СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛА КОРПУСОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ ВВЭР-1000
PROCEDURE FOR RECOVERY OF PHYSICAL-MECHANICAL PROPERTIES OF METAL OF VESSELS OF POWER REACTORS OF WATER-MODERATED WATER-COOLED POWER REACTORS - 1000 (WMWCPR-1000)

Изобретение относится к восстановительной термической обработке корпусов
водоводяных энергетических реакторов (ВВЭР) и направлено на повышение ресурса и обеспечение безопасной эксплуатации реакторов ВВЭР-1000.
Корпус реактора ВВЭР-1000 представляет собой толстостенный цилиндрический сосуд с эллиптическим днищем, выполненный из стали. Высота корпуса 10-11 м, диаметр 4-5 м, масса ~300 т. Изготовление и полный цикл термической обработки (закалка и неоднократный высокий отпуск) осуществляется на специализированном предприятии.
10
2
к
к
В процессе эксплуатации материал корпуса реактора подвергается воздействию нейтронного потока плотностью ψ~10 нейтр/смсек при температуре 290°С. Главным следствием такого воздействия является снижение сопротивления хрупкому разрушению (повышение критической температуры хрупкости материала Т), что приводит к ограничению срока эксплуатации корпуса реактора. Безопасный срок эксплуатации корпусов реакторов определяется продолжительностью их работы до момента достижения предельно допустимой величины Т, определяемой путем расчета на сопротивление хрупкому разрушению ("Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок" ПНАЭ Г-7-002-86.1986 г. [1]).
отп
н
э
э
н
отп
Известен способ восстановления свойств материала корпусов энергетических реакторов, включающий нагрев в печи до температуры, превышающей температуру эксплуатации, выдержку и охлаждение, при этом нагрев ведут до температуры: Т - 20°С≥Т≥Т+300°С, где Т - температура эксплуатации; Т - температура нагрева, Т - температура отпуска материала корпуса в процессе производства, выдержку осуществляют в течение 1-10 ч, охлаждение ведут со скоростью 8-15 град/ч с печью до 300°С и далее на воздухе (RU 2081187 [2]).
Недостатком известного способа является то, что он не может быть применен для восстановительных отжигов корпусов реакторов ВВЭР-1000. Это обусловлено тем, что минимальная рекомендуемая в соответствии со способом температура восстановительного отжига составляет 590°С (т.к. температура эксплуатации корпусов этих реакторов составляет 290°С). Использование температур отжига ~590°С и более применительно к корпусам реакторов ВВЭР-1000 невозможно, поскольку один из отжигаемых сварных швов располагается близко к опорному бурту (выступу) на корпусе, который опирается на поддерживающую корпус реактора бетонную конструкцию. Этот бетон не приспособлен для работы при температурах, которые в этом случае будут воздействовать на него.
н
пл
н
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является известный способ восстановления физико-механических свойств металла корпуса реактора, включающий нагрев, выдержку в течение заданного времени и охлаждение на воздухе. При этом нагрев ведут до Т=(0,3-0,4)Т, выдержку осуществляют в течение времени, определяемого с учетом критериев длительной прочности металла и необходимой степени восстановления. Во время выдержки в объеме восстанавливаемого металла создают температурное поле с таким расположением максимальных и минимальных температур во времени, при котором происходит диффузное перемещение примесных элементов по объему металла до момента уменьшения локальных концентраций примесей, усреднения их по объему восстанавливаемого металла до допускаемых значений, и создают зоны сжатия, через которые пропускают электрический ток (RU 2084544). В соответствии с описанием со скоростью не более 20°С/ч разогревают заранее выбранную локальную область восстанавливаемого металла до температуры Т=460-990°С, обеспечивают перемещение ее переключением секций электронагревателей с временными остановками в течение заранее рассчитанного времени в пределах 100-150 ч как вдоль оси корпуса, так и по его окружности. Охлаждение корпуса производят со скоростью не более 30°С/ч.
