Исследование качества металла титанового парагенератора ПГ-13Т после длительной эксплуатации на стенде

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Исследование качества металла титанового парагенератора ПГ-13Т после длительной эксплуатации на стенде

31.10.2020

Первые цельнотитановые камеры парогенератора ПГ-13Т были спроектированы СКВ К-189 и изготовлены Балтийским заводом совместно с ЦНИИ-48 в 1961 г. Ни в отечественной, ни в зарубежной литературе нет данных по опыту эксплуатации подобных титановых конструкций. Поэтому было решено проверить работоспособность опытных экземпляров ПГ-13Т на стенде 27/ВМ, обеспечивающем условия испытания, близкие к рабочим.

Как и в случае исследования титанового холодильника ХГЦЭН-601, задачей настоящей работы было определение возможности наводороживания титановых узлов парогенератора в радиоактивной воде первого контура после достаточно длительной эксплуатации камер парогенератора ПГ 13Т (4000 часов) на стенде. Необходимо было также оценить стабильность свойств металла в процессе длительной работы. Парогенератор эксплуатировался в более жестких условиях, чем холодильник, поэтому данная работа представляет особый интерес.

Качество исходных материалов для изготовления парогенератора


Схема камеры парогенератора ПГ-13Т и ее основные узлы показаны на рис. 1.

Многорядная змеевиковая система была изготовлена из труб размером 22x2,5 мм титанового сплава 48-Т7. Для их изготовления на Южно-трубном заводе была прокатана опытная партия труб, качество которых было несколько ниже качества труб из сплава современной поставки. Так, например, у опытных труб не гарантировались какие-либо нормы при испытании их на сплющивание. He были нормированы механические свойства при растяжении, содержание водорода в металле труб не определялось. Штуцера, колена, патрубки и другие детали изготавливали из кованых заготовок, а обечайку и днища корпуса — из листов сплава 48-ОТЗ. Кольцевые коллекторы были сделаны из горячекатаных труб размером диаметра 83x9 мм сплава 48-Т7. При сборке парогенератора был проделан большой объем сварочных работ.

Змеевиковая система состоит из 5 рядов шестиходовых цилиндрических змеевиков (12 витков по высоте), одного 12- и одного 18-ходового змеевика и 30 сотовых пакетов. Внутри труб змеевиковой системы проходит вода первого контура, в межтрубном пространстве находится среда второго контура. Змеевиковая система по условиям работы в первом — втором контурах делится условно на три зоны: 1) экономайзерный участок (3—6 нижних витков шестиходовых змеевиков в зависимости от мощности работы парогенератора); 2) испарительный участок (5—10-й витки шестиходовых змеевиков); 3) зона досыхания и перегрева пара (12- и 18-ходовые и сотовые змеевики).

Условия испытания парагенератора на стенде 27/ВМ


Две камеры парогенератора ПГ-13Т (заводский № 599 и 600) были смонтированы на стенде в составе парогенератора из 4 секций совместно со штатными камерами парогенератора ПГ-13 с трубной системой из нержавеющей стали марки 0Х18Н9Т. Перед монтажом обе камеры были проверены на плотность гелиевым течеискателем в течение 20 минут. Полость второго контура заполняли гелием под давлением 0,5— 1,3 кгс/см2, полость первого контура вакуумировали до давления 1*10в-2 мм рт. ст, Проверкой было установлено, что обе камеры обладают гелиевой плотностью.

В парогенераторной установке стенда камеры ПГ 13Т находились около 7000 календарных часов. За это время они выработали моторесурс (с выдачей пара) 4040 часов, из которых 3266 часов — при мощности свыше 10%. Компенсаторы объема первого контура заполнялись азотом, поэтому в воду первого контура при подпитке специально вводили аммиак. Это вызывало дополнительное образование водорода, растворенного в воде первого контура. Таким образом, применение в компенсаторах объема азота и добавка аммиака создавали среду первого контура с большим содержанием водорода, чем было бы в случае использования в компенсаторах объема гелия.
Исследование качества металла титанового парагенератора ПГ-13Т после длительной эксплуатации на стенде

В процессе работы парогенератора производился химический анализ воды первого и второго контуров. Большие колебания в содержании аммиака в воде первого контура (табл. 1) объясняются введением его во время подпиток и после каждой остановки. Температура среды первого контура измерялась на входном и выходном патрубках реактора, температура среды второго контура — на входе в парогенератор и на выходе из секции камер парогенератора ПГ-13Т. Параметры среды первого контура были следующими:

Температура пара на выходе была на 5—7° ниже температуры воды первого контура на входе. На отдельных этапах испытания температура пара была на 25—30° ниже температуры теплоносителя, что объясняется повышенным расходом питательной воды.

