Применение коррозионностойких сталей на АЭС

обия, обеспечивающее соотношение Nb/C не менее 28. Методики ускорен- ных испытаний на склонность к межкристаллитной коррозии по ГОСТ 6032- 2017 распространяются на стали ферритного, аустенитно-мартенситного и аустенитно-ферритного классов. Стали мартенситного класса не включены в указанный ГОСТ в связи с тем, что при испытании их в стандартном раство- ре серной кислоты и медного купороса они подвергаются интенсивной об- щей коррозии.

Обеспечение стойкости к межкристаллитной коррозии хромистых не- ржавеющих сталей по сравнению с хромоникелевыми аустенитными сталями достигается при меньшем содержании элементов, стабилизирующих углерод.

Была исследована сталь типа Х16Н4Б с разным отношением содержания ни- обия к углероду. При соотношении Nb/C < 1 сталь проявляла склонность к межкристаллитной коррозии после 2- х часового отпуска в интервале темпе- ратуры 300-700 °С. Увеличение отношения Nb/C сужало температурный ин- тервал отпусков, вызывающих склонность к межкристаллитной коррозии.

При отношении Nb/C>3 стойкость стали к межкристаллитной коррозии обес- печивалась уже во всем температурном интервале отпусков.

96

­ удовлетворительная пластичность и вязкость после всех технологи- ческих отпусков;

­ отсутствие недопустимого отрицательного влияния на механиче- ские свойства основного металла.

В качестве материала наплавки энергетических реакторов в зарубеж- ном реакторостроении нашли преимущественное применение коррозионно- стойкие стали типа 304. Известны также случаи использования для наплавки сплавов с повышенным содержанием Ni, например, сплавы типа «инколой»,

«иконель». Одним из характерных дефектов, связанных с антикоррозионной наплавкой, является возможность образования трещин в основном металле под аустенитной наплавкой в зоне теплового воздействия. Трещины образу- ются по границам крупных зерен в зоне перегрева металла на глубине 2,5-5,0 мм.

Процесс наплавки ведет к образованию крупнозернистой структуры к поверхностному слою реакторной стали. При последующей термообработке корпуса реактора деформационная способность крупнозернистого о металл оказывается недостаточной для компенсации пластической деформации, воз- никающей вследствие разницы коэффициентов линейного расширения наплавки, стали. Образованию трещин под наплавкой способствует увеличе- ние содержания углерода, хрома до 2,0%, ванадия и примесных легкоплавких элементов в реакторной стали.

Считается, что образование трещин под аустенитной наплавкой может быть устранено с помощью применения двухслойной наплавки, процессов наплавки с малой погонной энергией, плакирующего материала с термиче- ским коэффициентом расширения, близким таковому для плакируемого ма- териала, оптимизации состава основного металла по С, Cr, V, Мn и др.

Как правило наплавка антикоррозионного покрытия на поверхность корпуса реактора производится в два слоя. Первый слой толщиной порядка 4мм выполняется лентой из стали 07Х25Н13, второй слой – лентой из стали 08Х19Н10Г2Б. При этом суммарная толщина обоих слоев составляет в сред- нем 8 мм. Применение для первого слоя глубокоаустенитной стали 07Х25Н13 позволяет свести к минимуму хрупкую прослойку мартенсита, об- разующуюся в переходной зоне в результате перемешивания основного и наплавляемого металлов в процессе наплавки. Применение двухслойной ан- тикоррозионной наплавки типично и для современного зарубежного реакто- ростроения. Известны, однако, примеры применения однослойной наплавки толщиной до 6 мм. Контроль сплошности по зоне сплавления наплавки с ме- таллом корпуса реактора и проверка отсутствия поднаплавочных трещин осуществляется методом ультразвуковой дефектоскопии, а контроль качества наплавки – методом цветной дефектоскопии. Во избежание возможного про- явления склонности наплавки к межкристаллитной коррозии температура и число технологических отпусков корпуса в процессе изготовления должны быть регламентированы. Из аустенитных сталей изготавливаются также кор-

пуса циркуляционных насосов и арматуры. Для этого используются в основ- ном кованые заготовки. Улучшение качества литья и совершенствование ме- тодов неразрушающего контроля делают возможным применение для кор- пусных деталей фасонных отливок из нержавеющих сталей. В частности, из стали типа Х13НДЛ были изготовлены литые корпуса насосов и арматуры для АЭС с ВВЭР-440 и ВВЭР-1000.

