СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ГАФНИЯ

Изобретение относится к области ядерной техники, в частности к способу изготовления трубных изделий из гафния, используемого в качестве оболочки регулирующих стержней в системах управления и защиты ядерных реакторов с водяным охлаждением, в частности для реакторов типа ВВЭР и PWR, а также для других изделий.

В основе создания материалов поглощающих элементов в энергетических реакторах и определения сроков их эксплуатации определяющими являются следующие свойства: эффективность поглощения нейтронов и ее сохранение в процессе эксплуатации; сохранение целостности, формы, геометрических размеров, термостабильность структуры, физико-механических свойств при реакторном облучении; совместимость поглощающего материала и материала оболочки; коррозионная стойкость контактирующего с теплоносителем материала оболочки.

Совокупность нейтронно-физических, механических и химических свойств делают гафний одним из перспективных конструкционных и поглощающих тепловые нейтроны материалов ядерных реакторов (Gosset D., Kryger В. Boron and hafnium base absorber for advanced PWR control rods // Ibid/ 1995, p.49-60) [1]; (Herbert, Keller W. Development of hafnium and comparison with other pressurized water reactor control rod materials // Nuclear Technology. - Vol.59, 1982. - Р.476-482) [2]; (Клочков Е.П., Рисованный В.Д., Чечеткина З.И. Использование гафния в стержнях регулирования атомных реакторов: Обзор. М.:ЦНИИАТОМИНФОРМ, 1985) [3]. Комплексное исследование гафния показало, что он обладает высокой радиационной и коррозионной стойкостью, требуемым уровнем механических свойств и может быть использован в регулирующих стержнях ядерного реактора с сохранением физической эффективности в течение 30 лет (ГП МЗП. Орган регулирующий кластерный реактора РБМК. Программа обеспечения качества при разработке. 2399.00.000 ПОКАС (Р), 2000, стр.19) [4]. Основное использование гафния в регулирующих органах ядерных реакторов обусловлено высоким сечением захвата тепловых нейтронов, коррозионной стойкостью в условиях работы реактора и хорошей технологичностью.

В качестве оболочки ПЭЛов (поглощающих элементов) в России используют высоконикелевый сплав (ЭП-630У) и гафний металлический. Трубы, изготовленные из гафния марок ГФИ-1 и ГФЭ-1, были облучены в исследовательском реакторе СМ-2 в воде при температуре 280°C и давлении 16-20 МП до флюенса быстрых нейтронов 5·10²⁰ см^-2 (E>0,1 МэВ). Результаты исследования труб после облучения в реакторе СМ-2 показали, что гафний обладает высокой радиационной и коррозионной стойкостью, требуемым уровнем механических свойств и может быть использован в регулирующих стержнях ядерного реактора с сохранением физической эффективности в течение 30 лет (Heins L., Oppelt A., Dewes P. Desing of control rods for pressurized water reactors with special consideration of absorber swelling and clad creep down // Adwances in control assembly materials for water reactor. Vienna: IAEA, 1995. IAEA-TecDoc-813, ISSN 1011-4289, p.61-70) [5].

В работе (Обзор «Поглощающие материалы и органы регулирования реакторов ВВЭР-1000 и PWR. Состояние, проблемы и пути решения». Димитровград, 1998 г.) [6] показано, что оболочка из гафния позволяет сохранить большую эффективность, чем стальная оболочка, а также получать более плавный профиль в поглощающем сердечнике, что обусловливает уменьшение радиационного повреждения и распухания сердечника (B₄C, HfB₂), расположенного внутри оболочки из металлического гафния, в процессе реакторного облучения из-за захвата оболочкой большей части тепловых нейтронов.

Преимущество оболочек из гафния по сравнению со стальными оболочками заключается еще в том, что гафний хорошо поглощает надтепловые нейтроны.

