Структура и свойства трубных полуфабрикатов из циркониевого сплава Э110 после радиальной ковки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.09, кандидат технических наук Заводчиков, Александр Сергеевич

• Заводчиков, Александр Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Заводчиков, Александр Сергеевич

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ НАИМЕНОВАНИЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ТЕКСТЕ ДИССЕРТАЦИИ.

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность.

Цель исследований.

Частные задачи.

Научная новизна работы.

Практическая ценность.

Реализация результатов в промышленности.

Положения, выносимые на защиту.

Достоверность результатов.

Личный вклад автора.

Апробация работы.

Публикации.

Структура и объем диссертации.

1. МАТЕРИАЛЫ ОБОЛОЧЕК ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ РЕАКТОРОВ ВВЭР.

1.1. Условия работы оболочек твэлов в реакторах.

1.2. Циркониевые сплавы для оболочек твэлов реакторов ВВЭР.

1.3. Структура и состав интерметалл идных фаз в сплавах циркония.

1.4. Пластичность и локализация деформации в сплавах на основе Ъх.

1.5. Выводы из обзора и постановка задачи исследования.

2.МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ СПЛАВА Э110 ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ТРУБНЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ РАДИАЛЬНОЙ КОВКИ.

2.1. Обоснование преимуществ процесса радиальной ковки.

2.2. Обоснование выбора материалы для исследования.

2.3. Методика измерен ия микротвердости.

2.4. Методика микроструктурных исследований.

2.5. Методика рентгенографического исследования текстуры деформированного металла.

2.6. Методика проведения механических испытаний и регистрации сигналов акустической эмиссии.

Выводы из Раздела 2.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ СПЛАВА Э110.

3.1. Анализ результатов измерения микротвердости.

3.2. Анализ результатов исследований изломов.

3.3. Металлографический анализ структуры.

3.4. Анализ текстуры трубных заготовок.

3.5. Анализ диаграмм пластического течения и акустическая эмиссия.

3.6. Оценка запаса пластичности.

3.7. Фрактографический анализ изломов.

3.8. Анализ результатов исследований.

4. ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ РАДИАЛЬНОЙ КОВКИ НА РАЗНОТОЛЩИННОСТЬ ТРУБНЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ.

4.1. Существующая схема производства труб для оболочек твэлов из сплава Э110.

4.2. Исследования разнотолщинности кованых заготовок из сплава Э110 .96 Выводы по Разделу 4.

5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОИЗВОДСТВА ТРУБНЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ И ТРУБ ИЗ ЦИРКОНИЕВЫХ СПЛАВОВ.

5.1. О пути проведения модернизации производства труб из циркониевых сплавов на ОАО «ЧМЗ».

5.2. Анализ результатов изготовления труб 09,10x7,73 мм из сплава Э110 с повышенным содержанием Бе и О по ТУ 001.392-2006.

5.3. Анализ результатов изготовления ТЯЕХ-заготовок 063,5x41,65 мм из многокомпонентного циркониевого сплава 2г-1,5№>-0,48п-0,2Ре-0,1Сг.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структура и свойства трубных полуфабрикатов из циркониевого сплава Э110 после радиальной ковки»

Актуальность

Федеральной целевой программой «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года» предусмотрено строительство и ввод в эксплуатацию новых типовых серийных энергоблоков атомных электростанций (АЭС) с усовершенствованной реакторными установками типа во до-водяного энергетического реактора-1200 (ВВЭР-1200). ВВЭР-1200 разрабатывается на основе серийной реакторной установки ВВЭР-1000, находящейся в эксплуатации в России и за рубежом, а так же на основании проектов реакторных установок, выполненных для Китая (АЭС «Тяньвань»), Индии (АЭС «Куданкулам») и Ирана (АЭС «Бушер»). В реакторе ВВЭР-1200 предусматривается увеличение тепловой мощности с 3000 МВт до 3200 МВт и срока службы с 30 до 60 лет.

Ужесточенные требования технического задания на реакторные установки ВВЭР-1200, предусматривают эксплуатацию ядерного топлива в условиях:

-специального водно-химического режима;

-повышенных рабочих температур и давления;

-повышенного паросодержания в теплоносителе.

Требования повышения глубины выгорания и увеличения эксплуатационного ресурса ядерного топлива при его работе в длительных циклах выдвигают новые требования к материалам и конструкции оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) и каркасов тепловыделяющих сборок (TBC). Так для TBC действующих реакторов ВВЭР-1000 приняты два варианта повышения ураноемкости: увеличение диаметра топливных таблеток в твэлах при одновременном уменьшении толщины оболочек твэлов и увеличение топливного столба при сохранении габаритных размеров TBC.