Для всех движущихся деталей, соприкасающихся с активной средой, необходимо применение специальных мер для обеспечения работоспособно- сти трущихся пар, особенно в арматуре с большими номинальными диамет- рами. В этом случае проблема работоспособности деталей в условиях трения обычно решается посредством нанесения на поверхность кобальтового спла- ва (стеллита) с повышенной твердостью хотя бы на одну из поверхностей скольжения. Коррозионно-эрозионные повреждения этих участков должны быть минимальны во избежание загрязнения контура сильно активирующим- ся кобальтом. Обычно количество циркулирующего через активную зону теплоносителя велико, поэтому циркуляция его по первому контуру осу- ществляется по нескольким петлям (от 4 до 8). Но даже при таком числе пе- тель диаметры трубопроводов циркуляционных контуров получаются боль- шими (до 700 мм и более). Например, на ВВЭР-440 таких петель 6, каждая петля имеет диаметр 500 мм. С целью уменьшения поступления продуктов коррозии в теплоноситель трубопроводы выполняются, как правило, из кор- розионностойких хромоникелевых аустенитных сталей. Из них изготавлива- ются также основные технологические трубопроводы реакторных контуров АЭС.

С увеличением мощности АЭС наблюдается тенденция к увеличению диаметра трубопроводов и как следствие этого переход к применению биме- таллических труб из перлитной стали с плакирующим слоем из аустенитной стали или на сварные трубы, изготовленные методом штамповки из биметал- лических листовых заготовок. Основной материал этих трубопроводов (низ- колегированная сталь) толщиной до 70 мм плакируется по внутренней по- верхности стабилизированной хромоникелевой аустенитной сталью толщи- ной 5-10 мм. Для вспомогательных систем и для теплообменных аппаратов применяют бесшовные трубы. При производстве труб из аустенитной стали с повышенным качеством поверхности зарубежные фирмы широко использу- ют водород как защитную среду при термической обработке. Стремление обеспечить хорошую радиационную обстановку в случае возможных ремон- тов оборудования первого контура делает весьма желательным применение нержавеющих сталей с минимальным содержанием кобальта. Хорошим мож- но признать уровень кобальта в стали не более 0,02%. Сталь особо высокой чистоты по кобальту должна изготавливаться с содержанием этого элемента не более 0,005%.

Коррозионностойкие стали имеют широкое применение для изготовле- ния деталей внутриреакторных узлов. К ним относятся:

98

­ экраны, кронштейны, корзины, выполняемые из хромоникелевых сталей типа 18-8;

­ крепеж, обычно изготовляемый из нержавеющих сталей высокой прочности; в отечественном реакторостроении для этой цели применяют ста- ли типов 10Х11Н20ТЗР, ХН35ВТ, ХН35ВТЮ, 30X13 и др.;

­ пружины, изготавливаемые из хромистых нержавеющих сталей ти- пов 30Х13, 14Х17Н2 и хромоникелевых сталей типов ХН35ВТЮ, 08Х18Н10Т (последнюю применяют в наклепанном состоянии),

­ движущиеся детали (шестерни, вал-шестерни, штанги, валы, штоки и т.д.), изготавливаемые из 13- и 17%-ных хромистых мартенситных сталей.

Особое место среди указанных деталей занимают детали приводов ис- полнительных механизмов. Механизмы приводов регулирующих органов яв- ляются единственными узлами внутри реактора, которые имеют подвижные детали, а их ремонт связан с остановкой реактора. Поэтому к материалам де- талей исполнительных механизмов предъявляются повышенные требования по прочностным свойствам и износостойкости. Кроме того, для механизмов приводов регулирующих органов, работающих в среде теплоносителя, очень важной является высокая коррозионная стойкость.

Для изготовления деталей приводов регулирующих органов нашли применение в основном хромистые мартенситные стали. Из этих сталей из- готовляются преимущественно две группы деталей, требующих повышенной прочности и твердости. К первой группе относятся силовые детали, рассчи- тываемые на рабочие напряжения. Такими деталями являются штоки, захва- ты, корпусные детали. Для изготовления указанных деталей применяют ста- ли марок 20X13, 30X13, 14Х17Н2 в высоко отпущенном состоянии. Ко вто- рой группе относятся детали с высокой удельной контактной нагрузкой (па- ры трения), для которых определяющими являются высокая поверхностная твердость и износостойкость материала. К таким деталям относятся втулки, червяки, шестерни, полумуфты и другие трущиеся детали. Для указанных де- талей применяют хромистые мартенситные стали, которые обеспечивают возможность получения высокой твердости. К таким материалам относятся преимущественно хромистые стали с повышенным содержанием углерода, такие как 20X13, 30X13, 40X13, 14Х17Н2, 20Х17Н2, 95X18 в низко отпу- щенном состоянии.

