Особенности повреждений сварных соединений №111 в

УДК 621.039:620.19
ОСОБЕННОСТИ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ №111 В
ПАРОГЕНЕРАТОРАХ ЭНЕРГОБЛОКОВ ВВЭР-1000
И.М. Неклюдов1, Л.С. Ожигов1, А.С. Митрофанов1, В.Н. Воеводин1, Г.Д. Толстолуцкая1,
Е.А. Крайнюк1, Н.С.Зарицкий2, А.В.Бажуков3, А.Н.Палий3, П.Е.Мельник3
1
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», г. Харьков,
Украина тел.057-336-65-53, E-mail: ozhigov@kipt.kharkov.ua
2
НАЭК «Энергоатом», г. Киев, Украина, 3ОП Южно-Украинская АЭС, Украина
Введение
За время эксплуатации энергоблоков с реакторами ВВЭР-1000 неоднократно имели
место сварных соединений №111 приварки коллектора теплоносителя к корпусу
парогенератора. В ряде случаев в зоне термического влияния и на самом шве образовывались
трещины, представляющие значительную угрозу для эксплуатации. Ранее было показано, что
причинами зарождения микротрещин могут быть различные дефекты поверхности металла, в
том числе коррозионные язвы, образующиеся при эксплуатации [1-3]. Однако, механизм
образования и роста дефектов, вызывающих разрушение крупных толстостенных
конструкций, до настоящего времени не имеет должного понимания.
Целью настоящей работы было исследование с помощью комплекса современных
экспериментальных методов и оборудования особенностей повреждаемости и механизма
разрушения этих сварных соединений при длительной эксплуатации на АЭС Украины.
Материал и методы исследований
Материалом для исследований служили темплеты, вырезанные из сварных соединений
на Южноукраинской и Запорожской АЭС. При ремонте поврежденных сварных соединений
была произведена выборка дефектного металла шва с образовавшимися трещинами.
Трещины, в основном, зарождаются в области корня сварного шва на поверхности,
омываемой водой второго контура, и распространяются как по телу сварного шва, так и по
зоне термического влияния в металле патрубка.
Исследования проводили с помощью металлографии, электронной микроскопии,
фрактографии, микрорентгеноспектрального анализа и метода термодесорбционной массспектрометрии.
Использовали
металлографический
микроскоп
ММО-1600-АТ,
сканирующий электронный микроскоп с катодом Шоттки JEOL JSM-7001F и
термодесорбционный масс-спектрометр МХ-7304. Испытания материала темплетов на
ударную вязкость проводили на инструментованном маятниковом копре SI-1M «INSTRON».
Образцы Шарпи с V-образным надрезом были изготовлены из материала, свободного от
трещин. Они имели размеры 10×10×55 мм и были вырезаны в направлении, параллельном
трещине [4, 5].
Результаты и обсуждение
Парогенератор имеет два коллектора: для входа теплоносителя при температуре 310°С
(горячий) и выхода – при 280°С (холодный). На рис. 1 показан фрагмент трещины, которая
идет по основному материалу патрубка «холодного коллектора» (сталь 10ГН2МФА)
параллельно сварному шву в зоне его термического влияния. Вторичные трещины
распространяются от магистральной как по границам, так и по телу зерен. Характер трещины
и микроструктура металла вокруг нее не имеют существенных отличий по сравнению с тем,
что наблюдалось на «горячем» коллекторе 3.
Рис.1. Фрагмент трещины в металле патрубка 1200 мм в зоне термического влияния
сварного шва.
Значения ударной вязкости металла, полученные в результате испытаний, составили 14,5
и 20,5 кгс/см2 при 20 и 300 °С, соответственно. Вязкая составляющей в изломе, определенная
по методике [6], составила 100% при 300 °С и около 60% при 20 °С. Полученные значения
соответствуют требованиям технических условий на сталь 10ГН2МФА [7] и
свидетельствуют о том, что в процессе эксплуатации механические свойства материала
практически не изменились.
Для изломов ударных образцов, испытанных при 20 0С были проведены
металлографические исследования в зонах надреза, разрушения и долома рис.2.
4
3
2
1
а
Рис. 2. Излом ударного образца при 20°С. Зоны излома: 1-плоскость надреза, 2,3 – зоны
вязкого и хрупкого разрушения, соответственно, 4 – долом.
