Автореферат (Экспериментально-теоретическое моделирование развития трещин в конструкционных сплавах оборудования АЭС)

На правах рукописиНГУЕН ТХИ НГУЕТ ХАЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕРАЗВИТИЯ ТРЕЩИН В КОНСТРУКЦИОННЫХ СПЛАВАХОБОРУДОВАНИЯ АЭССпециальность 05.14.03 - Ядерные энергетические установки, включаяпроектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатацииАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2016Работа выполнена на кафедре Атомных электрических станций ФГБОУ ВОНИУ «МЭИ».Научный руководитель:Горбатых Валерий Павловичдоктор технических наук, профессор кафедрыАтомных электрических станций ФГБОУ ВО«НИУ «МЭИ», г.

МоскваОфициальные оппоненты:Бараненко Валерий Ивановичдоктор технических наук, профессор, главныйнаучный сотрудник ОАО «Всероссийский научноисследовательский институт атомныхэлектростанций» (ОАО «ВНИИАЭС»), г. МоскваШутько Кирилл Игоревичкандидат технических наук, начальниклаборатории АО «Научно-исследовательский иконструкторский институт энерготехники имениН.А. Доллежаля» (АО «НИКИЭТ»), г. МоскваВедущая организация:ООО «Научно-сертификационный учебный центрматериаловедения и ресурса компонентов ядернойтехники «Центр материаловедения и ресурса»,Московская обл., г. ЛюберцыЗащита диссертации состоится «22» июня 2016 г. в 16 часов 00 мин.

назаседании Диссертационного совета Д212.157.07 при ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Зал Ученого СоветаНИУ «МЭИ».С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ».Автореферат разослан «_____» ____________ 2016 г.Ученый секретарь диссертационного советаД212.157.07 к.т.н., доцентИльина И.П.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы.В настоящее время важнейшими задачами технологии ядерной энергетикиявляются повышение надежности и увеличение срока службы парогенераторов(ПГ) – как одних из основных элементов атомной электростанции (АЭС) с водноводяным энергетическим реактором (ВВЭР).В процессе эксплуатации ПГ АЭС с ВВЭР происходит повреждениеконструкционных сплавов (КС) вследствие протекания физико-химическихпроцессов как на границе раздела металл/среда, так и в его объеме.

Характерповреждения КС, из которых изготовлены различные элементы и узлыэнергетического оборудования, зависит от совокупности как внешних, так ивнутренних факторов, влияющих на коррозионные процессы. Можно выделитьряд механизмов коррозионного повреждения: коррозионное растрескивание поднапряжением (КРПН), коррозионная усталость (КУ), водородное охрупчивание(ВО) и другие виды локальной коррозии. Их анализ, с точки зренияпрогнозирования надежности и долговечности оборудования, представляетсяактуальным и перспективным.Повреждения коллекторов ПГ АЭС с ВВЭР обусловлены образованиемтрещин различной протяженности.

Исследования показали, что повреждение КСколлекторов ПГ АЭС с ВВЭР было вызвано совокупным воздействиемнапряжений на уровне предела текучести и коррозионно-агрессивной среды(КАС) на КС коллектора – сталь марки 10ГН2МФА, проявляющую склонность ккоррозионному растрескиванию. Такое совокупное воздействие понижаетдолговечность и предел выносливости материала вплоть до его исчезновения.Поэтому расчет прочности и оценка долговечности коллекторов ПГ АЭС с ВВЭР,их ресурса и надежности являются актуальной задачей. При оценке остаточногоресурса оборудования АЭС на стадиях образования и развития трещинынеобходимо учитывать влияние КАС на усталостную меру повреждения инапряженно-деформированноесостояние(НДС)ввершинетрещины,характеризующееся единственным параметром – коэффициентом интенсивности3напряжений (КИН). Учет воздействия КАС, в этой работе производится через ВО,которое оказывает влияние на служебные свойства КС, дает важную информациюдлярасчетаконструктивнойпрочностииоценкиостаточногоресурсаоборудования АЭС.Цель и задачи исследования.

