PRoAtom - Устраняем коррозионные трещины в сварных соединениях трубопроводов РБМК

А.А.Блюмин; Г.П.Карзов, д.т.н., профессор, ЦНИИ КМ «Прометей», Санкт-Петербург

АЭС с реакторными установками канального типа дают около половины электроэнергии, производимой на российских атомных электростанциях. На АЭС типа РБМК-1000 трубопроводы диаметром от 70 до 300 мм изготовлены в основном из аустенитной нержавеющей стали.

В девяностых годах прошлого века практически на всех АЭС с кипящими атомными реакторами как за рубежом, так и в России были отмечены случаи образования трещин в сварных соединениях трубопроводов.

В связи с тем, что это явление приняло массовый характер, выросли затраты на контроль состояния оборудования и ремонт, которые стали составлять основной объем работ в период плановых остановов станции. Учитывая, что контроль и ремонт оборудования проводятся в условиях воздействия на персонал ионизирующего излучения, а ремонты трубопроводов, производимые методом вырезки дефектного сварного соединения с частичной заменой трубы, приводят, зачастую, к появлению новых дефектных сварных соединений, потребовалась разработка более эффективных мероприятий для предотвращения образования трещин в трубопроводах действующих энергоблоков.

Почему появляются трещины

Подверженность аустенитных сталей преимущественному разрушению по границам зерен при воздействии коррозионной среды связывают с уменьшением содержания хрома по границам зерен за счет связывания его в карбиды и выделения карбидов в межзеренных промежутках. Причиной появлений трещин принято считать межкристаллитное коррозионное растрескивание под напряжением (МКРПН) материала. Склонность к этому виду разрушений может быть приобретена материалом как на стадии производства, так и в случае нарушения технологии выполнения многопроходной сварки, например, после сварки на повышенных режимах и длительном нагреве определенных зон до температур 600-650⁰С. Чувствительность нержавеющих сталей к такому коррозионному растрескиванию характеризуется термином «сенсибилизация», которая выявляется на металлографических шлифах в виде участков карбидов по границам зерен (рис.1а).

Применение высокотемпературной термической обработки (аустенизации) позволяет растворить карбиды (см. рис. 1б) и снизить остаточные сварочные напряжения. Следует отметить, что такая термообработка на смонтированных трубопроводах весьма непростое дело, поскольку должна быть проведена локально, с учетом доступности к зоне термообработки, а оборудование для термообработки и контроля параметров нагрева должно устанавливаться на трубопровод быстро и надежно.

Рис. 1. Структура нержавеющей стали марки 08Х18Н10Т: а) в сенсибилизированном и б) аустенизированном состояниях

Наше решение

Институт ЦНИИ КМ «Прометей» по заданию концерна «Росэнергоатом» разработал технологию и установку для высокотемпературной термической обработки сварных соединений заглушек коллекторов напорной части системы нижних водяных коммуникаций установок РБМК-1000. Выбор этого сварного соединения оправдан как его важностью в системе контура циркуляции АЭС, так и ограниченным числом допустимых ремонтов данного узла. Для проведения местной термообработки был выбран индукционный метод нагрева, обеспечивающий самый быстрый и локальный разогрев при минимальных вложениях электрической мощности. В конструкции установки учтены негативные особенности индукционного нагрева, которые могли проявиться в опасности расплавления поверхности металла трубопровода при высоком темпе нагрева. Были разработаны: конструкция индукторов, системы фотопирометрической регистрации режимов нагрева (рис. 2), а также системы дистанционного мониторинга процесса из безопасного помещения (рис. 3). Разработанная установка предусматривает также различные блокировки от несанкционированного попадания персонала в зону производства работ.

Рис. 2. Фотопирометрические датчики температуры

Рис. 3. Дистанционный мониторинг при термообработке

Все составляющие установки изготовлены на отечественных заводах. Генератор мощностью 100 КВт, индуктор с блоком конденсаторов и гибкий высокочастотный кабель обеспечивают доступность к любым участкам конструкции. На установке применено дистанционное телевизионное наблюдение за зоной разогрева (рис. 4) и электронная регистрация температуры процесса. Оборудование позволяет выполнять термическую обработку сварных соединений как в автоматическом (с помощью управляющего комплекса), так и в ручном режимах (управление процессом осуществляется оператором). Кроме этого, предусмотрены меры защиты оборудования, в основном прилегающих сварных соединений, от неблагоприятного теплового воздействия.

Рис. 4. Телевизионный мониторинг процесса

Персонал, обслуживающий установку, проходит обучение и тренировку на специально созданном для этих целей макете (см. рис. 5) Задачей тренировок является отработка приемов быстрого монтажа оснастки на трубопроводе для минимизации времени нахождения персонала в зоне с повышенным радиационным фоном.

