INFLUENCE OF HYDROGENATION AND TEMPERATURE ON THE SERVICE CHARACTERISTICS OF TITANIUM ALLOY

ВЛИЯНИЕ НАВОДОРОЖИВАНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ НА СЛУЖЕБНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТИТАНОВОГО СПЛАВА

Научная статья

Верховский А.Е.¹ , Гаджиев К.Г.², Уртенов Д.С.³, Гаджиев Д.К.^4, *

^{1, 2, 4} Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт», Москва, Россия;

^{1, 3} Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (vokrugsveta18[at]gmail.com)

Аннотация

На судовых атомных паропроизводящих установках свыше трех десятилетий эксплуатируются парогенераторы из титановых сплавов. Надежная эксплуатация этих парогенераторов работающих с высокими тепловыми нагрузками поверхностей связана с высокой чистотой поверхностей и отсутствием коррозионных разрушений. Особое внимание необходимо уделять узлам сварки коллекторных труб, а также участкам наибольших напряжений.

Целью данной работы является анализ результатов испытаний по влиянию водорода на конструкционную устойчивость титановых сплавов и определение наиболее уязвимых участков титановых труб парогенераторов после эксплуатации с использованием импульсно-спектрального метода с учетом анализа результатов механических испытаний опытных образцов.

Ключевые слова: водород, охрупчивание, коррозия, сплав, цикл.

INFLUENCE OF HYDROGENATION AND TEMPERATURE ON THE SERVICE CHARACTERISTICS OF TITANIUM ALLOY

Research article

Verkhovsky A.E.¹, Gadzhiev K.G.², Urtenov D.S.³, Gadzhiev D.K.^4, *

^{1, 2, 4} National Research University “Moscow Power Engineering Institute”, Moscow, Russia;

^{1, 3} National Research Center “Kurchatov Institute”, Moscow, Russia

* Corresponding author (vokrugsveta18[at]gmail.com)

Abstract

The nuclear marine steam generating systems have been using steam generators made of titanium alloys for more than three decades. A reliable operation of these steam generators that work with high thermal loads of surfaces can be attributed to the high cleanliness of the surfaces and the absence of corrosion damage. The welding sites of collector pipes, as well as the areas of the highest stresses, require particular attention.

The aim of the study is to analyze the results of tests on the effect of hydrogen on the structural stability of titanium alloys and to determine the most vulnerable areas of titanium pipes of steam generators after operation via the pulse spectral method while taking into account the analysis of the results of mechanical tests of prototypes.

Keywords: hydrogen, embrittlement, corrosion, alloy, cycle.

Введение

В активных зонах с дисперсионной топливной композицией коррозия оболочек твэлов сопровождалась в некоторых случаях разгерметизацией оболочек твэлов. Этому предшествовало значительное увеличение содержания аммиака в теплоносителе первого контура, вызванное очаговой коррозией циркониевого сплава Э110. Накапливающийся вследствие коррозии по реакции Zr + 2H₂O → ZrO₂ + 2H₂ водород в воде первого контура взаимодействует с азотом, поступающим из компенсатора объема, и образует аммиак по реакции 3Н₂ + N₂ → 2NH₃.

В стационарном состоянии в воде контура между аммиаком, водородом и азотом существует зависимость, описываемая полуэмпирической формулой

      (1)

где [NH₃]– молярная концентрация аммиака, моль/дм3;

[N₂] – молярная концентрация азота, моль/дм3;

[H₂] – молярная концентрация водорода, моль/дм3.

При этом концентрации 1 мг/л аммиака, как правило, соответствует концентрация ~ 2 нмл/л водорода в воде контура.

Теплоноситель первого контура, содержащий водород, поступает в межтрубное пространство парогенераторов, трубчатка которых изготовлена из титанового сплава ПТ‑7М.

Водород диффундирует в титановый сплав и приводит к его водородному охрупчиванию. Скорость наводороживания зависит от ряда факторов.