Фрактографические исследования участков излома ударного образца стали
10ГН2МФА показали, что вблизи надреза и на доломе наблюдается волокнистый излом,
типичный для вязкого разрушения. Видно характерное «ямочное» строение с вытянутой
структурой (рис.3а), являющейся следствием пластической деформации, которая
предшествовала разрушению. Фрактограмма зоны 3 показывает ручьистое строение (рис.
3б), что свидетельствует о хрупком образовании первичных трещин (на рис. 3 показаны
стрелками).
а
б
Рис. 3. Фрактограммы участков излома ударного образца стали 10ГН2МФА при 20°С. а
– строение поверхности в зонах 2 и 4 (рис.2), б – излом в зоне вязко-хрупкого разрушения.
Излом ударных образцов при температуре 300 °С, начиная от надреза и заканчивая
доломом, имеет вязкое ямочное строение (рис.4).
Рис 4. Фрактограмма излома стали 10ГН2МФА при 300 °С; область долома.
Исследования эксплуатационной трещины, образовавшейся в стали 10ГН2МФА в зоне
влияния сварного шва, показали, что вблизи ее вершины имеет место квазихрупкое
разрушение, в котором сочетаются элементы хрупкого и вязкого разрушения (рис. 5).
а
б
Рис 5. Участки квазихрупкого разрушения в раскрытой эксплуатационной трещине
а- с преобладанием хрупких и б- вязких составляющих.
Таким образом, при температурах испытаний 300°С, соответствующих рабочим
температурам парогенераторов, наблюдается вязкое разрушение ударных образцов. В то же
время раскрытая эксплутационная трещина содержит участки квазихрупкого разрушения,
что позволяет предположить об образовании трещин при температурах ниже
эксплуатационной температуры парогенератора, то есть при разогреве или расхолаживании
реактора.
Устья и вершины трещин заполнены продуктами коррозии серого цвета, по внешнему
виду напоминающие окислы железа. На рис.6,а показана поверхность раскрытой трещины с
участком наслоений продуктов коррозии и сеткой микротрещин, которые распространяются
как по границам, так и по телу зерен. Элементный состав материала выделенного участка,
установленный методом микрорентгеноспектрального анализа, представлен на спектре
(рис.6,б) и в табл. ниже. Концентрации элементов определяли по К-линиям
характеристического рентгеновского излучения.
а
Б
Рис.6. а – Область поверхности с микротрещинами (выделены пунктиром) (а),
рентгеновский спектр от участка наслоений (выделен кругом на рис. 6,а) (б).
Таблица
Элементный состав продуктов коррозии в трещине
Элемент
O
Si
Ca
V
Cr
Mn
Fe
Ni
Cu
Итого
Содержание,
ат. %
62,5
0,22
0,07
0,08
0,09
1,09
34,63
1,17
0,12
100
В продуктах коррозии внутри трещины содержится около 35 ат. % железа и свыше 62 ат.
% кислорода. Остальные элементы, представленные в спектре, входят в состав стали
10ГН2МФА и среды второго контура. Повышенное содержание кислорода в исследованных
пробах свидетельствует о том, что, в основном, продуктами коррозии являются окислы. Из
всех возможных химических соединений железа с кислородом такому экспериментально
определенному соотношению железа и кислорода ближе всего соответствует формула
гидроксида Fe(OH)2 (34 ат. % железа и 62 ат. % кислорода). Поверхность металла, не занятая
оксидами, отвечает нормативному составу стали 10ГН2МФА.
Обнаружение наслоений окислов (гидроксидов) в устьях и вершинах трещин
подтверждает известные предположения о связи трещинообразования в области сварных
соединений с процессами коррозионного растрескивания под напряжением. Хорошо
известно [8] расклинивающее действие твердых продуктов коррозии типа окислов (Cr,
Fe)3O4 , (Cr, Fe)2O3 , NiCr2O4, образующихся в трещине и превосходящих по объему
исходный металл. Удельный объем гидроксида Fe (OH)2, составляющий 0,29 см3/г, более чем
в два раза превышает удельный объем стали (≈ 0,13 см³/г). Образовавшиеся в трещине
гидроксиды оказывают расклинивающее действие, усиливающееся при понижении
температуры, и влияют на напряженно-деформированное состояние окружающего металла,
что может привести к росту трещины и дальнейшему разрушению.
