Full Text

В связи с увеличением опасности повреждения и разрушения оболочек тепловыделяющих элементов при воздействии высоких уровней нагружения, температур и коррозионной среды в настоящее время в России и за рубежом активно ведутся работы по проверке и обоснованию возможности использования уже имеющихся сплавов циркония, а также по разработке и исследованию новых модифицированных сплавов в качестве материала для изделий активной зоны реакторов в новых эксплуатационных условиях [1]. Многолетний опыт отечественного и зарубежного реакторостроения показал, что успех создания конструкционных материалов для оболочек ТВЭЛов достигается при обеспечении высокого уровня трех основных факторов: комплекса физических, механических и технологических свойств (включая свариваемость), радиационной стойкости, совместимости с теплоносителем и топливным материалом. К оборудованию ядерных реакторов предъявляют повышенные требования по надежности, безопасности и экологическим характеристикам. Существенно повысились также требования к рабочим параметрам оболочек ТВЭЛов (рабочие температуры - 320-710 °С; достигаемые повреждающие дозы - 140-180 с.н.а.; окружные напряжения до - 80-120 МПа; увеличение ресурса - до 5-7 лет) [2]. Помимо эксплуатационных напряжений, после различных технологий изготовления и обработки с применением пластической деформации в цилиндрических заготовках могут появиться остаточные напряжения. Уровень технологических остаточных напряжений определяется в основном технологическими параметрами процесса изготовления, где особое значение имеет неравномерность пластических деформаций. Остаточные напряжения могут достигать значительных величин, вплоть до предела текучести и прочности материала, что часто приводит к разрушению конструкций еще при хранении или в первые часы эксплуатации при достаточно низком уровне эксплуатационных нагрузок. Опыт эксплуатации конструкций в различных областях техники и результаты многочисленных экспериментов показывают, что остаточные напряжения существенно влияют на надежность и долговечность машин и механизмов. Необходимо отметить, что остаточные напряжения могут играть как положительную, так и отрицательную роль в изменении прочности, жесткости, устойчивости и износостойкости изделий, определяя тем самым их работоспособность в эксплуатации при различных видах и условиях нагружения [3]. При благоприятном распределении остаточных напряжений возрастают прочность, работоспособность и долговечность металлопроката или изготовленных из него изделий. Имеются некоторые немногочисленные примеры благоприятного влияния остаточных напряжений на качество изделий и их дальнейшее поведение под нагрузкой. Сжимающие остаточные напряжения обычно играют положительную роль, так как они являются самозалечивающимися, однако для длинных тонких изделий под вертикальной нагрузкой сжатия возникает опасность потери устойчивости. При воздействии внешних нагрузок в процессе дальнейшей механической обработки или эксплуатации остаточные напряжения, суммируясь с напряжениями от внешних сил, могут превысить предел упругости, что приводит к неравномерной пластической деформации, потере устойчивости, короблению, искривлению, скручиванию и т.д. При высоком уровне напряжений и развитых микротрещинах иногда достаточно легких ударных нагрузок для наступления хрупкого излома. Понижение предела усталости также результат воздействия растягивающих остаточных напряжений в сочетании с напряжениями от внешних нагрузок, особенно растягивающих. ТВЭЛы являются прецизионными деталями, разрушение которых может привести к катастрофе. Именно поэтому необходимо разрабатывать методики учета технологических остаточных напряжений в эксплуатационных условиях циркониевых труб. В предположении, что остаточные напряжения после прокатки и окончательной термообработки имеют уровень ниже предела упругости циркониевого сплава, можно учесть остаточные напряжения по принципу суперпозиции совместно с эксплуатационными с целью определения предельных рабочих режимов, а также при оценке влияния геометрии трубной заготовки и механических свойств циркониевого сплава. Как показывают расчеты [4], при действии внутреннего давления в цилиндрических оболочках максимальными являются окружные (тангенциальные) напряжения, которые можно определить с учетом остаточных в виде (1) или в случае решения безмоментной теории оболочек [5] в виде (2) Для определения предельно допустимых эксплуатационных режимов воспользуемся критерием главных нормальных напряжений, согласно которому