Помощь студентам в учебе
Коррозионная стойкость сварных соединений из циркониевого сплава Э110 с защитным хромовым покрытием
|
Введение 11
Глава 1. Литературный обзор по защитным покрытиям 14
1.1 Циркониевые сплавы в атомной промышленности 14
1.2 Сварные соединения 19
1.3 Защитные покрытия 25
Глава 2. Материалы и методы 30
2.1 Подготовка образцов 30
2.2 Осаждение покрытий 31
2.3 Высокотемпературное окисление и характеристика образцов 32
2.4 Наводороживание образцов 32
2.5 Методы исследования структурно-фазового состояния образцов 32
2.6 Механические испытания образцов 33
Глава 4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 59
4.1. Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 59
4.2 Определение возможных альтернатив проведения научных исследований 61
4.3 Планирование научно-исследовательских работ 62
4.4 Определение трудоемкости выполнения работ 63
4.5 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой эффективности исследования 70
Глава 5. Социальная ответственность 74
5.1 Введение 74
5.2 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 74
5.2.1 Правовые норма трудового законодательства 74
5.2.2 Эргономические требования к правильному расположению и
компоновке рабочей зоны 75
5.2.3 Методические рекомендации при работе в аналитических
лабораториях 76
5.3 Производственная безопасность 77
5.3.1 Анализ вредных и опасных факторов, которые может создать объект исследования 77
5.3.2 Производственные факторы, связанные с чрезмерно высокой или
низкой температурой материальных объектов производственной среды, могущих вызвать ожоги тканей организма человека 78
5.3.3 Производственные факторы, связанные с электрическим током,
вызываемым разницей электрических потенциалов, под действие которого попадает работающий 79
5.3.4 Производственные факторы, связанные с аномальными
микроклиматическими параметрами воздушной среды на
местонахождении работающего 80
5.3.5 Производственные факторы связанные с акустическим колебаниями
в производственной среде 81
5.3.6 Производственные факторы, связанные с отсутствием или
недостатком необходимого искусственного освещения 83
5.3.7 Опасные производственные факторы, связанные с силами и
энергией механического движения 84
5.4 Экологическая безопасность 85
5.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 87
5.5.1 Анализ возможных ЧС 87
5.5.2 Наиболее вероятная ЧС 88
5.6 Заключение по разделу «Социальная ответственность» 89
Заключение 91
Список литературы 93
Глава 1. Литературный обзор по защитным покрытиям 14
1.1 Циркониевые сплавы в атомной промышленности 14
1.2 Сварные соединения 19
1.3 Защитные покрытия 25
Глава 2. Материалы и методы 30
2.1 Подготовка образцов 30
2.2 Осаждение покрытий 31
2.3 Высокотемпературное окисление и характеристика образцов 32
2.4 Наводороживание образцов 32
2.5 Методы исследования структурно-фазового состояния образцов 32
2.6 Механические испытания образцов 33
Глава 4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 59
4.1. Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 59
4.2 Определение возможных альтернатив проведения научных исследований 61
4.3 Планирование научно-исследовательских работ 62
4.4 Определение трудоемкости выполнения работ 63
4.5 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой эффективности исследования 70
Глава 5. Социальная ответственность 74
5.1 Введение 74
5.2 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 74
5.2.1 Правовые норма трудового законодательства 74
5.2.2 Эргономические требования к правильному расположению и
компоновке рабочей зоны 75
5.2.3 Методические рекомендации при работе в аналитических
лабораториях 76
5.3 Производственная безопасность 77
5.3.1 Анализ вредных и опасных факторов, которые может создать объект исследования 77
5.3.2 Производственные факторы, связанные с чрезмерно высокой или
низкой температурой материальных объектов производственной среды, могущих вызвать ожоги тканей организма человека 78
5.3.3 Производственные факторы, связанные с электрическим током,
вызываемым разницей электрических потенциалов, под действие которого попадает работающий 79
5.3.4 Производственные факторы, связанные с аномальными
микроклиматическими параметрами воздушной среды на
местонахождении работающего 80
5.3.5 Производственные факторы связанные с акустическим колебаниями
в производственной среде 81
5.3.6 Производственные факторы, связанные с отсутствием или
недостатком необходимого искусственного освещения 83
5.3.7 Опасные производственные факторы, связанные с силами и
энергией механического движения 84
5.4 Экологическая безопасность 85
5.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 87
5.5.1 Анализ возможных ЧС 87
5.5.2 Наиболее вероятная ЧС 88
5.6 Заключение по разделу «Социальная ответственность» 89
Заключение 91
Список литературы 93
Циркониевые сплавы с легирующими элементами такими как Sn или Nb используются в качестве основного конструкционного материала для тепловыделяющих сборок (ТВС), в которые входят тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) и дистанцирующие решётки, в водо-водяных реакторах (ВВЭР) из-за их соответствующих механических свойств, хорошей радиационной и коррозионной стойкости при нормальных условиях эксплуатации (~360 °C и 18,6 МПа) [1]. Однако возможные аварии могут привести к повышению температуры активной зоны реактора, что приведет к ускоренному окислению циркониевых сплавов и последующему водородному охрупчиванию, поскольку сплавы циркония могут быстро взаимодействовать с водяным паром при температурах выше 861 °C. При данной температуре начинает происходить самоподдерживающаяся пароциркониевая реакция с выделением взрывоопасного водорода. Это может привести к разрушению ТВЭЛов и дистанцирующих решёток.
