Энергетика. ТЭС и АЭС

Всё о тепловой и атомной энергетике

Технологические основы производства циркониевых оболочечных труб твэлов

Твэлы ядерных реакторов и, следовательно, их оболочки работают в очень тяжёлых условиях. При этом надо учесть, что толщина стенки оболочки составляет всего лишь 0,4-0,9 мм. Поэтому они весьма чувствительны даже к небольшим дефектам, внешним воздействиям и различного рода напряжениям.

Высокие требования, предъявляемые к циркониевым оболочкам, удовлетворяются как строгим соблюдением технологических режимов их производства, так и тщательным их контролем.

Теоретически обоснованные представления о влиянии технологии изготовления циркониевых труб на весь комплекс их свойств отсутствуют, как нет и таких методов испытания труб, которые могли бы в полной мере воспроизвести напряжения и деформации оболочек твэлов в условиях работы реактора. Тем не менее, опыт эксплуатации твэлов с циркониевыми оболочками позволил выработать определенную инженерную систему обеспечения качества оболочечных труб, которая включает и учитывает:

1) требования спецификаций и технических условий на трубы;

2) обеспечение качества материалов, полуфабрикатов;

3) соблюдение технологического процесса производства труб и его контроль;

4) контроль готовой продукции и анализ результатов контроля;

5) дополнительные лабораторные исследования качества и свойств готовой продукции.

Технологический процесс изготовления оболочек твэлов кипящих реакторов и реакторов с водой под давлением практически одинаков, что обусловлено идентичностью основных требований, предъявляемых к оболочкам твэлов этих реакторов.

Процесс включает следующие основные технологические переделы: получение металлического циркония; плавку и отливку слитков; изготовление трубных заготовок из слитков методами горячей деформации и механической обработки; горячее выдавливание толстостенных труб; производство труб методами холодной деформации до конечного размера в сочетании с различными промежуточными операциями.

Принципиальная схема производства труб показана на рисунке ниже, хотя надо иметь в виду, что на разных заводах многие технологические операции могут выполняться по-разному в зависимости от способа получения циркония и его качества, от состава сплава и способа переплавки, от принятой деформационной схемы и термической обработки изделий и т.д.

Принципиальная схема производства оболочечных труб

Принципиальная схема производства оболочечных труб

 Цирконий довольно трудный в технологическом отношении металл, во всяком случае по сравнению со сталью. Он весьма реакционноспособен, обладает большим сродством к кислороду, азоту, углероду. Это затрудняет и усложняет технологический процесс производства труб, особенно если учесть, что на разных стадиях процесса металл подвергается многократным нагревам с целью отжига или закалки полуфабрикатов и готовых труб.

Получение слитков сплавов циркония заданного состава осуществляется плавкой преимущественно в вакууме. Основная задача при этом способе плавки — приготовление расходуемого электрода, обеспечивающего г требуемый химический состав сплава и его однородность, а также отвечающего некоторым общим требованиям к электродам для вакуумной плавки.

Электрод готовят прессованием смеси компонентов при давлениях 580-780 МПа. При этом плотность брикетов составляет около 85 % теоретической. Прочность их зависит от времени, температуры и давления прессования.

Соединение брикетов в электрод осуществляется спеканием или сваркой. Слитки подвергают двойной вакуумно-дуговой переплавке. При первой переплавке происходит очистка циркониевого сплава от ряда летучих примесей, но требуемая гомогенность сплава в объеме слитка не обеспечивается. Кроме того, летучие примеси и газы не позволяют избежать пористости слитка, особенно на поверхности. Поэтому для получения слитков хорошего качества, гомогенных по составу, применяется вторая переплавка. Для второй переплавки электрод составляют из двух или более слитков первого переплава путем сварки или ниппельного соединения. Гомогенность сплава достигается увеличением времени пребывания и объема жидкого металла, а также перемешиванием при плавке. Наиболее просто перемешивание осуществляется при использовании соленоида, изготавливаемого непосредственно намоткой витков провода на немагнитный охлаждаемый кожух. Требуемое перемешивание расплава (со скоростью менее 10 об/мин) достигается пропусканием тока 4-8 А.

Плавка в долговой печи с расходуемым электродом достигает скорости 300-350 кг/ч и позволяет получать слитки массой 5 т и более и диаметром 400-670 мм.

Как видно из данных sfo.spr.ru, в последнее время при получении слитков из циркониевых сплавов применяется электронно-лучевая плавка в сочетании с дуговой, чем достигается большая степень очистки сплава от летучих примесей за счет перегрева расплава и более глубокого вакуума. Такой рафинировочный способ плавки позволяет более эффективно использовать обороты трубного производства, вводя их в большем количестве в шихту брикетов.

