Корпус реактора является физическим барьером, внутри которого находятся все продукты деления в процессе эксплуатации атомных станций с реакторами типа ВВЭР. Обеспечение целостности корпуса реактора в любой момент эксплуатации в штатных и аварийных режимах является приоритетом номер один. Корпус реактора предназначен для эксплуатации в течение десятков лет. Материалы корпуса реакторов типа ВВЭР-1000 в процессе эксплуатации подвергаются длительному воздействию потока быстрых нейтронов из активной зоны и повышенных температур (290−320°С). Это приводит к деградации свойств материалов корпусов ВВЭР-1000.
Корпуса реакторов ВВЭР-1000 изготавливаются из малоуглеродистой низколегированной стали марки 15Х2НМФА и 15Х2НМФА-А и сварных соединений соответствующих марок.
В реакторе использована традиционная схема движения теплоносителя: опускное движение воды вдоль корпуса и подъемное движение в активной зоне. Вода поступает в реактор через нижнюю обечайку зоны патрубков с температурой ~290°С, а выходит через верхнюю обечайку зоны патрубков с температурой ~320°С. Таким образом, максимальная температура эксплуатации корпуса достигается в области верхней обечайки зоны патрубков и составляет ~310−320°С. При наступлении проектной аварии залив холодной воды происходит одновременно через верхнюю и нижнюю обечайки зоны патрубков. Для металла обечаек зоны патрубков, расчетная допустимая критическая температура хрупкости металла самая низкая по сравнению с другими элементами корпуса (~20°С). Металл обечаек зоны патрубков является критичным с точки зрения влияния температурного старения на безопасность эксплуатации корпусов ВВЭР-1000, так как в ситуации залива корпуса холодной водой максимальный для стенки корпуса градиент температур возникает в верхней обечайке зоны патрубков (20-е-320°С).
Для контроля и прогнозирования изменения свойств материалов корпуса в процессе эксплуатации используют программу образцов-свидетелей. Образцы-свидетели выполнены из тех же материалов, что и сам корпус реактора.
Для необлучаемых элементов корпуса ВВЭР-1000, например, обечаек зоны патрубков, определяющим фактором в изменении свойств является длительное воздействие рабочих температур (310−320°С). В результате длительного воздействия рабочих температур в материалах корпуса происходит температурное старение, которое может приводить к изменению свойств материалов корпуса. Поэтому прогнозирование изменения свойств в результате температурного старения для необлучаемых элементов корпуса реактора является актуальной задачей.
В 70-х годах после выбора стали для изготовления корпусов ВВЭР-1000 в НПО ЦНИИТМАШ была выполнена работа по аттестации стали марки 15Х2НМФА-А. В процессе аттестации было проведено исследование влияния длительных выдержек (1 < 10 000 часов) при температуре 350 °C на свойства сталей 15Х2НМФА и 15Х2НМФА-А. Для описания изменения критической температуры хрупкости под действием температурного старения (ДТт) была предложена кривая с максимумом [1]. Для консервативной оценки ДТт для металла обечаек в процессе эксплуатации было предложено нормативное соотношение:
ДГГ = 30 °C при * < 50 000 час. АТт =0° С при / > 50 000 час. ^ ^.
В аттестационном отчете 1998 года с учетом новых данных внесено изменение:
ДГГ = 30° С при Г < 50 000 час. АТГ = 5° С при I > 50 000 час. ^ '.
Иллюстрация нормативной оценки эффектов температурного старения для основного металла корпусов ВВЭР-1000 представлена на рисунке 1.
60 40 и о <
20 0.
0 50 000 100 000 150 000.
Время выдержки, ч.
Рисунок 1 — Изменение значений ДТт принятое для металла обечаек ВВЭР-1000 по результатам аттестационного отчета стали 15Х2НМФА-А НПО.
ЦНИИТМАШ".