В период эксплуатации было 6 остановок парогенератора по причинам, не связанным с эксплуатацией титановых камер. Через 400—500 часов после начала работы были замечены протечки первого контура установки 27/ВМ. В результате этого через 1500 часов работы в-активность воды первого контура возросла до 4*10в-2 кюри/л, а мощность у-излучения на главном циркуляционном насосе повысилась до 20—30 мкр/сек. Были отмечены кратковременные выбросы у-излучения до 190 мкр/сек и повышение в-активности воды до 10в-1 кюри/л. Обычно на кораблях в-активность воды первого контура бывает в пределах 10в-6—10 кюри/л. Следовательно, по радиационной обстановке на стенде большую часть времени камеры ПГ-13Т работали в аварийном режиме Это обстоятельство очень важно для оценки влияния общей активности воды первого контура на стойкость против наводороживания титановых сплавов.

После окончания работы стенда парогенератор был спрессован гидравлическим давлением по первому контуру. В титановых камерах течей не обнаружили, что свидетельствовало о сохранении прочности и пригодности камер к дальнейшей эксплуатации. После демонтажа одну камеру ПГ-13Т (заводский № 599) дезактивировали кислотно-шелочными растворами по методике дезактивации холодильника ХГЦЭН-601. Было сделано 5 циклов отмывки, в результате которых радиоактивная загрязненность камеры снизилась лишь в 2 раза.

От змеевиков экономайзерного, испарительного и пароперегревательного участков трубной системы парогенератора ПГ-13Т отбирали отрезки труб длиной 250—300 мм. Эти трубы-заготовки дополнительно промывали в керосиновом растворе, после чего разделывали на образцы для определения механических свойств металла и содержания в нем водорода.

Содержание водорода в металле трубной системы после испытания на стенде


Содержание водорода в металле исходных труб, применявшихся для изготовления парогенератора ПГ-13Т, не определялось. Это затрудняло точное определение абсолютной величины наводороживания металла труб вследствие эксплуатации камеры на стенде, что удалось сделать при проверке холодильника. Тем не менее полученные в настоящей работе данные позволяют достаточно уверенно ответить на основной вопрос — произошло ли наводороживание труб в воде первого контура и насколько стабильна работоспособность сплава 48-Т7 в условиях длительной работы парогенератора.

Для этой цели сравнивали содержание водорода в металле труб парогенератора ПГ-13Т после испытания и в трубных заготовках (по сертификатным данным завода-поставщика). В заготовках содержание водорода было ограничено 0,01%. Определение его на заводе-поставщике производилось спектральным методом, который в 1959—1960 гг был очень несовершенным и давал большой разброс данных. Поэтому приходилось многократно определять содержание водорода в заготовках.

От труб парогенератора пробы для анализов отбирали более чем в 80 различных местах трубной системы. Водород определяли спектральным способом и методом вакуумной экстракции. Методика подготовки проб была аналогичной описанной ранее. Спектральным способом было сделано свыше 1200 анализов, вакуумным — более 250 определений. Наиболее объективным для оценки концентрации водорода в металле является метод физико-химического анализа, так как он дает усредненную концентрацию по объему металла. Поэтому для сравнения содержания водорода в металле трубных заготовок и труб ПГ-13Т нами использованы данные физико-химического анализа. Полученные результаты приведены на рис. 2 в виде частотных кривых распределения отдельных определений содержания водорода. При рассмотрении этих данных необходимо учесть, что согласно исследованиям, в процессе изготовления труб могло произойти дополнительное наводороживание металла примерно на 0,002%. Тем не менее практическое совпадение частотных кривых распределения водорода в заготовках и трубах змеевиковой системы свидетельствует об отсутствии заметного наводороживания сплава 48-Т7 в результате работы парогенератора ПГ-13Т на стенде 27/ВМ.

Помимо проведения общего статистического анализа, оценивали содержание водорода раздельно в трубах экономайзерной, испарительной и пароперегревательной зон, с тем чтобы уловить возможное различие в поведении сплава в несколько неодинаковых условиях по температуре и среде. Результаты такого анализа приведены в табл. 2. Из разных зон исследовали от 5 до 13 труб. Как следует из рассмотрения табл. 2, не наблюдалось преимущественного наводороживания ни одной из зон. По данным химического анализа, в 5% общего количества проверенных труб содержание водорода превысило 0,010% и в отдельных случаях достигало 0,014%. Максимальное содержание водорода на внутренней поверхности труб доходило до 0,019% (табл. 2), на наружной — 0,012% и в середине сечения стенки труб — 0,011%. Результаты спектрального определения содержания водорода как бы указывают на наличие градиента концентрации его по сечению стенки труб. Для более подробного исследования производился послойный (через 0,4—0,5 мм) анализ водорода в трубах экономайзерного и пароперегревательного участков. Исследовали около 60 образцов, общее число определений водорода было примерно 1500.