критериальное условие имеет вид , (3) где - предел прочности сплава. При подстановке выражения (2) в условие (3) с учетом формулы (1) и преобразований можно найти соотношение для нахождения предельно допустимых рабочих давлений в ТВЭЛах при известных уровнях технологических остаточных напряжений для различных циркониевых сплавов (таблица) и геометрии оболочек. Механические свойства и химический состав основных циркониевых сплавов оболочек ТВЭЛов [6] Сплав Химический состав σв σ0,2 δ, % Э110 Zr - 1 % Nb 370 340 32 Э125 Zr - 2,5 % Nb 450 280 25 Э635 Zr - 1 % Nb (1,1-1,3) % Sn - (0,3-0,4) % 650 580 21 В случае, если уровни остаточных напряжений известны, согласно разработанной методике можно найти предельные внутренние давления в оболочках ТВЭЛов. На рис. 1 представлены расчетные значения предельно допустимых внутренних давлений в зависимости от уровня окружных остаточных напряжений для различных сплавов циркония при радиусе срединной поверхности оболочки = 4,215 мм, с толщиной стенки h = 0,7 мм. Из рис. 1 видно, что уровень предельных давлений снижается при наличии высоких окружных остаточных напряжений. При этом уровень допустимых давлений выше в оболочках из циркониевого сплава Э110, ниже - для сплавов 125 и Э635 соответственно. Рис. 1. Расчетные значения предельно допустимых напряжений в зависимости от уровня окружных остаточных напряжений для различных сплавов циркония при радиусе срединной поверхности оболочки = 4,215 мм, с толщиной стенки h = 0,7 мм Разработанная методика позволяет также оценивать влияние толщины стенки оболочки и радиуса срединной поверхности оболочки на допустимые эксплуатационные давления с учетом остаточных напряжений, сформированных при изготовлении и обработке оболочечных труб. Исследования остаточных напряжений при холодной прокатке труб описаны во многих работах. Возникновение остаточных напряжений весьма нежелательно. Они могут вызвать значительное изменение размеров трубы после деформации, а также привести к разрушению [7]. Наличие остаточных напряжений в металле ухудшает физико-механические свойства. Формирование самоуравновешенной системы остаточных напряжений связано с неравномерностью пластической деформации по толщине стенки, периметру поперечного сечения и длине трубы. Высокие степени деформации по толщине стенки трубной заготовки при прокатке объясняются тем, что силы трения, которые действуют на металл со стороны оправки, в большей мере препятствуют продольной деформации металла, чем силы трения со стороны рабочей поверхности валка. Это происходит из-за так называемой волны, раскатываемой валками [8]. В работе [9] найдено распределение остаточных напряжений первого рода по толщине стенки трубы, которые достигают 10 МПа в некоторых опасных зонах. Притом изменения остаточных напряжений первого рода по периметру поперечного сечения, длине конуса деформации сечения и длине конуса деформации объясняются неравномерностью деформации металла в выпусках и в зоне. Весомая разница уровня остаточных напряжений в обкатанном и необкатанном рабочих участках объясняется условиями деформации металла в исследуемых сечениях. Таким образом, после каждого поворота трубы происходит алгебраическое суммирование остаточных напряжений, в результате которых величина их, как правило, уменьшается. Проводимая после прокатки термообработка значительно снижает уровень остаточных напряжений. Однако известно, что после окончательной термообработки трубы из циркониевых сплавов, как правило, подвергают правке - незначительной пластической деформации (1-4 %), которая, в свою очередь, может способствовать наведению и перераспределению дополнительных остаточных напряжений. Уровень и характер распределения остаточных напряжений после правки зависят от режима правки и механических свойств трубной заготовки после термообработки. Исследование остаточных напряжений в трубах размером 88 ´ 4 мм из сплава Э125 представлено в работе [10]. Напряжения определялись методом тензометрирования по анализу тензодатчиков, наклеенных на наружной и внутренней поверхности кольца шириной 10 мм. Средние значения деформаций определяли методом Давыденкова по замерам деформаций участков кольца до и после его нарезки. Среднее значение остаточного окружного (тангенциального) напряжения на наружной поверхности определялось по формуле где E - модуль Юнга, МПа; δ - изменение диаметра, мм; Dср - средний диаметр трубы, мм. Исследования показали, что величина окружных остаточных напряжений может достигать 220 МПа. Осевые (продольные) остаточные