В первую очередь она зависит от содержания водорода в теплоносителе и продолжительности нахождения в нем. Факторы, влияющие на наводораживание, изложены в работе [7].

Согласно [7] вблизи сварных швов наблюдается повышенное содержание водорода. Это влияет на их высокое водородное охрупчивание. Кроме того, повышенное наводороживание наблюдается в случае поверхностного загрязнения титана железо-окисными соединениями. Железо играет роль катализатора наводороживания за счет образования активных центров абсорбции водорода [7]. Механические свойства титановых сплавов зависят от содержания водорода и времени работы на мощности.

Существенное влияние наводороживание оказывает на такую важную характеристику, как ударная вязкость в условиях виброударных нагрузок. Такие условия реализуются в трубчатке ПГ атомных судов при работе в тяжелых льдах.

Методы и принципы

В работе [9] исследована зависимость ударной вязкости титанового сплава ПТ-7М трубчатки ПГ от содержания в ней водорода при температуре испытания 20°С. Исследования проводились для сплава, проработавшего на атомном судне в течении ~ 65 тыс.часов при температуре ~ 250°С. В табл. 1 приводится зависимость ударной вязкости от содержания водорода в титане [11].

 

Таблица 1 – Зависимость ударной вязкости от содержания водорода в титане

№ п/п	Содержание водорода, % масс	Ударная вязкость, Дж/см2
1	0,003	1,30
2	0,010	0,30
3	0,025	0,15

 

Наблюдается резкое снижение ударной вязкости сплава при увеличении содержания водорода, т.е. практически полностью деградирует его ударная вязкость при температуре 20°С.

В работе [9] исследовано интегральное содержание водорода (в составе гидридов и в твердом растворе) коллекторных труб трубчатки ПГ-28, отработавших на а/л «Вайгач».

Измерения проводились импульсно-спектральным методом на разных участках по длине труб, включая участок вблизи сварного шва, у резьбопаяного соединения. Результаты измерений даны в табл. 2 (табл.2 из указанной работы).

Обнаружено аномально высокое содержание водорода вблизи сварного шва, особенно с внутренней стороны трубы, которая в рабочих условиях имеет более низкую температуру, чем внешняя, и куда мигрирует водород. Средний же уровень содержания водорода в трубной системе из титана, выработавшей свой проектный ресурс, на а/л «Вайгач» (~ 68 тыс. часов) составил 0,025%.

 

Таблица 2 – Содержание водорода в коллекторной трубе Ø 22×2,5 мм

Поверхность трубки	Расстояние от края сварного шва, мм	Содержание водорода, %
Внешняя	7	0,120
	40	0,077
	70	0,040
Внутренняя	7	0,150

 

Разница между максимальным и средним содержанием водорода достигла шести раз.

Эксплуатация АППУ на а/л «Вайгач» проводилась при низком содержании аммиака в теплоносителе первого контура. Она перед отказами шести секций ПГ не превышало 60 мг/л, т.е. ~ 120 нмл/л по водороду.

Таким образом, диффузия водорода происходила за ~67 тыс.час. в локальном участке коллекторной трубы при низком содержании аммиака (водорода) в теплоносителе первого контура. Этот участок расположен на входе питательной воды второго контура в парогенератор. Температура ее 104°С.

Температура же титанового сплава на этом участке, по мнению исследователей коллекторных труб, была близка к этой температуре.

Это объясняется образованием застойной зоны на этом участке и захолаживанием в ней температуры воды первого контура.

Следствием этого является низкая растворимость водорода в титане и образование гидридных включений в нем. Они расположены по линиям наибольших напряжений и приводят к охрупчиванию сплава. Об этом свидетельствуют результаты испытаний коллекторных трубок с а/л «Вайгач» на сплющивание, представленные в табл. 3.

Испытания проводились при комнатной температуре.

