Сварка трубопроводов из аустенитной нержавеющей стали для АЭС в США
Сварка трубопроводов из аустенитной нержавеющей стали для АЭС США выполняется в соответствии с требованиями кода А8МЕ. С целью минимальной сенсибилизации сталей этим кодом предусмотрено ограничение в процессе сварки тепловой нагрузки путем контролирования силы сварочного тока н температуры промежуточных охлаждений. Запрещается многослойная сварку блоками. Рекомендуется шире использовать технологию получения многослойного шва путем наложения узких валиков.
Все трубопроводы из аустенитной нержавеющей стали последних АЭС проходят контроль в соответствии с инструкцией А5ТМ-А262 на отсутствие сенсибилизации материала. Так как к трубопроводам старых атомных электростанций США такого требования не предъявлялось, есть основание полагать, что сенсибилизация зон, подвергавшихся тепловому воздействию при сварке, имеет место на всех выполненных из стали 304 трубопроводах этих станций.
Трубы относительно малых диаметров из за интенсивного отвода тепла и более высокой температуры промежуточного охлаждения, по-видимому, имеют большую склонность к сенсибилизации.
На большинстве АЭС США, оборудованных легко-водными реакторами, в качестве материала переходных вставок трубопроводов первого контура и на всех АЭС для труб парогенераторов используется сплав инконель-600, который при определенных условиях проявляет склонность к МКР- В инконеле-600, как и у нержавеющих сталей типа 304 и 316, в результате воздействия опасных температур происходит выпадение карбидов хрома по границам зерен и обеднение этим элементом приграничных зон.
Избыточный кислород в теплоносителе легко-водных реакторов (0,2...0,4 мг/л при максимальном потоке), влияние которого на МКР трубопроводов из аустенитной нержавеющей стали и инконеля-600 не вызывает сомнения, образуется в теплоносителе вследствие радиолиза, при котором вода разлагается на кислород и перекись водорода. При температуре 175 °С перекись водорода, в свою очередь, разлагается на кислород и водород. Известно, что у бездействующих реакторов уровень избыточного кислорода в теплоносителе быстро поднимается почти до уровня насыщения при комнатной температуре (8 мг/л). С включением реактора в работу, когда температура теплоносителя становится значительно выше температуры кипения воды, уровень избыточного кислорода постепенно снижается. При температуре 175 °С он составляет 1 мг/л.
Так как для снижения уровня свободного кислорода вводить в теплоноситель кипящего реактора нелетучие присадки не представляется возможным, изучался вопрос присадки в теплоноситель водорода. Этим методом содержание свободного кислорода можно поддерживать на уровне 0,025...0,05 мг/л. Присадкой водорода также значительно снижается эффект радиолиза.
Напряжения в трубопроводном коитуре, включающем множество различной конфигурации и размеров труб и арматуры, слагаются из остаточных напряжений, полученных в процессе изготовления, и напряжений от рабочих нагрузок.
Если трубопроводы после их изготовления подвергались отпуску, то остаточные напряжения практически устраняются, однако термообработка монтажных сварочных швов обычно не практикуется. Поэтому этим местам в трубопроводе (особенно на действующих АЭС) должно уделяться постоянное внимание.
Остаточные напряжения в районе сварного соединения варьируют во всех направлениях. Наибольшее влияние на МКР имеют аксиальные растягивающие напряжения на внутренней поверхности труб. Исследования, проведенные компанией Дженерал Электрик и Арагонской национальной лабораторией, показали, что эти напряжения увеличиваются с уменьшением диаметра труб. Это происходит возможно потому, что число сварочных проходов в трубах большего диаметра больше. Остаточные напряжения сварных соединений труб, отличающихся только диаметром, лежат в диапазоне от 0,4 МПа для диаметра 660 мм до 1,05 МПа для диаметра 254 мм.
Грубая зашлифовка создает высокие остаточные напряжения, которые распространяясь на незначительную глубину (несколько десятых миллиметра), могут вызвать коррозионное растрескивание под напряжением.
Рабочие напряжения в трубопроводных системах обусловливаются нагрузками, которым они подвергаются в процессе эксплуатации (внутренним давлениям, собственному весу и весу протекаемой среды, тепловому расширению, тепловым градиентам, динамическим нагрузкам). Величины этих напряжений в США ограничиваются нормами Национального института Стандартов (А8М1). Однако в нормах США допусков на остаточные напряжения и МКР не предусматривается. Расчетное напряжение. Американской компанией Дженерал Электрик предложен «критерий норм расчетного напряжения», при котором коррозионное разрушение металла под напряжением может быть исключено. Для этого напряжения в трубопроводах из аустенитной нержавеющей стали необходимо поддерживать на 0,2 % ниже напряжения предела текучести при данной температуре, обусловленной кодом А5МЕ. Критерий формулируется следующим образом: где Рт + Рр — первичные мембранное и изгибающее напряжения; Зу — 0,2 % напряжения предела текучести при данной температуре; — вторичные напряжения (включая термические); Р — пиковое напряжение; Е — модуль упругости при данной температуре АЗМЕ; — сумма остаточных напряжений.
Однако это не значит, что МКР будет обязательно иметь место, если это правило не будет соблюдено. Исследование его продолжается, но уже сейчас им можно руководствоваться для определения участков трубопровода, имеющих высокий потенциал МКР. Обнаружение трещин. В США для обнаружения в трубопроводах АЭС несквозных трещин в настоящее время используется объемная техника контроля, а для сквозных— детекторы протечек. Основным средством объемного контроля является ультразвуковая дефектоскопия хотя ее эффективность при обнаружении и оценке МКР в аустенитных сталях несколько ниже из-за неупорядоченного и компактного расположения межкристаллитных трещин, а также высокой анизотропности зерен в сварном шве. Обнаружение межкристаллитных трещин в основном металле из-за анизотропии зерен затруднено, так как ультразвуковые волны при этом деформируются.
В настоящее время в США ведутся работы по повышению эффективности ультразвукового контроля, в том числе по использованию техники синтетической апертурной фокусировки для получения зрительного изображения трещин. Улучшение техники ультразвуковой дефектоскопии в США осуществляется, в первую очередь, за счет повышения чувствительности детекторов и применения аппаратуры с двух-плечевым искателем.
Несквозные трещины в трубопроводах первого контура, своевременно не обнаруженные средствами оперативного контроля, перерастают в сквозные с соответствующими протечками через них теплоносителя. Технические условия, регулирующие эксплуатацию АЭС в США, требуют обязательного наличия у действующих реакторов системы обнаружения и контроля протечек и устанавливают на протечки допустимые лимиты, согласно которым реакторная установка подлежит обязательному останову, если протечки составляют 2 г/мин в течение четырех или менее часов или 5 г/ мин при первом замере.