способ восстановления физико-механических свойств металла корпуса реактора

Классы МПК:C21D1/78 комбинированные способы термообработки, не предусмотренные в предыдущих рубриках 
Автор(ы):
Патентообладатель(и):Опытное конструкторское бюро "Гидропресс"
Приоритеты:
подача заявки:
1994-04-19
публикация патента:

Изобретение относится к области термической обработки высокопрочных или охрупченных /состарившихся/ в процессе эксплуатации металлов и может быть использовано в энергетике /энергомашиностроении/, в частности, при восстановлении физико-механических свойств охрупченных в процессе эксплуатации металлов корпусов энергетических реакторов атомных электростанций /АЭС/, в области физики, механики, металлургии. Кроме того, оно может быть использовано для изучения охрупчивания металлов и восстановления их свойств. Задача: увеличение эффективности восстановления физико-механических свойств металла. За время выдержки металл при температуре нагрева порядка Tн=/0,3-0,4/ Tпл, где Tпл - температура плавления восстанавливаемого металла, создают достаточно оптимальные условия для диффузии примесных элементов, а дополнительным созданием с помощью терморадиационных электронагревателей и охлаждения воздухом перемещающихся по объему металласградиентов температурного поля - направленное перемещение примесей. В результате в объеме металла исчезают локальные недопустимые концентрации примесных элементов и их среднюю концентрацию по объему доводят до допустимых значений. Отрицательное влияние примесных элементов в объеме восстанавливаемого металла уменьшается. Используя градиенты температурного поля, в объеме металла создают зоны сжатия и через них пропускают электрический ток.

Формула изобретения

Способ восстановления физико-механических свойств металла корпуса реактора, включающий нагрев, выдержку в течение заданного времени и охлаждение воздухом, отличающийся тем, что нагрев ведут до Tн (0,3 - 0,4)Т, выдержку осуществляют в течение времени, определяемого с учетом критериев длительной прочности металла и необходимой степени восстановления, во время выдержки в объеме восстанавливаемого металла создают температурное поле с таким расположением максимальных и минимальных температур во времени, при котором происходит диффузное перемещение примесных элементов по объему металла до момента уменьшения локальных концентраций примесей, усреднения их по объему восстанавливаемого металла до допускаемых значений, и создают зоны сжатия, через которые пропускают электрический ток.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области термической обработки высокопрочных или охрупченных (состарившихся) в процессе эксплуатации металлов и может быть использовано в энергетике (энергомашиностроении), в частности, при восстановлении физико-механических свойств охрупченных в процессе эксплуатации металлов корпусов энергетических реакторов атомных электростанций (АЗС), в области физики, механики, металлургии. Кроме того, оно может быть использовано для излучения охрупчивания металлов и восстановления их свойств.

На современных АЭС широкое распространение получили энергетические реакторы корпусного типа. Большинство корпусов энергетических реакторов представляют собой толстостенный цилиндрический сосуд с эллиптическим днищем. Диаметр корпуса 3-4 м, высота 12 м, вес более 00 г. Корпус изготавливают как из углеродистых сталей, так и из высокопрочных хромо-ванадиево-молибденовых сплавов по достаточно сложной технологии с применением ковки, сварки и многократных термических обработок.

В процессе эксплуатации в номинальном режиме материал корпуса подвергается воздействию внутреннего давления порядка 125-200 кгс/см2, температуры 250-300 oC и интенсивного облучения в районе расположения активной зоны реактора. В переходных и аварийных режимах корпус может подвергаться воздействию высоких термических напряжений, концентрированных нагрузок ударного типа, например, при разрывах трубопроводов или землетрясениях.

Внутренняя поверхность корпуса постоянно, а наружная в аварийных режимах омываются жидкими и газообразными средами, которые могут вызвать коррозию корпуса и изменить его внутреннюю структуру из-за диффузионного проникновения отдельных элементов внутрь металла.

В результате процесса эксплуатации реактора происходит снижение сопротивления хрупкому разрешению (повышение критической температуры хрупкости -Тк) металла корпуса.