Целью диссертационной работы являетсяобоснование иразработка параметрическихдетерминистическихмоделейкоррозионных процессов и усовершенствование методики для расчета КИН КСприменительно к условиям работы коллекторов ПГ АЭС с ВВЭР-1000 (стальмарки 10ГН2МФА) с учетом динамики накопления водорода и изменения разныхфакторов повреждения.Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:1. Разработка неаддитивной методики расчета накопления водорода в КСприменительно к коллекторам ПГ АЭС с ВВЭР-1000 (сталь марки10ГН2МФА).2.

Разработка методики обработки результатов ускоренных испытаний понаводороживанию образцов из стали марки 10ГН2МФА с использованиемнизкотемпературного отжига (НТО – первого и повторных) коллекторов дляоценки кратности приращения ресурса ПГ АЭС с ВВЭР-1000 с взрывнойтехнологией запрессовки теплообменных труб (ТОТ) в коллектор.3. Исследование влияния состава КАС и других факторов на построениеметодики вычисления КИН.4. Расчет КИН для стали 10ГН2МФА с учетом влияния КАС и другихфакторов.Методы исследований.

В настоящей работе использованы экспериментальнотеоретическиеметодырасчета.Результатывычисленийполученысиспользованием разработанной автором программы на языке Mathcad.Научная новизна работы состоит в следующем:1. Выполнении проверки разработанной неаддитивной методики расчетанакопления водорода в стали марки 10ГН2МФА на сходимость результатов4вычислений при перестановке интервалов времени с условно-постояннымичисловыми значениями водородного показателя рН.2.

Разработке методики обработки экспериментальных данных по наводороживанию стали марки 10ГН2МФА при НТО-1 и повторных НТОколлекторов ПГ АЭС с ВВЭР-1000.3. Построенииусовершенствованнойметодикирасчета КИНдляКСприменительно к коллекторам ПГ АЭС с ВВЭР-1000 (сталь марки10ГН2МФА), в отличие от расчетов его в других справочниках, в которуювключены дополнительные члены (концентрация водорода CH2 , плотностьдислокацийρ ,давлениерастворенноговсталиводородаpH2 ),усиливающие вклады разных процессов повреждений.Практическая значимость работы.Основные выводы диссертации рекомендуются автором для использованияпри оценке состояния и управлении ресурсом коллекторов ПГ АЭС с ВВЭР-1000с использованием КИН с увеличенным числом аргументов.Методика расчета накопления водорода в КС рекомендуется для исследованияпроцессов наводороживания, оценки степени водородного охрупчивания ирастрескивания КС оборудования АЭС.Основные положения и результаты, выносимые на защиту1.

Методики и результаты расчета накопления водорода в стали 10ГН2МФА сучетом КАС второго контура АЭС с ВВЭР.2. Методики оценки кратности приращения ресурса стали марки 10ГН2МФА вусловиях наводороживания и НТО.3. Усовершенствованная методика для расчета КИН для стали марки10ГН2МФА.4. Результаты расчета КИН по усовершенствованной методике для сталимарки 10ГН2МФА.Апробация работы.Основные положения диссертации обсуждены надвадцатой, двадцать первой и двадцать второй международных научно5техническихконференцияхстудентовиаспирантов«Радиоэлектроника,электротехника и энергетика» (МЭИ, 2014, 2015, 2016 гг.); на международнойнаучно-технической конференции «Полувековое обеспечение безопасности АЭСс ВВЭР в России и за рубежом» (Нововоронежкая АЭС, 2014 г.); намеждународной конференции «Инновационные подходы к решению техникоэкономических проблем» (МИЭТ,2014г.).Доложены на выпускающей кафедре АЭС НИУ «МЭИ».Публикации.По теме исследования опубликовано 9 работ, отражающихосновные положения исследования, среди которых – 2 публикации в журналах,включенных в перечень ВАК.Структура и объем работы диссертации.

Диссертационная работа состоитиз введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы из 73наименований. Работа содержит 123 страницы, 16 таблиц, 40 рисунков.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированыцель и задачи исследования, изложены научная новизна, практическая значимостьи основные положения и результаты, выносимые на защиту.В первой главе проведен аналитический обзор литературы по темедиссертации. Показана важность учета влияния КАС и других факторов навычисление КИН, который является характеристикой трещиностойкости КС.Во второй главе даны методы решения поставленных задач диссертации.Рассмотрена дислокационно-водородная модель КРПН (рис.