Одновременно между локальными областями нагрева и окружающим менее нагретым металлом возникают градиенты температур и, как следствие, зоны сжатия металла локальной области нагрева, через которые пропускают электрический ток.
Недостатком известного способа является сложность осуществления, связанная с последовательным локальным нагревом отдельных участков отжигаемой зоны корпуса реактора и возникновением вследствие этого нежелательных по величине внутренних напряжений в корпусе реактора, а также с наличием больших градиентов температур по толщине стенки корпуса из-за отсутствия теплоизоляции корпуса со стороны внешней поверхности. Это обстоятельство вызывает появление двух нежелательных эффектов: 1) появление дополнительных внутренних напряжений в материале корпуса реактора; 2) приводит к значительным различиям в полноте возврата свойств материала корпуса в наружных и внутренних слоях из-за значимых различий в температурах отжига. Кроме того, использование температур отжига выше ~590°С применительно к корпусам реакторов ВВЭР-1000 невозможно, поскольку один из отжигаемых сварных швов располагается близко к опорному бурту (выступу) на корпусе, который опирается на поддерживающую корпус реактора бетонную конструкцию. Этот бетон не приспособлен для работы при температурах, которые в этом случае будут воздействовать на него.
Заявляемый способ восстановления физико-механических свойств металла корпусов энергетических реакторов ВВЭР-1000 направлен на его упрощение, снижение градиентов температур и внутренних напряжений в процессе восстановительного отжига, повышение однородности возврата свойств различных по толщине слоев металла корпуса реактора при отжиге, а также на увеличение полноты возврата свойств металла корпуса реактора в результате восстановительного отжига.
Указанный результат достигается тем, что способ восстановления физико-механических свойств металла корпусов энергетических реакторов ВВЭР-1000, после воздействия эксплуатационных факторов, включает теплоизоляцию наружной стенки корпуса, размещение нагревателей внутри корпуса, нагрев стенки корпуса со стороны внутренней поверхности, выдержку и охлаждение, при этом нагрев ведут до температуры 400-580°С со скоростью не более 20 град/ч, выдержку осуществляют в течение 100-150 часов при градиенте температур между наружной и внутренней поверхностями корпуса не более 15-20°С, охлаждение ведут со скоростью не более 20 град/ч до температуры 300°С и со скоростью не более 30 град/ч до температуры 100°С и далее с выключенными нагревателями.
Использование теплоизоляции наружной стенки корпуса позволяет снизить радиальные градиенты температур до оптимальных значений, что способствует снижению различий в полноте возврата свойств металла наружных и внутренних слоев корпуса реактора вследствие восстановительного отжига. Это обусловлено тем, что при наиболее эффективных температурах отжига (560-580°С) обеспечивается практически полный возврат свойств. Именно наличие нагревателей внутри корпуса реактора (их размещение снаружи корпуса реактора невозможно в силу его конструктивных особенностей), а теплоизоляции на наружной поверхности корпуса позволяют удерживать температуру отжига по всей толщине стенки корпуса в пределах, которые обеспечивают максимальную полноту возврата свойств по всей его толщине при восстановительных отжигах.
Как показали расчетные оценки, нагрев следует вести до температуры 400-580°С со скоростью не более 20 град/ч. Это обусловлено тем, что при более высоких скоростях нагрева в корпусе реактора могут возникать опасные по величине внутренние напряжения из-за неравномерности нагрева отдельных элементов корпуса, поскольку нагревательное устройство (из-за отсутствия необходимости, а также по экономическим соображениям) располагается только в районе наиболее облученных (по высоте) участков корпуса реактора.
Выдержку целесообразно осуществлять в течение 100-150 часов для того, чтобы обеспечить стационарные условия отжига и его длительность, достаточную для реализации наиболее полного возврата свойств, который можно обеспечить при выбранной в указанном выше диапазоне температуре отжига.