 

Таблица 3 – Результаты испытаний на сплющивание фрагментов коллекторных труб из сплава ПТ-7М

Расстояние от края сварного шва до середины образца, мм	Усилие сплющивания, кг	Поведение образца при сплющивании
7	100	Хрупкое разрушение
40	550
70	700	Без разрушений

 

Проведены испытания также при циклической изгибающей нагрузке образцов коллекторных труб, отработавших на а/л «Вайгач» ~ 67 тыс. час. и имеющих внутренние трещины глубиной до 0,5 мм. Одновременно проводились испытания образцов коллекторных труб в исходном состоянии. Результаты испытаний представлены в табл. 4.

 

Таблица 4 – Результаты испытаний на усталость образцов узлов «втулка РПС/коллекторная труба Ø22×2,5 мм»

№ п/п	Испытуемые образцы	Содержание водорода, % масс	Максимальная амплитуда напряжений, МПа	Число циклов до разрушения	Положение трещины
1	Модельные образцы (исходное состояние)	≤0,003	475	8,2×104	По краю сварного шва №62 со стороны коллекторной трубки Ø22×2,5 мм
		-"-	550	4,05×104
		-"-	630	1,52×104
2	Натурные образцы после холодного хранения	от 0,12 до 0,15	230	1	По коллекторной трубке Ø22×2,5 мм на расстоянии 2…3 мм от сварного шва №62
			280	1
3	Натурные образцы (фрагменты трубной системы ПГ-28 после холодного хранения и восстановительной термообработки при 400°С, 2 часа)	-"-	150	1,23×103	По коллекторной трубке Ø22×2,5 мм на расстоянии 2…3 мм от сварного шва №62
			194	1,10×103
			200	1,21×104

 

В исходном состоянии фрагменты труб обладали высоким уровнем усталостной прочности, которая резко снизилась за время эксплуатации из-за значительного водородного охрупчивания. Испытания проводились после холодного хранения.

Разрушения образцов произошло на расстоянии от 2 до 3 мм от сварного шва после одного цикла испытаний. Отжиг при 400°С позволил снизить эффект водородного охрупчивания. Результаты изложенных испытаний позволили установить картину постепенного повреждения коллекторных труб в процессе эксплуатации.

Она состояла из:

• локального повышенного внедрения водорода в титановый сплав, сопровождающегося образованием гидридных включений на внутренней стороне труб и трещин на ней глубиной до 0,5 мм различной направленности.
• снижения циклической прочности труб на указанном участке вблизи сварного шва.
• повышенной концентрации циклических напряжений в локальном участке трубы из-за конструктивных особенностей узла приварки коллекторной трубы к втулке РПС.

Вывод

Из анализируемых данных следует:

