Парогенераторные установки атомных электростанций - Выбор материала

ГЛАВА 14
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И РАСЧЕТ ДЕТАЛЕЙ ПАРОГЕНЕРАТОРОВ НА ПРОЧНОСТЬ
§ 14.1. ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Основными конструкционными материалами в парогенераторостроении являются стали различных марок. В зависимости от сочетания возникающих в деталях элементов парогенераторов механических напряжений, температур теплоносителя и рабочего тела, коррозионное эрозионного взаимодействия среды и металла и других факторов могут быть использованы стали, относящиеся к разным классам: углеродистые, низколегированные и высоколегированные перлитного класса, нержавеющие аустенитные. Обоснованный выбор марки стали играет решающую роль в обеспечении надежности парогенератора и его оптимальных технико-экономических показателей. Все условия работы металла элементов парогенераторов становятся известными после завершения всех видов конструкторского расчета. Однако материал поверхности теплообмена должен быть выбран еще на стадии теплового расчета при построении принципиальной тепловой схемы парогенератора. Для этого достаточно знать вид и параметры теплоносителя и рабочего тела во всех элементах парогенераторов. При этом некоторые факторы должны оцениваться ориентировочно. К ним относятся механические напряжения, характер и интенсивность коррозионно-эрозионных процессов. Выбранные марки стали помимо удовлетворения требованиям надежной эксплуатации должны быть оценены и с позиций технологии изготовления деталей и узлов — они должны обладать высокой пластичностью, хорошей свариваемостью и т. п. В зависимости от типа и параметров теплоносителя в качестве определяющих критериев выбора марки стали могут в первую очередь проявляться некоторые из перечисленных выше. Так, для условий работы ПГ с газовыми и органическими теплоносителями, коррозионная активность которых мала, основными критериями будут температура и давление теплоносителя, температуры и давление рабочего тела. Для этих парогенераторов при решении данной проблемы в значительной мере может быть использован опыт котлостроения [50]. В поверхностях теплообмена при температуре стенки ниже 350 °С могут использоваться углеродистые стали марок ст. 10 и ст.20. При работе металла в диапазоне 350-420 °С следует ориентироваться на низколегированные стали, например марки 12МХ [0,12 % углерода, меньше 1 % молибдена и хрома].
Если лежит в пределах 520—530 °С, необходимо применение сталей с более высоким содержанием хрома, который повышает стойкость металла к окалинообразованию, например стали 12Х1МФ [хрома 1 %, молибдена и ванадия меньше 1 %], 15Х1М1Ф и др. Добавка в сталь ванадия и молибдена повышает при высоких температурах предел ползучести.
На действующих АЭС с реакторами, охлаждаемыми газовыми теплоносителями (Великобритания), для поверхностей теплообмена парогенератора, работающих в интервале температур от 420 до 520°С, применена сталь, в которую входит 9 % хрома и 1 % молибдена. Для более высоких рабочих температур рекомендована нержавеющая аустенитная сталь, содержащая 18 % хрома и 8 % никеля.
Для поверхностей теплообмена парогенератора, обогреваемых коррозионно-агрессивными теплоносителями (вода, насыщенный пар, жидкие металлы), правильный выбор марки стали более затруднителен. Здесь на первое место при оценке работоспособности элемента ставится его коррозионная устойчивость в теплоносителе. Так, по условиям механической прочности для парогенераторов, обогреваемых водой под давлением, выбор материала можно было бы ограничить рассмотрением углеродистых и низколегированных сталей. Но такие марки стали из-за низкой устойчивости против общей коррозии не удовлетворяют исключительно высоким требованиям к чистоте теплоносителя. Именно в связи с этим поверхности теплообмена в парогенераторах АЭС с реакторами, охлаждаемыми водой под давлением, типа ВВЭР выполняются из нержавеющей аустенитной стали марки 12Х18Н10Т, а в парогенераторах АЭС с PWR — из сплавов типа инконель (14— 17 % хрома, около 9% железа, около 0,5% меди, остальное никель).
Ранее указывалось на высокую стоимость нержавеющей стали, невысокие технологические свойства ее, а главное, на склонность к коррозии под напряжением. Поэтому изыскание путей замены аустенитной стали перлитной является очень актуальной проблемой.
Решение этой проблемы должно быть комплексным: разработка новых марок коррозионно-стойких сталей перлитного класса и применение специальных методов водного режима.
Высокие требования к конструкционным материалам характерны и для жидких металлов. В частности, щелочным металлам свойственно так называемое явление переноса массы. Оно связано со способностью жидкого металла растворять при высоких температурах некоторые компоненты стали; при снижении температуры последние выпадают из раствора. Следовательно, в контуре существует реальная возможность обогащения теплоносителя некоторыми веществами, перенос их в зону с более низкими температурами, где унесенные вещества могут выпасть из раствора и отложиться на поверхности теплообмена. Щелочные металлы способны переносить по контуру углерод, никель, железо, хром. Явление «переноса массы» может сопровождаться развитием межкристаллитной коррозии. В зависимости от марки стали коррозия проявляется при разных температурах, усиливаясь при их повышении. Явление переноса массы необходимо проверять для конкретных условий работы парогенератора.
Применительно к жидкометаллическим теплоносителям при до 350 °С по условиям допустимой скорости коррозии и достаточной механической прочности в качестве конструкционного материала может рассматриваться углеродистая сталь.
При более высоких значениях (до 450 °С) удовлетворительные коррозионные свойства и прочностные характеристики имеют хромомолибденовые стали (содержание хрома около 2—2,5, молибдена— до 1%, в качестве добавки входит и ванадий). При проектировании высокотемпературных парогенераторов с температурой теплоносителя 580—600 °С следует ориентироваться на хромомолибденовые стали с повышенным содержанием хрома (до 5%). С ними могут конкурировать ферритные хромомолибденовые стали с ещё более высоким содержанием хрома (до 9% ) и с добавкой ниобия. Эти стали дешевле; кроме того, они не подвержены коррозии под напряжением.
При температурах свыше 600 °С следует ориентироваться на применение аустенитных сталей типа 10Х18Н10Т или рассмотреть возможность использования жаропрочных сплавов на основе Ni (60—75% Ni).
Для изготовления корпусов, коллекторов, трубных досок используются углеродистые стали марок 15К, 20К, 22К (К означает котельная листовая сталь), низколегированные марганцовистые [например, 16ГНМ —0,16% углерода, до 1% марганца (Г), никеля, молибдена или с повышенным (до 2 %) содержанием никеля — 10ГН2МФА], хромомолибденовые (18Х2М, и др.), аустенитные нержавеющие. Если рабочие условия (температура стенки, давление) допускают применение углеродистых или низколегированных сталей, а высокие требования к чистоте теплоносителя не позволяют сделать это, то трубные доски, коллекторы, части корпусов изготовляются из сталей, плакированных коррозионно-стойкими материалами (нержавеющей сталью, никелем, инконелем и др.).
Плакировка проводится совместной прокаткой углеродистых или низколегированных сталей с тонкими листами защитных покрытий.
Для изготовления неохлаждаемых деталей, имеющих высокую температуру (крепления поверхностей, омываемых теплоносителем), могут использоваться стали с высоким содержанием хрома.
Материалы для крепежных элементов (гайки, болты, шпильки) также выбираются в зависимости от рабочей температуры.