Размещено на http://www.allbest.ru/

Прогнозирование влияния термического старения на статическую трещиностойкость стали 15х2НМФА(А) для ресурса корпуса реактора "Типа ВВЭР" 60 лет

В.А.Юханов, А.Д.Шур

ГНЦ РФ ОАО НПО «ЦНИИТМАШ», Москва, Россия

Введение

В настоящее время перед отечественным реакторным материаловедением стоит задача продления ресурса действующих АЭУ с реакторами ВВЭР-1000 до 60 лет. Корпуса реакторов изготовлены из стали 15Х2НМФА, 15Х2НМФА - А и 15Х2НМФА класс 1 (которые далее по тексту именуются в совокупности как сталь 15Х2НМФА(А), по характеристикам которой накоплен значительный многолетний опыт в процессе производства и эксплуатации корпусов реакторов ВВЭР-1000. Однако предыдущие исследования и оценки характеристик указанных сталей относились к условиям эксплуатации корпусов ВВЭР-1000, проектный ресурс которых составляет 30 -40 лет.

К настоящему времени накоплен большой объем экспериментальных данных, включая результаты испытаний тепловых образцов-свидетелей, указывающий на определенное влияние процессов термического старения (ТС) при температуре до 350С на сопротивление хрупкому разрушению стали 15Х2НМФА(А), что приобретает особую актуальность в случае обоснования работоспособности реакторных установок с ресурсом до 60 лет.

В соответствии с «Нормами расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок» 1 основными расчетными характеристиками материала при расчете на сопротивление хрупкому разрушению являются критическая температура хрупкости Тк и критический коэффициент интенсивности напряжений К1с. Прогнозирование К1с материалов в процессе эксплуатации производится введением в расчет сдвигов Тк вследствие различных воздействий, иначе говоря, путем «параллельного сдвига» температурной зависимости К1с на величину Тк. Однако данное положение для термического старения (ТС) до настоящего времени не имело экспериментального подтверждения.

Таким образом, цель настоящей работы состояла в экспериментальном подтверждении методики «параллельного сдвига» температурной зависимости К1с, и прогнозировании температурной зависимости статической трещиностойкости К1с (Т) на базе расчетной оценки сдвигов Тк в результате ТС (ТТ) металла корпуса реактора ВВЭР-1000 при проектном ресурсе 60 лет.

Материалы и методика проведения работы

металл корпус охрупчивание температура

Исследования проводили на металле промышленных заготовок (изготовленных в соответствиями с требованиями ТУ 08 93-013-00212179-2003) номера, химический состав и режимы термической обработки которых приведены в таблицах 1 и 2. Термическому старению при 350-400С в течение до 10000 часов подвергались тангенциальные заготовки из средней трети по толщине поковок и поперечные прокатке заготовки из листа, отобранные на расстоянии 1/4 толщины листа от поверхности. Ударную вязкость определяли на образцах по ГОСТ 9454 тип 11. Статическую трещиностойкость - на образцах 1Т-СТ по ГОСТ 25.506. Критическую температуру хрупкости - в соответствии с «Нормами расчета…» [1]. Кроме того, проводился анализ результатов испытаний тепловых образцов-свидетелей (ОС) «Курчатовского института» и ИЯИ НАН Украины.

Согласно «Нормам расчета…» 1, экстраполяцию результатов допускается проводить на время, не превышающее десятикратную продолжительность старения. В работе 2 на базе изучения кинетики ТС была получена зависимость, позволяющая устанавливать эквивалентность режимов ТС в интервале температур 250 - 400С вида:

Р = Т (4 + lg )…………………………….(1)

где: Р - параметр;

Т - температура старения, К;

- время старения, час.

Имеющиеся данные относятся к ТС при температуре 350С в течение 10000 часов, что эквивалентно, согласно формуле (1), около 50000 часов ТС при рабочей температуре корпуса реактора - порядка 300С. Ресурс в 60 лет составляет 420000 эффективных часов. Таким образом, экстраполяция имеющихся данных для ТС при 350С в течение 10000 часов на ресурс 60 лет вполне обоснована.

Результаты исследований и их обсуждение

Расчетно-экспериментальное прогнозирование температурной зависимости К1с стали 15Х2НМФА(А) и сопоставление ее сдвигов с соответствующими Тк в результате ТС проводились на металле поковок 440618 и 707521. Металл поковки 440618 подвергался ТС при температуре 350С, поковки 707521 - при 375С. В таблицах 3 и 4 приведены величины Тт указанных поковок в результате ТС. Для поковки 707521 результаты приводились к температуре 350С с использованием формулы (1).

