Требования к сплавам для атомной электростанции: что нужно знать

Введение

Атомная электростанция – одна из самых требовательных к материалам сред на Земле. Сплавы, используемые внутри реактора, должны одновременно выдерживать экстремально высокую температуру, интенсивное излучение, высокое-давление воды или пара и постоянную угрозу коррозии - часто в течение 60 и более лет без замены. Если вы неправильно подберете материал, последствия будут варьироваться от дорогостоящих незапланированных остановок до, в худшем случае, радиоактивного загрязнения.

В этом руководстве объясняется, какие марки нержавеющей стали и никелевых сплавов используются на атомных электростанциях, почему был выбран каждый из них и какие международные стандарты регулируют их использование. Независимо от того, являетесь ли вы инженером, определяющим материалы для новой конструкции, профессиональным поставщиком стержней и пластин или просто человеком, интересующимся тем, как атомные станции строятся так, чтобы они служили долго, эта статья предоставит вам необходимые факты.

Ядерные материалы объясняют

Компоненты атомной электростанции сталкиваются с четырьмя одновременными угрозами, с которыми ни один обычный металл не может справиться в одиночку:

Высокая температура:Теплоноситель первого контура в реакторе с водой под давлением (PWR) работает при температуре примерно 315–343 градусов при давлении 155 бар. Реакторы с кипящей водой (BWR) работают при температуре около 285 градусов и давлении 75 бар.

Высокая радиация:Быстрые нейтроны и гамма-лучи вызывают смещение атомов в металлах, что приводит к набуханию, охрупчиванию и изменению механических свойств с течением времени - — явление, называемое радиационным повреждением или радиационным охрупчиванием.

Коррозия:Горячая-вода высокой чистоты с растворенным водородом (PWR) или вода, насыщенная кислородом (BWR), создает очень агрессивную электрохимическую среду, особенно опасную для сплавов, склонных к коррозионному растрескиванию под напряжением (SCC).

Длительный срок службы:Атомные станции лицензируются на 40–60 лет, а программы продления срока службы-продлевают срок службы компонентов до 80 лет. Материалы должны сохранять свойства на протяжении всего срока службы.

Аустенитные нержавеющие стали и суперсплавы на основе никеля- являются решением этой проблемы. Их гранецентрированная кубическая (FCC) кристаллическая структура устойчива к радиационному охрупчиванию, высокое содержание хрома образует самовосстанавливающийся оксидный слой, защищающий от коррозии, а повышенное содержание никеля обеспечивает исключительную прочность во всем диапазоне рабочих температур.

Никелевые сплавы на атомных электростанциях

Если есть один сплав, который определяет современную конструкцию PWR, то это сплав 690 (UNS N06690). Сплав 690 с номинальным составом 58 % никеля, 29 % хрома и 9 % железа был разработан специально для замены более старого сплава 600, который после нескольких лет эксплуатации оказался подвержен первичному коррозионному растрескиванию под действием воды (PWSCC) -, что привело к чрезвычайно дорогостоящему ремонту на заводах по всему миру.

Обозначение «TT» означает термическую обработку, контролируемую термическую обработку, при которой карбиды хрома выделяются на границах зерен. Эта микроструктурная модификация практически устраняет чувствительность к PWSCC. Сегодня каждый новый парогенератор PWR, выпускаемый по всему миру -, от AP1000 в Китае и США до EPR во Франции и Великобритании, - имеет трубки из сплава 690TT по стандарту ASME SB-163, обычно с внешним диаметром 19,05 мм и толщиной стенки 1,07 мм. Один большой парогенератор содержит около 10 000 трубок, каждая длиной до 21 метра.

Сплав 625обеспечивает мощное сочетание свойств для ядерной службы: более или равно 58 % никеля, 20–23 % хрома и 8–10 % молибдена. Его предел прочности в отожженном состоянии превышает 830 МПа, и он сохраняет превосходную ударную вязкость после нейтронного облучения. Эти характеристики делают сплав 625 предпочтительным материалом для внутренних частей активной зоны реактора, облицовки сопел корпуса реактора и конструктивных компонентов внутри корпуса реактора, где неизбежны как радиационное воздействие, так и коррозионный контакт с теплоносителем. Он соответствует ASME SB-443 (пластина) и ASME SB-446 (пруток).

