Парогенераторы ЯЭУ с жидкометаллическим охлаждением - Выбор конструкционных материалов парогенераторов

Одним из важных вопросов, определяющих надежность и долговечность натриевых ΓΙΓ, является выбор конструкционных материалов. Правильный инженерный подход при выборе материалов, соблюдение технологии при изготовлении узлов и применение современных методов для контроля материалов и смонтированных узлов имеют очень важное значение.
Натриевые парогенераторы выдвинули ряд новых требований к материалам, которые обусловлены повышенными параметрами воды, пара и теплоносителя, что резко интенсифицирует коррозионные и другие физико-химические процессы, протекающие как с натриевой, так и с пароводяной стороны [4, 5].
В качестве конструкционных материалов парогенераторв быстрых ядерных реакторов в настоящее время применяются или находятся в стадии разработки следующие стали и сплавы: в СССР — типа 12Х2М, Х18Н9, 1Х9МФБ и др.; за рубежом — типа 2,25 Сг — 1Мо 2,25 Сг — 1 Мо — Nb; 9 Сr — 1 Мо 316; 321, сплав инкаллой-800 и др.
Для пароперегревательных секций натриевых парогенераторов на большинстве АЭС мира предложены аустенитные нержавеющие стали типов Х18Н9 и 316. Стали данного класса обладают достаточно высокими жаростойкостью и жаропрочностью, хорошо обрабатываются и свариваются, освоены промышленностью. Однако у них относительно низкий коэффициент теплопроводности и высокий коэффициент температурного расширения, что приводит к повышенным температурным напряжениям. Основной недостаток аустенитных нержавеющих сталей — склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением. В настоящее время в СССР и за рубежом специалистами признается нежелательным их применение в прямоточных парогенераторов для установок типа БН.
Выбор для натриевых парогенераторов низколегированных сталей типов 12Х2М и 2,25Сг — 1Мо объясняется стремлением избежать коррозии под напряжением, а также рядом преимуществ сталей этого класса: относительно небольшой стоимостью, высокой теплопроводностью, низким коэффициентом линейного расширения, достаточной жаропрочностью.
Существенным недостатком, ограничивающим применение на пароперегревательных участках низколегированных сталей типа 12Х2М, является их склонность к обезуглероживанию в натрии при высоких температурах и снижение в связи с этим механических свойств, в · том числе длительной прочности. Однако многие исследования показывают, что значительное обезуглероживание с потерей механических свойств у этого типа сталей наступает при более высоких температурах, чем температура эксплуатации в пароперегревательных участках парогенератора. При температуре 480—520° С унос углерода из стали идет довольно умеренно. В связи с этим, несмотря на некоторые другие недостатки: более низкую стойкость к общей коррозии в воде и паре по сравнению с нержавеющими сталями аустенитного класса и с высокохромистыми сталями, необходимость консервации при хранении и транспортировке, необходимость сопутствующего подогрева при сварке, стали типа 12Х2М имеют ряд достоинств, которые ставят их в ряд перспективных для прямоточных парогенераторов. Ресурсные испытания в натурных условиях покажут целесообразность и обоснованность их применения.
Материала, который удовлетворял бы всем требованиям, для натриевых парогенераторов в настоящее время нет. В СССР и за рубежом ведутся поиски перспективных материалов. Работы идут в основном в двух направлениях: создание высоконикелевых сплавов и нержавеющих коррозионно-стойких высокохромистых сталей.
За рубежом достаточно хорошо освоены такие высоконикелевые сплавы, как инкаллой-800, инконель-800. Инкаллой-800 представляет собой полностью аустенитный материал со средним содержанием никеля примерно 35%. Сплав обладает значительно лучшей сопротивляемостью общей коррозии по сравнению с ферритными материалами, более устойчив по отношению к классической межкристаллитной коррозии, вызванной перенапряжением, чем обычные аустенитные нержавеющие стали. В то же время инкаллой-800 сложный сплав, и еще требуется оптимизация химического состава и термообработки, разработки вопросов, связанных со сваркой, и ряд других аспектов.
Все передовые страны мира ведут поиски оптимального состава хромистой нержавеющей стали применительно к установкам с натриевым теплоносителем. Многие недостатки, свойственные перлитным и аустенитным сталям, могут быть исключены при применении в парогенераторе высокохромистой нержавеющей стали. Исключается проблема обезуглероживания, проблема общей коррозии при изготовлении, транспортировке и монтаже, а также коррозионное растрескивание под напряжением.
Проводимые исследования показывают, что хромистые нержавеющие стали типа 9—19% Сr — Мо — V — Nb обладают благоприятным сочетанием высокой механической и коррозионной прочности, пластичны, стабильны при длительных изотермических выдержках и могут найти широкое применение в конструкциях прямоточных парогенераторов для установок с жидкометаллическим теплоносителем [6].
Ни один из материалов, применяемых в настоящее время в конструкциях парогенераторов с натриевым теплоносителем, не отвечает всем критериям, поэтому поиски продолжаются.