1). Этот рисунокдает иллюстрацию качественного определения срока службы КС при ВО.Локальное накопление водорода в металле CH приводит к локальному снижению2предела длительной прочностиσ пр .Наработка, при которой происходитдостижение пределом прочности величины рабочего напряжения и составляетпредельный срок службы τ сс .6Рис. 1 - Диаграмма дислокационно–водородной модели КРПНσпри - приложенное рабочее напряжение, τ - экспозиция, σпр - предел прочности, τ сс - срокслужбы до отказа, CH0 - начальная концентрация водорода, CHlim - предельная концентрация22водорода в конструкционных сплавах перед зарождением трещиныВо втором контуре ПГ АЭС с ВВЭР-1000 коррозия КС идет с водороднойдеполяризацией, выделяющийся водород адсорбируется на поверхности (рис.

2,реакции 2  3). Большая часть адсорбированного водорода объединяется вмолекулы газа водорода и покидает реакционный объем, а меньшая часть (κ) –поглощается КС (абсорбция).Рис. 2 - Физико-химические процессы в трещинеНа аноде:Me  Men   ne(1)На катоде:H3O  H 2O  H  ; H3O  2H   OH  ; H 3O  3H   O2 (2)nH   ne   nH адсnH адс  κH абс  1-κ  H 2 7(3)Иллюстрация состояния водорода в металле приведена на рис. 3.Рис. 3 - Состояние водорода в металлеМеНn – гидрид металла, + - протон, Н2 – молекулярный водород, Надс – адсорбированныйводородКонцентрация водорода CH вычисляется по экспериментально-теоретической2формуле 4, полученной на кафедре АЭС, МЭИ.

С помощью этой формулыпроведен расчет (в главе 3), целью которого является проверка разработаннойметодики расчета накопления водорода в стали марки 10ГН2МФА (применительно к условиям работы «холодных» коллекторов ПГ АЭС с ВВЭР-1000) насходимость результатов вычислений при перестановке интервалов времени сусловно-постоянными числовыми значениями pH i (неаддитивный вариант):CH  τi   k  τ hi  τi  exp  q  pHi  ,0,52(4)где k, q - константы, определяемые при обработке данных целевых экспериментов; τ i - интервал времени наблюдений между двумя последовательнымиизмерениями, в пределах которого все значения фактор-аргументов неизменны,τ hi   CH  k  exp  qpH   –22i 1iвспомогательный параметр, имеет размерность ифизический смысл экспозиции, необходимой для накопления такого жеколичества водорода  CH i 1 , как за весь предшествующий период эксплуатации,но призначении pHi; рНi – водородный показатель КАС в i-том интерваленаблюдений.8Вотличиеотдругихработвнастоящейработеиспользуетсяусовершенствованная автором методика расчета КИН для стали марки10ГН2МФА (применительно к «холодным» коллекторам ПГ АЭС с ВВЭР-1000).В ней рассматриваются динамика накопления водорода и рост параметров:приложенного напряжения σ, плотности дислокаций ρ  и давления водорода pH 2 ,при этом параметры ρ  и pH 2 ранее вообще не учитывались:KI   H 2  pH 2  E CH2 (t )4 DE  σ,αGbρ r2   22Vстηη2 Ei   4 Dt (5)где E – модуль Юнга, МПа; KI – коэффициент интенсивности напряжений,МПа.м1/2; η2 = 0.21 – некоторый коэффициент; η – постоянная пары металл среда; D – коэффициент диффузии водорода в металлах, м2/с; Ei(-r2/4Dt) –интегральная показательная функция; CH (t ) - концентрация водорода, мл Н2 при2нормальных условиях на 100 г металлов; r – радиус охрупченного ядра, м; σ –приложенное напряжение, МПа; α  0,22 ; G – модуль сдвига, МПа; b – векторБюргерса, м; ρ  – плотность дислокаций, м-2; Vст – объем стали, м3;  H –2коэффициент, зависящий от температуры; pH2 – давление растворенного в сталиводорода, МПа, t – экспозиция, час.Давление pH2 здесь уже растущая величина, а не константа.Плотностьдислокацийρ-этохарактеристикатехнологическойнаследственности и её числовое значение растет по мере наработки до отказа.В третьей главе описана количественная оценка накопления водорода (поформуле 4) двумя методиками (аддитивной и неаддитивной) с исходнымиданными: начальная концентрация водорода: CH0 2  0,8 мл H 2 при н.у.