Допустимое значение критической температуры хрупкости для обечаек зоны патрубков в процессе эксплуатации ~20°С. В соответствии с ТУ 108.765−78[2] значение Тк0 для обечаек зоны патрубков составляет минус 10 °C. Таким образом, предложенная оценка соответствует условию безопасной эксплуатации корпусов ВВЭР-1000.
В девяностые годы в НИЦ «Курчатовский институт» начали получать данные испытания температурных образцов-свидетелей ВВЭР-1000, которые зафиксированы в отчетах по образцам-свидетелям. В настоящий момент накоплена база данных, состоящая из 35 точек по значениям сдвига критической температуры хрупкости и пределу текучести. На рисунке 2 представлено сопоставление результатов испытаний образцов-свидетелей с нормативными значениями для температурного старения.
Время выдержки, ч.
Рисунок 2 — База данных температурных образцов-свидетелей ОМ и нормативная зависимость для металла обечаек ВВЭР-1000.
На рисунке 2 точками обозначены экспериментальные значения ДТт по результатам испытаний штатных образцов-свидетелей основного металла температурных комплектов. Сопоставление результатов испытаний образцов-свидетелей с нормативными оценками свидетельствует о том, что прогноз не консервативен по отношению к результатам испытаний температурных образцов-свидетелей. Одиннадцать точек из 35 находятся выше нормативных значений. Из 11 точек 5 превышают максимально допустимое значение ДТт для обечаек зоны патрубков (30°С).
Таким образом, исследования температурных комплектов образцов-свидетелей основного металла показали, что нормативная зависимость дает не консервативную оценку изменения ДТХ основного металла в результате температурного старения.
Основная цель программы образцов-свидетелей это подтверждение консервативности, заложенных в обоснование безопасной эксплуатации корпусов реакторов зависимостей. Если консервативность зависимостей не подтверждается результатами испытаний образцов-свидетелей (например, как в случае с облучаемыми сварными швами с высоким содержанием никеля), тогда на основании результатов испытаний образцов-свидетелей разрабатывается новая зависимость.
В работе [3] авторами была предложена новая зависимость для прогноза изменения свойств материалов корпусов ВВЭР-1000 в результате температурного старения. Новая зависимость была разработана на основании результатов испытаний температурных комплектов образцов-свидетелей ВВЭР-1000.
Основные предположения, на которых основана зависимость, совпадает с описанием процессов температурного старения в работах ЦНИИТМАШ[1]:
1) Предложена кривая с максимумом;
2) Повышение критической температуры хрупкости металла в процессе старения связывается с упрочнением материала;
3) Упрочнение в различных временных диапазонах определяется сначала выделением, а затем коагуляцией карбидов. При выпадении карбидов ДТХ возрастает, при коагуляции карбидов — снижается.
Консервативная оценка изменения критической температурой хрупкости для основного металла при выдержке при 320 °C вычисляется по формуле[4]: ДТт (г) = (2,65 + 13,88ехр ((246 004)/19 800))*Ш (1/19 800) +38 (°С) (3).
Свободный член (38°С) относится к вкладу от рассеяния точек относительно средней линии регрессии. Экспериментальные значения ДТт, средние расчетные значения и консервативная оценка ДТХ представлены на рисунке 3.
100 000 150 000.
Время выдержки, ч.
Рисунок 3 — Нормативная зависимость изменения значений ДТХ при температурном старении материалов основного металла ВВЭР-1000, принятая в настоящее время.
Верхняя огибающая ДТХ изменятся от 40 °C (на временах выдержки более 100 000 часов) до 56 °C (при временах выдержки -25 000). С самого начала возникло предположение о том, что такие высокие значения оценки ДТт связаны с существенным вкладом разброса свойств в результаты испытаний контрольных и температурных образцов-свидетелей.
Это потребовало более детального анализа результатов испытаний штатных температурных образцов-свидетелей основного металла. Анализ базы данных температурных образцов-свидетелей основного металла ВВЭР-1000 был выполнен в рамках проекта АЭС-2006 [5]. На рисунках 4 и 5 представлены все результаты испытаний температурных комплектов штатных образцов-свидетелей ОМ на конец 2012 года (35 значений ДТт) и н <
— 100.