Около 90% всех захватов приходится на область энергий нейтронов 1-100 эВ. Материалы с высоким сечением поглощения нейтронов в широком диапазоне энергий наиболее перспективны, поскольку компенсирующая способность органов регулирования зависит от энергетического спектра нейтронов.

Применение труб из гафния марки ГФЭ-1 позволит увеличить ресурсные характеристики органов автоматического регулирования, сроки эксплуатации и надежности энергетических реакторов за счет высокой радиационной и термической стабильности гафния по сравнению с материалами, применяемыми в органах регулирования в настоящее время.

Сравнительные исследования под облучением оболочечных материалов поглощающих элементов из металлического гафния и стальной оболочки показали, что оболочка из гафния позволяет сохранить большую эффективность, чем стальные оболочки [4, 6].

Специалистами Франции и Германии для поглощающих элементов предлагается использовать диборид гафния, карбид бора, а в качестве оболочечного материала - гафний металлический, что повысит эффективность изделия в целом и снизит радиационные повреждения поглощающего сердечника (B₄C, HfB₂), расположенного внутри оболочки. Преимущество оболочек из гафния заключается в том, что гафний хорошо поглощает надтепловые нейтроны. Около 90% всех захватов приходится на область энергий нейтронов 1-100 эВ. Поэтому неправильно судить об эффективности органов регулирования из гафния только по значению поглощения тепловых нейтронов.

В патенте JP 02010299 (кл. G21C 7/10, 7/113, 7/24, опубл. 1990) разработана конструкция контрольного стержня, в которой в качестве поглощающего элемента используется тонкостенная оболочечная труба из гафния, изготовленная из листового металла определенной толщины. В патенте DE 19812112 (опубликовано 23.09.1999, кл. G21C 7/117; G21C 7/20; G21C 7/24) в реакторе PWR с водой под давлением контрольный элемент состоит из поглощающих элементов в виде штырей, покрытых тонкой оболочкой из поглощающего материала - гафния. В заявке JP 2009041994 (опубликовано 26.02.2009, кл. G21C 7/10; G21C 7/113) в контрольном стержне используется эллиптическая оболочечная труба из гафния. В патенте RU 2287193 (опубликовано 10.11.2006, кл. G21C 7/04, G21C 7/10, G21C 7/103) регулирующий стержень содержит поглощающий нейтроны материал, включающий бор, расположенный в оболочке, выполненной из циркониевого сплава, включающего гафний в количестве от 3 до 35 мас.%.

Наиболее близким аналогом предложенного изобретения является технология изготовления бесшовной трубы из гафния (95 мас.% Hf), по патенту JP 3236453 (опубликовано 22.10.1992, кл. B2B 21/00, C22C 27/00, C22F 1/00, C22F 1/18, G21C 7/10, G21C 7/24). Бесшовная труба из гафния чистотой 95 мас.%, изготовленная в соответствии с данным изобретением, имеет исключительную способность к поглощению нейтронов и улучшенную коррозионную стойкость. Способ пригоден для изготовления бесшовных труб из гафния для атомных реакторов. Способ включает холодную прокатку трубной заготовки, полученную многократной обработкой давлением, с промежуточными термообработками между операциями холодной прокатки в диапазоне температур 650-800°C и окончательную термическую обработку готовой трубы на конечном размере. Однако в данном способе технология изготовления бесшовной трубы включает режим нагрева холоднокатаной трубы в диапазоне температур 650-800°C, что недопустимо для термообработки труб, полученных из металлического гафния марки ГФЭ-1, и не обеспечит снятие напряжений в процессе холодной обработки давлением и требуемый уровень механических характеристик.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения изделий в виде трубы различного диаметра из металлического гафния марки ГФЭ-1. Способ должен обеспечить технологичность материала на всех этапах горячей и холодной обработки давлением, применяемых при изготовлении изделий в виде труб.

Решение данной технологической задачи связано с разработкой промышленной технологии изготовления трубных изделий диаметром от 6 до 30 мм с толщиной стенки от 5 до 0,5 мм из слитков гафния марки ГФЭ-1.