Сплав 718 представляет собой дисперсионно--отвержденный никелевый-хромовый сплав с пределом прочности на разрыв, превышающим 1380 МПа в-состоянии возрастной закалки -, который входит в число самых высоких из всех доступных коррозионно--стойких сплавов. На атомных станциях он используется для изготовления высокопрочных-крепежей, прижимных пружин и внутренних устройств реакторов, которые должны сохранять точные механические размеры на протяжении десятилетий. Его сопротивление релаксации (постепенная потеря силы зажима при длительной нагрузке и высокой температуре) имеет решающее значение для болтовых соединений в системах теплоносителя реактора. Он соответствует ASME SB-637 и ASTM B637.

Сплав 600(UNS N06600) с содержанием никеля не менее 72 % и хрома 14–17 % был отраслевым стандартом для трубок парогенераторов PWR с 1960-х по 1980-е годы. Однако опыт эксплуатации показал, что в состоянии прокатного-отжига сплав 600 подвержен PWSCC в-первичной воде высокой температуры - - механизм коррозии, который приводит к межкристаллитному распространению трещин под действием растягивающего напряжения.

За несколько десятилетий промышленность потратила более 20 миллиардов долларов США на замену компонентов из сплава 600. Сплав 600 продолжает использоваться на некоторых старых заводах, но больше не предназначен для нового строительства. Понимание этой истории является важным контекстом для понимания того, почему сплав 690TT доминирует в современных спецификациях.

Марки нержавеющей стали для атомной энергетики

Марка 316Л(UNS S31603) и его-вариант с повышенным содержанием азота 316LN – это рабочие лошадки трубопроводов системы ядерного теплоносителя. Низкое содержание -углерода (меньше или равно 0,03 % C) предотвращает сенсибилизацию во время сварки, сохраняя коррозионную стойкость в зонах,-подверженных тепловому воздействию. Добавление азота в 316LN (0,10–0,16 % N) компенсирует снижение прочности, вызванное низким содержанием углерода, обеспечивая минимальный предел прочности на 0,2 %, равный 205 МПа -, что является важным требованием, поскольку ядерные трубопроводы должны соответствовать строгим стандартам целостности границ давления в соответствии с разделом III ASME, класс 1 NB.

Трубопроводы большого-диаметра 316LN, кованые по стандарту ASME SA-182 или ASME SA-376, образуют контур теплоносителя первого контура в реакторах PWR - — контур, по которому циркулирует горячая вода между корпусом реактора и парогенераторами. Это труба,-критичная для безопасности: отказ здесь является определением аварии с потерей теплоносителя (LOCA), исходного события при планировании аварийных ситуаций на ядерных объектах.

Марка 304Л(UNS S30403) — стандартный материал для защитных облицовок ядерных материалов, бассейнов отработавшего топлива, каналов дозаправки и резервуаров для хранения-большого объема. Его свариваемость превосходна, а низкое содержание-углерода исключает риск сенсибилизации на протяжении тысяч метров сварных швов в большой защитной конструкции. Плита и лист поставляются по стандарту ASME SA-240; трубы и трубки по ASME SA-312.

321 класс(стабилизированный титаном-) и 347 (стабилизированный ниобием-) указаны для компонентов, подвергающихся термическому циклированию - многократного нагрева и охлаждения -, таких как теплообменники, промежуточные контуры охлаждения и некоторые системы трубопроводов. Стабилизирующие элементы химически связывают углерод, предотвращая осаждение карбида хрома даже после длительного времени при температурах в диапазоне сенсибилизации (425–850 градусов). Оба сорта соответствуют ASME SA-240 (пластины) и SA-182 (поковки).

Циркониевые сплавы - Топливная оболочка

Ни одно обсуждение ядерных материалов не будет полным без упоминания циркониевых сплавов. Циркалой-4 и Zr-2.5Nb имеют поперечное сечение поглощения тепловых нейтронов-всего 0,18 барн, что примерно в 40 раз ниже, чем у нержавеющей стали, что делает их практически прозрачными для нейтронов, необходимых для поддержания цепной реакции. Топливные таблетки заключены в облицовочные трубки из циркониевого сплава (обычно наружный диаметр 9,5 мм, толщина стенки 0,57 мм), которые образуют первый барьер между радиоактивным топливом и теплоносителем. Хотя циркониевые сплавы не входят в ассортимент нержавеющей стали и никелевых сплавов, их роль объясняет, почему нержавеющая сталь ограничивается конструкционным применением за пределами самой топливной сборки.

Требования к ядерным сплавам: краткая справочная таблица

В таблице ниже представлена ​​сводная справочная информация для инженеров и групп по закупкам, определяющих сплавы для применения на атомных электростанциях.