Результаты статистической обработки полученных данных представлены на рис. 3. Если наводороживание труб в воде первого контура было бы диффузионным, распределение водорода по сечению стенки труб соответствовало бы кривой 3. Это свидетельствовало бы о наличии неустановившегося, постоянно идущего процесса наводороживания. Однако из рис. 3 видно, что вблизи внутренней поверхности труб наблюдается даже некоторое понижение концентрации водорода, а затем на самой поверхности снова повышение. Этот результат, по нашему мнению, еще раз подтверждает отсутствие закономерного наводороживания труб и свидетельствует о наличии перераспределения по стенке имевшегося в трубах водорода под влиянием градиента температуры.

Этот вывод совпадает с литературными данными о перераспределении водорода в циркониевых сплавах под действием градиента температуры. Небольшое повышение концентрации водорода у внутренней поверхности труб дает, правда, основание предположить о наличии чрезвычайно малого процесса наводороживания сплава. Возможно также, что это поверхностное наводороживание произошло в результате промывок трубной системы кислотными травителями, что хорошо известно из практики производства труб.

Механические свойства металла трубной системы


Свойства труб парогенератора после испытания на стенде 27/ВМ определяли различными методами: технологическими испытаниями на сплющивание и раздачу конусом, внутренним подрывом отрезков труб, испытаниями на удар полукольцевых надрезанных образцов, испытаниями на растяжение, а также микроструктурными исследованиями.

На растяжение испытывали прямые трубы из сотовых пакетов. Образцы были в виде полос шириной 8 мм и длиной 120 мм. Результаты испытаний трех труб (табл. 3) показывают, что свойства их остались хорошими, соответствующими паспортным характеристикам сплава 4S-T7.

На сплющивание испытывали кольца шириной 25 мм, вырезанные из различных зон змеевиковой системы парогенератора ПГ-13Т. Степень сплющивания соответствовала нормам действующих в настоящее время технических условий на трубы (МРТУ № 14-4-7—65). Из 85 образцов испытания не выдержали 11. По-видимому, выпады по сплющиванию обусловлены недостаточно хорошим качеством труб в состоянии поставки, как это было установлено при исследовании труб холодильника ХГЦЭН-601. Для опытной партии труб размером диаметра 22х2,5 мм нормы по сплющиванию не были гарантированы.

При раздаче конусом все 28 испытанных образцов выдержали 10%-ную деформацию без разрушения. Трещины были получены лишь при 19—20%-ной деформации по окружности. Микроструктурные исследования и замеры микротвердости по сечению труб показали, что каких-либо структурных изменений или поверхностного газонасыщения не произошло.

Чрезвычайно интересными и важными для оценки качества металла труб оказались результаты динамических испытаний методом подрыва в воде Вес заряда взрывчатого вещества, закладываемого внутрь трубных образцов, постепенно увеличивали от 8 до 16 г и доводили образцы до разрушения. Определяли предельную деформацию металла перед разрушением. Испытания на подрыв являются очень жесткими, так как металл деформируется с большой скоростью, а в стенке трубы возникает плоское напряженное состояние В результате испытаний было установлено, что динамическая пластичность труб из разных зон змеевиковой системы находилась в пределах 10—21%. Ни один из образцов не имел хрупкого разрешения. Внешний вид образцов после подрыва показан на рис 4.

Наибольшими по объему были ударные испытания надрезанных образцов по методике Е.М. Шеванцина, так как эти испытания являются наиболее показательными для определения водородного охрупчивания а-сплавов титана. Образцы представляли собой полукольца шириной 5 мм. С внутренней стороны полуколец делали надрез глубиной 0,5—0,6 мм с радиусом в дне надреза 0,1—0,2 мм. Образцы разбивали на маятниковом копре мощностью 0,5 кгс*м при 20, 60 и 100°. Температуры 60 и 100° были выбраны потому, что они соответствуют температуре расхолаживания парогенератора во время остановок. При испытаниях удельную работу разрушения определяли так же, как ударную вязкость при испытании образцов Менаже и Шарпи. Ввиду нестандартности формы полукольцевых образцов значения работы разрушения были в 2,5—3,5 раза меньше, чем эти же значения, определенные на стандартных образцах Менаже.