Этого же требует ужесточившаяся конкурентная борьба между российской:Топливной компанией «ТВЭЛ>> и фирмой Westinghouse (США) за топливные рынки; реакторов ВВЭР в, Восточной Европе. Так Топливная-компания- «ТВЭЛ» выиграла у фирмы Westinghouse (США) тендер на поставку ядерного топлива для АЭС «Темелин» (Чехия). Одним из основных условий тендера, являлось применение для изготовления оболочек твэлов циркониевого сплава Zr-1,0 Nb (Э110), выплавленного на основе циркониевой губки. В России циркониевая5губка в промышленном масштабе не производится. В губке производства фирмы Wah Chang (США) присутствует от 250 до 700 ррш железа и от 600 до 990 ррш кислорода.

Применение действующей технологии изготовления труб для оболочек твэлов, из сплава Э110, выплавленного на основе электролитического порошка, для получения оболочек твэлов из сплава Э110 с повышенным содержанием кислорода и железа привело к недопустимо высокому уровню брака. Анализ его причин показал, что наиболее эффективным образом эта проблема может быть решена за счет разработки и внедрения в серийную технологию принципиально новых технологических приемов изготовления трубных полуфабрикатов и труб из сплава Э110.

Результаты разработки технологии изготовления трубных полуфабрикатов и труб, полученных из них, предназначены для использования при модернизации циркониевого производства ОАО «Чепецкий механический завод», являющегося монопольным производителем циркониевой продукции в России. При планировании и выполнении работы необходимо было учесть, что металловедение циркониевых сплавов, предназначенных для использования в активной зоне ядерных реакторов; имеет множество особенностей, связанных с очень сложной многостадийной технологией производства тонкостенных труб для оболочек твэлов. Эта технология включает в себя процессы выплавки слитков^ горячую и холодную прокатку, прессование заготовок и множество этапов вакуумной термической обработки.

Следует принимать во внимание, что на структуру и свойства труб для оболочек твэлов и, соответственно, эксплуатационные свойства твэлов, оказывает влияние вся предыстория технологического процесса, в особенности, происхождение сплава, который может быть, изготовлен их электролитического порошка или губчатого циркония. Именно эти соображения вместе с данными литературного обзора, представленного в Разделе 1 настоящей диссертационной работы, позволили' приступить к исследованиям.

Целью исследований является металловедческое обоснование возможности создания однородной структуры трубных полуфабрикатов из сплава Э110, выплавленного на основе циркониевой губки или электролитического порошка, с помощью процесса радиальной ковки и внедрение этого процесса в серийную технологию изготовления труб используемых в качестве оболочек твэлов.

Частные задачи, которые следует решить для достижения этой цели:

1. Определить режимы пластической деформации и термической обработки в процессе изготовления трубных полуфабрикатов из сплава Э110.

2. Изучить влияние степени деформации при радиальной ковке на структуру, текстуру и технологическую пластичность сплава Э110.

3. Изучить влияние степени деформации при радиальной ковке на разнотолщинность трубных полуфабрикатов.

4. На основе данных, полученных при анализе структуры, текстуры, механических свойств и изменения разнотолщинности трубных полуфабрикатов из сплава Э110, обосновать оптимальные диапазоны деформации при радиальной ковке и режимы термической обработки трубных полуфабрикатов, обеспечивающие проведение последующей многостадийной холодной прокатки тонкостенных труб с суммарной деформацией более 90% без нарушения сплошности металла.

Научная новизна работы:

1. Показано, что при применении радиальной ковки циркониевого сплава Э110, выплавленного на основе губки или электролитического порошка, может быть получена мелкодисперсная равномерная по длине трубных полуфабрикатов структура с размером зерна (3. ,5)±1 мкм, которую, по действующей технологии, можно было получить только за три стадии холодной прокатки труб.

2. Установлено, что в трубных полуфабрикатах после холодной радиальной ковки возникает текстура, типичная для частично рекристаллизованного состояния. Последующий отжиг при 580°С в течение 2-х часов приводит к тому, что эта текстура приближается к той, которую необходимо получить в результате холодной прокатки труб.

3. Установлена зависимость изменения разнотолщинности трубных полуфабрикатов от степени деформации при холодной радиальной ковке. Показано, что снижение разнотолщинности трубных полуфабрикатов до <0,4мм, достигаемое степенью деформации при радиальной ковке, обоснованной в работе, позволяет обеспечить повышенную точность геометрических размеров труб используемых в качестве оболочек твэлов.

4. Показано, что однородность структуры, достигаемая режимами радиальной ковки и термической обработки, обоснованными в работе, позволяет вести последующую холодную прокатку труб с большими суммарными деформациями, по сравнению с действующей технологией, без нарушения сплошности сплава Э110, выплавленного на основе циркониевой губки или электролитического порошка циркония.

Практическая ценность:

1. Обоснованы, проанализированы и подготовлены для использования в серийной технологии режимы радиальной ковки и термической обработки трубных полуфабрикатов, гарантирующие выполнение повышенных требований к трубам из сплава Э110, выплавленного на различных основах.