Техническим результатом изобретения является получение трубных изделий из гафния с высокими прочностными свойствами и коррозионной устойчивостью.

Технический результат достигается тем, что способ изготовления трубных изделий из гафния включает механическую обработку слитка из электролитического порошка гафния с последующим нанесением на него защитного покрытия, нагрев, горячую ковку слитка с получением поковки, последующую механическую обработку поковки с получением заготовки круглого профиля, ее вакуумную термическую обработку, нанесение на нее защитного покрытия и нагрев до температуры горячего прессования, горячее прессование заготовки с получением из нее штанги, механическую обработку штанги и изготовление из нее гильз, нанесение на них защитного покрытия и нагрев их до температуры горячего прессования, горячее прессование гильз с получением трубных заготовок, их механическую обработку, химическое травление, вакуумную термическую обработку, холодную прокатку в несколько проходов с суммарной степенью деформации до 60%, при этом после каждой операции холодной прокатки со степенью деформации до 30% проводят промежуточную вакуумную термическую обработку, а окончательную вакуумную термическую обработку полученных трубных изделий осуществляют на финишном размере.

Горячую ковку слитка проводят в диапазоне температур от 950-1100°C до 750-800°C с промежуточными подогревами при температуре 950-1050°C. Вакуумную термическую обработку заготовки проводят при 750-950°C. Горячее прессование заготовки проводят при температуре 750-950°C. Гильзы получают путем сверления осевого центрального отверстия в штанге, разрезанной на мерные длины.

Горячее прессование гильз проводят при температуре 750-950°C. Вакуумную термическую обработку трубных заготовок проводят при температуре 750-950°C.

Вакуумную термическую обработку трубных заготовок в промежутках между холодной прокаткой и окончательную вакуумную термическую обработку полученных трубных изделий осуществляют при температуре 750-950°C.

Вакуумную термическую обработку проводят при остаточном давлении в печи не выше 1·10^-4-1·10^-5 мм рт.ст.

На финишном размере трубных изделий проводят их осветляющее химическое травление.

Преимуществом получения трубных изделий по заявляемому изобретению является то, что двойным горячим прессованием обеспечивается более равномерная проработка структуры в заготовках, повышение уровня предельной пластической деформации трубных заготовок на последующих операциях холодной прокатки и получение трубных изделий с минимальным количеством операций холодной прокатки и промежуточных вакуумных отжигов. Холодную прокатку осуществляют в несколько проходов с суммарной степенью деформации до 60%, при этом каждую операцию холодной прокатки осуществляют со степенью деформации до 30%. Эта степень деформации оптимальна. В противном случае происходит растрескивание трубных заготовок. Трубные изделия из гафния, полученные по разработанной технологии, отличаются большой однородностью мелкозернистой структуры по длине и сечению, а также высокими прочностными свойствами и коррозионной устойчивостью.

Кроме этого разработанная технология является трудо- и энергосберегающей технологией, позволяющей получать трубные изделия с минимальным количеством операций холодной прокатки и промежуточных вакуумных отжигов.

В предлагаемом способе используют слитки из электролитического порошка гафния марки ГФЭ-1, полученные двойным вакуумно-дуговым переплавом (А.В. Бобылев. Механические и технологические свойства металлов / Справочник. Изд. Металлургия, 1980, с.121-125) или в электронно-лучевой печи, например, по способу, описанному в патенте № RU 2443789, опубл. 27.10.2012, с последующим вакуумно-дуговым переплавом.

В слитках гафния массовая доля гафния в сумме с цирконием составляет не менее 99,8% по разности с определяемыми примесями, при этом количество азота составляет <0,008%, количество кислорода - 0,05%.

