Конструкционные материалы основного оборудования и трубопроводов первого контура реакторных установок ВВЭР
Для узлов реакторных установок ВВЭР, работающих в контакте с водой первого контура, применяются коррозионностойкие стали и сплавы.
В мировой практике основным коррозионностойким материалом, применяемым для PWR, является хромоникелевая сталь аустенитного класса типа 18-10. Для ВВЭР применяется сталь такого же класса марки 08Х18Н10Т, с содержанием углерода не более 0,08%, и марки 12Χ18Η10Τ. При высокой общей (поверхностной) коррозионной стойкости, стойкости против межкристаллитной коррозии, при хорошей технологичности при металлургическом переделе и при сварке (нет необходимости в термической обработке после сварки) эти стали имеют сравнительно низкие прочностные свойства и обладают склонностью к коррозионному растрескиванию в горячих растворах хлоридов и щелочей. Для обеспечения работоспособности оборудования из аустенитных сталей требуется строгое соблюдение водно-химического режима теплоносителя. Сталь типа 08Х18Н10Т применяется для большинства оборудования и трубопроводов первого контура РУ ВВЭР-440 (кроме корпусов реактора, компенсатора давления, емкостей САОЗ), для внутрикорпусных устройств реактора, теплообменной поверхности парогенераторов, трубопроводов Ду<100мм, арматуры, КИП и др. РУ ВВЭР-1000.
Материалами из аустенитной стали выполняются антикоррозионные наплавки на компоненты РУ ВВЭР, выполненные из перлитных сталей.
Для обеспечения минимальной радиоактивности продуктов коррозии в материалах реакторов, подверженным воздействию нейтронного потока (внутрикорпусные устройства, наплавка внутренних поверхностей корпуса реактора), а также других компонентов, контактирующих с теплоносителем первого контура, содержания кобальта ограничивается.
Отличительной особенностью практики применения аустенитной стали в нашей стране является повышенные прочностные свойства. Это достигается оптимизацией химического состава стали марки О8Х18Н10Т и жестким контролем режимов горячей пластической и термической обработок, а в случае необходимости применением дополнительной стабилизирующей термической обработки (при температурах 850-870°С).
Применение стали 08Х18Н10Т с повышенным значением предела текучести при температуре 350°С позволяет сократить трудозатраты на изготовление оборудования и потребление дефицитного никеля, т.к. значение предела текучести при 350°С определяет минимальные толщины элементов оборудования и трубопроводов при расчете на прочность.
При соблюдении нормативных запасов прочности, соблюдении технологии изготовления, при поддержании водно-химического режима теплоносителя оборудование ВВЭР из стали типа марки 08Х18Н10Т может работать в течение всего проектного срока службы АЭС.
Корпуса главных циркуляционных насосов изготавливаются из коррозионностойких сталей различных классов:
- для ГЦН-310, ГЦН-317 РУ ВВЭР-440 - аустенитная сталь типа 0Х18Н10Т;
- для ГЦНА-195М РУ ВВЭР-1000 - нержавеющая сталь марки 06Х12Н3ДЛ мартенситно-аустенитного класса, корпус цельнолитой с приварными коваными переходниками из стали 10ГН2МФА на всасывающем и напорном патрубках, внутренняя поверхность переходников защищается антикоррозионной наплавкой;
- для корпуса ГЦНА-1391 РУ ВВЭР-1000 — нержавеющая сталь марки 06Х12Н3Д мартенситно-аустенитного класса, корпус сварно-штампованный, состоящий из двух полусфер, фланца с приварными направляющим аппаратом и тремя цапфами, колена, напорного и всасывающего патрубков.
Сферическая форма сварно-штампованного корпуса, у которого напорный патрубок удален от главного разъема, обеспечивает работу ГЦН в предпочтительных условиях по сравнению с литым за счет более равномерного распределения деформации по главному разъему и улучшения режима работы нижнего радиально-опорного подшипника вследствие уменьшения нагрева автономного контура. Кроме того, сферическая форма корпуса обеспечивает снижение уровня температурных напряжение в стенках корпуса, а применение направляющего аппарата позволяет снизить радиальные усилия на вал насоса и улучшить условия работы верхнего и нижнего радиальных подшипников.
Литой корпус ГЦНА-195М рассчитан на срок службы 30 лет, штампосварной корпус ГЦНА-1391 — на 40 лет.
Основным высокопрочным материалом на аустенитной основе, применяемым для крепежных деталей, является сплав ХН35ВТ. Ограниченное применение для крепежных деталей находит мартенситно-ферритная сталь 14Х17Н2.
Выбор конструкционных материалов для основного оборудования РУ ВВЭР корректируется на основании результатов эксплуатации на действующих энергоблоках АЭС.
Химический состав стали марки 10ГН2МФА
Важную роль в обеспечении работоспособности реакторных установок ВВЭР играет правильный выбор конструкционных материалов для активной зоны реактора, в первую очередь, для оболочек и концевых частей тепловыделяющих элементов, дистанционирующих решеток.
Для всех проектов ВВЭР, начиная с ВВЭР-1, в качестве основного материала для оболочек и концевых деталей твэл и других частей ТВС выбран сплав циркония, легированного ниобием (от 1% до 2,5% в зависимости от назначения деталей).
Применение сплавов циркония в ВВЭР обусловлено их специфическими свойствами — сочетание низкого сечения захвата тепловых нейтронов и сравнительно высоких механических и коррозионных характеристик.
Механические свойства стали 10ГН2МФА
Механические свойства сплавов циркония в исходном состоянии
Величины σ0,2 и σв в МПа.
Облучение при низкой температуре (примерно 100°С) приводит к существенному снижению пластичности (до 2-5%) и возрастанию прочности для всех сплавов циркония, при длительном облучении при 300-350°С пластичность сохраняется на уровне 7-15% при некотором увеличении прочности.
Сплавы циркония хорошо свариваются между собой, хотя сварные швы и около шовные зоны обладают меньшей коррозионной стойкостью, чем основной металл.
Длительный опыт эксплуатации активных зон ВВЭР с применением сплавов циркония Н-1 и Н-2,5 дал положительные результаты.
