1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Корпус атомного реактора предназначен для обеспечения безопасной изоляции ядерного топлива и охлаждающей среды от окружающей среды, а также для защиты от радиационного излучения. Основные условия и факторы, влияющие на работу корпуса атомного реактора, являются: высокие рабочие температуры, которые могут достигать нескольких сотен градусов Цельсия в зависимости от типа реактора; высокое давление, которое поддерживается для предотвращения образования пузырьков пара в теплоносителе и интенсивного нейтронного облучения [1-4]. Деградация материала проявляется в двух основных формах:
– радиационное охрупчивание, т. е. сдвиг критической температуры хрупкости (КТХ) Tₖ в область более высоких значений, что связано с трансформацией структуры материала под воздействием облучения;
– снижение пластичности, т.е. уменьшение работы разрушения и относительного удлинения.
В связи с перечисленными условиями работы корпус реактора обычно изготавливается из высокопрочных сталей 15Х2НМФА и 15Х2НМФА-А, способных выдерживать термические и механические нагрузки, обладающих более высокой динамической прочностью, значительно меньшим количеством потенциальных очагов разрушения (микродефектов), с которых начинается процесс откольного разрушения, по сравнению с обычной сталью [4, 5].
Кольцевые швы корпуса атомного реактора изготавливаются методом автоматической сварки под флюсом. Для сварки используются сварочные проволоки Св-08ХГИМТА,
Св-10ХГИМАА, Св-12Х2Н2МА и флюсы АНФ-18М, ФЦ-16 (ПНАЭТ-740-89). К проволоке предъявляются такие же жесткие требования по чистоте, как и к основному металлу, чтобы избежать интенсификации охрупчивания сварного соединения. Металл шва имеет литую столбчатую структуру с крупными зернами (400-500 мкм), что изначально делает его более склонным к хрупкому разрушению по границам зерен по сравнению с более мелкозернистым основным металлом [6].
Для обеспечения работоспособности сварного соединения в процессе эксплуатации в машиностроении применяют различные способы упрочнения [7-10]. Под упрочнением сварных швов понимается не только как повышение прочности, но и как комплекс мер по обеспечению их сопротивления хрупкому разрушению в течение всего срока службы.
Проведённый сравнительный анализ основных способов упрочнения сварных соединений по технологическим возможностям: степени упрочнения материала на поверхности, глубине упрочненного слоя по величине и знаку, глубине залегания остаточных напряжений и энергетическим параметрам предопределил применение для решения этой задачи волнового деформационного упрочнения (ВДУ) [10-15]. Этот метод основан на принципе нагружения деформационного очага, который осуществляется с помощью управляемого ударного потока энергии (рис. 1). Вытекающие из сущности процесса ВДУ факторы, такие как энергия ударов, статическая сила поджатия волновода с инструментом к упрочняемой поверхности, коэффициент перекрытия пластических отпечатков K и количество проходов являются основными технологическими параметрами метода ВДУ, управляя которыми обеспечивается качество и эксплуатационные свойства поверхностного слоя.
1 – генератор импульсов, 2 – боек, 3 – волновод, 4 – инструмент, 5 – упрочняемая поверхность;
А – энергия ударов, Рст – статическая нагрузка, s – скорость подачи детали относительно
инструмента, L1, L2 – длина бойка и волновода соответственно, d1, d2 – диаметр бойка и волновода
соответственно, f – частота ударов, δ – характерный размер пластического отпечатка,
b – ширина инструмента
Рисунок 1 – Схема нагружения поверхности при волновом деформационном упрочнении
В результате теоретических и экспериментальных исследований, посвящённых изучению технологических возможностей процесса волнового деформационного упрочнения и изложенных в работах [10-15], разработаны основные аспекты и закономерности влияния его на качество формируемого им поверхностного слоя и определяющих эффективность его применения на операциях упрочнения деталей.
Вместе с тем применение ВДУ для повышения критической температуры хрупкости (КТХ), являющейся ключевым параметром качества и работоспособности сварных соединений корпуса атомного реактора, требует решения ряда дополнительных вопросов, связанных со спецификой получения и условий эксплуатации сварных соединений. Под "повышением" КТХ обычно подразумевают не увеличение ее значения, а повышение сопротивления материала охрупчиванию, то есть минимизацию сдвига ΔTₖ в сторону более высоких температур в процессе эксплуатации. Поэтому все методы направлены на то, чтобы значение Tₖ оставалось как можно более низким в течение всего срока службы реактора.
Полномасштабные исследования влияния технологических факторов ВДУ на твердость, ударную вязкость, КТХ материала сварных соединений корпуса атомного реактора, являются целью настоящего исследования.
