Радиационного перегревателя

Недостаточное понимание явления радиационного охрупчивания и возможных его последствий в настоящее время компенсируется эксплуатацией реакторов в далеко не оптимальном режиме, принятием мер по снижению нейтронного потока на стенки корпуса (что приводит к нерациональному использованию объема активной зоны), а также реализацией дорогой системы инспекции состояния материала корпуса. И хотя в последнее время разработаны новые более устойчивые к охрупчиванию сорта стали, проблема остается нерешенной и в связи с эксплуатацией построенных ранее реакторов,

В настоящее время распространены главным образом две точки зрения на механизм ВТРО. Первоначальный механизм ВТРО был предложен Барнсом [6], который предположил, что образующийся в материале в результате (п, а)-реакций гелий при повышенных температурах мигрирует к границам зерен и, выделяясь на них в виде пузырьков, разупрочняет их и тем самым способствует падению пластичности материала. Существует другая, выдвинутая учеными НИИАР *, точка зрения [7], согласно которой в основе высокотемпературного радиационного охрупчивания лежат те же процессы, ответственные за охрупчивание без облучения, но облучение ускоряет этот процесс.

ВТРО было открыто сравнительно недавно — в 1963 г.— одновременно советскими и зарубежными исследователями [98]. Это явление заключается в значительном и необратимом снижении пластичности облученного материала при его испытании при температурах выше 0,5 Тпл . ВТРО наблюдали на аустенитных сталях [1 _ 8, 13—24, 27—43, 55—72], никеле и его сплавах [6, 9, 13, 18, 21, 23, 25, 26, 33, 36], алюминии [32], ванадии [101, меди и ее сплавах [52], ферритных сталях [21, 39, 44] и др. Высокотемпературное радиационное охрупчивание проявляется только на поликристаллических материалах; на монокристаллах это явление не наблюдается [25], что свидетельствует о связи ВТРО с процессами, происходящими на границе зерен. Действительно, материалы, на которых наблюдается ВТРО, разрушаются преимущественно по границам зерен. Высокотемпературное радиационное охрупчивание в отличие от обычного низкотемпературного радиационного охрупчивания не может быть устранено длительным отжигом при высоких температурах.

Большинство гипотез о механизме высокотемпературного радиационного охрупчивания основывается на результатах, полу-

чем предел текучести необлученного), однако пластичность облученных образцов при высоких температурах, вплоть до температуры плавления, остается меньше, чем необлученных. Длительный отжиг образцов при высоких температурах не устраняет полностью высокотемпературного радиационного охрупчивания [2, 7, 9, 13, 15, 61]. На рис. 42 [6] показано влияние отжига при 980" С в течение 1 ч на возврат равномерного удлинения стали 347, облученной до дозы 2,1 • Ю22 н/см2. Аналогичные результаты получены для сталей Х20Н15, Х20Н40, Х20Н60, никеля и других материалов типа аустенитных сталей и сплавов типа твердого раствора, отожженных после облучения при 10509 С [54]. Материалы с легирующими добавками, вызывающими дисперсное старение (например, Х15Н35ВЗТ и ХН77ТЮР,) в результате послерадиацион-ного отжига имеют худшую пластичность, чем до отжига [131.

ЭффеКТ высокотемпературного радиационного охрупчивания проявляется после облучения материала до так называемой пороговой дозы. Пороговая доза зависит от химического состава материала, типа кристаллической решетки, размера зерна, меха-

нейтронах (EBR-II). Поэтому для материалов термоядерных реакторов проблема гелия является одной из наиболее существенных. На высокотемпературное радиационное охрупчивание существенное влияние оказывает нейтронный спектр реакторов. В работе [7] показано, что экранирование потока тепловых нейтронов с помощью кадмиевого экрана позволяет избежать высокотемпературного радиационного охрупчивания сталей типа 20Cr — 15N1 и 316; контрольные образцы, установленные в этом эксперименте без экрана, обнаружили ВТРО, начиная с 650° С, при дозе 2-Ю19 н/см2. Для стали 20Cr — 20Ni, стабилизированной титаном, установлена корреляция между потерей пластичности и концентрацией гелия, образующегося под облучением за счет (п, а-реакций) (рис. 44).

В предыдущих разделах показано, что ВТРО сложным образом зависит от многих факторов. Тем не менее, анализируя накопленные экспериментальные данные, можно оценить влияние различных параметров на ВТРО конструкционных материалов и проанализировать гипотезы о механизме высокотемпературного радиационного охрупчивания.

Существенную роль гелия в явлении высокотемпературного радиационного охрупчивания также нельзя отрицать — об этом свидетельствуют эксперименты по охрупчиванию материалов, насыщенных гелием путем имплантации ос-частиц на циклотроне [4, 8, 14, 26] или по методу «тритиевого трюка» [99].

Одна из первых гипотез о механизме высокотемпературного радиационного охрупчивания принадлежит Барнсу [15]. Главная роль в ВТРО, по Барнсу, отводится гелию, образующемуся при облучении за счет (п, а-)-реакций. Гелий практически не растворим в металлах, и, как показывают эксперименты [35], плотность гелиевых пузырьков на границах зерен значительно выше, чем внутри зерна. Согласно проведенным оценкам [35], большая часть атомов гелия находится в пузырьках.

5. Зеленский В. Ф., Ожигов П. С., Неклюдов И. М., Пархоменко А. А. Имитация и изучение с помощью ускорителей заряженных частиц радиационного упрочнения и высокотемпературного радиационного охрупчивания материалов ре-акторостроения.— В кн.: Тр. конф. по реактор, материаловедению, Алушта, 1978. М. : ЦНИИАтоминформ, 1978, т. 2, с. 192—213.

