Опыт эксплуатации АЭС с водой в качестве теплоносителя в СССР и за рубежом показал, что отдельные элементы и узлы оборудования преждевременно выходят из строя. Чаще всего они бывают изготовлены из нержавеющих сталей. Наиболее распространенным видом повреждения оборудования из хромоникелевых и хромистых сталей оказывается коррозионное растрескивание, а также межкристаллитная и локальная коррозия при работе в контакте с водой или паром.
В монографиях [47, 108 и др.] достаточно полно рассмотрены случаи коррозионных и коррозионно-механических повреждений энергетического оборудования в период 1960—1970 гг., и на основании выполненного в этих работах анализа показано влияние различных факторов на сопротивление коррозионно-стойких сталей и сплавов коррозионному растрескиванию, межкристаллитной коррозии и различным видам локального разрушения (щелевой коррозии, язвенной коррозии и др.). Все эти виды коррозионного повреждения воспроизведены в лабораторных условиях, и установлена роль ряда факторов, влияющих на процессы разрушений материалов. Опыт эксплуатации показывает, что случаи коррозионных повреждений продолжают иметь место, часто являясь причиной отказов оборудования АЭС. По данным [276] на 1 января 1978 г. примерно 36% общего числа отказов оборудования АЭС произошло из-за повреждения материалов или ухудшения их свойств в процессе эксплуатации.
На основании накопленного к настоящему времени опыта эксплуатации можно выделить [216, 239, 276] как наиболее подверженные коррозионному растрескиванию следующие узлы атомных энергетических установок:
- трубная система парогенераторов;
- трубопроводы первого контура;
- детали внутри реакторного насыщения и приводов регулирующих органов.
К наиболее характерным причинам повреждения оборудования из коррозионно-стойких сталей и сплавов можно отнести:
а) несовершенство конструкций повреждаемого оборудования и пониженные требования к качеству питательной воды;
б) повышение агрессивности среды на перегретых поверхностях, в щелях и застойных зонах;
в) необоснованное применение нестабилизированных аустенитных сталей типа 18-8.
Наиболее частые выходы из строя в результате коррозионного растрескивания наблюдаются в трубных системах парогенераторов. Коррозионное растрескивание трубных систем парогенераторов начиналось со стороны воды второго контура, которая либо содержала повышенное количество хлоридов, либо могла обогащаться ими в результате упаривания воды на горячей теплопередающей поверхности, особенно в щелях и зазорах. Помимо хлоридного коррозионного растрескивания, повреждения трубных систем парогенераторов могли являться также результатом их щелочного растрескивания.
Повреждения трубопроводов в ядерной энергетике (в основном в США и Японии) квалифицируются двумя категориями:
- повреждения, обусловленные межкристаллитным коррозионным растрескиванием;
- повреждения, обусловленные ошибками при конструировании, строительстве и эксплуатации оборудования.
Эксплуатационные повреждения трубопроводов, вызванные коррозионным растрескиванием, наблюдаются преимущественно на водоводяных реакторах кипящего типа. Общим для всех случаев разрушения трубопроводов из нестабилизированных коррозионно-стойких сталей типа 18-8 является то, что трещины образовывались либо в околошовных зонах сварных швов, т. е. провоцирующихся частях основногo металла, либо в результате сенсибилизирующей термической обработки элементов трубопроводов в процессе изготовления оборудования.
В отечественной практике в связи с применением в водо-водяной энергетике только стабилизированных коррозионно-стойких сталей случаев межкристаллитного коррозионного растрескивания трубопроводов первого контура не наблюдалось. В практике эксплуатации АЭС отмечены также многочисленные случаи разрушения от коррозионного растрескивания деталей внутриреакторных узлов и приводов регулирующих органов, изготовленных из нержавеющих, в частности хромистых, сталей. В табл. 3.14 представлены некоторые примеры коррозионного растрескивания деталей из хромистых сталей в реакторной воде, а также обычной пресной воде при комнатной и повышенной температуре. Приведенные примеры и другие данные показывают, что случаи коррозионного растрескивания деталей из хромистых нержавеющих сталей имели место для низко отпущенного (высокопрочного) состояния. Разрушению деталей способствовали технологические нагревы их в интервале температуры 350—550 °С. Случаи разрушения деталей из хромистых сталей в высоко отпущенном состоянии в атомной энергетике не отмечались.
Таблица 3.14. Примеры коррозионного растрескивания деталей из хромистых сталей
Марка стали | Условия проведения отпуска при термической обработке | Повреждаемая деталь | Среда |
20X13 | Отпуск с 300 °С + дополнительный нагрев при ~500оС | Втулки | Чистая вода, 70— |
30X13 | Отпуск с 400—500 °С | Втулки, пружины | Пресная вода, 20 °С |
Низкий отпуск | Винт привода исполнительного механизма | Чистая вода, 100 °С | |
30X13, | То же | Пружины | Паровоздушная среда |
410 | Отпуск при 315 °С |
| Дистиллят, 260 °С |
17-4РН | Отпуск при 345 °С | Детали внутриреакторных узлов | Дистиллят, 260 °С |
Отпуск при 480 °С | Тяги приводов регулирующих органов, трубы контрольных стержней, крепеж | Вода и пар первого контура, 95—290°С | |
420 | Низкий отпуск | Образцы | Вода исследовательского реактора, 100 °С |
Среди коррозионных повреждений нержавеющих сталей в атомном энергомашиностроении наиболее распространена межкристаллитная коррозия. В течение длительного времени считалось, что высокотемпературные вода высокой чистоты и пар являются малоагрессивными средами, не способными вызвать межкристаллитную коррозию хромоникелевых нержавеющих сталей и сплавов. Опыт эксплуатации этих материалов в составе АЭС показал, однако, обратное. Типично появление сетки межкристаллитных трещин на деталях или антикоррозионных наплавках из нестабилизированных хромоникелевых аустенитных сталей. Этот вид повреждений отмечался после длительной эксплуатации при неблагоприятных условиях, например, при подкислении водной среды, повышении температуры, увеличении концентрации растворенного кислорода, наличии не учтенных термоциклических напряжений.
Другим специфическим видом коррозии, которая может иметь место на деталях, выполненных из коррозионно-стойких сталей и особенно выполненных из хромистых мартенситных сталей, является локальная коррозия (щелевая, язвенная). Такая коррозия может наблюдаться в местах уплотнений, прилегания деталей, а также в узких зазорах и щелях под слоем отложений.