50 000 100 000 150 000.
Время выдержки, ч.
Рисунок 4 — Изменение критической температуры хрупкости, определенное по результатам испытаний температурных комплектов штатных образцов-свидетелей основного металла ВВЭР-1000 и ь <
50 000 100 000 150 000.
Время выдержки, ч.
Рисунок 5 — Изменение предела текучести, определенное по результатам испытаний температурных комплектов штатных образцов-свидетелей основного металла ВВЭР-1000.
Анализ базы данных показал следующее: 20 значений ДТХ выше значений Тк0, 1 значение равно 0 и 14 значений ниже значений Тк0. Для одного из материалов снижение критической температуры хрупкости отмечено дважды.
Повышение предела текучести основного металла отмечено для 20 экспериментальных значений из 35. Повышение критической температуры хрупкости основного металла не всегда сопровождается повышением предела текучести. В некоторых случаях повышение критической температуры хрупкости сопровождается снижением предела текучести и наоборот.
Аномальный характер результатов исследования изменения свойств может быть связан с «шумом», вносимым разбросом свойств в штатных материалах корпусов ВВЭР-1000.
В настоящей работе было высказано предположение о том, что разброс экспериментальных данных связан с разбросом свойств между группами штатных образцов-свидетелей основного металла в исходном состоянии.
Работа, позволяющая найти способ выполнить оценку эффектов температурного старения для основного металла на основании исследования металла контрольных и температурных образцов-свидетелей с исключением вклада разброса свойств, характерного для мест вырезки штатных образцов-свидетелей в максимально возможной степени, является весьма актуальной.
Цель работы.
Поскольку образцы-свидетели основного металла изготовлены из тех же материалов, что и обечайки корпусов ВВЭР-1000, и выдерживаются в реакторе в том же температурном режиме, что и обечайки зоны патрубков в процессе эксплуатации, они являются наилучшим объектом для корректной оценки изменения свойств материалов корпусов ВВЭР-1000. В то же время, данные испытаний штатных образцов-свидетелей основного металла характеризуются большими разбросами. В связи с этим целью настоящей работы было:
1. Исследование распределения свойств в местах вырезки образцов-свидетелей основного металла и в объеме обечайки для установления причин разброса результатов испытаний штатных образцов-свидетелей основного металла.
2. Разработка способа оценки изменения свойств основного металла под влиянием температурного старения (в интервале времен от 11 000 до 170 000 часов) на базе металла контрольных и температурных образцов-свидетелей с максимально возможным уменьшением вклада в результат разброса свойств в интервале температур, характерных для стационарной эксплуатации обечаек зоны патрубков.
3. Создание и анализ новой базы данных по исследованию температурного старения основного металла (в интервале времен от 11 000 до 170 000 часов) с максимально возможным уменьшенным вкладом разброса свойств в исходном состоянии.
Научная новизна работы.
1. Экспериментально показано, что для мест вырезки штатных образцов-свидетелей основного металла (пробное кольцо) характерен градиент критической температуры хрупкости в аксиальном направлении. Различие значений критической температуры хрупкости в торцевой части пробного кольца и в объемах, примыкающих к обечайке, может достигать 65 °C.
2. Экспериментально показано, что определение Тк0 металла обечайки на образцах, вырезанных из пробного кольца, во всех случаях является неконсервативным.
3. Показано, что причиной повышенного разброса результатов испытаний штатных образцов-свидетелей основного металла является то, что группы образцов-свидетелей эксплуатирующихся корпусов ВВЭР-1000 сформированы таким образом, что разность критической температуры хрупкости для контрольных и текущих комплектов может достигать ~30°С в исходном состоянии.
4. Предложена схема изготовления образцов из металла контрольных и температурных образцов-свидетелей для исследования температурного старения основного металла с максимально возможным уменьшением вклада разброса свойств в исходном состоянии.