На сегодняшний день продолжают проводиться исследования материалов-кандидатов для водо-водяных реакторов [2-7]. Основное внимание уделяется их устойчивости к окислению в аварийных условиях, например, при аварии с потерей теплоносителя, как это произошло на АЭС Фукусима [8-10]. Новый тип ядерного топлива, так называемое толерантное топливо, должно обладать повышенной устойчивостью к высокотемпературному окислению и водородному охрупчиванию. Краткосрочная стратегия развития толерантного топлива заключается в нанесении защитного покрытия на ТВС из циркониевых сплавов. Многочисленные исследования показали, что нанесение защитных Cr- покрытий на циркониевые сплавы повышает стойкость к высокотемпературному окислению [11-23].
Однако механические свойства циркониевых сплавов могут ухудшаться в следствие водородного охрупчивания и их последующего растрескивания из-за образования гидридов даже при нормальных условиях эксплуатации [24,25]. Водород может образовываться в ходе радиолиза воды и окисления циркониевых сплавов, а затем диффундировать в циркониевые сплавы. Образование гидридов может значительно ухудшить пластичность циркониевых сплавов даже в том случае, если гидриды распределены однородно и ориентированы по окружности или в плоскостном направлениях [26]. Содержание водорода также сильно влияет на микроструктурные изменения и механическое поведение предшествующей 0-Zr фазы, образующейся при охлаждении после высоких температур [27-29]. Большой интерес представляет поведение циркониевых сплавов с защитными покрытиями при наводороживании, поскольку покрытия могут влиять на условия наводороживания и тем самым влиять на содержание водорода и распределение гидридов.
Однако особое внимание должно быть уделено защите элементов, имеющих сварные соединения, поскольку сварка применяется, в частности, для изготовления дистанцирующих решёток [30]. Несмотря на то, что было проведено большое количество исследований по определению соответствующих параметров сварки циркониевых сплавов [31-34], структурные свойства сварных соединений будут отличаться. Хорошо известно [35], что сварной материал имеет три типичные области, такие как сварной шов (СШ), зоны термического воздействия (ЗТВ) и объемный сплав (ОС). Быстрое затвердевание сварных соединений может привести к формированию столбчатой микроструктуры, что приводит к снижению коррозионной стойкости сварных швов [31,36]. Коррозионная стойкость сварных швов из циркониевых сплавов настолько низка, что существует необходимость наносить защитное покрытие на их поверхность.
Влияние осаждения хромового покрытия на стойкость при высокотемпературном окислении (при 1100 °C) сварных швов, выполненных методом лазерно-лучевой сварки из циркониевого сплава, было ранее изучено в [12], где было установлено, что микроструктура сварного сплава не изменяется при осаждении хромового покрытия методом магнетронного распыления, а стойкость к высокотемпературному окислению сварных швов может быть повышена путём нанесения хромового покрытия толщиной 8 мкм.
Однако данные испытания отличались небольшой продолжительностью испытаний, которые составила 2-10 мин. Поскольку осаждение хромового покрытия рассматривается как способ вызвать дополнительное время для предотвращения разрушения ТВС при температурах 1200-1300 °C [11], то коррозионную стойкость сварных швов с хромовым покрытием необходимо изучать при большей продолжительности испытаний.
Также, принимая во внимание влияние сварки на характеристики циркониевых сплавов, необходимо оценить поведение при наводороживании сварных швов с хромовым покрытием в широком диапазоне температур, включая нормальную эксплуатацию (360 °C) и аварийные условия (450 и 900 °C). Кроме того, необходимо оценить механические свойства сварных швов из циркониевого сплава после высокотемпературного окисления и наводороживания, так как это важно для сохранения целостности ТВС в аварийных условиях.
Таким образом, целью данной работы является исследование коррозионной стойкости и механических свойств лазерно-лучевых сварных соединений из циркониевого сплава Э110 с хромовым покрытием.