2. На основе проведенных исследований создана и внедрена на ОАО «Чепецкий механический завод» технология изготовления трубных полуфабрикатов из сплава Э110, используемых для получения оболочек твэлов реакторов ВВЭР.

3. С применением новой технологии изготовлены трубы из сплава Э110, выплавленного на основе циркониевой губки, для TBC АЭС «Темелин» (Чехия). При этом за счет снижения уровня отбраковки труб по разнотолщинности и несплошности металла получен экономический эффект в 29,8 млн. рублей в год.

4. На основе исследований структуры и механических свойств сплава Э110, выплавленного на основе циркониевой губки или электролитического порошка, предложена эффективная универсальная технология производства труб для оболочек твэлов реакторов ВВЭР.

5. Внедрение универсальной технологии производства труб для оболочек твэлов позволили ОАО «Чепецкий механический завод» эффективно провести модернизацию прокатного передела за счет приобретения современных радиально-ковочных машин (РКМ) SKK-10 и SKK-14.

6. На основе новой технологии изготовления трубных полуфабрикатов из сплава Э110, разработана технология производства и изготовлены трубные полуфабрикаты из многокомпонентного сплава Zr-1,5Nb-0,4Sn-0,2Fe-0,1 Cr.

Реализация результатов в промышленности

С 2008 по декабрь 2010г. по разработанной технологии на ОАО «Пермский научно-исследовательский технологический институт» для ОАО «Чепецкий механический завод» изготовлено более 4000 штук трубных полуфабрикатов из сплава Э110, выплавленного на основе электролитического порошка, и 3200 штук трубных полуфабрикатов из сплава Э110, выплавленного на основе циркониевой губки.

С декабря 2010 года технология с применением собственных РКМ 8КК-10 и 8КК-14 для получения трубных полуфабрикатов используется в серийном производстве труб для оболочек твэлов из сплава Э110 на ОАО «Чепецкий механический завод».

Положения, выносимые на защиту

1. Способ получения мелкодисперсной и равномерной по длине заготовки структуры с размером зерна (3.5)±1 мкм для полуфабрикатов из сплава Э110 с применением процесса радиальной ковки.

2. Зависимость, связывающая разнотолщинность трубных заготовок со степенью деформации при холодной радиальной ковке.

3. Доказательства положительного влияния радиальной ковки на точность геометрических параметров полуфабрикатов из сплава Э110.

Достоверность результатов, полученных в диссертации, обеспечена

- использованием современных высокоточных приборов, оборудования и программного обеспечения для проведения исследований состояния металла на разных стадиях производства оболочечных труб; применением современных высокоразрешающих методов физического эксперимента (растровая электронная микроскопия и фрактография, оптическая микроскопия, рентгеноструктурный анализ, механические испытания, акустическая эмиссия), взаимно дополняющих друг друга;

- приведенными в работе полуколичественными численными оценками наблюдаемых эффектов,

- применением статистических методов для оценки экспериментально полученных взаимосвязей; сравнением полученных результатов с данными других исследователей, имеющимися в литературе.

Личный вклад автора

Основной объем экспериментальных исследований по теме диссертации был выполнен автором настоящей работы самостоятельно: При этом личный вклад автора, заключался в постановке задачи исследования, обосновании применения экспериментальных методик, обобщении полученных результатов. Автор внес определяющий вклад в разработку инструмента и оснастки для радиальной ковки, а также в создание и апробацию на ОАО «Пермский научно-исследовательский технологический институт» технологии производства полуфабрикатов труб из циркониевого сплава Э110. Им совместно с другими авторами подготовлен патент на способ получения полуфабрикатов и труб. Часть экспериментальных исследований была выполнена автором совместно с сотрудниками ОАО «Пермский научно-исследовательский технологический институт», ОАО «Чепецкий механический завод», Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», Института физики прочности и материаловедения СО РАН и Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». Опубликованные автором работы, отражающие содержание диссертации, написаны автором лично после обсуждения с соавторами.

Апробация работы

Основные материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 62-их и 63-их Днях науки студентов МИСиС: международных, межвузовских и институтских научно-технических конференциях (Москва 2007, 2008), 1У-ой и У-ой Евразийских научно-практических конференциях «Прочность неоднородных структур» (Москва, 2008, 2010), XIX Петербургских чтениях по проблемам прочности (Санкт-Петербург, 2010), Международной конференции «Ть2010 в СНГ» (Екатеринбург, 2010), научной сессии НИЯУ МИФИ-2011 (Москва, 2011), научных семинарах кафедр и лабораторий в ПГТУ и ИФПМ СО РАН.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 1 статья в рецензируемом журнале из перечня ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из Введения, пяти Разделов, Основных выводов, Списка использованных источников, включающего 104 наименования, и 1 Приложения. Работа содержит 143 страницы текста, 53 рисунка и 27 Таблиц.