1. Значительный вклад в снижение ресурсных характеристик трубчатки ПГ-28 был внесен повышенным внедрением водорода из среды первого контура в локальный участок коллекторной трубы Ø22×2,5 мм. Располагался он в верхней части ПГ на входе питательной воды во второй контур. На этом участке созданы условия для низкой растворимости водорода в воде первого контура и в титановом сплаве с образованием гидридных включений в нем. Граница раздела "вода – газовая среда" эпизодически смещается вниз и указанный узел контактирует с азотно-водородной средой.
2. Образуются участки коллекторных труб, чувствительные к содержанию водорода в теплоносителе первого контура и в газовой среде, что в свою очередь в сочетании с эксплуатационными факторами (виброударными нагрузками) определяют ресурсные характеристики трубчатки ПГ-28 из титанового сплава.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Бахметьев А.М. Анализ возможных причин и механизмов отказов трубных систем парогенераторов атомных судов / А.М. Бахметьев, Н.Г. Сандлер, И.А. Былов, А.В.Бакланов, М.М. Кашка, С.В. Филимошкин// Арктика: экология и экономика. – 2013. - № 3 (11).
2. Бухримов В.В. Тепломассообмен: учебное пособие / В.В. Бухримов. – Иваново: ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», 2014. – 360 с.
3. Верховский А.Е Расчет водно-химических режимов ТЭС: учебное пособие / А.Е.Верховский – М.: Издательский дом МЭИ, 2011. – 48 с.
4. Воронов В.Н. Водно-химические режимы ТЭС и АЭС: учебное пособие / В.Н. Воронов, Т.И. Петрова. – М.: Издательский дом МЭИ, 2009. – 240 с.
5. Галин Н.М. Тепломассообмен (в ядерной энергетике) / Н.М. Галин, Л.П. Кириллов. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 376 с.
6. Голубцов В.А. Обработка воды на ТЭС / В.А. Голубцов. - Л.: Энергия, 1974. - 360 с.
7. Руског Ю.С. Титановые конструкционные сплавы в химических производствах: справочник / Ю.С. Руског. – М: Химия, 2009. – 285 с.
8. Исследование титановых сплавов 48Т7М и 48-ОТ3В после испытаний в водных петлях реактора "МР" и в колонах реактора, а/л "Л. Брежнев" / отчет ИАЭ и ЦНИИ "Прометей", 1984.
9. Полунатурные ресурсные испытания фрагментов трубной системы парогенератора ПГ-28 а/л «Вайгач» / отчет ФГУП «Прометей», 2004
10. Исаченко В.П. Теплопередача: учебник для вузов / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С.Сукомел. – М.: Энергоиздат, 1981. – 416 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Bakhmetyev A.M. Analiz vozmozhnyh prichin i mehanizmov otkazov trubnyh sistem parogeneratorov atomnyh sudov [Analysis of Possible Causes and Mechanisms of Failures of Pipe Systems of Steam Generators of Nuclear Vessels] / A.M. Bakhmetyev, N.G. Sandler, I.A. Bylov, A.V. Baklanov, M.M. Kashka, S.V. Filimoshkin // Arktika: jekologija i jekonomika [Arctic: ecology and economics]. - 2013. - N. 3 (11).
2. Bukhrimov V.V. Teplomassoobmen [Heat and mass transfer]: a tutorial / V.V. Bukhrimov. - Ivanovo: Ivanovo State Power Engineering University named after V.I. Lenin ", 2014. P – 360.
3. Verkhovsky A.E. Raschet vodno-himicheskih rezhimov TJeS [Calculation of water-chemical regimes of thermal power plants]: a tutorial / A.E. Verkhovsky - Moscow: MPEI Publishing House, 2011 .P–48.
4. Voronov V.N. Vodno-himicheskie rezhimy TJeS i AJeS [Water-chemical regimes of TPP and NPP]: textbook / V.N. Voronov, T.I. Petrova. - M .: Publishing house MEI, 2009 .P–240.
5. Galin N.M. Teplomassoobmen (v jadernoj jenergetike) [Heat and mass transfer (in nuclear power)] / N.M. Galin, L.P. Kirillov. - M .: Energoatomizdat, 1987 . P– 376.
6. Golubtsov V.A. Obrabotka vody na TJeS [Water Treatment at TPPs] / V.A. Golubtsov. - L .: Energy, 1974 . P–360.
7. Ruskog Yu.S. Titanovye konstrukcionnye splavy v himicheskih proizvodstvah [Titanium structural alloys in chemical industries]: a reference book / Yu.S. Ruskog. - M: Chemistry, 2009 . P –285 .
8. Issledovanie titanovyh splavov 48T7M i 48-OT3V posle ispytanij v vodnyh petljah reaktora "MR" i v kolonah reactor [Study of titanium alloys 48T7M and 48-OT3V after testing in water loops of the "MR" reactor and in the columns of the reactor], a / l "L. Brezhnev" / report of the IAE and Central Research Institute "Prometey", 1984.
9. Polunaturnye resursnye ispytanija fragmentov trubnoj sistemy parogeneratora PG-28 a/l «Vajgach» [Semi-natural life tests of fragments of the pipe system of the steam generator PG-28 of a / l "Vaigach"] / report of FSUE "Prometey", 2004.
10. Isachenko V.P. Teploperedacha [Heat transfer]: textbook for universities / V.P. Isachenko, V.A. Osipova, A.S. Sukomel. - M .: Energoizdat, 1981 .P– 416 .