Результаты испытаний на статическую трещиностойкость поковок 440618 и 707521 (на образцах СТ-1Т) в исходном состоянии и после различных режимов ТС приведены на рисунке 1. Величины сдвигов по температурной шкале зависимостей К1с (Т) на уровне значений К1с = 100 МПаvм сведены в таблицу 5. Как видно, результаты прямого экспериментального определения Тт согласно методике «Норм расчета…» (таблица 4) и величины сдвигов по температурной шкале зависимостей К1с (Т) (таблица 5) практически полностью совпадают. Таким образом, получено прямое экспериментальное подтверждение правомерности учета изменения К1с путем параллельного сдвига зависимостей К1с (Т) на величины соответствующих Тк при ТС.

Следовательно, прогнозируемая расчетная «нижняя огибающая» значений К1с стали 15Х2НМФА(А) для ресурса корпуса реактора ВВЭР-1000 60 лет может быть получена параллельным сдвигом «нижней огибающей» в исходном состоянии на величину консервативной оценки Тт за указанный период.

Полученный в ЦНИИТМАШ массив экспериментальных данных для семи промышленных заготовок (таблица 6) свидетельствует о немонотонной (экстремальной с максимумом) зависимости Тт от длительности старения при температуре 350С. При этом максимальные величины Тт для штатных режимов термической обработки, включая сварочные и ремонтные отпуска наблюдаются в области первых 1 - 3 тыс. час. старения и не превышают 30С (рисунок 2).

Таким образом, оценку Тт стали 15Х2НМФА(А) для рабочих температур корпусов реакторов следует проводить для двух стадий процесса: начальной, где имеет место максимум охрупчивания, и последующей, где наблюдается возврат свойств.

Для решения этой задачи из таблицы 6 были выбраны максимальные значения Тт исследованных заготовок (кроме трех последних, для которых Тт отсутствует после 1000 часов) в результате теплового старения в течение 1000 - 3000 часов. Среднее значение Тт для данной выборки составило 25С, а среднее квадратическое отклонение S = 5,0С. Согласно формуле S t; К /n , где: t; К - критерий Стьюдента (в случае одностороннего критерия для числа степеней свободы К = n - 1 = 6 и уровня значимости = 0,05, t; К = 2,44) был определен 95% доверительный интервал, равный 4,6С.

Таким образом, среднее значение Тт, определенное с доверительной вероятностью 95%, в начальный период эксплуатации не превышает 30С.

Для оценки Тт в течение последующего периода эксплуатации, согласно «Нормам расчета…», предлагается аппроксимировать «ниспадающий» участок зависимости Тт (старения) (см. рисунок 2) уравнением вида:

Тт = Ттmax - K 1 - e - b( - max)………………….(2)

где: Ттmax - экстремальное (максимальное) значение Тт;

b, K - эмпирические постоянные;

max - время старения, при котором наблюдается экстремум.

Аппроксимирующая зависимость экспериментальных данных для средних значений Тт, полученная методом итераций, имеет вид:

Тт = 23,3 - 211 - e - 0,0003( - max)………………….(3)

Так как в уравнении (2) при Тт (Ттmax - K), то величина (Ттmax - K) есть не что иное, как сдвиг Тт при весьма длительных режимах старения. Из уравнения (3) следует, что среднее значение Тт для стали марок 15Х2НМФА(А) и при составит всего 2,3С. Поэтому в качестве расчетной величины Тт для второй стадии эксплуатации рекомендуется принять Тт = 5С.

Для проверки правильности данной концепции был проведен анализ результатов испытаний тепловых образцов-свидетелей (ОС), выполненных в РНЦ «Курчатовский институт» и ИЯИ НАН Украины. Общий массив данных по сдвигам критической температуры хрупкости тепловых образцов-свидетелей основного металла для выдержек до 130000 часов представлен на рисунке 3. Как видно, наблюдается весьма значительный разброс экспериментальных результатов. На рисунке 3 также приведена аппроксимирующая зависимость вида:

Тт = 45,0 - 41,991 - e - 0,0566 ………………….(4)

Из уравнения (4) следует, что Тт при ресурсе 60 лет составит около 3С, то есть,практически равен нулю. Следует отметить, что в структуре формулы (4) отсутствует max , поэтому величина Тт = 45,0С соответствует = 0 час и не может рассматриваться как Тт в области максимума. В целом зависимость (3) для средних значений Тт металла промышленных поковок аналогична зависимости (4) для тепловых ОС: согласно формуле (1) максимум Тт для ОС приходится на выдержку порядка 10000 часов (при 290С) и составляет около 24С, по формуле (3) максимум составляет около 23,3С (после выдержки порядка 2000 часов при 350С); обе зависимости имеют асимптотический характер и при порядка 60 лет (420000 часов) Тт согласно формулам (3) и (4) составляет 2 - 3С, то есть, близок к нулю.

Для консервативной оценки ?Тт на ресурс 60 лет следует учитывать также величины доверительных интервалов. Очевидно, что разброс результатов испытаний тепловых ОС (рисунок 3) от (-30) до (+50)?С связан с погрешностью экспериментов по определению Тк и указанные результаты не могут быть использованы для корректного определения доверительных интервалов для ?Тт. Поэтому за величину доверительного интервала следует принять 4,6?С, полученную по данным таблицы 6.

Таким образом, консервативная оценка ?Тт для ресурса 60 лет составит (3 + 4,6) ? 5 >10?С.

Учитывая экстремальный характер кинетики охрупчивания металла корпуса реактора в процессе длительных тепловых воздействий, оценку величины Тт следует проводить для двух состояний: начального периода эксплуатации - до 50000 часов и для всего последующего периода - до 60 лет. При этом необходимо учитывать, что в металле корпуса реактора напротив активной зоны превалируют процессы радиационного охрупчивания, включающие в себя процессы внутризеренного охрупчивания, свойственные также для теплового старения 3, и величина Тт должна входить в величину ТF (сдвиг критической температуры хрупкости за счет облучения) и при расчете хрупкой прочности этой части корпуса может быть принята равной нулю.

Для металла корпуса реактора, находящегося вне зоны облучения, на базе статистических оценок, включающих результаты испытаний тепловых образцов-свидетелей, и математического моделирования рекомендуется для начальных 50000 часов эксплуатации принять величину Тт = 30С. Для последующего периода эксплуатации до 60 лет принять Тт = 10С.

Выводы

1. На базе исследований ТС двух промышленных поковок и анализа экспериментальных данных подтверждена методика параллельного сдвига зависимости К1с (Т) на величину Тт, принятая в «Нормах расчета…» для учета изменения К1с в процессе эксплуатации.

2. Прогнозируемая расчетная «нижняя огибающая» значений К1с стали 15Х2НМФА(А) для ресурса корпуса реактора ВВЭР-1000 60 лет с учетом ТС для металла, находящегося вне зоны облучения, может быть получена параллельным сдвигом «нижней огибающей» в исходном состоянии на величину Тт 5 - 10С.

3. В качестве прогнозируемой расчетной «нижней огибающей» значений К1с стали 15Х2НМФА(А) для ресурса корпуса реактора ВВЭР-1000 60 лет с учетом ТС для металла напротив активной зоны может быть принята расчетная «нижняя огибающая» в исходном состоянии.

Таблица 1 - Химический состав плавок стали 15Х2НМФА(А), испытанных на склонность к ТС.

Таблица 2 - Режимы термической обработки исследованных плавок стали 15Х2НМФА(А).

Таблица 3 - Результаты определения сдвигов критической температуры хрупкости поковки 707521 вследствие термического старения при 375?С.

Таблица 4 - Результаты определения сдвигов критической температуры хрупкости поковок 440618 и 707521 вследствие термического старения при 350?С.

Таблица 5 - Величины сдвигов по температурной шкале зависимостей К1с (Т) в результате ТС для значений К1с = 100 МПаvм

Таблица 6 - Величины сдвигов критической температуры хрупкости корпусных сталей в результате теплового старения при температуре 350С.

Данные ЦНИИТМАШ.

Рисунок 1 - Влияние ТС на статическую трещиностойкость стали 15Х2НМФА(А)

Данные ЦНИИТМАШ

Рисунок 2 - Зависимости сдвига ?Тт различных плавок стали 15Х2НМФА(А) от времени ТС при 350?С. Данные ЦНИИТМАШ

Рисунок 3 - Сдвиг ТК основного металла стали 15Х2НМФА при ТС по данным образцов-свидетелей и аппроксимирующая зависимость

Размещено на Allbest.ru