СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛА КОРПУСА РЕАКТОРА Российский патент 1997 года по МПК C21D1/78 

Изобретение относится к области термической обработки высокопрочных или охрупченных (состарившихся) в процессе эксплуатации металлов и может быть использовано в энергетике (энергомашиностроении), в частности, при восстановлении физико-механических свойств охрупченных в процессе эксплуатации металлов корпусов энергетических реакторов атомных электростанций (АЗС), в области физики, механики, металлургии. Кроме того, оно может быть использовано для излучения охрупчивания металлов и восстановления их свойств.

На современных АЭС широкое распространение получили энергетические реакторы корпусного типа. Большинство корпусов энергетических реакторов представляют собой толстостенный цилиндрический сосуд с эллиптическим днищем. Диаметр корпуса 3-4 м, высота 12 м, вес более 00 г. Корпус изготавливают как из углеродистых сталей, так и из высокопрочных хромо-ванадиево-молибденовых сплавов по достаточно сложной технологии с применением ковки, сварки и многократных термических обработок.

В процессе эксплуатации в номинальном режиме материал корпуса подвергается воздействию внутреннего давления порядка 125-200 кгс/см², температуры 250-300 ^oC и интенсивного облучения в районе расположения активной зоны реактора. В переходных и аварийных режимах корпус может подвергаться воздействию высоких термических напряжений, концентрированных нагрузок ударного типа, например, при разрывах трубопроводов или землетрясениях.

Внутренняя поверхность корпуса постоянно, а наружная в аварийных режимах омываются жидкими и газообразными средами, которые могут вызвать коррозию корпуса и изменить его внутреннюю структуру из-за диффузионного проникновения отдельных элементов внутрь металла.

В результате процесса эксплуатации реактора происходит снижение сопротивления хрупкому разрешению (повышение критической температуры хрупкости -Т_к) металла корпуса.

Повышение температуры Т_к в соответствии с действующей нормативной документацией происходит за счет температурного (теплового) старения металла, циклического механического нагружения и под действием нейтронного потока. В сумме с исходной критической температурой хрупкости (Т_ко) указанные температурные градиенты определяют критическую температуру хрупкости металла, которая не должна превышать температуру металла корпуса во время его эксплуатации (T_э).

Если это условие не выполняется, корпус реактора продолжают эксплуатировать либо на пониженной мощности, либо металл корпуса подвергают термической обработке и продлевают в результате ресурс службы корпуса, либо снимают корпус с эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности по сравнению с предлагаемым способом является способ восстановления внутренних поверхностей цилиндрических стальных деталей, включающий создание в стенке детали вдоль ее оси градиента температур непрерывно-последовательно индукционного нагрева до 750-770^oC и охлаждения водой со скоростью 200-300^oC/с.

С помощью способа-прототипа можно получить максимальную пластичность сталей и малое сопротивление пластической деформации, что в свою очередь позволит восстановить необходимые геометрические размеры внутренних поверхностей деталей.

Недостатком способа-прототипа является неприемлемость для корпусов реакторов предлагаемых параметров нагрева и скоростей охлаждения металла как по общим конструктивным соображениям, так и по заложенной в прототипе необходимости доведения металла до пластического состояния, что недопустимо для корпусов реакторов.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности способа восстановления физико-механических свойств металла.

Указанный технический результат достигается за счет того, что при восстановлении физико-механических свойств металла цилиндрических стальных деталей путем создания в стенке детали вдоль ее оси градиента температур нагрева и охлаждения нагрев ведут терморадиационным электронагревателем со стороны внутренней поверхности детали до температуры Т_н=(0,3-0,4)T_пл, где Т_н температура нагрева, ^oC, T_пл температура плавления восстанавливаемого металла, ^oC, выдерживают при температуре нагрева в течение времени, определяемого с учетом критериев длительной прочности металла и необходимой степени восстановления, и охлаждают воздухом, причем во время выдержки в объеме восстанавливаемого металла создают локальную область нагрева с температурой Т_н, которую перемещают с временными остановками как вдоль оси детали, так и по окружности, и обеспечивают этим диффузионное перемещение примесных элементов по объему металла до момента уменьшения локальных концентраций примесей, усреднения их по объему металла до допускаемых значений и сжатие металла локальной области нагрева, через которую пропускают электрический ток.

Нагрев до температуры Т_н и последующая выдержка при этой температуре обеспечивают необходимую для восстановления металла интенсивность и продолжительность протекания диффузионных процессов в объеме металла.

Создание в процессе выдержки в объеме металла локальной области нагрева и перемещение ее вдоль оси изделия и по окружности в сочетании с временными остановками обеспечивают диффузионное перемещение примесных элементов по объему металла до момента уменьшения их локальных концентраций, усреднений, усреднения их по объему металла до допустимых значений.

Одновременно с обеспечением диффузионного перемещения примесей в локальной области нагрева, окруженной относительно холодным металлом, возникают зоны сжатия, через которые пропускают электрический ток. Под действием сжатия и электрического тока происходит уменьшение расстояний между атомами (ионами) кристаллической решетки металла, увеличение плотности электронного облака внутри металла и, как следствие, увеличение электромагнитных сил между атомами, уменьшение размеров образовавшихся в процессе старения пустот в металле или вообще их исчезновение-схлопывание.

В результате происходит восстановление физико-механических свойств металла, который только способом термического нагрева, выдержки и охлаждения и даже с помощью создания градиентов температур только вдоль оси детали либо совсем невозможно было бы восстановить, например, из-за значительного содержания примесей в его объеме или восстановить его с малой степенью восстановления из-за значительного содержания в его структуре дефектов в виде пустот.

