Основные физико-механические характеристики металлов.

И области их применения

Основным конструкционным материалом в арматуре ЯЭУ являются стали.

Конструкционные материалы

Материалы, применяемые в конструкциях трубопроводов

ТРУБОПРОВОДОВ

МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В КОНСТРУКЦИЯХ

 

Трубопроводы первого контура изготовляют из коррозионно-стойких сталей аустенитного класса типа 12Х18Н10Т. Могут быть использованы стали перлитного класса с защитным покрытием внутренней поверхности сталью 12Х18Н10Т. По параметрам водяного теплоносителя можно использовать трубы из сталей перлитного класса, до для обеспечения высокой коррозионной стойкости необходимы дорогие стали аустенитного класса. Трубопроводы внереакторных контуров ЯЭУ с водяным теплоносителем изготовляют из углеродистых или низколегированных сталей перлитного класса, так как рабочие параметры среды допускают применение этих cталей.

Обычно материал корпусных деталей арматуры соответствует материалу трубопровода, на котором он устанавливается, поскольку основные требования к материалу трубопровода и корпусных деталей арматуры совпадают. Однако могут быть и исключения, например, для арматуры вспомогательных трубопроводов.

Таблица 1.3

Конструкционные материалы, используемые в ЯЭУ,

Материал	Область применения	tмакс; °С
Аустенитные коррозионностойкие стали Перлитные низколегированные стали Углеродистые стали     Титановые сплавы Никелевые сплавы	Трубопроводы и арматура первых контуров   Паропроводы и арматура перегретого пара   Паропроводы насыщенного пара реакторных установок, трубопроводы конденсатнопитательного тракта, арматура Арматура систем охлаждения Арматура реакторов

 

 

Стали обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими конструкционными материалами, поэтому они получили наибольшее распространение в деталях арматуры.

Стали обладают высокой прочностью и пластичностью. Последняя способствует выравниванию напряжений в отдельных точках детали и уменьшает опасность ее внезапного разрушения, что особенно важно для арматуры высоких параметров и другой ответственной арматуры.

Легированием стали различными элементами можно добиться особых свойств, таких, как коррозионная стойкость, теплостойкостъ и т.п. Термической обработкой можно в значительных пределах регулировать ее твердость, износостойкость и т.п. Таким образом, сталь является высококачественным материалом для изготовления ответственных деталей арматуры.

Прочностьстали энергетических установок должна быть обеспечена не только при нормальной температуре, но и при длительной работе с повышенной температурой рабочей среды. Поскольку среда непосредственно соприкасается с корпусными деталями, затвором и шпинделем, то их температуру можно принимать равной температуре среды. Для оценки прочности стали и других материалов используют целый комплекс механических характеристик, к которым относятся следующие.

· Предел прочности, на разрыв s_В— наибольшее напряжение, которое материал выдерживает при разрыве, отнесенное к первоначальному сечению образца.

· Предел текучести s_Т — напряжение, соответствующее, остаточному удлинению 0,2%.

· Предел ползучести s_ПЛ— напряжение, вызывающее суммарную деформацию 1% за 10⁵ ч работы или 1·10^{-7 мм} /_(мм·ч).Поскольку в ряде случаев явление ползучести не оказывает влияния на работу детали (шпинделя) или оказывает незначительное влияние, принимают 1% за 10⁴ ч или 1·10^{-6 мм} /_(мм·ч).

· Предел длительной прочности s_Д— напряжение, которое при данных условиях длительного испытания на прочность за 10⁵ ч (или 10⁵ ч) приводит образец к разрушению.

Пластические свойствастали оценивают по относительному удлинению при разрыве, относительному сужению и ударной вязкости.

· Относительное удлинение при разрыве δ определяется для образцов с соотношением длины к диаметру 10:1 (δ₁₀) или 5:1 (δ₅), представляет собой отношение увеличения длины образца при разрыве к его первоначальной длине и выражается в процентах.

· Относительное сужение ψ представляет собой отношение уменьшения площади поперечного сечения образца при разрыве к первоначальной площади образца и выражается в процентах.

Ударная вязкостьматериала а_Н, кгс·м/см², характеризует способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам и определяется количеством энергии, затраченной на излом единицы площади поперечного сечения образца в месте излома.

