Каштанов Александр Дмитриевич. Разработка и обоснование рекомендаций для выбора конструкционных сталей теплообменного оборудования реакторов на быстрых нейтронах с тяжелыми теплоносителями

brief description

Каштанов Александр Дмитриевич. Разработка и обоснование рекомендаций для выбора конструкционных сталей теплообменного оборудования реакторов на быстрых нейтронах с тяжелыми теплоносителями : диссертация ... кандидата технических наук : 05.16.01 / Каштанов Александр Дмитриевич; [Место защиты: Центр. науч.-исслед. ин-т конструкц. материалов "Прометей"].- Санкт-Петербург, 2010.- 119 с.: ил. РГБ ОД, 61 10-5/2320

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ "ПРОМЕТЕЙ"
УДК 669Л 5-194:621.039.526
На правах рукописи
04.2.01 0 58944
Александр Дмитриевич
РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ РЕКОМЕНДАЦИЙ ДЛЯ ВЫБОРА
КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ ТЕПЛООБМЕННОГО
ОБОРУДОВАНИЯ РЕАКТОРОВ НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ С
ТЯЖЕЛЫМИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯМИ
Специальность 05.16.01 — металловедение и термическая обработка металлов
и сплавов
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
2010 г. 
Содержание
Стр.
Введение 4
Глава I Современное состояние вопроса о взаимодействии сталей с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями. 14
1. Коррозионная стойкость 14
2. Влияние жидкого металла на прочностные характеристики 23
3. Постановка задачи исследования 26
4. Материалы для исследования 27
Глава II Прочность при кратковременном растяжении 30
1 .Результаты испытаний гладких образцов 30
2. Влияние надреза при растяжении 33
3. Диаграмма жидкометаллического охрупчивания 36
Выводы по главе II 37
Глава III Прочность при длительном нагружении 39
1. Методика исследования 39
2. Длительная прочность 39
3. Скорость ползучести 41
4. Влияние содержания кислорода в жидком металле 42
5. Влияние предварительного окисления 44
Выводы по главе III 44
з
Глава IV Циклическая прочность в контакте с жидкими металлами 63
1. Методика исследований . 63
2. Циклическая прочность при одноосном нагружении на стадии зарождения
трещины 65
3. Циклическая прочность на стадии распространения трещины 73
4. Скорость роста трещины в жидком металле 77
Выводы по главе IV 78
Глава V обсуждение полученных результатов. Научная новизна работы. Пути преодоления негативного влияния жидких металлов на механические свойства сталей 97
Определение величины поверхностной энергии при образовании трещин в контакте с жидким металлом и сравнении с воздухом 99
Выводы по главе V 103
Выводы по диссертации 105
Библиографический список 109
Приложения 116

bibliography

Выводы по диссертации.
1. Созданы уникальные экспериментальные стенды и разработана методика для испытаний материалов под напряжением в потоке жидкого свинца с принудительной циркуляцией свинцового теплоносителя с регламентированным содержанием кислорода, имитирующие условия эксплуатации теплообменного оборудования РУ на быстрых нейтронах.
2. В результате проведенных комплексных исследований влияния жидкометаллических теплоносителей на кратковременные и длительные свойства конструкционных сталей аустенитного и ферритно-мартенситного классов разработаны и научно обоснованы рекомендации для выбора материалов, проектирования и оценки допустимого срока эксплуатации теплообменного оборудования реакторов на быстрых нейтронах.
3. Экспериментально исследована коррозионно-механическая повреждаемость при длительном контакте с жидким свинцом кремнистых сталей аустенитного класса марки 10Х15Н9СЗБ и ферритно-мартенситного класса марки 10Х9НСМФБ, принятых в техническом проекте в качестве конструкционных материалов для реакторных установок типа БРЕСТ. Установлено, что стали марок 10Х15Н9СЗБ и 10Х9НСМФБ совместимы с жидким свинцом при температурах до 550°С и могут эффективно применяться для изготовления основных узлов теплообменного оборудования реакторов на быстрых нейтронах.
4. Показано, что хромоникелевые стали аустенитного класса с ГЦК кристаллической структурой, в том числе с повышенным содержанием кремния, имеют преимущество для работы в контакте с жидкими теплоносителями на основе свинца, поскольку не чувствительны к ЖМО в свинце и характеризуются меньшей скоростью окисления.
5. Выявлено влияние концентрации кислорода на поведение
конструкционных сталей в жидком свинце. Показано, что переход сталей в пассивное состояние при эксплуатации в жидком свинце зависит от концентрации кислорода и уровня действующих напряжений. Установлено, что для снижения скорости ползучести ферритно-мартенситной стали 10Х9НСМФБ при температурах 500-550°С необходимо поддерживать повышенное содержание кислорода в жидком свинце.
6. Прогнозирование длительной прочности конструкционных
материалов теплообменного оборудования РУ со свинцовым теплоносителем необходимо производить на базе экспериментальных данных, полученных в потоке жидкого свинца на образцах без следов фронтальной
жидкометаллической коррозии. При отсутствии таких данных допускается прогнозирование длительной прочности на основе результатов испытаний на воздухе с учетом следующих понижающих коэффициентов: 0,95 — для аустенитной стали 10Х15Н9СЗБ и 0,85 — для ферритно-мартенситной стали 10Х9НСМФБ.
7. Предложено при расчетах максимально допустимых напряжений в стальных конструкциях, находящихся в контакте со свинцовым теплоносителем, вводить деформационный критерий, ограничивающий предельную деформацию на уровне ~2%, что обеспечит эксплуатацию деталей в условиях существования на поверхности металла сплошной оксидной пленки, предотвращающей коррозионное повреждение и недопустимую деформацию конструкций.
8. Установлено, что пластичность и сопротивление МЦУ сталей с ОЦК кристаллической структурой снижается при эксплуатации в контакте с жидким свинцом, причем наличие острого надреза и закалка стали усиливают проявление этого эффекта. Показано, что уменьшить отрицательное влияние свинца возможно за счет целенаправленного выбора режима термической обработки.
9. Показано, что при использовании сталей с ОЦК решеткой для изготовления элементов конструкций РУ на быстрых нейтронах, испытывающих циклические нагрузки в малоцикловой области, необходимо учитывать допустимый коэффициент интенсивности напряжений, значение которого не должно превышать величины, приводящей к резкому увеличению скорости роста трещины. Экспериментально установлено, что для стали 10Х9НСМФБ значение допустимого коэффициента интенсивности напряжений составляет АКзб0;П5=37 МПа/м0,5 — для температуры 360°С и AK42°ins=45 МПа/м0,5 — для температуры 420°С (ins от англ. Instable — неустойчивы). При превышении этого значения развитие трещины в сталях с ОЦК решеткой в контакте с жидким свинцом может происходить лавинообразно.
10. На основании полученных результатов рекомендовано для предотвращения хрупкого разрушения деталей теплообменного оборудования РУ на быстрых нейтронах, изготовленных из сталей с ОЦК решеткой, избегать в процессе эксплуатации температурного интервала 360- 420°С.
11. По результатам исследований показано, что на аустенитной стали воздействия свинца практически не выявлено, и применение стали такого класса более предпочтительно.