В качестве материалов для магнитопроводов и электромагнитных при- водов СУЗ применяют ферритные стали типа 08Х17Н. К числу других узлов энергетического оборудования, в которых отмечается использование хроми- стых сталей, относятся главный и вспомогательный циркуляционные насосы, подшипники приводов и арматура. В циркуляционных насосах из стали 14Х17Н2 изготовлены, в частности, валы электродвигателя. В задвижках из указанной стали изготовлен шток.

За рубежом для валов, штоков, магнитопроводов, тяг, пружин приво- дов регулирующих органов, работающих в среде первого контура, использу- ют аналогичные по классу стали типов 410, 420, 430. В ряде случаев приме- няют и другие материалы, например, высоконикелевый сплав инконель X750 для крепежа, а также высокопрочные стали переходного класса.

Из всех узлов АЭС, находящихся вне реактора, в наиболее жестких условиях эксплуатации находится трубная система парогенератора. Специ- фика условий работы парогенератора заключается в том, что отдельные его части контактируют одновременно с теплоносителями первого и второго контуров и, таким образом, подвергаются двухстороннему коррозионному воздействию агрессивных сред. Материалы трубной системы парогенерато- ров должны обладать высокой коррозионной стойкостью в теплоносителе обоих контуров.

Работоспособность трубных систем парогенераторов определяется не только (и даже не столько) характеристиками материалов, сколько особенно- стями конструкции самих парогенераторов и качеством воды первого и вто- рого контуров. Важнейшим фактором, определяющим работоспособность трубной системы и зависящим от типа конструкции и водоподготовки, явля- ется возможность локального накопления агрессивных примесей, приводя- щих к коррозионно-механическим повреждениям.

В России в наиболее распространены парогенераторы горизонтального типа. Парогенераторы АЭС с ВВЭР-440 и ВВЭР-1000, ВВЭР-1200 относятся к конструкциям горизонтального типа с горизонтальным расположением трубных систем, по которым циркулирует вода первого контура.

Корпуса парогенераторов изготавливаются из перлитной стали 22К и 10ГН2МФА, а трубы из стали 08Х18Н10Т. В условиях полного погружения в теплоноситель трубные системы из стали 08Х18Н10Т демонстрируют высо- кую надежность при соблюдении установленного водно-химического режи- ма. Зона переменной ватерлинии в таких парогенераторах приходится на коллекторы, выполненные из аустенитной стали 08Х18Н10Т в конструкции ПГВ-440. Для предотвращения коррозионного растрескивания коллекторов в районе переменной ватерлинии устанавливаются защитные кожухи. При со- блюдении требований по обеспечению герметичности кожухов коллекторы работают надежно. Также взамен кожухов применяется наплавка высокони- келевой стали с содержанием никеля около 35%, которая не чувствительна к коррозионному растрескиванию в данной среде.

Парогенераторы ПГВ-1000 производятся с коллекторами из стали 10ГН2МФА, на внутреннюю поверхность которых наплавляется антикорро- зионный слой. Это позволяет полностью предотвратить коррозионное рас- трескивание в районе переменного уровня воды второго контура.

В зарубежной атомной энергетике наиболее широко применяют верти- кальные парогенераторы. Такая конструкция парогенераторов упрощает раз- мещение их под защитной оболочкой АЭС.

Вертикальные парогенераторы с U-образными трубками конструкции фирмы «Westinghouse» оказались ненадежными из-за массового повреждения

100

трубок, особенно в нижней части в местах заделки их в трубную доску. Счи- тается, что разрушение труб в местах заделки в трубные доски происходит в результате скапливания в указанных местах продуктов коррозии, вызываю- щих деформацию труб, и последующего межкристаллитного коррозионного растрескивания. Наряду со случаями выхода из строя парогенераторов с трубными системами из высоконикелевых сплавов в США отмечается высо- кая надежность подобных парогенераторов в Японии и Франции. Такое раз- личие объясняется, прежде всего, более глубокой очисткой питательной во- ды.