Главная > Разное > Концепция безопасности «течь перед разрушением» для сосудов и трубопроводов давления АЭС
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

2.7. Исследование влияния старения в условиях эксплуатации (100 тыс. ч) на статическую и циклическую трещиностойкость

Исследованию подвергался металл главного циркуляционного трубопровода Ду 500 первого контура реактора ВВЭР-440 КолАЭС после 100 000 ч эксплуатации. Это металл плавки 160679, химический состав которого представлен в табл. 33, а механические свойства — в табл. 34.

Кроме того, исследовали контрольный металл, вырезанный из трубопровода, не бывшего в эксплуатации. Механические свойства стали в исходном состоянии определяли в соответствии с ГОСТ 1497-84. Стандартные образцы диаметром 6 мм для определения механических свойств исходного металла трубопровода были вырезаны в осевом и окружном направлениях и испытаны на осевое растяжение на испытательной машине

Таблица 33. Химический состав металла трубопровода плавки 160 679

Таблица 34. Механические свойства после 100 000 ч эксплуатации

Таблица 35. Механические свойства стали 08Х18Н10Т, трубопровода Ду 500 при комнатной температуре

Таблица 36. Механические свойства стали 08Х18Н10Т, трубопровода Ду 500 при температуре 573 К

Испытания образцов проведены при комнатной температуре и 573 К. (табл. 35, 36). По результатам испытания образцов, вырезанных в осевом и окружном направлениях, можно сделать вывод об отсутствии анизотропии механических свойств металла трубопровода Ду 500 как при комнатной температуре, так и 573 К. Увеличение температуры испытания до 573 К приводит к снижению прочностных характеристик и почти к двукратному снижению относительного удлинения.

Отметим закономерное снижение прочностных характеристик металла с увеличением температуры испытания до 573 К и такое же двукратное снижение относительного удлинения, как и для исходного металла.

Рис. 82. Схема вырезки из трубы и маркировки компактных образцов

Тем не менее, приведенные в табл. 33—36 данные свидетельствуют о том, что механические свойства и химический состав металла трубопроводов находятся в пределах, регламентируемых техническими условиями. И хотя отсутствуют сведения о механических свойствах металла плавки 160 679 в исходном состоянии, нет оснований делать вывод о каком-либо влиянии продолжительной эксплуатации на механические свойства металла трубопровода. Для определения характеристик статической трещиностойкости стали 08Х18Н10Т в исходном состоянии были использованы компактные образцы толщиной 30 мм, вырезанные таким образом (рис. 82), что направление распространения трещины соответствовало или направлению оси трубопровода (образцы серии 1А, Д) или совпадало с окружным направлением в трубопроводе (образцы серии 1 В, К). При толщине стенки трубопровода 34,5 мм реализована максимальная толщина образца 30 мм и сохранены соотношения размеров компактного образца, рекомендуемые ГОСТ 25.506-85 7.

Компактные образцы из металла трубопровода после длительной эксплуатации (образцы серии Д и К) имели толщину 25 мм и стандартное соотношение размеров, а также толщину 20 и 30 мм. Меньшие размеры по толщине компактных образцов, вырезанных из металла трубопровода после длительной эксплуатации, обусловлены меньшей толщиной стенки трубопровода после механической обработки.

Рис. 83. Модифицированный образец для испытаний на статическую трешиностойкость

С учетом малого количества металла трубопровода после длительной эксплуатации и, соответственно малого числа образцов, из половинок испытанных компактных образцов исходного металла и металла после длительной эксплуатации были изготовлены, так называемые модифицированные компактные образцы толщиной 20 мм (рис. 83). Испытание этих образцов в одинаковых условиях позволило получить дополнительную информацию о статической трещиностойкости исследуемого материала.

Испытания компактных образцов проведены на гидравлической машине Шимадзу в соответствии с ГОСТ 25.506-85 при комнатной температуре и 573 К. В этих же условиях испытаны и модифицированные компактные образцы.

В процессе нагружения образцов регистрировали диаграмму P-V(нагрузка P — смещение берегов надреза V на установочных призмах, закрепляемых на торце образца по обе стороны от надреза).