Спектры термодесорбции водорода для стали 10ГН2МФА в зоне термического влияния
сварного шва показаны на рис. 7. Для металла внутренней и внешней сторон патрубка
спектры термодесорбции водорода имеют незначительные отличия по температурам
максимумов и интенсивности газовыделения (Спектр 1). Заметное выделение водорода
начинается при температуре ~ 300 °С, а максимальное - происходит при 600 ºС. Пик
газовыделения достаточно широкий, не имеет явно выраженных стадий, так что даже при
900 ºС наблюдается заметный выход водорода. Спектр 2 снимался от образца металла,
содержащего раскрытую эксплуатационную трещину, спектр 3 получен для зоны,
расположенной примерно в 1,5 мм от устья трещины. Качественно эти спектры различаются:
на спектре 2 температура максимума сдвинута примерно на 100 °С в сторону меньших
температур, на спектре 3 в интервале температур 700…900 °С наблюдается заметно большее
выделение водорода, даже по сравнению со спектром 2.
Скорость десорбции, отн. ед.
100
90
3
80
2
70
60
50
40
30
1
20
10
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Температура, C
Рис.7. Спектры термодесорбции водорода из стали 10ГН2МФА: 1 - внутренняя и
внешняя сторона патрубка, 2 - материал с раскрытой трещиной, 3 - в 1,5 мм от устья
трещины.
Наблюдаемые особенности отражают различия в термодинамических параметрах связи
водорода и свидетельствуют о его накапливании в металле вблизи устья трещины. Ранее [9]
была определена объемная концентрация водорода, накопившегося в материале сварного
шва после 70000 ч эксплуатации парогенератора Южно-Украинской АЭС. Было показано,
что в области трещины аккумулировалось примерно в три раза большее количество
водорода, чем в других участках. Выделение водорода было зарегистрировано в диапазонах
температур 300…700 С и 800…1000 С. На основании экспериментов, моделирующих
захват и удержание дейтерия в стали 10ГН2МФА [9], был сделан вывод, что развитая
система границ в перлитной стали способствует выходу водорода уже при комнатной
температуре. В то же время межфазные границы между ферритом и цементитом могут
являться ловушками для водорода и удерживать его в перлитной стали до температур ~
600С. Результаты, полученные в настоящей работе для стали 10ГН2МФА в зоне
термического влияния сварного шва свидетельствуют, что выделение водорода наблюдается
практически в том же интервале температур 300…1100ºС. Наличие в обоих случаях только
высокотемпературной компоненты десорбции связано, по-видимому, с тем, что температура
эксплуатации металла составляла около 260ºС.
Обнаруженное повышенное содержание водорода в металле вблизи устья трещин
свидетельствует о том, что именно в этой области интенсивное окисление ювенальных
раскрытых поверхностей сопровождается выделением водорода. Растворяясь в металле,
водород вызывает его локальное охрупчивание, что способствует дальнейшему
растрескиванию. Механизм водородного охрупчивания связывают чаще всего с внедрением
(диффузией) в металл атомов водорода, образованием в вершине (у вершины) трещины
хрупкого гидрида, что уменьшает силы связи между зернами.
Можно
предположить,
что
особенностью
повреждений
толстостенных
крупногабаритных сварных конструкций из стали 10ГН2МФА – соединения коллекторов с
парогенераторами – является протекание коррозионных процессов, при которых развитие
трещин осуществляется по следующему стадийному механизму:
1)
заполнение свежеообразованной трещины рабочей жидкостью второго
контура или растворами химической отмывки;
2)
окисление металла, в результате которого в вершинах и устьях трещин
откладываются твёрдые продукты коррозии (гидроксиды), одновременно в
окружающем металле растворяется выделяющийся водород;
3)
при охлаждении парогенератора локальные напряжения, вызванные
расклинивающим действием гидроксидов, обуславливают скачкообразный рост
трещины, чему также способствует охрупчивающее действие водорода.
В дальнейшем стадии повторяются.
В реальных случаях схема растрескивания, по-видимому, усложняется влиянием
сопутствующих факторов, таких как напряженное состояние, свойственное металлам в зонах
влияния сварных швов и усиление коррозионных процессов на участках с повышенной
концентрацией напряжений [10].
Проведенные комплексные исследования и данные, полученные ранее [3,11], дают
основания полагать, что характер разрушения сварных соединений в парогенераторах
Южно-Украинской и Запорожской АЭС одинаков, несмотря на то, что трещины
образовались на «горячем» коллекторе в первом случае, и на «холодном» – во втором.