Восстановление металла предлагаемым способом можно показать на примере восстановления (отжига) металла корпуса энергетического реактора типа ВВЭР-440.

Перед восстановлением металла с учетом имеющихся данных по охрупчиванию металла корпуса на момент восстановления примерно определяют время и необходимую степень восстановления металла. Для этого используют результаты испытаний образцов-свидетелей и нормативные требования по критериям длительной прочности металла корпуса. Разрабатывают программу восстановления корпуса с учетом выполнения ее с использованием электронно-вычислительных машин (ЭВМ).

Корпус реактора типа ВВЭР-440 состоит из сваренных между собой обечаек и эллиптического днища из высокопрочной стали 15Х2МФА. Марка сварочной проволоки СВ-10ХМФТ.

Нагрев металла восстанавливаемой части корпуса производят с помощью терморадиационных электронагревателей, которые размещают внутри корпуса. Электронагреватели состоят из нескольких секций и позволяют с помощью ЭВМ автоматически, а при необходимости и в ручном режиме, осуществлять процессы нагрева, выдержки и охлаждения. Контроль температуры металла производят с помощью термопар. Внутрикорпусные устройства при этом и теплоноситель в корпусе отсутствуют. При необходимости охлаждения наружной поверхности корпуса используют штатные станционные воздушные системы.

Со скоростью не более 20^oC/ч разогревают заранее выбранную локальную область восстанавливаемого металла до температуры Т_н= 460-990^oC, обеспечивают перемещение ее переключением секций электронагревателей с временными остановками в течение заранее рассчитанного времени в пределах 100-150 ч как вдоль оси корпуса, так и по его окружности. Охлаждение корпуса производят со скоростью не более 30^oC/ч.

При перемещении локальной области нагрева происходит перераспределение примесных элементов по объему металла до момента уменьшения локальных концентраций примесей и усреднения их по объему металла до допустимых значений.

Одновременно между локальными областями нагрева и окружающим менее нагретым металлом возникают градиенты температур, и как следствие, зоны сжатия металла локальной области нагрева, через которые пропускают электрический ток. Совместное воздействие сжатия на металл, увеличение внутри его объема плотности электронного облака и интенсификации диффузии примесных элементов под действием электрического тока обеспечивают более эффективное восстановление металла.

Достижение необходимой степени восстановления металла корпуса обеспечивается и контролируется поддержанием на требуемом уровне параметров режимов технологических операций и дополнительно, если это необходимо, результатами испытаний образцов-свидетелей, вырезанных из металла до и после его восстановления.

Использование предлагаемого способа восстановления свойств металла обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:
более высокую эффективность в части достижения необходимой степени восстановления металла, загрязненного неравномерно примесями и имеющего значительную степень старения;
с помощью предлагаемого способа возможно проведение большого объема научно-исследовательских работ по изучению физической природы охрупчиваания металлов и их восстановления.

Актуальность предлагаемого способа станет более очевидной, если учесть, что в настоящее время в эксплуатации во всем мире находятся около 420 реакторов и, примерно, к 2000 году остро встанет вопрос о продлении лицензий на эксплуатацию многих из них по причине их старения. Например, в 2000 году прекратится действие лицензий на эксплуатацию 40 американских АЭС, а к 2014 году 47. По оценкам экономистов выигрыш от продления сроков их службы до 60 лет превысит 100 млрд. дол. США.

Изобретение относится к области термической обработки высокопрочных или охрупченных /состарившихся/ в процессе эксплуатации металлов и может быть использовано в энергетике /энергомашиностроении/, в частности, при восстановлении физико-механических свойств охрупченных в процессе эксплуатации металлов корпусов энергетических реакторов атомных электростанций /АЭС/, в области физики, механики, металлургии. Кроме того, оно может быть использовано для изучения охрупчивания металлов и восстановления их свойств. Задача: увеличение эффективности восстановления физико-механических свойств металла. За время выдержки металл при температуре нагрева порядка T_н=/0,3-0,4/ T_пл, где T_пл - температура плавления восстанавливаемого металла, создают достаточно оптимальные условия для диффузии примесных элементов, а дополнительным созданием с помощью терморадиационных электронагревателей и охлаждения воздухом перемещающихся по объему металласградиентов температурного поля - направленное перемещение примесей. В результате в объеме металла исчезают локальные недопустимые концентрации примесных элементов и их среднюю концентрацию по объему доводят до допустимых значений. Отрицательное влияние примесных элементов в объеме восстанавливаемого металла уменьшается. Используя градиенты температурного поля, в объеме металла создают зоны сжатия и через них пропускают электрический ток.

Способ восстановления физико-механических свойств металла корпуса реактора, включающий нагрев, выдержку в течение заданного времени и охлаждение воздухом, отличающийся тем, что нагрев ведут до T_н (0,3 - 0,4)Т_nл, выдержку осуществляют в течение времени, определяемого с учетом критериев длительной прочности металла и необходимой степени восстановления, во время выдержки в объеме восстанавливаемого металла создают температурное поле с таким расположением максимальных и минимальных температур во времени, при котором происходит диффузное перемещение примесных элементов по объему металла до момента уменьшения локальных концентраций примесей, усреднения их по объему восстанавливаемого металла до допускаемых значений, и создают зоны сжатия, через которые пропускают электрический ток.