В котле Рамзина (рис. 10) вода из экономайзера 5 обычной конструкции направляется по необогреваемым трубам во входные коллектора радиационной части, разделенной по высоте на НРЧ, СРЧ и ВРЧ. Нижняя радиационная часть / выполнена в виде ленты труб с горизонтально-подъемной навивкой по стенам топки. В НРЧ вода нагревается до кипения и примерно 80 % ее испаряется. Из НРЧ пароводяная смесь направляется в переходную зону 4, расположенную в конвективном газоходе. В некоторых котлах пар после переходной зоны увлажняют путем впрыска воды. Соли, растворенные в паре, частично переходят в воду и удаляются вместе с ней. Затем пар поступает в СРЧ 2 — первую ступень радиационного перегревателя, и дальше в ВРЧ — вторую ступень радиационного перегревателя, в потолочные трубы и выходной конвективный перегреватель 3, а оттуда в турбину.

Рис. 53. Схемы размещения радиационного перегревателя в топке:

В котле Рамзина (рис. 10) вода из экономайзера 5 обычной конструкции направляется по необогреваемым трубам во входные коллектора радиационной части, разделенной по высоте на НРЧ, СРЧ и ВРЧ. Нижняя радиационная часть / выполнена в виде ленты труб с горизонтально-подъемной навивкой по стенам топки. В НРЧ вода нагревается до кипения и примерно 80 % ее испаряется. Из НРЧ пароводяная смесь направляется в переходную зону 4, расположенную в конвективном газоходе. В некоторых котлах пар после переходной зоны увлажняют путем впрыска воды. Соли, растворенные в паре, частично переходят в воду и удаляются вместе с ней. Затем пар поступает в СРЧ 2 — первую ступень радиационного перегревателя, и дальше в ВРЧ — вторую ступень радиационного перегревателя, в потолочные трубы и выходной конвективный перегреватель 3, а оттуда в турбину.

Рис. 53. Схемы размещения радиационного перегревателя в топке:

Повреждения транскристаллитного характера были сосредоточены на участках паропровода.— на трубах 102 X 17 мм. Они распространялись от подреза под подкладным кольцом, находившимся в сильном напряженном состоянии, в местах приварки труб паропровода малого диаметра к тройнику большого сечения и в зоне термического влияния сварных швов. Зоны эти характеризовались остаточными напряжениями, не снятыми термической обработкой. Разрушения появились по прошествии примерно 6000 час эксплуатации. После ремонта паропровода, при гидропробе, в сварных стыках змеевиков входного коллектора конвективного перегревателя было обнаружено девять свищей. Спустя несколько месяцев появилось еще десять свищей, но в сварных стыках змеевиков выходного коллектора радиационного перегревателя. Указанные разрушения обусловлены также и опытами по солеотложениям, но развитие трещин в данном случае было более медленным.

Применительно к радиационным пароперегревателям в принципе действуют те же положения. Однако локальные тепловые потоки в этом случае не являются устойчивой функцией форсировки и при небрежности персонала могут достигать значительной величины. В частности, при растопке на газе факел дает достаточно равномерное «мягкое» излучение и процесс протекает весьма надежно. Растопка на мазуте сопровождается образованием высокотемпературного оптически плотного факела, который, как бы экранируя сам себя, может излучать локальные тепловые потоки повышенной интенсивности. Особенно неблагоприятные условия складываются при прямом соприкосновении факела с трубами пароперегревателя. Поэтому на практике для контроля температуры стенок труб радиационного перегревателя в ходе растопки устанавливают термопары и фиксируют фактические температуры в увязке с нагрузкой (расходом пара), давлением, форсировкой топки и подобными им общими показателями режима котла или блока. Критерием надежности служит температура металла обогреваемых участков труб. Ориентироваться по температуре в необогреваемой части труб нельзя, так как при малых расходах пара это может дать ошибку в 100 — 200° С.

Необходимо избегать прямых ударов факела в трубы радиационного перегревателя. Несущие растопочные функции горелки должны быть по возможности рассредоточены по объему и не давать повышенных локальных нагрузок. Производительность горелок должна быть снижена, а факел — отдален от радиационных панелей перегревателя.

пароперегревателей. Приращение температуры в ширмах практически такое же, как в расчете. В частности, из данного графика вытекает, что два коллектора работают в опасном режиме и если их температура не может быть снижена, то они должны быть срочно заменены более жаростойкими. Трубы поверхностей нагрева радиационного перегревателя и потолка работают при более высокой, чем предусматривалось расчетом, температуре пара и температурный режим их металла необходимо проверять. Вместе с тем вторая ступень ширм и конвективный пароперегреватель работают в нормальных условиях и без особых на то причин в исследованиях не нуждаются. Зависимости типа t=f(a) и t=f(D), хорошо иллюстрируя температурный режим, не дают наглядного представления о тепловосприятии отдельных поверхностей нагрева. Особенно большое искажение получается вбли-

У современных котлов высокого давления нашло применение размещение радиационного перегревателя в охлаждающем пространстве, как это показано, например, на рис. 137.

Вследствие этого при быстром пуске таких котлов температура перегретого пара возрастает быстрее, чем давление. Поэтому у таких топок температура стен их радиационного перегревателя лимитирует наибольшую допустимую скорость пуска котла. Следовательно, у котлов с обмурованными стенами в плавильной камере необходимо выпускать из котла в атмосферу большое количество пара, чтобы стены радиационного пароперегревателя были достаточно охлаждены. Эта потеря пара препятствует росту давления в котле и увеличивает потери конденсата.

"От редактора. Из этих соображений целесообразно трубки радиационного перегревателя ставить рядом с испарительными трубками через одну на одной и той же экранированной стене топки.