При определении деформации деталей применяют следующие характеристики

Модуль упругости при растяжении Е— условное напряжение, которое должно быть создано в материале, чтобы длина его увеличилась вдвое.

Модуль сдвига С = Е/[2(1+μ)], где μ — коэффициент Пуассона, представляющий собой отношение относительной поперечной деформации к относительной продольной. Для стали μ = 0,25 ¸0,33.

Подавляющее большинство сталей и сплавов, используемых для работы при высоких параметрах пара, не имеет равновесной структуры. Их химический состав и| режимы термической обработки обычно выбирают такими, чтобы обеспечить наиболее высокие значения предела длительной прочности, поэтому в них с течением времени происходят процессы, приближающие структуру к равновесному состоянию и изменяющие механические свойства материала. Эти процессы старения ускоряются с повышением температуры и времени выдержки. В результате действия ЭТОГО фактора может возникнуть тепловая хрупкость металла — охрупчивание.

Изменение механических свойств и склонность к тепловой хрупкости обычно оценивают по изменению ударной вязкости материала при комнатной температуре. При выборе материала для арматуры эта характеристика должна быть учтена, особенно для металлов, находящихся в контакте с жидким металлическим теплоносителем-натрием, так как поток натрия, воздействуя на металл, может изменить его пластические свойства.

Термические напряжения, возникающие в арматуре, повышают напряжения, действующие от давления среды, но простое суммирование механических и термических напряжений было бы неверным, необходимо оценивать их раздельно.

В результате циклически повторяющихся резких температурных воздействий на металл в виде теплосмен "нагрев — охлаждение" может возникнуть термическая усталость, разрушение металла от циклического чередования температур. Кратковременное действие термических напряжений для обычных пластических сталей не представляет опасности, но при многократном их повторении могут иметь место повреждения.

Предел длительной прочности не характеризует сопротивление материала длительно действующим циклическим термическим напряжениям. Длительная пластичность является более точной :характеристикой работоспособности материалов, так как материалы с высоким пределом длительной прочности,, но с низкой длительной пластичностью могут разрушаться при значительно меньшем числе циклов термических напряжений.

Для пластичных материалов меньшую опасность вызывает и концентрация напряжений.

При выборе стали и других конструкционных материалов важное значение имеют технологические свойства материалак которым относятся следующие.

· Литейные свойства — возможность получения отливок сложной формы с высоким качеством при достаточной плотности материала, обеспечивающей герметичность отливки под действием давления среды внутри детали.

· Свариваемость — возможность соединения деталей сваркой с получением шва достаточной прочности без дефектов в виде рыхлостей, хрупкости шва и т.п.

· Обрабатываемость резанием— возможность обработки деталей лезвийным инструментом без применения специальных методов и получения обработанной поверхности высокого качества доступными методами обработки резанием.

· Ковкость — возможность применения ковки и горячей штамповки для изготовления заготовок деталей.

· Притираемостъ— отсутствие задиров при взаимной притирке или притирке по третьему телу. Получение шероховатости поверхности не ниже 10-го класса без чрезмерного увеличения продолжительности притирки.

Кроме того, материалы должны допускать возможность применения термического и химико-термического упрочнения поверхности детали (закалка, цементация, азотирование и пр.).

Экстуатаиионно-физические характеристики материаламогут оцениваться по следующим свойствам стали и других материалов.

· Коррозионная стойкость — способность материала деталей противостоять химическому воздействию среды.

· Износостойкость — способность материала сохранять размеры и форму деталей при трении ее о сопрягаемую в рассматриваемых условиях (температура, наличие смазки, абразива и т.п.).

· Отсутствие схватываемости (холодной сварки) и задиров металлов сопрягаемых деталей с учетом среды, в которой они находятся.

· Эрозионная стойкость — способность материалов детали противостоять кавитационному воздействию среды и разрушаться в результате этого воздействия.

В некоторых случаях к металлам могут предъявляться и такие требования, как немагнитность, отсутствие некоторых легирующих элементов или компонентов сплава, например, кобальта и др., с интенсивной степенью активации и большим временем полураспада изотопов.

В соответствии с Правилами материалы, применяемые для изготовления корпусных деталей арматуры (подлежащих соединению с трубопроводами), должны обладать достаточными свариваемостью, прочностью и пластичностью, обеспечивающими надежную и долговечную работу оборудования в заданных условиях с учетом изменения свойств металла под действием рабочей среды.