Рис. 84. Блок-схема установки для испытаний компактных и модифицированных образцов на статическую трешиностойкость: 1 — образец; 2 — датчик силы; 3 — датчик смещения; 4 — источник тока; 5 — компаратор напряжения; 6 — двухкоординатный самописец

Нагрузку на образце регистрировали с помощью расходного датчика силы, смещение берегов надреза — с помощью датчика смещения, помещаемого в установочные призмы.

Сталь 08Х18Н10Т является пластичным материалом не только в исходном состоянии, но и после длительной эксплуатации в условиях главных циркуляционных трубопроводов первого контура реактора ВВЭР-440. Поэтому сопротивление ее разрушению может характеризоваться лишь условным значением критического коэффициента интенсивности напряжений. Характеристиками трещиностойкости стали 08X18Н10Т служили упругопластическая вязкость разрушения — интеграл и критическое раскрытие вершины трещины определяемые по моменту старта трещины.

Для регистрации момента старта трещины использовали метод разности электрических потенциалов (РЭП). Через образец пропускали электрический ток до 30 А. Потенциальные контакты устанавливали по обе стороны от вершины трещины (метод двухстороннего расположения контактов), чем достигалась наибольшая чувствительность метода к подросту трещины. Регистрировали диаграмму , где — изменение потенциала между двумя точками у вершины трещины. Блок-схема установки для испытания контактных и модифицированных компактных образцов показана на рис. 84. Начало роста трещины в образце связывается с отклонениями сигнала от линейной зависимости на участке развитого пластического течения образца (рис. 85).

Рис. 85. Характерная зависимость сигнала при испытании компактных и модифицированных компактных образцов на статическую трешиностойкость

Таблица 37. Средние значения характеристик трещиностойкости стали 08Х18Н10Т в исходном состоянии в осевом и окружном направлениях при комнатной температуре

Таблица 38. Средние значения характеристик трещиностойкости исходного металла трубопровода Ду 500 при 573 К на момент старта трещины (данные подроста трещины)

Таким образом, по результатам испытания одного образца можно определить по два различных значения — интеграла и критического раскрытия вершины трещины соответствующих различным состояниям нагружаемого образца: на момент старта трещины, регистрируемого с помощью метода РЭП, и после подроста трещины на величину выявляемую с помощью метода термического окрашивания излома, рекомендуемого ГОСТ 25.506-85.

Последние результаты использовали для построения -кривых — кривых сопротивления материала росту трещины и определения по ним — интеграла и критического раскрытия вершины трещины.

Результаты испытаний представлены в табл. 37—41 и на рис. 86.

В таблицах даны средние значения характеристик трещиностойкости.

Таблица 39. Средние значения характеристик трещиностойкости стали 08Х18Н10Т после 100 тыс. ч эксплуатации трубопровода Ду 500 по результатам испытаний 12 компактных образцов (по три образца на одно состояние) толщиной 25 мм

Таблица 40. Средние значении характеристик трещиностойкости по старту трещины в стали 08Х18Н10Т после 100 тыс. ч эксплуатации трубопровода Ду 500 по результатам испытаний компактных образцов толщиной 25 и 20 мм

Таблица 41. Средние значения характеристик трещиностойкости при комнатной температуре исходного металла и металла трубопровода Ду 500 после 100 тыс. ч эксплуатации (модифицированные образцы)

Сравнение результатов испытаний показывает, что такие факторы, как температура испытаний, время эксплуатации до 100 000 ч и направлений вырезки образцов (осевые, окружное) не существенно влияют на статическую трещиностойкость стали 08X18Н10Т.

Циклическую трешиностойкость металла трубопровода Ду 500 исследовалаеь в исходном состоянии и после длительной эксплуатации при комнатной температуре 573 К.

Рис. 86. -кривые для металла трубопровода Ду 500 в исходном состоянии и после длительной эксплуатации, испытанного при комнатной и эксплуатационной температурах

Циклическую трешиностойкость исследовали 1) на образцах из стали 08ХН10Т (рис. 87), вырезанных из труб в состоянии после длительной эксплуатации на КолАЭС в течение 100 тыс. ч; на образцы были нанесены исходные надрезы, ориентированные вдоль оси трубы (маркировка «Д») и поперек — маркировка «К»; 2) на модифицированных компактных образцах (рис. 88) из труб в исходном состоянии и после длительной эксплуатации.

