Анализ кинетики разрушения для определения структурных факторов трещиностойкости циркониевых сплавов (стр. 3 )

Рис. 3. Зависимость предела прочности, Rm, при температуре 3000С материала труб ТК РБМК от флюенса

Рис. 4. Зависимость предела текучести, Rр0,2, при температуре 3000С материала труб ТК РБМК от флюенса

Рис. 5. Зависимость раскрытия в вершине трещины, dс, в осевом направлении материала труб ТК РБМК при температуре 3000С от флюенса

Рис. 6. Зависимость критической длины сквозной трещины от флюенса

На этом же рисунке показано положение постулируемого дефекта, равного 7S=28 мм.

Согласно принятому подходу при оценке принципа «течь перед разрушением» время от момента обнаружения сквозной трещины до момента безопасной остановки реактора не должно превышать значения tp, определенного из выражения:

(4)

где v – скорость развития трещины по механизму ЗГР при рабочей температуре. При расчетах применительно к ТК было выбрано максимальное из полученных во внереакторных условиях значение 2,9×10-9 м/см, что увеличивало консерватизм расчета. Для значений критических длин трещин на уровне нижней границы время составило 570 ч. Этого времени вполне достаточно, чтобы после обнаружения течи безопасно остановить реактор.

Если обратиться к формуле для определения критической длины сквозной трещины :

, (5)

где Е – модуль упругости,

, (6)

, (7)

sθ– действующие напряжения, то видно, что она, в частности, зависит от механических свойств и и от толщины стенки S (в основном через действующее напряжение sθ). Значения и , зависят от флюенса нейтронов. Был выполнен расчет с использованием нижних огибающих и , с варьированием флюенса от (1 до 12) ×1021 н/см2 и толщины стенки S от 3 до 4 мм. Результаты расчета представлены в табл. 1.

Таблица 1.

Изменение критической длины трещины.

Давле-ние теп-лоно-сителя, МПа	Тол-щина стен-ки, мм	Критическая длина сквозной трещины после флюенса F×1021 н/см2, мм
1	2	4	5	6	7	8	9	10	12
8,5	4,0	41,4	38,7	39,2	39,8	40,2	40,7	41,3	41,7	42,1	42,35
3,8	38,9	36,4	37	37,45	-	-	38,8	-	-	39,9
3,7	37,7	35,2	35,75	-	-	-	-	38,1	38,5	-
3,6	-	-	34,6	35,1	35,5	36	36,5	36,9	37,3	37,5
3,5	-	-	-	-	34,3	34,8	35,3	35,65	36,1	-
3,4	-	-	-	32,8	33,15	33,6	34,1	34,45	34,85	35,1
3,3	-	-	-	-	-	-	-	-	33,6	33,9
3,2	-	-	-	-	-	-	-	32	32,4	32,7
3,0	-	-	-	-	-	-	-	-	30	30,2

Из результатов расчета следует, что с уменьшением толщины стенки при постоянных значениях флюенса критическая длина сквозной трещины уменьшается. При одной и той же толщине стенки сначала до флюенса 2×1021 н/см2 наблюдается небольшое уменьшение критической длины, а затем она увеличивается. При определенной Регламентом толщине стенки 3,6 мм, критическая длина сквозной трещины не снижается ниже 34 мм.

Если утонение до 3,6 мм будет происходить после флюенса (9,0…9,5)×1021 н/см2, значение критической длины составит 37 мм. (время tp=575ч). Таким образом из проведенных расчетов следует, что при утонении стенки до 3,6 мм (это достигается после набора флюенса (9,0…9,5)×1021 н/см2 в зоне максимального энерговыделения через 32 года) ресурс ТК по принципу ТПР не исчерпывается.

Как уже указывалось, искривление каналов может быть только результатом искривления графитовых колонн. По результатам проведенного расчета напряженно-деформированного состояния графитового блока (ГБ) при работе на номинальной мощности при отсутствии взаимодействия между ТК и ГБ начало трещинообразования в наиболее напряженном месте возможно после 30 лет работы реактора. Учитывая имеющиеся данные по скорости увеличения искривления колонн на старых аппаратах, можно представить упрощенную схему оценки ресурса графитовой кладки и ТК по критерию искривления:

- появление начальной трещины в графитовом блоке – 30 лет эксплуатации,

- прорастание трещины до сквозной, начало массового растрескивания – ~ 35 год эксплуатации,

- появление заметного искривления колон – ~40год,

- рост искривления колонн и каналов до достижения трещиной допустимого значения 50 мм – ~45 год эксплуатации реактора.

Этот прогноз является консервативным. В настоящее время 1-й блок ЛАЭС проработал около 27 лет. Никаких симптомов начала растрескивания графитовых блоков и, тем более, искривления каналов не выявлено.

Проведенный расчетно-экспериментальный анализ работоспособности переходников «сталь-цирконий» показал:

- переходник обладает высокой механической прочностью. Так его полное разрушение возможно только в том случае, если кольцевая поверхностная трещина, охватывающая всю окружность, будет иметь глубину, составляющую 93% от толщины переходника;

- для переходников практически реализуется принцип «течь перед разрушением», а возможная образующаяся течь может быть зафиксирована имеющейся системой КЦТК;

- разгерметизация переходников возможна только в том случае, если материал их стального штуцера склонен к межкристаллитной коррозии под напряжением;

- ни для одного из переходников не зафиксировано полное разрушение в процессе эксплуатации.

По разработанной в НИКИЭТ методике были определены критические и допустимые поверхностные дефекты в циркониевых трубах ТК. На основании проведенных расчетов в Регламент введена нижеприводимая таблица 2, на основании которой проводится ультразвуковой контроль ТК в процессе эксплуатации.

Таблица 2

Допускаемые размеры единичных несплошностей в трубах ТК и КСУЗ,

Протяженность выявленного дефекта, мм	До 8 вкл	Более 8
Глубина выявленного дефекта, мм	До 1,2 вкл	До 0,7 вкл.

Примечание: 1) значения глубины выявленного дефекта взяты с учетом погрешности УЗК±0,2 мм; 1±0,2 мм и 0,5±0,2 мм,

2) единичными являются дефекты, расстояние между которыми превышает 8 мм.

За последние по меньшей мере пять лет не было зафиксировано ни одного случая нарушения герметичности циркониевых труб ТК в нормальных условиях эксплуатации.

Заключение

1. Представлены результаты оценки технического состояния топливных (технологических) каналов реакторов РБМК-1000 после длительной эксплуатации. Максимальная продолжительность работы ТК в реакторе достигла ~24лет.

2. Определены основные повреждающие механизмы, обуславливающие срок службы ТК (циркониевой трубы и переходников «сталь-цирконий») и предложены методические подходы прогнозирования ресурса каналов.

3. На основании обобщения и анализа полученных данных внутри - и послереакторных исследований, а также прочностных расчетов, показано, что срок службы РБМК-1000 может составить 30 лет.

4. Приоритетным критерием, определяющим срок службы ТК, является их сопротивление разрушению.

Литература

1. “Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных и энергетических установок”, ПНАЭ Г, М, Энергоатомиздат, 1989

2. G. D. Moan, C. E. Coleman, E. G. Price et al, “Leak-Before-Break at the Pressure Tubes of CANDU Reactors”, Intern. Journal at Pressure Vessels and Piping, v. 43, 1990, pp. 1-21.

3. D. O. Northwood and U. Kosasih, Intern. Met. Rev., 28, 1983, 92