Delist.ru

Характерные особенности расчетного обоснования прочности (05.09.2007)

Автор: Сергеева Людмила Васильевна

, используемых в программе, основан на описании процессов зарождения и взаимодействия в материале микродефектов, зародышевых субмикротрещин, вторичных субмикротрещин и микротрещин.

Закономерности, положенные в основу вывода уравнений, описывающих изменение функции повреждений, получены экспериментально соавторами работы /22/. Эксперименты проводили на образцах, деформируемых непосредственно в колонне электронного микроскопа.

, полученной в результате обработки экспериментальных данных и последующих теоретических выводов, следующий:

Здесь N- концентрация зародышевых субмикротрещин:

где N0 – концентрация зародышевых трещин, соответствующая насыщению процесса их накопления; c,b – коэффициенты, зависящие от температуры и уровня приложенных напряжений.

Процесс накопления зародышевых субмикротрещин является необратимым, за исключением случаев продолжительного отжига при температуре выше половины значения температуры плавления, поэтому при сложном нагружении

Значения приращений всех закладываемых в расчет функций и их полные значения вычислялись на каждом шаге по времени. Считалось, что разрушение в микрообъеме происходит тогда, когда хотя бы одна из функций повреждений достигнет предельного значения, равного единице. После того, как в расчете зафиксирован момент возникновения трещины, начинается учет влияния среды на ее скорость.

. Как показали результаты расчета, при растрескивании может происходить самопроизвольная смена механизма роста трещины. Так в расчете, выполненном для цилиндрического твэла, растрескивание начиналось при достижении функцией повреждений предельного значения, затем трещина подрастала по коррозионному механизму, и, наконец, растрескивание заканчивалось по механизму водородного охрупчивания. График изменения глубины трещины в зависимости от флюенса нейтронов приведен на рис. 16.

Рис.16 Смена механизмов разрушения в процессе роста трещины

H– толщина оболочки, I – инкубационный период, II–этап разрушения, обусловленный достижением функцией повреждений предельного значения, III– этап коррозионного растрескивания, IV– этап водородного охрупчивания.

Еще одним фактором, способным ограничить продолжительность эксплуатации ряда элементов конструкций в реакторе является склонность материала к локальной (нодульной) коррозии. Этому виду коррозии подвержены как твэлы, так и канальные трубы.

Исследование на шлифах периферийных сечений структуры очагов нодульной коррозии на стадии их развития до характерных размеров 1-2 мм показало, что эти очаги представляют собой двояковыпуклые линзы оксида циркония, а глубина коррозионного повреждения поверхности не превышает нескольких десятков мкм. Концентрация, вид и ориентация гибридных выделений на границе сплав – нодуль определяется состоянием очага.

Микрорентгеноспектральный анализ внутренней поверхности трубы под нодулями показал очевидное присутствие железа, наличие которого в оптическом микроскопе идентифицируется по наблюдаемым красно-коричневым оттенкам, свойственным оксидам железа. Распределение нодулей по поверхности относительно равномерное, однако их плотность вблизи сквозного дефекта высока.

Металлографические исследования микроструктуры внутренней поверхности труб показали, что кроме нодулей 1-2 мм встречаются отдельные коррозионные очаги размером 20-80 мкм и меньше. За счет коррозионного объединения мелких мононодулей могут возникать полинодули размером 1000-2000 мкм.

Тщательное микрослойное изучение поперечных сечений (профилей) отдельных нодулей или нодулей, находящихся в составе коррозионных очагов, позволило выявить их существенные особенности:

- мононодуль не является двояковыпуклой линзой,

ядро мононодуля структурно отличается от материала матрицы и образовавшегося оксидного слоя, обычно оно представляет собой плоское скопление выделений второй фазы матово-серого (рис.17, а, д) или красно-коричневого цвета (см. рис.17,б) и смешанного состава,

циркониевый сплав под ядром мононодуля не подвергается коррозии или окисляется незначительно по сравнению с другими участками,

зона коррозии циркониевого сплава вокруг ядра (размер нодуля) существенно превышает его размер.

По данным металлографических исследований ядро мононодулей типа, показанного на рис. 18 а,б является “смесью” мелкодисперсных частиц карбидов и интерметаллидов. В облученных канальных трубах (флюенс нейтронов больше 1021 см-2) вокруг выделенной второй фазы карбидов, расположенных вблизи не контактировавшей с теплоносителем внешней поверхности, наблюдается микрорастрескивание матрицы материала. Такое разрушение является, скорее всего, следствием релаксации высоких локальных напряжений в зоне, превышающей в несколько раз размеры самой частицы.

Возникновение напряжений можно объяснить радиационным распуханием карбида циркония, которое составляет 3% при флюенсе нейтронов 1021 см-2 при температуре облучения 300-700оС. Негативная роль интерметаллидов циркония объясняется их невысокой коррозионной стойкостью и последующим распуханием продуктов окисления.

