Высокие требования к материалам по прочности, большая масса требуемых заготовок делают необоснованным применение хромоникелевых сталей аустенитного класса для изготовления корпусов водоохлаждаемых реакторов, тем более, что стоимость их существенно выше, чем низколегированных сталей. Чаще всего в качестве материала для корпусов реакторов, как было показано в гл. 2, применяется перлитная сталь с антикоррозионной наплавкой аустенитными хромоникелевыми сварочными материалами.
Известны отдельные примеры использования аустенитных сталей для изготовления корпусов водоохлаждаемых реакторов. Это прежде всего, реакторы сравнительно небольших габаритов, работающие при относительно невысоком давлении. Из аустенитной стали марки 316 в США изготовлены, в частности, единичные образцы транспортабельных реакторов небольшой мощности МН-1А. Из аустенитной стали марки 347 изготовлен малогабаритный реактор небольшой мощности РМ-1, а также реактор PM-ЗА для работы в Антарктиде. Сообщается [39], что 40-тонный реактор плавучей АЭС, рассчитанный на давление до 11,50МПа и температуру до 315 °С, изготовлен из коррозионно-стойкой стали, содержащей 17% Сr, 12% Ni и 2,5% Мо.
Корпуса первых энергетических реакторов в США защищались от коррозии со стороны воды тонкостенной облицовкой из аустенитной стали, присоединенной к корпусу точечной сваркой. Указанная конструкция оказалась, однако, неудачной из-за появления трещин в местах приварки. В настоящее время повсеместно в мировой практике для защиты корпуса реактора от общей и язвенной коррозии используют антикоррозионную наплавку сварочной проволокой или лентой.
К антикоррозионным наплавкам из аустенитных сталей и сплавов при изготовлении корпусов реакторов АЭС предъявляются следующие основные требования:
- высокая коррозионная стойкость;
- гарантия отсутствия дефектов по линии сплавления с основным металлом;
- отсутствие трещин в наплавке;
- удовлетворительная пластичность и вязкость после всех технологических отпусков;
- отсутствие недопустимого отрицательного влияния на механические свойства основного металла.
В качестве материала наплавки энергетических реакторов в США и ряде других стран нашли преимущественное применение коррозионно-стойкие стали типа 304. Известны также случаи использования для наплавки сплавов с повышенным содержанием Ni инколой-800, инконель-600.
Одним из характерных дефектов, связанных с антикоррозионной наплавкой, является возможность образования трещин в основном металле под аустенитной наплавкой в зоне теплового воздействия. Трещины образуются по границам крупных зерен в зоне перегрева металла на глубине 2,5—5,0 мм.
Процесс наплавки ведет к образованию крупнозернистой структуры к поверхностном слое реакторной стали. При последующей термообработке корпуса реактора деформационная способность крупнозернистого о металла оказывается недостаточной для компенсации пластической деформации, возникающей вследствие разницы коэффициентов линейного расширения наплавки стали. Образованию трещин под наплавкой способствует увеличение 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 термическим коэффициентом расширения, близким таковому для плакируемого материала, оптимизации состава основного металла по С, Cr, V, Мп и др.
В отечественной практике наплавка антикоррозионного покрытия на поверхность корпуса реактора производится в два слоя. Первый слой толщиной ~ 4 мм выполняется лентой из стали 07Х25Н13, второй слой — лентой из стали 08Х19Н10Г2Б. При этом суммарная толщина обоих слоев составляет в среднем 8 мм. Применение для первого слоя глубокоаустенитной стали 07Х25Н13 позволяет свести к минимуму хрупкую прослойку мартенсита, образующуюся в переходной зоне в результате перемешивания основного и наплавляемого металлов в процессе наплавки.
Применение двухслойной антикоррозионной наплавки типично и для современного зарубежного реакторостроения. Известны, однако, примеры применения однослойной наплавки толщиной до 6 мм.