Повышение температуры Тк в соответствии с действующей нормативной документацией происходит за счет температурного (теплового) старения металла, циклического механического нагружения и под действием нейтронного потока. В сумме с исходной критической температурой хрупкости (Тко) указанные температурные градиенты определяют критическую температуру хрупкости металла, которая не должна превышать температуру металла корпуса во время его эксплуатации (Tэ).

Если это условие не выполняется, корпус реактора продолжают эксплуатировать либо на пониженной мощности, либо металл корпуса подвергают термической обработке и продлевают в результате ресурс службы корпуса, либо снимают корпус с эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности по сравнению с предлагаемым способом является способ восстановления внутренних поверхностей цилиндрических стальных деталей, включающий создание в стенке детали вдоль ее оси градиента температур непрерывно-последовательно индукционного нагрева до 750-770oC и охлаждения водой со скоростью 200-300oC/с.

С помощью способа-прототипа можно получить максимальную пластичность сталей и малое сопротивление пластической деформации, что в свою очередь позволит восстановить необходимые геометрические размеры внутренних поверхностей деталей.

Недостатком способа-прототипа является неприемлемость для корпусов реакторов предлагаемых параметров нагрева и скоростей охлаждения металла как по общим конструктивным соображениям, так и по заложенной в прототипе необходимости доведения металла до пластического состояния, что недопустимо для корпусов реакторов.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности способа восстановления физико-механических свойств металла.

Указанный технический результат достигается за счет того, что при восстановлении физико-механических свойств металла цилиндрических стальных деталей путем создания в стенке детали вдоль ее оси градиента температур нагрева и охлаждения нагрев ведут терморадиационным электронагревателем со стороны внутренней поверхности детали до температуры Тн=(0,3-0,4)Tпл, где Тн температура нагрева, oC, Tпл температура плавления восстанавливаемого металла, oC, выдерживают при температуре нагрева в течение времени, определяемого с учетом критериев длительной прочности металла и необходимой степени восстановления, и охлаждают воздухом, причем во время выдержки в объеме восстанавливаемого металла создают локальную область нагрева с температурой Тн, которую перемещают с временными остановками как вдоль оси детали, так и по окружности, и обеспечивают этим диффузионное перемещение примесных элементов по объему металла до момента уменьшения локальных концентраций примесей, усреднения их по объему металла до допускаемых значений и сжатие металла локальной области нагрева, через которую пропускают электрический ток.

Нагрев до температуры Тн и последующая выдержка при этой температуре обеспечивают необходимую для восстановления металла интенсивность и продолжительность протекания диффузионных процессов в объеме металла.

Создание в процессе выдержки в объеме металла локальной области нагрева и перемещение ее вдоль оси изделия и по окружности в сочетании с временными остановками обеспечивают диффузионное перемещение примесных элементов по объему металла до момента уменьшения их локальных концентраций, усреднений, усреднения их по объему металла до допустимых значений.

Одновременно с обеспечением диффузионного перемещения примесей в локальной области нагрева, окруженной относительно холодным металлом, возникают зоны сжатия, через которые пропускают электрический ток. Под действием сжатия и электрического тока происходит уменьшение расстояний между атомами (ионами) кристаллической решетки металла, увеличение плотности электронного облака внутри металла и, как следствие, увеличение электромагнитных сил между атомами, уменьшение размеров образовавшихся в процессе старения пустот в металле или вообще их исчезновение-схлопывание.

В результате происходит восстановление физико-механических свойств металла, который только способом термического нагрева, выдержки и охлаждения и даже с помощью создания градиентов температур только вдоль оси детали либо совсем невозможно было бы восстановить, например, из-за значительного содержания примесей в его объеме или восстановить его с малой степенью восстановления из-за значительного содержания в его структуре дефектов в виде пустот.

Восстановление металла предлагаемым способом можно показать на примере восстановления (отжига) металла корпуса энергетического реактора типа ВВЭР-440.

Перед восстановлением металла с учетом имеющихся данных по охрупчиванию металла корпуса на момент восстановления примерно определяют время и необходимую степень восстановления металла. Для этого используют результаты испытаний образцов-свидетелей и нормативные требования по критериям длительной прочности металла корпуса. Разрабатывают программу восстановления корпуса с учетом выполнения ее с использованием электронно-вычислительных машин (ЭВМ).