Рис. 5. Макет для отработки безопасных приемов работы

Практическое применение

На разработанном оборудовании, при техническом сопровождении работ специалистами ЦНИИ КМ «ПРОМЕТЕЙ», в 2004 году впервые в отечественной атомной энергетике на первом блоке Ленинградской АЭС была проведена высокотемпературная термическая обработка сварных соединений приварки донышек коллекторов напорной части системы нижних водяных коммуникаций (РГК). Процесс аустенизации 27 сварных соединений был проведен по следующему режиму: индукционный нагрев до температуры 1050±10⁰С, выдержка при этой температуре 50 мин., охлаждение на воздухе. При проведении аустенизации были использованы: генератор СЧГ-100/10 Ленинградского завода высокочастотных установок, инфракрасные фотопирометры «Кварц-М» с управляющим комплексом (при этом для повышения надежности работы установки было задействовано 2 комплекта фотопирометров) и трехвитковый водоохлаждаемый индуктор.

В течение двух лет ежегодно проводился ультразвуковой контроль сварных соединений, который показал полное отсутствие дефектов в сварных соединениях, прошедших термообработку.

В 2006 году на Ленинградской АЭС была завершена термическая обработка сварных соединений заглушек коллекторов нижних водяных коммуникаций первого и второго блоков.

Контроль качества

В любом технологическом процессе необходима операция контроля качества. В случае местной термообработки, где трудно оценить действия персонала после ее завершения, поскольку нет видимых изменений в конструкции, задача контроля качества требует применения специализированного оборудования для неразрушающего контроля. По заданию концерна «РОСЭНЕРГОАТОМ» в институте ЦНИИ КМ «ПРОМЕТЕЙ» разработано такое оборудование для контроля материалов конструкции в условиях АЭС по критерию химической стойкости или по уровню сенсибилизации.

Был разработан прибор, действующий на основе метода электрохимического сравнения токов при анодной и катодной поляризациях. Этот прибор с помощью переносной малогабаритной электрохимической ячейки позволяет проводить необходимые измерения непосредственно на изделиях, подвергшихся аустенизации. Принцип действия прибора заключается в том, что на заранее подготовленную поверхность трубопровода площадью 5–10 мм² прикрепляется электрохимический датчик, с помощью которого автоматически воспроизводится процесс программного изменения потенциалов, при этом измеряются токи в анодном и катодном направлениях. Соотношение максимальных токов, измеренных при поляризации, является критерием химической стойкости или степени сенсибилизации материала. Прибор оснащен жидкокристаллическим дисплеем, который отображает поляризационные кривые, текущие числовые значения потенциала и тока, а также коэффициенты химической стойкости материала. При весе всего 900 грамм прибор может автономно работать в течение 4–5 часов, не требует постоянного соединения с компьютером, записывая в собственную память результаты не менее сотни испытаний. В случае необходимости эта информация может быть передана на компьютер.

Для нержавеющих сталей, применяемых при изготовлении трубопроводов АЭС, экспериментально установлены скорости изменения потенциалов и критические значения отношений токов в анодном и катодном направлениях. Разработанный прибор позволяет количественно оценивать эффективность проведенной высокотемпературной термической обработки. С этой целью прибор был использован для контроля качества термообработки блоков № 1 и № 2 Ленинградской АЭС. Фотография прибора и измерительной ячейки представлена на рис. 6. Для калибровки прибора применительно к температурным условиям измерений в ЦНИИ КМ «Прометей» разработаны специальные образцы, химическая стойкость которых установлена и верифицирована. Прибор аттестован и внесен в реестр средств измерений Госстандарта РФ.

Рис. 6. Прибор, разработки ЦНИИ КМ «ПРОМЕТЕЙ», для определения химической стойкости (сенсибилизации) нержавеющих сталей

Результаты и рекомендации

В результате проведенных работ по аустенизации сварных соединений донышек коллекторов напорной части трубопроводов первого и второго блоков Ленинградской АЭС показана принципиальная возможность выполнения высокотемпературной термической обработки на действующем оборудовании, и подтверждена методами прямых измерений сенсибилизации эффективность метода. Предотвращен процесс образования трещин на сварных соединениях, и тем самым исключены затратные ремонтные операции.

Таким образом, представленный комплекс, состоящий из установки для термообработки и прибора для контроля качества термообработки, может быть рекомендован к применению на других АЭС с реакторами канального типа.

(Журнал «Атомная стратегия» № 29, март 2007 г.)