Контроль сплошности по зоне сплавления наплавки с металлом корпуса реактора и проверка отсутствия поднаплавочных трещин осуществляется методом ультразвуковой дефектоскопии, а контроль качества наплавки — методом цветной дефектоскопии. Во избежание возможного проявления склонности наплавки к межкристаллитной коррозии температура и число технологических отпусков корпуса в процессе изготовления должны быть регламентированы.
Из аустенитных сталей изготавливаются также корпуса циркуляционных насосов и арматуры. Для этого используются в основном кованые заготовки.
Улучшение качества литья и совершенствование методов неразрушающего контроля делают возможным применение для корпусных деталей фасонных отливок из нержавеющих сталей. В частности, из стали типа Х13НДЛ в СССР были изготовлены литые корпуса насосов и арматуры для АЭС с ВВЭР-440 и ВВЭР-1000. Можно ожидать, что в дальнейшем объем применения литых деталей и корпусов будет расширяться, перспективным является метод электрошлакового литья.
Для всех движущихся деталей, соприкасающихся с активной средой, необходимо применение специальных мер для обеспечения работоспособности трущихся пар, особенно в арматуре с большими номинальными диаметрами. В этом случае проблема работоспособности деталей в условиях трения обычно решается посредством нанесения на поверхность кобальтового сплава (стеллита) с повышенной твердостью хотя бы на одну из поверхностей скольжения. Коррозионно-эрозионные повреждения этих участков должны быть минимальны во избежание загрязнения контура сильно активирующимся кобальтом.
Обычно количество циркулирующего через активную зону теплоносителя велико, поэтому циркуляция его по первому контуру осуществляется по нескольким петлям (от 4 до 8). Но даже при таком числе петель диаметры трубопроводов циркуляционных контуров получаются большими (до 700 мм и более). Например, на аппарате ВВЭР-440 таких петель 6, каждая петля имеет диаметр 500 мм. С целью уменьшения поступления продуктов коррозии в теплоноситель трубопроводы выполняются, как правило, из коррозионно-стойких хромоникелевых аустенитных сталей. Из них изготавливаются также основные технологические трубопроводы реакторных контуров АЭС. В СССР для этих целей применяют стали марок 08Х18Н10Т, 08Х18Н12Т и биметалл 10ГН2МФА + сталь типа 18-8. В США для изготовления трубопроводов диаметром до 406 мм в соответствии с требованиями кода ASME используются аустенитные стали серии 300 (304, 316), в ФРГ — стали, стабилизированные ниобием и танталом, в Японии — сталь типа 304.
С увеличением мощности АЭС наблюдается тенденция к увеличению диаметра трубопроводов и как следствие этого переход к применению биметаллических труб из перлитной стали с плакирующим слоем из аустенитной стали или на сварные трубы, изготовленные методом штамповки из биметаллических листовых заготовок. Основной материал этих трубопроводов (низколегированная сталь) толщиной до 70 мм плакируется по внутренней поверхности стабилизированной хромоникелевой аустенитной сталью толщиной 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 используют водород как защитную среду при термической обработке. Стремление обеспечить хорошую радиационную обстановку в случае возможных ремонтов оборудования первого контура делает весьма желательным применение нержавеющих сталей с минимальным содержанием кобальта. Хорошим можно 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%.
Нержавеющие стали имеют широкое применение для изготовления деталей внутриреакторных узлов. К ним относятся:
- 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 стали типов 10Х11Н20ТЗР, ХН35ВТ, ХН35ВТЮ, 30X13 и др.;
- пружины, изготавливаемые из хромистых нержавеющих сталей типов 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 исполнительных механизмов. Механизмы приводов регулирующих органов являются единственными узлами внутри реактора, которые имеют подвижные детали, а их ремонт связан с остановкой реактора. Поэтому к материалам деталей исполнительных механизмов предъявляются повышенные требования но 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 изготовляются преимущественно две группы деталей, требующих повышенной прочности и твердости. К первой группе относятся силовые детали, рассчитываемые на рабочие напряжения. Такими деталями являются штоки, захваты, корпусные детали. Для изготовления указанных деталей применяют стали марок 20X13, 30X13, 14Х17Н2 в высоко отпущенном состоянии. Ко второй группе относятся детали с высокой удельной контактной нагрузкой (пары 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 деталей 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 отпущенном состоянии.