На рис. 5 показана зависимость ударной вязкости труб от содержания водорода, полученная при комнатной температуре. Несмотря на большой разброс данных, наблюдалось снижение работы излома по мере повышения концентрации водорода в металле. Аналогичные зависимости были построены по результатам испытания при температурах 60 и 100°. Разброс данных оказался еще большим. Были подсчитаны средние арифметические значения ударной вязкости при дифференцировании концентрации водорода на интервалы в 0,001%. Результаты обработки приведены на рис. 6. Необходимо указать, что зависимость ударной вязкости сплава 48-Т7 от концентрации водорода, определенная на полукольцевых образцах из труб, качественно аналогична такой зависимости, определенной при испытаниях образцов Менаже. На рис. 7 показано относительное снижение сопротивления удару при 20° от примеси водорода в образцах обоих типов. За 100%-ный уровень были приняты средние значения ударной вязкости образцов с 0,005% H2.

Данные рис. 6 показывают, что имеется явное повышение сопротивления удару по мере роста температуры, особенно при 100°. Это свидетельствует о нивелировании охрупчивающего влияния водорода на ударные свойства сплава 48-Т7 при температурах расхолаживания парогенератора. При рабочих температурах (280—320°) водородная хрупкость а-сплавов отсутствует, как это хорошо известно из литературы.

Выше было показано, что фактическое содержание водорода в металле труб парогенератора Г1Г-13Т достигало 0,014%; при таком содержании наблюдается некоторое охрупчивание сплава 48-Т7 при холодных ударных испытаниях надрезанных полуколец (рис. 6). Однако камера парогенератора ПГ-13Т сохранила прочность и пластичность и была пригодна для дальнейшей эксплуатации. Следовательно, данные ударных испытаний при температурах ниже 80—100° не являются характерными для оценки работоспособности титана в парогенераторах. По-видимому, для этих условий повышение загрязненности металла труб водородом, по крайней мере до 0,015%, не является опасным и не может сколько-нибудь снизить работоспособность парогенератора.

Качество металла узлов парогенератора ПГ-13Г изготовленных из кованных заготовок


Кроме трубной системы, исследованы патрубки входа и выхода воды первого и второго контуров, стояк выхода первого контура, часть нижней торовой камеры (коллектора), корпус и штампованные днища. Из этих узлов изготавливали и испытывали образцы на растяжение и удар, в них определяли также содержание водорода. Представленные в табл. 4 результаты исследования деталей, соприкасавшихся с водой первого контура, показывают, что наводороживания сплавов и изменения механических свойств не происходит. Аналогичные результаты получены при исследовании узлов второго контура.

Необходимо остановиться на причине поломки патрубка выхода первого контура, которая произошла при транспортировке камеры из могильника по месту резкого перехода от одного сечения к другому, т. е. в участке расположения концентратора напряжений. Из заготовок, отобранных вблизи места излома, сделали образцы для оценки качества металла. Свойства сплава 48-ОТЗ в этом месте удовлетворяли требованиям технических условий (ан = 8,2 кгс*м/см2-, b = 16,5%; w = 25,3%). Это значит, что поломка патрубка не связана с потерей металлом пластичности, а была вызвана действием чрезмерных усилий, превысивших прочность сплава.

Выводы


1. Всестороннее исследование металла опытной цельнотитановой камеры парогенератора ПГ-13Т, испытанной в течение 4000 часов на стенде 27/ВМ с радиоактивной водой первого контура (р-активность 10в-4—10в-2 кюри/л) и температурой 260—280°, показало, что опасного наводороживания сплавов 48-Т7 и 48-ОТЗ в этих условиях не происходит. Так, фактическое содержание водорода в металле труб змеевиковой системы парогенератора и трубных заготовок, из которых изготавливали трубы, оказалось практически одинаковым.

2. Механические свойства труб испытанного парогенератора, особенно пластичность при статическом растяжении и внутреннем подрыве зарядом взрывчатого вещества, оказались высокими и соответствовали паспортным данным на сплав 48-Т7. После 4000 часов стендовых испытаний камеры парогенератора ПГ-13Т не потеряли гидравлической прочности и плотности и были пригодны к дальнейшей работе.

3. Установлено, что сплав 48-Т7 имеет высокую сопротивляемость наводороживанию в активной воде первого контура. Это свидетельствует о пригодности титановых сплавов для парогенераторов кораблей с моторесурсом работы не менее 10—12 тыс. часов.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: