепловыделяющая кассета РБМК-1000. Конструкция защиты от ионизирующего излучения ректора.
курсовая работа [1023,3 K], добавлен 11.08.2012Обзор методов очистки дымовых газов тепловых электростанций. Проведение реконструкции установки очистки дымовых газов котлоагрегата ТП-90 энергоблока 150 МВт в КТЦ-1 Приднепровской ТЭС. Расчет скруббера Вентури для очистки дымовых газов котла ТП-90.
дипломная работа [580,6 K], добавлен 19.02.2015Распределение электроэнергии по суммарной мощности потребителей. Выбор числа трансформаторов на подстанции. Разработка принципиальной схемы соединений. Расчет токов короткого замыкания. Оценка основного и вспомогательного оборудования подстанции.
курсовая работа [503,8 K], добавлен 27.11.2013Факторы, которыми обусловлена целесообразность развития в Республике Беларусь атомной энергетики. Технические параметры электростанции. Социально-экономические последствия намеченной деятельности. Расчетные сроки ввода энергоблоков Белорусской АЭС.
доклад [326,2 K], добавлен 06.12.2013