Если выдержку осуществлять менее 100 часов, то возврат свойств отжигаемого металла корпуса реактора может пройти не в полной мере из-за неполного отжига вызывающих охрупчивание радиационно-индуцированных преципитатов, радиационных дефектов и зернограничных сегрегаций фосфора. Выдержка более 150 часов уже не оказывает влияние на эти процессы и становится экономически нецелесообразной. Выдержку необходимо осуществлять при градиенте температур между наружной и внутренней поверхностями корпуса не более 15-20°С. При большем градиенте полнота возврата свойств наружных слоев металла корпуса реактора будет заметно ниже, чем внутренних. Кроме того, большие градиенты температур могут привести к возникновению в материале корпуса реактора нежелательных по величине внутренних напряжений.
Охлаждение после выдержки следует вести со скоростью не более 20 град/ч до температуры 300°С и со скоростью не более 30 град/ч до температуры 100°С. Это позволяет избежать повторного возникновения (при охлаждении) зернограничных сегрегаций фосфора - развития отпускной хрупкости (особенно при использовании наиболее высоких и наиболее эффективных температур отжига из указанного диапазона). Кроме того, это позволяет обеспечить равномерное по объему охлаждение материала корпуса реактора и, соответственно, низкий уровень внутренних напряжений в материале корпуса в процессе охлаждения.
После достижения температуры 100°С нагреватели можно выключать, поскольку дальнейшее (естественное) охлаждение будет происходить с малыми скоростями и градиентами.
Сущность заявляемого способа поясняется примером его реализации.
Пример. В самом общем случае способ реализуется следующим образом. Внутри корпуса размещают электронагреватели. В качестве электронагревателей могут быть использованы любые из числа известных, которые могут быть установлены дистанционными средствами внутри корпуса реактора на требуемой высоте по всему периметру. Кроме того, с наружной стороны корпуса на той же высоте (напротив) должна быть установлены теплоизоляционные панели. Теплоизоляционные панели (выполненные с соответствующей кривизной) должны быть заполнены соответствующим теплоизолирующим материалом, который выдерживает высокие температуры и является диэлектриком (силикаты, шамотный кирпич, асбест и т.д.). Каждая из теплоизоляционных панелей может быть индивидуально закреплена любым из известных способов.
Для регулирования и удержания заданной температуры отжига могут быть применены различные датчики температуры, которые в совокупности со средствами управления позволят реализовать и контролировать требуемые режимы нагрева и охлаждения за счет изменения силы тока, подаваемого на электронагреватели при нагреве и тепловой выдержке, или за счет принудительного охлаждения с использованием принудительной вентиляции (при охлаждении).
Датчики температуры устанавливают и на наружной поверхности корпуса, под теплоизолирующими панелями, чтобы контролировать градиент температуры между наружной поверхностью корпуса и внутренней. Осуществляют нагрев до температуры 400-580°С со скоростью не более 20 град/ч, а затем выдержку в течение 100-150 часов при градиенте температур между наружной и внутренней поверхностями корпуса не более 15-20°С. После выдержки начинают охлаждение, которое ведут до температуры 300°С со скоростью 20 град/ч, а затем со скоростью 30 град/ч до температуры 100°С и далее с выключенными нагревателями. Исследования показали, что при использовании температур отжига ~400-420°С степень возврата температуры вязкохрупкого перехода составляет ~30-40%, при использовании температур отжига ~480-500°С - ~50-60%, а при использовании температур отжига ~560-580°С - ~100%. Такой характер возврата свойств при изменении температур отжига обусловлен тем, что при относительно низких температурах отжига ( до ~500°С) возврат свойств обусловлен возвратом радиационно-индуцированного упрочнения за счет отжига радиационных дефектов и радиационно-индуцированных преципитатов. При более высоких температурах отжига возврат свойств обусловлен исчезновением зернограничных сегрегаций фосфора.
Достижение необходимой степени восстановления металла корпуса обеспечивается и контролируется поддержанием на требуемом уровне параметров режимов технологических операций и дополнительно, если это необходимо, результатами испытаний облученных образцов-свидетелей корпуса реактора до и после восстановительных отжигов.