Пример

По заявленному техническому решению технология изготовления труб из гафния включает: механическую обработку слитка из электролитического порошка гафния, для защиты от газонасыщения на слиток, например, наносят любое высокотемпературное защитное покрытие, нагрев, горячую ковку слитка в диапазоне температур от 950-1100°C до 750-800°C с промежуточными подогревами при температуре 950-1050°C в открытой электропечи сопротивления модели «ПКМ-4.8.4/12,5» с получением поковки. Из поковки после механической обработки получают заготовку круглого профиля размером ⌀ 97×250 мм с шероховатостью поверхности не более R_z 2,5. Заготовку подвергают вакуумной термической обработке (отжигу) в вакуумной печи модели типа «СНВЭ-4,516-И1» диапазоне температур 750-950°C, затем горячему прессованию в штангу ⌀ 51 мм. Для защиты от газонасыщения перед горячим прессованием круглую заготовку, например, очехловывают в низкоуглеродистую стальную оболочку толщиной листа 0,5 мм и медную фольгу толщиной 0,2 мм. Температура нагрева заготовки перед прессованием в открытой печи сопротивления 750-950°C. Штангу ⌀ 51 мм после прессования подвергают правке и разрезке на мерные длины 100 мм, из которых после механической обработки (торцовка, сверление осевого отверстия, чистовая обточка на токарно-винторезном станке модели 16К20), получают гильзы. После механической обработки гильзы отжигают в вакуумной печи типа «L-700» при температуре 750-950°C в течение 2 часов. Перед горячим прессованием для защиты от газонасыщения гильзы «очехловывают», например, в медную оболочку (медные трубы размером 0 46,0×0,30 мм - наружная оболочка; ⌀ 12,8×0,20 мм - внутренняя оболочка). Температура нагрева гильз в защитной оболочке перед горячим прессованием осуществляется в открытой печи сопротивления при температуре (750-950)°C, температура нагрева прессового инструмента 450°C. После горячего прессования из гильзы получают трубную заготовку. Геометрические размеры трубных заготовок после прессования ⌀ 20,5×12,2 мм. Трубные заготовки подвергают правке, механической обработке (подрезка, торцовка, радиусовка) и химическому травлению. Химическое травление выполняют в два этапа:

1) травление медной оболочки в водном растворе азотной кислоты;

2) осветляющее травление в водном растворе смеси азотной и плавиковой кислот.

После химической обработки производят ремонт заготовок (по водном растворе смеси азотной и плавиковой кислот и промывка. Термическую обработку трубных заготовок перед холодной прокаткой проводят при температуре (750-950)°C в вакуумной печи модели «L-700».

Холодную прокатку трубных заготовок осуществляют на роликовых трубопрокатных станах типа ХПТР 15-30 и ХПТР 8-15 с промежуточными вакуумными отжигами. Прокатку проводят в несколько проходов с суммарной деформацией до 60%, а после каждой операции холодной прокатки со степенью деформации до 30% проводят вакуумную термическую обработку при температуре 750-950°C, вакуум не выше 1·10^-4-1·10^-5 мм рт.ст.

Холодной прокаткой в несколько проходов получают трубы ⌀ (10-30) мм с толщиной стенки от 0,1 мм до 5 мм.

После холодной прокатки трубы обезжиривают и подвергают химическому травлению в водном растворе смеси азотной и плавиковой кислот (по необходимости).

Механические свойства образцов труб на готовом размере, изготовленных по предлагаемому изобретению и испытанных при комнатной температуре, соответствуют:

σ_в=500-520 МПа; σ_т=330-370 МПа; δ=20-22%.

Привес образцов готовых труб после коррозионных испытаний в воде при температуре >350°C и давлении 168-200 кгс/см² в течение 72 часов не должен превышать ~20 мг/дм².

При получении труб по заявляемому изобретению используется трудо- и энергосберегающая технология, обеспечивающая экономический эффект при их изготовлении, высокие прочностные свойства и коррозионную устойчивость труб в отличие от наиболее близкого аналога на способ изготовления труб из кальциетермического гафния.