Ранее была показана склонность стали 10ГН2МФА к замедленному деформационному
коррозионному растрескиванию в воде высоких параметров [12]. Следует отметить, что
растрескивание сварного соединения корпуса парогенератора с коллектором можно отнести
к медленным процессам, если связывать его с циклами расхолаживания и разогрева
энергоблока. Однако растрескивание будет идти с нарастающими темпами, так как с каждым
циклом в нем участвуют все большие объемы металла. Что же касается различных дефектов
на поверхности металла, в том числе коррозионных язв, то они играют большую роль на
начальной стадии образования первичных трещин.
ВЫВОДЫ
В результате проведенных комплексных материаловедческих исследований установлены
особенности повреждений сварных соединений коллекторов с корпусами парогенераторов
энергоблоков ВВЭР-1000. Установлено, что характер повреждений одинаков на «горячих» и
«холодных» коллекторах.
Показано, что образование твердых продуктов коррозии железа и повышенное
содержание водорода в окружающем металле приводят к развитию трещин в сварных
соединениях коллекторов с корпусами парогенераторов в реакторных установках ВВЭР-1000
в результате циклического коррозионного растрескивания под действием локальных
расклинивающих напряжений со стороны образующихся продуктов коррозии.
Квазихрупкий характер разрушения в эксплуатационных трещинах свидетельствует об
инициировании растрескивания материала сварных соединений при охлаждении
энергоблоков.
Литература
1. Харченко С.А., Трунов Н.Б., Коротаев Н.Ф., Лякишев С.Л. Меры по обеспечению
надежности сварного соединения коллектора 1 контура с корпусом парогенератора АЭС с
ВВЭР-1000. Теплоэнергетика. 2011. № 3. С. 27-32.
2. Ю.Г. Драгунов, О.Ю. Петрова, С.Л.Лякишев, С.А. Харченко / Повышение надёжности
эксплуатации коллекторов парогенераторов ПГВ-1000, - 1000М // Атомная энергия. – 2008. –
№1. – С.9 – 13.
3. А.С.Митрофанов, Л.С.Ожигов, Є.О.Крайнюк, В.И.Савченко. Про причини
ушкодження зварних з'єднань № 111 парогенераторів ПГВ-1000 // «Вісник ТДТУ»,
Тернопіль, 2009, Т14, №4.
4. ГОСТ 9454-78 Межгосударственный стандарт "Металлы. Метод испытания на
ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах"
5. ПНАЭ Г–7–002–86 «Норма расчёта на прочность оборудования и трубопроводов
атомных энергетических установок» М.: Энергоатомиздат, 1989.
6. РД 26-11-08-86. Руководящий документ. Соединения сварные. Механические
испытания.
7. ТУ 108.766-86. Технические условия. Заготовки из стали марки 10ГН2МФА для
оборудования АЭС
8. Богоявленский В. Л. Коррозия сталей на АЭС с водным теплоносителем. – М.:
Энергоатомиздат, 1984. – 168 с.
9. В.М. Ажажа, Г.Д. Толстолуцкая, В.В. Ружицкий, И.Е. Копанец, С.Д. Лавриненко,
Н.Н. Пилипенко, Л.С. Ожигов, Ю.П. Бобров. Определение объемной концентрации водорода
в материале сварного соединения №111 парогенератора АЭС // Тяжелое машиностроение,
2008, №6, с.32-34.
10.
Походня И.К. Проблемы сварки высокопрочных низколегированных сталей. В
кн.: Сучасне матеріалознавство ХХІ століття. – Киев: Наук. думка, 1998. – С. 31-69.
11.
И.М.Неклюдов,
В.М.
Ажажа,
Л.С.Ожигов,
А.С.Митрофанов.
Эксплуатационные повреждения теплообменных трубок и сварных соединений в
парогенераторах энергоблоков АЭС с ВВЭР-1000. Проблемы прочности. 2008, №2, стр. 105111
12.
Ю.Г. Драгунов, А.С. Зубченко, О.Ю. Петрова, И.Л. Харина. Влияние воды
высоких параметров на склонность стали 10ГН2МФА к замедленному деформационному
коррозионному растрескиванию // Машиностроение и инженерное образование. – 2007. –
№4. – С.35-41.