Слитки перед последующей горячей обработкой (ковкой) не должны иметь трещин, раковин и других поверхностных дефектов. Небольшие дефекты устраняют механической обработкой или оплавлением поверхности.

Горячую обработку (ковку) слитков обычно ведут на прессах или молотах. Начальные деформации должны быть небольшими до тех пор, пока не будет разрушена литая структура. При ковке избегаются многократные нагревы с целью предотвращения газонасыщения, однако при ковке слитков диаметром более 300 мм подогревы необходимы для получения прутков требуемого размера.

Слой меди служит также своеобразной смазкой при выдавливании заготовок.

Циркониевые заготовки могут быть выдавлены и без медной оболочки, например, после нагрева в соляных ваннах. При этом на окисляющейся поверхности заготовок остается тонкий слой соли, действующий при выдавливании как смазка. Другим методом выдавливания циркония без оболочки является процесс Юджин-Сежурне, когда для уменьшения трения и налипания используется расплавленное стекло, действующее как вязкая смазка при выдавливании.

В зависимости от условий выдавливания коэффициент вытяжки может изменяться в пределах от 7 до 22. В широких пределах может изменяться и скорость выдавливания, но на практике она составляет 10-25 мм/с.

Для изготовления оболочечных труб чаще всего используют промежуточные трубы с толщиной стенки 5-8 мм и наружным диаметром 35-55 мм.

Свойства циркониевых труб в очень большой степени зависят от их текстуры. Анизотропный характер пластического течения, а также зависимость свойств от структуры и чистоты металла, создают определенные трудности при изготовлении труб с заранее заданной текстурой, обеспечивающей требуемые свойства материала, и обязывают применять в процессе их производства сложные схемы деформации. Текстура горячекатанных заготовок характеризуется тангенциальной ориентацией базисных полюсов плоскостей призм.

Следующей технологической операцией при производстве тонкостенных труб является их обработка на станах холодной прокатки. На прокатном оборудовании за один-два перехода из промежуточных труб получают трубы диаметром, примерно только вдвое превышающим диаметр готовой трубы. Степень деформации за переход при прокатке на станах ХПТ обычно составляет 40-70 % в зависимости от состава и состояния циркониевого сплава и размеров исходной трубы.

На начальной стадии холодной деформации иногда применяют сочетание прокатки и волочения. Однако волочение менее предпочтительно для получения заданной текстуры, обеспечивающей наиболее благоприятное распределение и ориентацию гидридов.

При прокатке происходит значительное упрочнение и разодев металла, вследствие чего возможно налипание металла на инструмент. Для предотвращения этого используют различные смазки и эмульсии, наносимые на обрабатываемый металл и подаваемые в очаг деформации. Прокатка труб на станах ХПТ неизбежно связана с неравномерностью деформации по сечению и длине трубы, которая зависит в основном от формы (геометрии) калибров, степени деформации за переход и величины подачи. Главным условием качественной прокатки является установление такого режима деформации, который обеспечил бы получение единообразия геометрии и текстуры по сечению в стенке труб.

Для снятия наклепа (деформационного упрочнения) и повышения вязкости трубы перед последующей прокаткой подвергают промежуточному отжигу, который проводят в вакууме с остаточным давлением не более 0,0133 Па, чтобы исключить заметное поглощение сплавом азота и кислорода, ухудшающих механические и антикоррозионные свойства сплавов. Температура отжига зависит от состава сплава и степени его холодной деформации, но для промышленных относительно малолегированных сплавов, какими являются циркалой и бинарные сплавы с 1 и 2,5 % Nb, она обычно составляет 580-700 °С. Длительность отжига выбирается с учетом массы загрузки, типа печи и составляет 1-2,5 ч.

Прокатка труб на конечный размер является одной из важнейших технологических операций, определяющих качество получаемых оболочечных труб. Если предыдущие операции холодной обработки имели целью уменьшить размеры передельных труб, приблизить их к размерам готовой трубы, улучшить качество поверхности и точность геометрических размеров по сравнению с исходной выдавленной трубой, а также заложить основы требуемой текстуры, то заключительная операция холодной прокатки и ее деформационный процесс формируют и определяют качество готовых изделий.

Подавляющее большинство стран и фирм, производящих циркониевые оболочечные трубы, используют для получения труб готового размера прокатку на пилигриммовых станах или на станах роликового типа — ХПТР. При прокатке труб на стане ХПТР основная деформация идет по стенке трубы (до 60 %) при сравнительно незначительном изменении ее среднего диаметра. При такой прокатке отношение деформаций по стенке и диаметру (показатель Q) достигает значения 4-5. Степень деформации при конечной прокатке выбирают с учетом требуемых свойств готовых труб, которые зависят не только от степени деформации, величины Q, но и от режима термообработки.

Окончательная термическая обработка готовых труб проводится с учетом требований по механическим свойствам, коррозии, сопротивлению ползучести и растрескиванию и условий предшествующей холодной деформации. Традиционным видом термической обработки готовых труб является вакуумный отжиг при температуре существования α-фазы. В последнее время с целью получения высокодисперсных структур труб из сплавов циркалой с интерметаллидными частицами, что повышает сопротивление модулярной коррозии, изучается возможность применения высокоскоростной обработки в β-фазе перед последней холодной деформацией. Температура окончательного отжига, определяющего комбинацию требуемых свойств оболочечных труб, должна быть точно определена и выдержана, так как даже небольшие изменения температуры могут оказать заметное влияние на свойства труб. Время отжига оказывает менее заметное влияние на свойства и структуру циркониевых сплавов.

В зависимости от конструкционных особенностей твэлов и условий их эксплуатации в разных реакторах фирмы применяют и разные режимы термомеханической обработки выпускаемых труб, в первую очередь относящиеся к заключительной стадии технологического процесса. Таким образом, представляется возможным регулировать те или иные свойства труб. Так, наиболее высокое сопротивление ползучести труб из сплава с 1 % Nb обеспечивается более полной рекристаллизацией. Зависимость ползучести от структурного состояния сплава циркалой-4 определяется уровнем напряжений. Наиболее высокую прочность оболочечные трубы имеют в отпущенном и частично рекристаллизованном состояниях. Изменение механических свойств холоднодеформированных труб при отжиге связано с процессами возврата и рекристаллизации.

К твэльным трубам предъявляются довольно жесткие требования по прямолинейности. Так, во многих спецификациях и технических условиях допустимый прогиб труб на длине 500 мм не должен превышать 0,5 мм. В некоторых случаях допустимый прогиб труб устанавливается в зависимости от их длины. Так, для труб длиной около 3 м допускается прогиб 0,8-1,2 мм на каждый метр длины. Правка труб осуществляется на роликовых правильных машинах.

При правке происходит не только изгиб, но и обжатие труб. Это вызывает дополнительные напряжения и, следовательно, локальное упрочнение металла и неоднородность текстуры, что создает остаточное напряжение в трубах. Все это отрицательно влияет на качество труб и, в первую очередь, на их сопротивление разрушению. Отрицательное воздействие правки труб на их качество можно существенно уменьшить, если, например, жесткие стальные ролики правильных машин заменить более мягкими- полиуретановыми.

Заключительной технологической операцией производства твэльных труб является обработка их поверхности, которая проводится для обеспечения необходимых коррозионных свойств труб — это основная цель, а также для корректировки диаметра труб. Эта операция включает травление труб в кислотном растворе и различного вида механическую обработку (шлифование, дробеструйную обработку и др.). Величина стравливаемого слоя трубы составляет 10-30 мкм.

После травления и промывки труб на их поверхности могут оставаться осажденные нерастворимые фториды, снижающие коррозионную стойкость труб. Допустимая концентрация фтора на поверхности труб, существенно не ухудшающая их коррозионное поведение, составляет 0,1-0,5 мкг/см2.

Для удаления фторидов с поверхности труб применяют разные методы: нейтрализацию в щелочных растворах (NaOH, КОН), шлифовку, полировку, дробеструйную обработку, струйное травление без доступа воздуха (для очистки внутренней поверхности) и др. Во многом выбор метода обработки поверхности определяется возможностями установившейся и освоенной технологии и экономическими факторами.

С повышением выгорания топлива и, как следствие, с увеличением длительности кампании работы твэлов свойства и особенно коррозия оболочки могут стать основным препятствием на пути решения этой задачи. С этих позиций и следует подходить ко всем технологическим операциям, которые в той или иной степени Могут оказать влияние на свойства и, в частности, коррозионное поведение твэльных труб.

Читайте также:

Updated: 17.08.2015 — 16:29
Энергетика. ТЭС и АЭС © 2012 Использование материалов с сайта разрешается при наличии на него активной ссылки без тегов nofollow и noindex.