Эти образцы имели надрез в направлении оси трубы.

Развитие усталостной трешины в процессе испытаний автоматически регистрировали с помощью установки, на которой реализован метод РЭП. Для записи трещины по методу РЭП образцы подготавливали следующим образом. На середине толщины верхней и нижней граней образца (см. рис. 87,б) на расстоянии 20 мм от торца сверлили отверстия на глубину 10 мм, в которых нарезали резьбу М4. В резьбовые отверстия ввинчивали латунные токовводы, через которые по образцу пропускали постоянный электрический ток. Сила тока обычно составляла 5 А. К образцу в определенных точках 1, 2, 3 и 4 конденсаторной сваркой приваривали контакты — отрезки нихромовой проволоки длиной 10—20 мм.

Рис. 87. Образец для испытаний на циклическую трешиностойкость (a) и положения измерительных (7, 2) и {3, 4) и токоподводяших (А) контактов (б)

Контакты соединяли с измерительной схемой установки втулками и гибкими проводниками. При проведении испытаний в условиях повышенных температур медные гибкие проводники диаметром 0,2—0,3 мм изолировали друг от друга и установки надетыми на них керамическими трубочками. Проводники, соединяющие образец с измерительной схемой установки, не экранировали.

Рис. 88. Модифицированный компактный образец для испытаний на циклическую трешиностойкость

В ходе эксперимента на диаграмме электронного самописца КСП-4 записывали поочередно значения напряжений где — напряжение между контактами 1 и 2, а — между контактами 3 и 4. Мерой длины трещины являлось отношение которое изменялось с ростом трещины. Длину трещины определяли по градуировочному графику вида где l — текущая длина трещины, a b — ширина образца.

Метод РЭП — косвенный метод измерения длины трещины и поэтому для каждого типа образца необходимо предварительно получить градуировочную зависимость. Графики вида являются универсальными, так как они пригодны для использования при любых температурах испытаний образцов.

Для нагрева образцов до необходимой температуры использовали разъемный нагреватель коробчатого типа мощностью 2,5 кВт. Выход на режим при температуре 573 К составлял 75 мин. Температуру образца измеряли с помощью хромель-алюмелевой термопары и вольтметра В7-27. После выхода на заданный температурный режим перед началом испытаний (приложения циклической нагрузки) давали выдержку 30 мин. Испытания проводили на гидропульсаторе ЦДМ ПУ-10, частота нагружения составляла 12,5 Гц, температура 293 и 573 К.

Для оценки сопротивления росту усталостных трещин в образцах из материала после длительной эксплуатации было изготовлено и испытано 14 образцов.

Рис. 89. Диаграмма циклического разрушения при комнатной температуре стали 08Х18Н10Т в состоянии после длительной эксплуатации

В результате обработки диаграмм записи роста усталостных трещин получили:

1) данные о числе циклов, затраченных на зарождение усталостной трещины, и числе циклов необходимых на ее распространение — где N — общее (полное) число циклов до разружения образца;

2) кривые роста усталостных трещин для разных режимов испытаний;

3) диаграммы циклического разрушения , где dl/dn — скорость роста усталостной трещины, а — размах коэффициента интенсивности напряжений.

Рис. 90. Диаграмма циклического разрушения стали 08X18Н10Т в состоянии после длительной эксплуатации при

Диаграммы циклического разрушения аппроксимировали степенной функцией Париса и определяли значения эмпирических коэффициентов m и c

На рис. 89,90 показаны зависимости скорости роста усталостной трещины от размаха коэффициента интенсивности напряжений для стали 08X18H10T после длительной эксплуатации при 293 и 573 К, соответственно. Направление трещины в материале — вдоль оси трубы. Аналогичные диаграммы усталостного разрушения для этой же стали и тех же температур показаны, соответственно, на рис. 91, 92 для трещины, ориентированной в окружном направлении.