5. Обоснована возможность снижения излишнего консерватизма в оценках эффектов температурного старения на основании данных образцов-свидетелей основного металла для времен от 11 000 до 170 ООО часов.
6. Проведена оценка эффектов температурного старения стали 15Х2НМФА-А на базе металла контрольных и температурных образцов-свидетелей корпусов ВВЭР-1000 с максимально возможным уменьшением вклада разброса свойств в исходном состоянии.
Практическая значимость работы.
1. Результаты работы по исследованию распределения свойств в металле поковок использованы при разработке методики оценки исходного состояния металла обечаек эксплуатирующихся корпусов реакторов ВВЭР-1000 на основании испытаний образцов-свидетелей контрольных комплектов и архивного металла (проект РД ЭО 1.1.2.09.0789−2012, проект «Методики по оценке исходного состояния для новых проектов ВВЭР»).
2. Результаты исследования распределения свойств в объеме поковки использованы при разработке программ образцов-свидетелей АЭС-2006 для рекомендаций по схеме вырезки и компоновке комплектов образцов-свидетелей основного металла АЭС-2006 и ВВЭР ТОЙ.
3. Результаты исследования температурного старения материалов основного металла ВВЭР-1000, полученные в настоящей работе, будут использованы при прогнозировании изменения свойств металла обечаек зоны патрубков под воздействием длительных выдержек при температуре эксплуатации для корпусов АЭС-2006, ВВЭР ТОЙ и продлении срока службы корпусов ВВЭР-1000.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Закономерности распределения значений критической температуры хрупкости в местах вырезки штатных образцов-свидетелей основного металла.
2. Сравнительный анализ распределения критической температуры хрупкости в местах вырезки штатных образцов-свидетелей основного металла и в обечайке.
3. Метод исследования температурного старения материалов основного металла ВВЭР-1000 на базе образцов-свидетелей с максимально возможным уменьшением вклада разброса свойств в исходном состоянии.
4. Оценка изменения свойств материалов основного металла ВВЭР-1000 в результате температурного старения с максимально возможным уменьшением вклада разброса свойств в исходном состоянии.
Публикации.
По результатам исследований при участии автора в научных изданиях опубликовано 8 работ, в том числе, 2 — в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях.
4.6 Выводы к главе 4.
1. Анализ экспозиции температурных комплектов образцов-свидетелей показал, что температура экспозиции 310−320°С.
2. Предложен метод изготовления образцов основного металла для проведения испытаний на ударный изгиб и статическое растяжение из контрольных и температурных комплектов образцов-свидетелей зоны термического влияния. Данный метод позволяет оценивать эффекты температурного старения с максимально возможным уменьшением в результат вклада разброса свойств в исходном состоянии.
3. Анализ исходного состоянии показал, что значения Тк0 для штатных контрольных комплектов основного металла образцов свидетелей значительно ниже, чем для основного металла из зоны термического влияния.
4. Предложенный метод изготовления образцов для исследования эффектов температурного старения уменьшает вклад разброса свойств в разброс данных относительно сериальной кривой температурной зависимости работы разрушения в пределах одной группы испытаний.
5. Анализ полученных данных исследования материалов ОМ (ЗТВ) и сравнительный анализ полученной базы данных с базой данных исследования образцов-свидетелей основного металла и базой данных, представленных в аттестационном отчете НПО ЦНИИТМАШ показали, что:
На временном интервале до 170 000 часов корреляция между изменением предела текучести и критической температуры хрупкости не установлена.
Для основного металла корпусов ВВЭР-1000 нет упрочняющего механизма температурного старения на временном интервале до 170 000 часов.
