2.4. Конструкційні матеріали енергетичного обладнання*

Для виготовлення енергетичного обладнання широко викорис­товують переважно маловуглецеві леговані сталі, зокрема жаро­міцні і жаротривкі.

*Жаротривкими (окалиностійкими) називаються сталі і спла­ви, стійкі проти хімічного руйнування поверхні в газових сере­довищах при температурах вище 550 °С, які експлуатуються в ненавантаженому або слабонавантаженому стані.

* Таблиці 2.1 - 2.9 параграфів 2.5 - 2.8 взяті з монографії [10]

Жаротривкість досягається легуванням сталей хромом, алю­мінієм та кремнієм. У процесі окиснення на поверхні утворюють­ся щільні оксиди Cr₂0₃, A1,0₃>SiO₂ > які гальмують подальше оки­снення.

* Жароміцними називають сталі і сплави з підвищеними ме­ханічними характеристиками за високих температур.

Для підвищення жароміцності сталі легують хромом, молібде­ном, ванадієм, вольфрамом тощо.

2.5. Матеріали ядерної енергетики

Основою ядерної енергетики є атомні електростанції (АЕС). Найбільша кількість атомних електростанцій експлуатується в США, Японії, Франції, Росії, Швеції і Швейцарії. Якщо в 1975 р. потужність світової ядерної енергетики становила 50 ГВт, то у 2000 р. вже 2500 ГВт, тобто зросла в 50 разів.

Вимоги до безпеки енергетичних атомних установок надзви­чайно високі, тому особливої ваги набувають якість конструк­ційних матеріалів і технологій виготовлення обладнання, контро­лю ступеню їх деградації в процесі багаторічної експлуатації та точність визначення залишкового ресурсу матеріалу найбільш від­повідальних деталей і вузлів з метою їх вчасної заміни чи ремонту.

Матеріали для реакторів. Основним елементом кожної ядер­ної енергетичної установки є реактор з активною зоною, в якій відбуваються реакції розпаду ядерного палива та виділення теп­лової енергії.

Найбільш відповідальним і складним з усього комплексу енергообладнання АЕС є корпус реактора, який виготовляють з висо­коміцних пластичних хромомолібденованадієвих сталей марок 15Х2МФА, 15Х2НФМА, 25Х2НМФ та деяких ін.

У корпусі реактора вмонтовано систему з ядерним паливом у твелах, зібраних у паливних касетах. Оболонка твелів з товщи­ною стінки до 1 мм виготовляється із сплавів циркону типу Zircaloy-2 та Zircaloy-4, що мають малий переріз захоплення нейт­ронів.

Реактор є джерелом нейтронного випромінювання і захищається матеріалами з високою здатністю до поглинання енергії радіацій­ного випромінювання. Одним з ефективних матеріалів є бораль-металокерамічний композит з дрібних частинок карбіду бору, зв'я­заних алюмінієм. Листи з боралю плакують з обох боків алюміні­євими листами. Близько 1 % бору додається до бетону облашту­вання реактора.

Корпуси парогенераторів виготовляються з перлітних сталей, а трубки з аустенітної корозійностійкої сталі марки 08Х18Н10Т. Трубки поступово, хоча і дуже повільно, руйнуються внаслідок корозійних та ерозійних процесів. Тому в теперішній час для ви­готовлення трубок все частіше використовують сплави типу Inconel з вмістом нікелю в межах 31-72 %, хрому - 14 - 31 %, молібдену - 3 - 9 %, ніобію з танталом у межах 1 - 5 % і вугле­цю - 0,01 - 0,1 %.

Особливе місце в енергетичному матеріалознавстві займають матеріали магнітопроводів, для виготовлення яких знайшли за­стосування магнітном'які сталі типу 08Х17М, а саме 0X16, 02X16, 0Х16МТІ 02X16МТ.

Ресурс працюючих реакторів на сьогодні складає близько 40 ро­ків. Одночасно розробляються конструкції реакторів нового по­коління підвищеної надійності з експлуатаційним ресурсом до 60 років.

Для цього вдосконалюються корпусні сталі і технологія виго­товлення з них якісного обладнання. Сталі повинні мати:

► високу міцність, пластичність і в'язкість;

► опірність радіаційному окрихченню;

► мінімальний рівень наведеної радіації;

► стійкість проти теплового окрихчення та корозійного роз­тріскування і здатність зберігати заданий рівень механічних ха­рактеристик протягом усього терміну експлуатації.

Конструкційні елементи внутрішнього насичення реактора (ко­рпусні елементи, деталі механізмів керування, кронштейни та ін.) виготовляються виключно з корозійностійких сталей і сплавів. Кріпильні елементи виготовляються із сталей 10Х11Н20ТЗР, ХН35ВТ і т.п., пружини з мартенситних сталей 20X13, 30X13, Х17Н2, аустенітних сталей типу НХ35ВТЮ або ОХ18Н10Т у наклепаному стані.

Матеріали парогенераторів. З усіх систем АЕС, окрім реак­тора, в надзвичайноскладних умовах експлуатуються теплооб­мінні поверхні парогенераторів - трубні вузли. Вони зазнають ко­розійних пошкоджень під впливом води обох контурів, руйнують­ся внаслідок корозійного розтріскування, ►ерозійного та ►корозійноерозійних пошкоджень.

Матеріали системи турбіна-турбогенератор. У процесі експ­луатації у більшості випадків пошкоджуються такі елементи си­стеми турбіна-турбогенератор:

• ротори парових турбін внаслідок корозійного розтріскуван­ня та корозійної втоми;

• лопаті турбін внаслідок ерозійно-корозійних пошкоджень;

• бандажні кільця турбогенераторів внаслідок корозійного розтріскування.

Зазнають пошкоджень трубки конденсаторів, шпильки та болти.

Для виготовлення роторів застосовують сталі 40Х, 40Н, 34ХМА, 35ХН1М2ФА та ін. (табл. 2.1, 2.2).

Лопаті парових турбін виготовляють із сталей 10X13, 20X13, 15Х11МФ та ін.

Ще кінцево не вирішена проблема захисту від корозійного роз­тріскування бандажних кілець турбогенераторів, розрив яких ви­кликає серйозні аварії в турбінних цехах. Такі руйнування мали місце на електростанціях у різних країнах.

Робочі напруження в бандажних кільцях досягають 2/3 о_{0 г} Матеріал кілець повинен мати високу в'язкість руйнування, стій­кість до корозії і корозійного розтріскування, низьку магнітну проникність, невисокий коефіцієнт термічного розширення. Діа­метр бандажних кілець досягає 2000 мм, довжина 1250 мм при товщині стінки до 120 мм, тому матеріали для кілець повинні мати добру оброблюваність куванням. Для виготовлення бандажних кілець використовуються немагнітні сталі типу 18Mn-8 Ni-4 Cr і 18Мn-4Сr (табл. 2.3).