2 Материалы и методы
Для проведения комплексных лабораторных исследований процесса ВДУ сварных швов корпуса реактора применена специальная экспериментальная установка, предназначенная для упрочнения плоских поверхностей крупногабаритных деталей машин, реализующая технологическую схему , представленную на рис.1 и обеспечивающую следующие параметры ВДУ сварного соединения: энергия ударов 150 Дж, частота ударов 9 Гц, статическая сила поджатия волновода с инструментом к упрочняемой поверхности 40 кН, коэффициент перекрытия – 0,2-0,6 и число проходов – 1-2. В качестве инструмента выбран стержневой ролик со следующими размерами: диаметр 10 мм, ширина 40 мм.
В качестве исходных заготовок для получения исследуемых образцов приняты проб/имитаторы в виде плоских прямоугольных пластин, вырезанных из натурного сварного соединения корпуса реактора изготавливаемого на предприятии АО «АЭМ-Технологии» в г. Волгодонске.
Разработаны планы виброволнового деформационного упрочнения проб/имитаторов предусматривающие комплексное исследование критической температуры хрупкости сварных соединений и напряженного состояния сварных швов.
Для исследования влияния ВДУ на параметры качества и критическую температуры хрупкости сварного соединения в работе были приняты и изготовлены из упрочнённых проб/имитаторов согласно методике, принятой на предприятии изготовителе следующие образцы для: определения предела текучести при испытаниях на растяжение металла; испытаний на ударную вязкость; исследований твердости.
Методической основой исследований влияния ВДУ на параметры качества сварного соединения являлись методики, принятые на предприятии изготовителе корпуса реактора, что обеспечивало объективную сравнимость результатов исследований [16-18].
В качестве основных технических средств контроля и испытаний исследуемых образцов использованы: стационарный микротвердомер по методу Виккерса; машина испытательная электросервогидравлическая; копер маятниковый.
3 Результаты исследований
– испытания исследуемых образцов, вырезанных из упрочнённых ВДУ проб/имитаторов, на растяжение для определения предела текучести металла в установленных зонах сварного соединения;
– испытания исследуемых образцов с надрезом типа V на ударный изгиб, вырезанных из упрочнённых ВДУ проб/имитаторов, при температурах: (Тк – 10) ℃, Тк ℃, (Тк + 30) ℃, где Тк – критическая температура хрупкости.
Результаты испытаний на ударную вязкость представлены в табл. 1.
Таблица 1 – Изменение ударной вязкости образцов в разных зонах сварного шва после ВДУ
|
Зона сварного шва |
Температура испытаний, оС |
Ударная вязкость, КСVср, Дж/см2 |
|
Шов без ВДУ (надрез по оси шва) |
-10 |
165 |
|
-40 |
84 |
|
|
-50 |
31 |
|
|
Шов без ВДУ (надрез по линии сплавления) |
-30 |
238 |
|
-60 |
165 |
|
|
-70 |
49 |
|
|
Шов после ВДУ (надрез по оси шва) |
-10 |
85 |
|
-40 |
28 |
|
|
-50 |
16 |
|
|
Зона термического влияния (надрез на расстоянии 40 мм от оси шва |
-10 |
273 |
|
-40 |
173 |
|
|
-50 |
194 |
|
|
Основной металл |
-10 |
320 |
|
-40 |
149 |
|
|
-50 |
140 |
Определение критической температуры хрупкости (рис. 2) осуществлялось в точке пересечения кривой, построенной по измеренным данным, и линии, проведенной по значению ударной вязкости и определенной исходя из установленного предела текучести (без ВДУ предел текучести составил 455-555 МПа, KCV – 49 Дж/см2; после ВДУ предел текучести составил 526-604 МПа, KCV – 59 Дж/см2).
Для неупрочненных ВДУ образцов установлено значение критической температуры хрупкости сварного шва Тк = -47 ℃. Результаты определения КТХ сварного шва после ВДУ представлены в табл. 2.
1 – среднее значение ударной вязкости при различных температурах испытаний сварного шва
без ВДУ согласно табл. 1; 2 – среднее значение ударной вязкости при различных температурах
испытаний сварного шва после ВДУ согласно табл. 1; 3 – значение ударной вязкости определенной
по пределу текучести сварного шва после ВДУ; 4 – значение ударной вязкости определенной
по пределу текучести сварного шва без ВДУ
Рисунок 2 – Определение критической температуры хрупкости сварного шва
Таблица 2 – Результаты определения критической температуры хрупкости сварного шва
после ВДУ
|
№ |
Режимы ВДУ |
Сторона сварного соединения |
Тк, °С |
Примечание |
|
|
К |
Число проходов |
||||
|
1 |
0,2 |
1 |
наружная |
-44 |
с уменьшением температуры падает ударная вязкость |
|
2 |
0,4 |
1 |
наружная |
-24 |
|
|
3 |
0,6 |
1 |
наружная |
-12 |
|
|
4 |
0,2 |
2 |
наружная |
< -50 |
пересечения линий не установлено |
|
5 |
0,4 |
2 |
наружная |
> -10 |
пересечения линий не установлено |
|
6 |
0,6 |
2 |
наружная |
> -10 |
пересечения линий не установлено |
|
7 |
0,2 |
1 |
внутренняя |
-27 |
|
|
8 |
0,4 |
1 |
внутренняя |
-16 |
|
|
9 |
0,6 |
1 |
внутренняя |
-14 |
|
|
10 |
0,2 |
2 |
внутренняя |
-23 |
|
|
11 |
0,4 |
2 |
внутренняя |
-20 |
|
|
12 |
0,6 |
2 |
внутренняя |
-12 |
|
Результаты экспериментальных исследований изменения твердости по глубине сварного шва и зоны термического влияния сварного соединения, упрочнённого ВДУ, приведены на рис. 3. В зависимости от режимов ВДУ может быть обеспечена равномерная твердость материала сварного шва, материала зоны термического влияния и основного материала, или более высокая твердость желаемой области сварного соединения реактора (рис. 4). Следовательно, результатами процесса ВДУ и параметрами качества сварных соединений корпуса атомного реактора можно успешно управлять варьированием технологических факторов, для достижения поставленной цели.