Таблица 1. Основные сплавы и марки нержавеющей стали, используемые на атомных электростанциях, с применимыми стандартами. *Сплав 600 сохраняется на некоторых устаревших заводах; не указано для нового строительства. Циркалой указан только для справки.

Ядерные кодексы и стандарты: что регулирует квалификацию материалов

Ядерные материалы являются одними из самых строго регулируемых в любой отрасли. Материал не может просто соответствовать своим химическим и механическим характеристикам -, его необходимо отслеживать, тестировать, документировать и аттестовать в рамках программы обеспечения качества. Ключевыми структурами регулирования являются:

Нормы ASME по котлам и сосудам под давлением (BPVC), Раздел III: Основные нормы для ядерных сосудов под давлением, трубопроводов, насосов и клапанов в США и на многих международных рынках. Материалы должны быть указаны в утвержденных таблицах материалов (например, кодовый случай N-60 для сплава 690).

RCC-M (Французский ядерный кодекс): французский эквивалент, обязательный для реакторов EPR и широко используемый во всем мире. RCC-M M4105 закрывает трубки из сплава 690TT.

ASME NQA-1: Требования обеспечения качества для ядерных установок. Каждый сертификат на материал, запись о термообработке и отчет об испытаниях должны быть прослежены до уникального номера плавки.

10 CFR 50, Приложение B (NRC США): критерии обеспечения качества Комиссии по ядерному регулированию США для атомных электростанций, применимые ко всем материалам,-связанным с безопасностью.

Нормы безопасности МАГАТЭ (SSR-2/1): Требования Международного агентства по атомной энергии к проектированию атомных электростанций, на которые ссылаются регулирующие органы более чем 40 стран.

На практике это означает, что сертификат заводских испытаний (MTC) для трубок из сплава 690 ядерного-класса может занимать 10 и более страниц, в которых документируются химические свойства (термический анализ и анализ продукта), свойства на растяжение при комнатной и повышенной температуре, твердость, испытания на коррозию, контроль размеров и результаты не-неразрушающего контроля -, и все это подписано уполномоченным инспектором.

На что обратить внимание при покупке сплавов ядерного-класса

Группы по закупкам, выбирающие нержавеющую сталь или никелевые сплавы для использования в ядерной сфере, должны проверить следующее перед выдачей заказа на поставку:

Ядерная квалификация. Подтвердите, что материал одобрен в соответствии с применимыми нормами (ASME III, RCC-M, JSME или KEPIC) и что на заводе действует необходимая программа обеспечения качества ядерной продукции (NQA-1 или эквивалентная).

Отслеживание плавки: каждая деталь должна иметь уникальный номер плавки плавления. Смешивание плавок без документации является нарушением-норм в цепочках поставок ядерной продукции.

Проверка третьей стороной-. Уполномоченный ядерный инспектор (ANI) или утвержденная третья сторона должны засвидетельствовать и сертифицировать ключевые испытания на заводе. Требования к контрольной точке (W) и точке фиксации (H) определяются в заказе на поставку.

Положительная идентификация материала (PMI). Проверка соответствия полученного сплава заказанному сплаву на-XRF или OES на объекте обязательна для компонентов,-классифицируемых по безопасности.

Контрафактные и мошеннические товары (CFSI): ядерные закупки должны включать меры по предотвращению CFSI согласно NRC IN 2012-10. Закупайтесь только у утвержденных поставщиков, имеющих документированный список утвержденных поставщиков (ASL).

Заключение

Атомные электростанции требуют сплавов, которые выходят далеко за рамки стандартных промышленных марок. Сплав 690TT является эталоном для трубок парогенераторов именно потому, что он решает проблему PWSCC, которая преследовала сплав 600 на протяжении десятилетий. Сплавы 625 и 718 обеспечивают прочность и радиационную стойкость, необходимые для внутренних частей сердечника и крепежных деталей,-выдерживающих высокие нагрузки. Аустенитные нержавеющие стали -, особенно 316LN, 304L, и стабилизированные марки 321 и 347 - составляют основу трубопроводов охлаждающей жидкости, защитной оболочки и систем теплообмена.

Все эти материалы объединяет строгая квалификация: химические, механические испытания, отслеживание нагрева, соответствие нормам и независимая проверка. В атомной энергетике документация — это не бюрократия -, а инженерная честность. Выбор квалифицированного поставщика с проверенной программой качества ядерной продукции не является предпочтением; это требование.