Корпус реактора типа ВВЭР-440 состоит из сваренных между собой обечаек и эллиптического днища из высокопрочной стали 15Х2МФА. Марка сварочной проволоки СВ-10ХМФТ.

Нагрев металла восстанавливаемой части корпуса производят с помощью терморадиационных электронагревателей, которые размещают внутри корпуса. Электронагреватели состоят из нескольких секций и позволяют с помощью ЭВМ автоматически, а при необходимости и в ручном режиме, осуществлять процессы нагрева, выдержки и охлаждения. Контроль температуры металла производят с помощью термопар. Внутрикорпусные устройства при этом и теплоноситель в корпусе отсутствуют. При необходимости охлаждения наружной поверхности корпуса используют штатные станционные воздушные системы.

Со скоростью не более 20oC/ч разогревают заранее выбранную локальную область восстанавливаемого металла до температуры Тн= 460-990oC, обеспечивают перемещение ее переключением секций электронагревателей с временными остановками в течение заранее рассчитанного времени в пределах 100-150 ч как вдоль оси корпуса, так и по его окружности. Охлаждение корпуса производят со скоростью не более 30oC/ч.

При перемещении локальной области нагрева происходит перераспределение примесных элементов по объему металла до момента уменьшения локальных концентраций примесей и усреднения их по объему металла до допустимых значений.

Одновременно между локальными областями нагрева и окружающим менее нагретым металлом возникают градиенты температур, и как следствие, зоны сжатия металла локальной области нагрева, через которые пропускают электрический ток. Совместное воздействие сжатия на металл, увеличение внутри его объема плотности электронного облака и интенсификации диффузии примесных элементов под действием электрического тока обеспечивают более эффективное восстановление металла.

Достижение необходимой степени восстановления металла корпуса обеспечивается и контролируется поддержанием на требуемом уровне параметров режимов технологических операций и дополнительно, если это необходимо, результатами испытаний образцов-свидетелей, вырезанных из металла до и после его восстановления.

Использование предлагаемого способа восстановления свойств металла обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:

более высокую эффективность в части достижения необходимой степени восстановления металла, загрязненного неравномерно примесями и имеющего значительную степень старения;

с помощью предлагаемого способа возможно проведение большого объема научно-исследовательских работ по изучению физической природы охрупчиваания металлов и их восстановления.

Актуальность предлагаемого способа станет более очевидной, если учесть, что в настоящее время в эксплуатации во всем мире находятся около 420 реакторов и, примерно, к 2000 году остро встанет вопрос о продлении лицензий на эксплуатацию многих из них по причине их старения. Например, в 2000 году прекратится действие лицензий на эксплуатацию 40 американских АЭС, а к 2014 году 47. По оценкам экономистов выигрыш от продления сроков их службы до 60 лет превысит 100 млрд. дол. США.

Класс C21D1/78 комбинированные способы термообработки, не предусмотренные в предыдущих рубриках 

способ подготовки структуры стали к дальнейшей термической обработке -  патент 2526341 (20.08.2014)
способ термической обработки отливок из коррозионностойкой стали мартенситного класса -  патент 2526107 (20.08.2014)
способ производства деталей из стальных отливок -  патент 2509162 (10.03.2014)
способ термической обработки конструкционных сталей на высокопрочное состояние -  патент 2506320 (10.02.2014)
закаленная мартенситная сталь с низким содержанием кобальта, способ получения детали из этой стали и деталь, полученная этим способом -  патент 2497974 (10.11.2013)
способ изготовления инструментального композиционного материала -  патент 2483123 (27.05.2013)
способ термической обработки стали -  патент 2481406 (10.05.2013)
лист электротехнической стали с ориентированной зеренной структурой и способ его изготовления -  патент 2480535 (27.04.2013)
способ упрочнения плунжерных пар топливных насосов дизельных двигателей -  патент 2463358 (10.10.2012)
способ обработки поверхностей стальных деталей -  патент 2462517 (27.09.2012)
Наверх