Для проверки сказанного была разработана математическая модель и выполнен расчет возможного растрескивания при увеличении на 3 % объема включений второй фазы, залегающих вблизи поверхности нераспухающей матрицы, при флюенсе 1021 см-2. Охрупчивание и растрескивание происходит при выходе на поверхность пластически деформированной зоны, в которой интенсифицируются процессы гидрирования. При этом диаметр пластической зоны при выходе на поверхность (dпл) в K раз превышает диаметр включения (dвкл). В результате металлографических исследований поверхности канальных труб, пораженных нодульной коррозией, получено, что K= dпл/ dвкл приблизительно равен 1,5-2.

Рис.17. Вид вскрытого нодуля.

Вскрытый нодуль, содержит крупное выделение второй фазы (типа представленного на рис.18). Частицу размером приблизительно 15 мкм окружает слой гидридных пластин белого цвета (их поперечный разрез показан на рис. 18). Такие выделения идентифицированы как карбид циркония (микротвердость в исходном сплаве 2,7.104 МПа, в облученном до флюенса нейтронов 1021 см-2 3,3.104 МПа).

Расчет выполнен для части трубы технологического канала, прилегающей к поверхности и содержащей частицу включения. Это гарантирует отсутствие возмущающего воздействия на напряжения на границе расчетной области и позволяет использовать в качестве граничных условий напряжения, рассчитанные для трубы в целом, т.е. из решения макрозадачи.

Рис. 18

Микроструктура дна нодуля, состоящая из скоплений мелкодисперсных частиц второй фазы и гидридов, и микроструктура чуть ниже дна.

Аналогичные скопления большой плотности, обнаруженные при исследовании циркониевого сплава переходников, ранее идентифицированы как частицы карбида циркония.

Вариантными расчетами выявлены соотношения между размерами включения и расстоянием от его центра до поверхности трубы, соответствующие условию K= dпл/ dвкл =1,5 (см. рис. 20,б). Заштрихованная зона соответствует области диаметра включений и расстояния от него до поверхности трубы, при которых происходит разрушение перемычки между включением и поверхностью. Из расчетного графика видно, какая глубина залегания для включения заданного диаметра необходима для того, чтобы нодульная коррозия не проявилась.

Рис 19 Растрескивание циркониевого сплава у внешней поверхности канальной трубы вблизи отдельной карбидной частицы (х1000)

На рис.20,а показаны примеры расчета границ зон пластичности для включений размером 0,005; 0,01; 0,02 мм, находящихся на расстоянии от поверхности трубы, 0,01; 0,0125; 0,015; 0,03 мм для моментов времени 105 с: 2,763; 2,752; 2,492 и 3,312 соответственно.

Рис. 20. Распределение пластических деформаций в окрестности включения (а) и зона выхода на поверхность полей напряжений при распространении карбидных включений разного размера в зависимости от глубины их залегания (б) (флюенс приблизительно 1021см-2)

С этих позиций интерпретируются наблюдаемые коррозионные явления на поверхности канальных труб РБМК-1000. Вследствие наклепа и разрушения защитного оксидного слоя раньше, чем на соседних участках, протекает процесс коррозии в зоне механического взаимодействия дистанционирующих решеток ТВС и поверхности технологических каналов. Взаимосвязанным представляется время появления и месторасположение первых нодулей, размещение их по высоте, отсутствие нодульной коррозии в технологических трубах без топлива (недостаточный к моменту наблюдения уровень радиационного повреждения вследствие низкоэнергетического спектра быстрых нейтронов). Представляется также, что известные случаи глубокого (до 1 мм) локального повреждения циркониевых сплавов объясняются протяженными цепочками включений второй фазы.

В предложенной модели возникновения нодульной коррозии исходными предпосылками служат загрязненность циркониевого сплава выделениями второй фазы и радиационное повреждение этих выделений при нейтронном облучении. Поэтому модель справедлива в первую очередь для штатной технологии канальных труб РБМК-1000 и условий их эксплуатации.

Кроме модели нодульной коррозии была разработана методика расчета кинетики роста трещин в трубопроводах по механизму водородного охрупчивания.

Рассматривались трещины нормального отрыва, протяженные вдоль образующей цилиндрической поверхности. Предполагалось, что трещина возникает на наружной поверхности трубы. Поведение материала трубы было исследовано в вязко-упруго-пластической постановке, при этом учитывалось поле остаточных напряжений. Рассматривалось медленное докритическое подрастание трещины, и проверялся ее возможный лавинообразный рост. Возможное взаимопроникновение берегов трещины не учитывалось.

в результате водородного охрупчивания материала было задано в виде зависимости:

- температура; oC.

можно вычислить по первой из формул (19).

вычисляется энергетическим методом, для реализации которого варьируется глубина трещины с помощью зависимости:

загрузка...