В качестве материалов для магнитопроводов и электромагнитных приводов СУЗ применяют ферритные стали типа 08Х17Н. К числу других узлов энергетического оборудования, в которых отмечается использование хромистых 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 приводов регулирующих органов, работающих в среде первого контура, используют аналогичные по классу стали типов 410 , 420 , 430. В ряде случаев применяют 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. Специфика условий работы парогенератора заключается в том, что отдельные его части контактируют одновременно с теплоносителями первого и второго контуров п, таким образом, подвергаются двухстороннему коррозионному воздействию агрессивных сред. Материалы трубной системы парогенераторов должны обладать высокой коррозионной стойкостью в теплоносителе обоих контуров.
Из коррозионно-стойких аустенитных сталей и сплавов для парогенераторов изготавливают преимущественно теплопередающие элементы — трубы диаметром 10—25 мм.
В США и других странах для изготовления труб парогенераторов и теплообменников ранее использовались аустенитные стали 304, 316, 347 [ 247]. В связи с низкой коррозионной стойкостью аустенитной стали в конструкциях парогенераторов, обусловленной как общим нарушением водного режима (повышенным содержанием в теплоносителе хлоридов и кислорода), так и накоплением хлоридов в щелях, под шламом и на перегретых псверхностях,в США для повышения надежности парогенераторов пошли по пути применения более стойких к коррозионному растрескиванию в хлоридах высоконикелевых сплавов без дополнительного ужесточения требований по чистоте теплоносителя.
В парогенераторах водо-водяных реакторов широкое применение нашли трубы из высоконикелевых сплавов инколой-800, инконель-600 [78, 189]. В ФРГ для изготовления трубных систем парогенераторов используют хромоникелевые стали ремэнит-4558 и реманит-4640.
Работоспособность трубных систем парогенераторов определяется не только (и даже не столько) характеристиками материалов, сколько особенностями конструкции самих парогенераторов и качеством воды первого и второго контуров. Важнейшим фактором, определяющим работоспособность трубной системы и зависящим от типа конструкции и водоподготовки, является возможность локального накопления агрессивных примесей, приводящих к коррозионно-механическим повреждениям.
Парогенераторы АЭС с ВВЭР-440 и ВВЭР-1000, изготавливаемые в СССР и ЧССР, относятся к конструкциям горизонтального типа с полиопогруженным 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 высокую надежность при соблюдении установленного водно-химического режима. 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 соблюдении требований по обеспечению герметичности кожухов коллекторы работают надежно.
В последние годы взамен кожухов разработана наплавка высоко никелевой стали с содержанием никеля около 35%, которая не чувствительна к коррозионному растрескиванию в данной среде.
Парогенераторы 11ГВ-1000 производятся с коллекторами из стали 10ГН2МФА, на внутреннюю поверхность которых наплавляется антикоррозионный слой. Это позволяет полностью предотвратить коррозионное растрескивание в районе переменного уровня воды второго контура.
В зарубежной атомной энергетике наиболее широко применяют вертикальные парогенераторы. Такая конструкция парогенераторов упрощает размещение их под защитной оболочкой АЭС.
Вертикальные парогенераторы с U-образными трубками конструкции фирмы «Вестингауз» оказались ненадежными из-за массового повреждения трубок, особенно в нижней части в местах заделки их в ф»убную доску. Считается, что разрушение труб в местах заделки в трубные доски происходит в результате скапливания в указанных местах продуктов коррозии, вызывающих деформацию труб, и последующего межкристаллитного коррозионного растрескивания. Наряду со случаями выхода из строя парогенераторов с трубными системами из высоконикелевых сплавов в США отмечается высокая надежность подобных парогенераторов в ФРГ и Японии. Такое различие объясняется, прежде всего, более глубокой очисткой питательной воды.