напряжения определялись после вырезки полос длиной 200 мм и шириной 10 мм. Таким образом, зная уровень остаточных напряжений, сформированных в процессе производства, можно учесть их наличие при расчете эксплуатационных режимов циркониевых оболочек ТВЭЛов. Зная эксплуатационные режимы в оболочках ТВЭЛов, построим зависимость максимальных окружных напряжений от внутреннего рабочего давления от 8 до 16 МПа с учетом технологических остаточных напряжений для циркониевых труб с различными толщинами стенки h = 0,3-0,9 мм (рис. 2). Рис. 2. Зависимость максимальных окружных напряжений в эксплуатационных режимах при внутреннем рабочем давлении от 8 до 16 МПа с учетом технологических остаточных напряжений для циркониевых труб с различными толщинами стенки h = 0,3-0,9 мм Из рис. 2 видно, что диапазон изменения максимальных окружных напряжений находится в пределах от 250 до 450 МПа. Это достаточно высокий уровень, так как пределы прочности для циркониевых сплавов составляют от 380 до 650 МПа, т.е. в эксплуатационных режимах необходимо контролировать уровень остаточных напряжений, так как может быть достигнут условный предел прочности и наступит разрушение, что недопустимо для таких прецизионных деталей, как оболочки ТВЭЛов. В литературе отмечено, что эксплуатационные уровни внутренних давлений достигают 16 МПа. На рис. 3 изображены предельные уровни окружных остаточных напряжений в зависимости от толщины стенки оболочки из циркониевых сплавов Э110, Э125, Э635. Из рис. 3 видно, что при известных уровнях рабочих внутренних давлений в циркониевых оболочках из условий прочности допустимы остаточные напряжения от 50 до 250 МПа. Как показывают исследования, это реальные значения по остаточным напряжениям, которые имеют место быть после прокатки, ряда технологических операций и термообработки. Уровень предельных напряжений растет с увеличением толщины стенки циркониевой оболочки. Рис. 3. Предельные уровни окружных остаточных напряжений в зависимости от толщины стенки оболочки из циркониевых сплавов Э110, Э125, Э635 Уровень допустимых эксплуатационных давлений показан на рис. 4 в зависимости от толщины стенки для различных радиусов срединной поверхности оболочки ТВЭЛов из сплава Э125 при наличии максимальных остаточных окружных напряжений 220 МПа. Из рис. 4 видно, что оболочки с меньшим радиусом срединной поверхности прочнее, т.е. выдерживают максимальные уровни внутренних давлений. Таким образом, в данной работе рассмотрены виды и процессы производства оболочек ТВЭЛов, применяемых в ядерных реакторах, с целью оценки уровня технологических остаточных напряжений с учетом физико-механических свойств циркониевых сплавов. Найдены предельно допустимые уровни внутренних давлений в оболочках. В предположении, что остаточные напряжения после прокатки правки и окончательной термообработки имеют уровень ниже предела упругости циркониевого сплава и могут быть учтены в расчетах по принципу суперпозиции совместно с эксплуатационными, определены предельные рабочие режимы с учетом влияния геометрии трубной заготовки и механических свойств циркониевого сплава. Разработана методика расчета предельно допустимых напряжений в зависимости от уровня окружных Рис. 4. Уровень допустимых эксплуатационных давлений в зависимости от толщины стенки для различных радиусов срединной поверхности оболочки ТВЭЛов из сплава Э125 при наличии максимальных остаточных окружных напряжений 220 МПа остаточных напряжений для различных сплавов циркония в случае, когда уровни остаточных напряжений известны. Определены предельные уровни окружных остаточных напряжений в зависимости от толщины стенки оболочки из различных циркониевых сплавов. Результаты расчета показали, что уровень максимальных эксплуатационных напряжений высок и сопоставим с пределами прочности для циркониевых сплавов, а значит, в эксплуатационных режимах необходимо контролировать уровень остаточных напряжений, так как может быть достигнут условный предел прочности и наступит разрушение, что недопустимо для таких прецизионных деталей, как ТВЭЛы.

About the authors

E. V Kuznetsova

Perm National Research Polytechnic University

Email: mellen75@mail.ru

D. A Melekhin

Perm National Research Polytechnic University

Email: dpm@pstu.ru

E. S Elistratova

Perm National Research Polytechnic University

Email: dpm@pstu.ru

D. V Vindokurov

Perm National Research Polytechnic University

Email: dpm@pstu.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 53

PDF (Russian) - 91

Refbacks

• There are currently no refbacks.