Рисунок 3 – Изменение твердости в разных зонах сварного шва после ВДУ
Рисунок 4 – Распределение твердости вдоль упрочнённой ВДУ
поверхности пробы/имитатора
4 Обсуждение и заключение
В результате анализа экспериментальных данных выявлена наблюдающаяся в большинстве случаев закономерность, связанная со снижением ударной вязкости упрочненного ВДУ материала при уменьшении температуры испытаний (в области отрицательных значений температур). Вследствие этого, несмотря на положительное влияние увеличения предела текучести упрочненного ВДУ материала, критическая температура хрупкости сварного шва после ВДУ всегда выше по сравнению с неупрочненным материалом.
Результаты сравнительного анализа данных измерений твердости по Виккерсу, ударной вязкости обработанного ВДУ материала образцов сварных соединений реактора свидетельствуют, что свойства упрочненного ВДУ и неупрочненного материала существенно отличаются. Достигнутая в процессе выполненных экспериментальных исследований степень упрочнения составляет около 30 %. Таким образом, наличие эффекта влияния волнового деформационного упрочнения на свойства материала сварных соединений реактора можно считать доказанным.
Повышение твердости материала вследствие ВДУ в общем случае сопровождается снижением ударной вязкости, причем чем выше степень упрочнения, которая в эксперименте зависела от величины коэффициента перекрытия пластических отпечатков инструмента на обрабатываемой поверхности, тем больше снижается ударная вязкость материала. При этом число проходов определяет кратность воздействия волны деформации на обрабатываемый материал. Второй проход не дает существенного прироста свойств материала или его степени упрочнения, однако позволяет стабилизировать показатели качества поверхностного слоя и уменьшить разброс экспериментальных данных.
Установлено, что ВДУ способствует повышению предела текучести обработанного материала и, в зависимости от режимов, может оказывать разное влияние на изменение ударной вязкости материала и критическую температуру хрупкости (КТХ) образцов:
– выявлена часто наблюдаемая закономерность, связанная со снижением ударной вязкости упрочненного ВДУ материала при уменьшении температуры испытаний, в этом случае несмотря на положительное влияние увеличения предела текучести упрочненного ВДУ материала, КТХ сварного шва после ВДУ выше по сравнению с неупрочненным материалом;
– установлено существование режимов ВДУ, которым соответствует аномальная закономерность увеличения ударной вязкости при снижении температуры испытаний в области отрицательных значений, в этом случае КТХ сварного шва после ВДУ близка к КТХ неупрочненного материала;
– установлено существование режимов ВДУ, для которых характер кривой среднего значения ударной вязкости сварного шва при различных температурах испытаний соответствует КТХ в диапазоне -60…-70 ℃, что в 1,3…1,5 раза превышает значение КТХ неупрочненного ВДУ материала сварного шва.
Необходимо отметить, что наблюдаемый разброс значений ударной вязкости для упрочненных ВДУ образцов материала существенно больше по сравнению с разбросом значений ударной вязкости для неупрочненного материала, что снижает точность прогнозирования.
Можно уверенно утверждать о перспективности технологии ВДУ как способа влияния на температуру критической хрупкости сварных соединений корпуса атомного реактора. Потенциал технологии ВДУ экспериментально доказан, но далеко не исчерпан из-за ограниченности количества экспериментальных исследований в силу их трудоёмкости. Поэтому характер влияния многих технологических факторов ВДУ на изменение параметров качества, прочность и критическую температуру хрупкости сварных соединений корпуса атомного реактора требует своего изучения в рамках дальнейших исследований.
Благодарности. Авторы выражают благодарность д.т.н., профессору Киричеку А.В., к.т.н. доценту Баринову С.В., АО АЭМ – Технологии «Атоммаш» в г. Волгодонске за участие и проведении экспериментальных исследований.