Таблица 42. Значение эмпирических коэффициентов m и c для стали 08Х18Н10Т после длительной эксплуатации

Рис. 91. Диаграмма циклического разрушения стали 08Х18Н10Т в состоянии после длительной эксплуатации при комнатной температуре

Рис. 92. Диаграмма циклического разрушения стали 08Х18Н10Т в состоянии после длительной эксплуатации при 573 К

На рис. 93 представлены аппроксимированные на среднем участке по формуле Париса диаграммы усталостного разрушения исследованной стали при 293 и 573 К, а в табл. 42 приведены соответствующие значения эмпирических коэффициентов m и c.

Из представленных на рис. 93 аппроксимированных зависимостей видно, что направление роста трещины в исследованном материале незначительно влияет на скорость роста в нем усталостной трещины. Так, например, при скорость трещины в осевом направлении примерно на 30% ниже значения скорости в окружном направлении. С увеличением температуры испытаний и размаха коэффициента интенсивности напряжений это различие существенно уменьшается.

Рис. 93. Диаграммы циклического разрушения стали 08X18H10T в состоянии после длительной эксплуатации, апроксимированные формулой Париса

Результаты сравнительных испытаний на циклическую трешиностойкость металла в исходном состоянии и после длительной эксплуатации получены на модифицированных компактных образцах, изготовленных из половинок разрушенных компактных образцов, показанных на рис. 94.

В силу малой длины возможной усталостной трещины в модифицированных образцах было принято решение провести сопоставление по числу циклов распространения трещины от надреза на постоянную длину. Эта длина задавалась отношением сигналов равным 0,2, что соответствовало длине трещины 4 мм.

Всего было изготовлено и испытано 16 образцов. 8 из них было изготовлено из исходного металла трубопровода Ду 500 и 8 из материала трубопровода после эксплуатации в течение 100 тыс. ч на КолАЭС. Направление развития трещины было ориентировано на всех образцах вдоль оси трубы.

Рис. 94. Живучесть модифицированных компактных образцов при 293 и 573 К после эксплуатации в течение 100 тыс. ч

Цель эксперимента состояла в том, чтобы провести сравнение по сопротивлению развитию усталостной трещины исходного металла и металла после длительного срока службы при комнатной температуре и 573 К.

Для того чтобы такое сопоставление провести, был использован метод РЭП. Это позволило записать для каждого образца диаграмму роста трещины и установить момент ее старта.

Испытания проводили при одинаковых начальных параметрах цикла нагружения: максимальная нагрузка цикла составляла 10 кН, минимальная — 3 кН. После окончания эксперимента на каждом образце производили замер усталостной трещины. Измерения проводили на инструментальном микроскопе с цифровым отсчетом марки ИМЦ-100А. Длину трещины, измеренную с лицевой стороны, обозначили с обратной стороны — затем вычисляли среднюю длину трещины.

На рис. 94 показаны экспериментальные данные о живучести модифицированных компактных образцов двух состояний, испытанных при 293 и 573 К. Видно, что результаты имеют существенный разброс для материала обоих состояний, испытанных при комнатной температуре. Одна из причин — различная острота исходного надреза, что реально имело место в изготовленных образцах.

Результаты испытаний образцов при температуре 573 К более стабильны для обоих состояний стали 08XI8H10T. Видимо, температура снижает влияние остроты надреза на период образования усталостной трещины и ее дальнейшее развитие.

По испытаниям модифицированных компактных образцов можно сделать вывод о том, что несмотря на разброс экспериментальных данных материалы мало отличаются друг от друга по сопротивлению росту в них усталостных трещин. Вместе с тем температура испытаний снижает живучесть образцов с трещиной обоих состояний в среднем в два раза по сравнению с аналогичными данными при испытаниях на воздухе.

Таким образом: длительная эксплуатация в условиях АЭС не существенно влияет на статическую и циклическую трешиностойкость стали 08X18H10T; отсутствует заметная анизотропия характеристик трещиностойкости как в исходном состоянии, так и после длительной эксплуатации в условиях АЭС; установлено влияние температуры на циклическую трешиностойкость.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление