Контроль и обеспечение качества циркониевых оболочечных труб твэлов

Накопленный опыт эксплуатации твэлов в циркониевых оболочках показал достаточно высокую надежность и работоспособность оболочек. Такой результат оказался возможным, благодаря разработанному строгому подходу к требованиям и обеспечению качества на всех стадиях производства оболочек, начиная от получения циркония до изготовления твэлов.

Сплавы на основе циркония технологически сложны в изготовлении изделий, обладающих специфическими свойствами (высокое сродство к кислороду, азоту, водороду, резко выраженная анизотропия свойств, большая зависимость свойств от чистоты и структуры и др.). Этим объясняется то, что и в процессе производства оболочечных труб, и к готовым трубам предъявляются высокие требования к обеспечению заданных режимов обработки и качеству труб.

Высокое качество твэльных труб может быть достигнуто лишь при условии изучения и глубокого понимания всего технологического процесса и хорошо организованного контроля как технологического процесса, так и качества готовой продукции. Непременным условием получения труб высокого качества в условиях промышленного производства является стабилизация и строгая воспроизводимость каждой технологической операции отработанного технологического процесса.

Требования, предъявляемые к оболочечным трубам, должны быть увязаны с требованиями к качеству циркония и полуфабрикатов и к техпроцессам их изготовления. Эти требования отражены в стандартах на цирконий, сплавы и изделия из них, а в техдокументации — на техпроцессы и методы контроля.

Международным эталоном основных требований можно считать технические условия ASTM (Американского общества по испытанию материалов) на цирконий, отливки, полуфабрикаты и готовые трубы. В России основные требования сформулированы в технических условиях на указанные изделия.

Цирконий реакторной чистоты получают различными способами — магниетермическим восстановлением, применяемым в большинстве стран, иодидным рафинированием и электролизом расплавленных солей. Последний способ применяется в основном лишь в России. Требования к составу циркония различного происхождения значительно отличаются. Химический состав слитков циркониевых сплавов, идущих на изготовление оболочечных труб, должен удовлетворять требованиям, представленным в таблице ниже. Наиболее строго контролируют легирующие элементы Nb, Sn, Fe, Cr, Ni и примеси N, H, С, O, Si, оказывающие наибольшее влияние на механические и коррозионные свойства изделий. При горячей обработке циркониевых сплавов химический состав слитков не оказывает заметного влияния на технологический процесс и обрабатываемость изделий. Но при холодной обработке сплавов влияние примесей весьма заметно, поскольку многие из них существенно повышают твердость сплавов. Это вызывает необходимость увеличения промежуточных отжигов на переделах. В соответствии с установленными требованиями, твердость слитков из сплавов циркалой ограничивается значением 2000 МПа по Бринеллю, а сплава с 1,0 % ниобия — 1800 МПа. Помимо этого, методом ультразвуковой дефектоскопии контролируют сплошность слитков.

Химический состав промышленных циркониевых сплавов (в слитках) для оболочек твэлов (массовое содержание, %)

Марка сплава

Элемент

110

Э-110

P60802

Р60804

Р60901

Zi  — 1 % Nb

Zr — 1 % Nb

Циркалой-2

Циркалой-4

Zr — 2,5 % Nb

Nb

0,9-1,1

0,9-1,1

_

2,40-2,80

Sn

1,20-1,70

1,20-1,70

Fe

0,0500

0,0500

0,07-0,20

0,18-0,24

0,150

Cr

0,0200

0,0200

0,05-0,15

0,07-0,13

0,020

Ni

0,0200

0,0200

0,03-0,08

0,0070

0,0070

O

0,0600

0,1000

До 0,14

До 0,14

0,09-0,13

A1

0,0080

0,0080

0,0075

0,0075

0,0075

В

0,00005

0,00005

0,00005

Cd

0,00003

0,00003

0,00005

0,00005

0,00005

С

0,0200

0,0200

0,027

0,027

0,027

Co

0,0020

0,0020

0,0020

Cu

0,0050

0,0050

0,0050

0,0050

0,0050

Hf

0,0500

0,0500

0,01

0,01

0,01

H

0,0025

0,0025

0,0025

Mn

0,0020

0,0020

0,0050

0,0050

0,0050

N

0,0060

0,0060

0,0065

0,0065

0,0065

Si

0,0200

0,0200

0,0120

0,0120

0,0120

Ti

0,0070

0,0070

0,0050

0,0050

0,0050

Кованые заготовки после механической обработки также подвергают ультразвуковому контролю на отсутствие пор, раковин, включений, ликвационных неоднородностей и других дефектов. Кроме того, в отдельных случаях контролируют коррозионную стойкость заготовок.

Соответствующие требования предъявляются к прессованным трубам: контролируют механические свойства, равномерность химического состава по длине и сечению труб, качество поверхности и разностенность. Хорошо отработанный и стабилизированный технологический режим позволяет осуществлять этот контроль не постоянно, а периодически.

На всех стадиях прокатки труб тщательно контролируют состояние поверхности. При прокатке на конечный размер контролируют скорость и число ходов клети, чистоту и состав смазки, геометрические размеры труб, чистоту их поверхностей.

Высокие требования, предъявляемые к трубам для оболочек твэлов, регламентируются соответствующими техническими условиями, спецификациями стран-изготовителей труб, указанных на карте промышленных предприятий. В требованиях спецификаций разных стран есть много общего в методах контроля и контролируемых факторах, хотя они имеют и свои особенности, определяемые назначением труб и способом их производства.

Состояние наружной поверхности контролируют визуально в сравнении с эталонами. Жесткие требования предъявляют к внутреннему диаметру труб: допустимые отклонения внутреннего диаметра труб не должны превышать 0,06-0,1 мм, а по толщине стенки ±10 % толщины.

В некоторых спецификациях оговаривается допустимая овальность труб, определяемая как разность максимального и минимального диаметров трубы в данном сечении. Конкретное значение допустимой овальности зависит от диаметра и толщины стенки и устанавливается соглашением заказчика и поставщика труб. Обычно овальность не превышает 0,08-0,10 мм и обеспечивается технологией изготовления.

Прямолинейность труб характеризуется стрелой прогиба, которую контролируют с помощью индикатора часового типа. По общепринятым нормам стрела прогиба не должна превышать 1 мм на длине 1000 мм.

Большинство параметров труб контролируют методами неразрушающего контроля с использованием в основном высокопроизводительных автоматизированных установок с записью на ленту результатов контроля. Однако целый ряд важных параметров контролируют с использованием метода разрушающего контроля, который часто носит выборочный характер, по несколько образцов от каждой партии.

Обязательным является контроль механических свойств. Методы и температура испытаний, определяемые свойства и допустимые значения их в разных спецификациях различны, что определяется выставленными требованиями в соответствии с конструктивными особенностями твэлов и условиями их эксплуатации.

Механические испытания кольцевых образцов дают представления об анизотропии свойств оболочек, необходимые для расчета устойчивости оболочек против сплющивания при эксплуатации твэлов. Отдельными спецификациями на оболочечные трубы предусмотрены испытания труб до разрушения внутренним давлением при соотношении напряжений в тангенциальном и осевом направлениях 2:1, что близко к реальным условиям эксплуатации оболочек. Эти испытания позволяют определить удлинение и прочность труб в тангенциальном направлении, а также дополнительно оценить качество оболочки и точность соблюдения режимов и параметров техпроцессов изготовления труб.

Для подтверждения отсутствия загрязнения в процессе изготовления производится контроль готовых труб на содержание азота, водорода и углерода. Коррозионная стойкость труб при контрольных испытаниях в паре при температуре 400 °С характеризуется образованием на поверхности сплошной темной оксидной пленки. При этом максимальное увеличение массы образцов не должно превышать 22 мг/дм2 для сплавов циркалой и с 1 % Nb и 35 мг/дм2 — для сплава с 2,5 % Nb при 72-часовом испытании. При неудовлетворительных результатах допускаются более длительные испытания с соответствуюидам требованием по увеличению массы образцов.

Микроструктуру труб контролируют с целью определения величины зерна, которая обычно в оболочечных циркониевых трубах не превышает 10 мкм.

Рядом спецификаций и технических условий на трубы предусмотрены требования по коэффициенту ориентации гидридов Fn. Эта характеристика определяет стабильность процесса и текстуры труб. Численное значение Fn контролируется отношением общей длины радиально ориентированных по отношению к стенке гидридов и общей длины всех гидридов, наблюдаемых в поперечном сечении трубы, наводороженной до 0,01-0,02 %. К радиально ориентированным относятся гидриды, находящиеся внутри угла, образованного нормалью к поверхности трубы и линией под углом 45° к этой нормали, когда рассматривается поперечное сечение трубы. Регламентированное значение коэффициента Fn разными спецификациями ограничивается пределами 0,2-0,35.

Иногда предусматривают контроль деформационной способности оболочечных труб испытанием образцов внутренним давлением при температуре 400 °С и давлении 150 МПа в течение около 200 ч. Этот вид испытания наряду с определением сопротивления деформации труб по диаметру, как и гидрирование, позволяет оценить стабильность процесса изготовления труб.

Перечисленный выше большой перечень контролируемых параметров все же не гарантирует в полной мере надежность и работоспособность оболочек. Поэтому проводят дополнительные испытания, в частности, на ползучесть, длительную прочность, усталость и др.

Следует, однако, еще раз подчеркнуть, что наиболее надежным путем получения твэльных труб высокого и стабильного качества является оптимизация и стабилизация технологического процесса производства труб с учетом опыта их эксплуатации в различных реакторах.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock detector