Разброс данных ДТХ связан с разбросом свойств в исходном состоянии между образцами, входящими в разные комплекты (контрольный и температурные).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Проведен анализ причин разброса данных штатных температурных образцов-свидетелей основного металла ВВЭР-1000. Для этого выполнено исследование распределения свойств в местах вырезки образцов-свидетелей основного металла (в пробном кольце) и в металле обечайки. Выполнен анализ экспозиции температурных комплектов образцов-свидетелей. Проведено исследование эффектов температурного старения на образцах основного металла из образцов зоны термического влияния для максимально возможного уменьшения вклада разброса свойств в исходном состоянии между группами образцов. По результатам работы можно сделать ряд выводов:
1. В местах вырезки образцов-свидетелей основного металла и в объеме обечайки в радиальном направлении существует закономерное распределение значений критической температуры хрупкости. Наблюдается повышение и снижение значений Тк при изменении радиальной координаты от внутренней поверхности обечайки (поковки) к внешней. Закономерное распределение Тк связано с различной скоростью охлаждения объемов металла вблизи поверхностей поковки и внутренних объемов.
2. В местах вырезки образцов-свидетелей основного металла обечайки наблюдается градиент значений Тк в аксиальном направлении. Для объемов, прилегающих к торцу пробного кольца, характерны минимальные значения Тк, которые могут быть на 65 °C ниже значений Тк в объемах, удаленных от торца. На расстоянии более 70 мм от торца градиент значений Тк в аксиальном направлении не наблюдается.
3. В металле обечайки градиент Тк в аксиальном направлении отсутствует. Металл обечайки более однороден, чем металл пробного кольца, из которого вырезают образцы-свидетели.
4. Закономерное изменение свойств в радиальном и аксиальном направлениях в местах вырезки образцов-свидетелей может приводить к существенному разбросу данных ДТХ при исследовании влияния температурного старения на базе образцов-свидетелей основного металла, что не позволяет создать адекватную модель для прогнозирования изменения свойств основного металла в результате температурного старения и приводит к сверхконсервативным оценкам температурного старения и радиационного охрупчивания основного металла ВВЭР-1000.
5. Анализ условий экспозиции показал, что температурно-временные параметры экспозиции (310−320°С) температурных комплектов образцов-свидетелей ВВЭР-1000 полностью соответствует условиям эксплуатации обечайки зоны патрубков верхней.
6. Предложен способ получения данных для исследования температурного старения основного металла ВВЭР-1000 из металла температурных комплектов образцов-свидетелей, позволяющий оценивать эффекты температурного старения с максимально возможным снижением вклада разброса свойств в исходном состоянии в конечные результаты испытаний.
7. Анализ исходного состоянии показал, что значения Тк0 для штатных образцов основного металла контрольных комплектов образцов свидетелей значительно ниже, чем для основного металла из зоны термического влияния.
8. Предложенный метод изготовления образцов для исследования эффектов температурного старения существенно снижает рассеяние экспериментальных результатов относительно сериальных кривых, построенных на основании испытаний образцов Шарпи, что подтверждает эффективность выбранной стратегии в снижении вклада разброса свойств в конечный результат.
9. Анализ полученной базы данных, в процессе выдержки при температурах эксплуатации (310−320°С) в интервале от 11 000 до -170 000 часов показал следующее: о Закономерное изменение предела текучести и критической температуры хрупкости не установлено. о Не выявлена корреляция между изменением предела текучести и изменением критической температуры хрупкости. о Отсутствие значимого повышения (снижения) предела текучести во всем диапазоне времен исключает наличие упрочняющего (разупрочняющего) механизма в исследованном диапазоне времен, о Наличие как положительных и отрицательных значений Лсод и ДТХ, по-видимому, связано с разбросом свойств в исходном состоянии между образцами, входящими в разные комплекты (контрольные и температурные).
Необходимо отметить, что содержание фосфора в металле образцов-свидетелей не соответствует содержанию фосфора в металле обечаек зоны патрубков, которые изготовлены из стали 15Х2НМФА и содержание фосфора в некоторых из них в соответствии с паспортными данными на корпуса реакторов достигает 0,017%. В связи с этим по результатам настоящей работы нельзя оценить вклад в изменение критической температуры хрупкости от образования сегрегаций по границам зерен для обечаек зоны патрубков. Это является предметом отдельного исследования.