На сегодняшний день продолжают проводиться исследования материалов-кандидатов для водо-водяных реакторов [2-7]. Основное внимание уделяется их устойчивости к окислению в аварийных условиях, например, при аварии с потерей теплоносителя, как это произошло на АЭС Фукусима [8-10]. Новый тип ядерного топлива, так называемое толерантное топливо, должно обладать повышенной устойчивостью к высокотемпературному окислению и водородному охрупчиванию. Краткосрочная стратегия развития толерантного топлива заключается в нанесении защитного покрытия на ТВС из циркониевых сплавов. Многочисленные исследования показали, что нанесение защитных Cr- покрытий на циркониевые сплавы повышает стойкость к высокотемпературному окислению [11-23].
Однако механические свойства циркониевых сплавов могут ухудшаться в следствие водородного охрупчивания и их последующего растрескивания из-за образования гидридов даже при нормальных условиях эксплуатации [24,25]. Водород может образовываться в ходе радиолиза воды и окисления циркониевых сплавов, а затем диффундировать в циркониевые сплавы. Образование гидридов может значительно ухудшить пластичность циркониевых сплавов даже в том случае, если гидриды распределены однородно и ориентированы по окружности или в плоскостном направлениях [26]. Содержание водорода также сильно влияет на микроструктурные изменения и механическое поведение предшествующей 0-Zr фазы, образующейся при охлаждении после высоких температур [27-29]. Большой интерес представляет поведение циркониевых сплавов с защитными покрытиями при наводороживании, поскольку покрытия могут влиять на условия наводороживания и тем самым влиять на содержание водорода и распределение гидридов.
Однако особое внимание должно быть уделено защите элементов, имеющих сварные соединения, поскольку сварка применяется, в частности, для изготовления дистанцирующих решёток [30]. Несмотря на то, что было проведено большое количество исследований по определению соответствующих параметров сварки циркониевых сплавов [31-34], структурные свойства сварных соединений будут отличаться. Хорошо известно [35], что сварной материал имеет три типичные области, такие как сварной шов (СШ), зоны термического воздействия (ЗТВ) и объемный сплав (ОС). Быстрое затвердевание сварных соединений может привести к формированию столбчатой микроструктуры, что приводит к снижению коррозионной стойкости сварных швов [31,36]. Коррозионная стойкость сварных швов из циркониевых сплавов настолько низка, что существует необходимость наносить защитное покрытие на их поверхность.
Влияние осаждения хромового покрытия на стойкость при высокотемпературном окислении (при 1100 °C) сварных швов, выполненных методом лазерно-лучевой сварки из циркониевого сплава, было ранее изучено в [12], где было установлено, что микроструктура сварного сплава не изменяется при осаждении хромового покрытия методом магнетронного распыления, а стойкость к высокотемпературному окислению сварных швов может быть повышена путём нанесения хромового покрытия толщиной 8 мкм.
Однако данные испытания отличались небольшой продолжительностью испытаний, которые составила 2-10 мин. Поскольку осаждение хромового покрытия рассматривается как способ вызвать дополнительное время для предотвращения разрушения ТВС при температурах 1200-1300 °C [11], то коррозионную стойкость сварных швов с хромовым покрытием необходимо изучать при большей продолжительности испытаний.
Также, принимая во внимание влияние сварки на характеристики циркониевых сплавов, необходимо оценить поведение при наводороживании сварных швов с хромовым покрытием в широком диапазоне температур, включая нормальную эксплуатацию (360 °C) и аварийные условия (450 и 900 °C). Кроме того, необходимо оценить механические свойства сварных швов из циркониевого сплава после высокотемпературного окисления и наводороживания, так как это важно для сохранения целостности ТВС в аварийных условиях.
Таким образом, целью данной работы является исследование коррозионной стойкости и механических свойств лазерно-лучевых сварных соединений из циркониевого сплава Э110 с хромовым покрытием.
Нанесение хромового покрытия методом магнетронного распыления было применено для повышения коррозионной стойкости лазерно-лучевых сварных швов из циркониевого сплава Э110. Благодаря росту внешнего защитного оксидного слоя хрома Cr2O3, кинетика окисления образцов с Cr-покрытием имела параболическую зависимость, которая обычно наблюдается при диффузионно-контролируемом окислении металлов. Тем не менее, изменения в микроструктуре поперечного сечения вследствие стабилизации твердых и хрупких пластин a-Zr(O) в первичных зернах 0-Zr могут вызвать упрочнение сварного шва и увеличение его модуля упругости. При этом хрупкого разрушения образцов с Cr-покрытием обнаружено не было, в то время как образец без покрытия имел хрупкое разрушение после 2 мин высокотемпературного окисления.
Наводороживание ЛЛШ из циркониевого сплава Э110 с Cr-покрытием из циркониевого сплава Э110 проводилось при 360-900 °C в чистом водороде (2 бар). Было установлено, что Cr-покрытие уменьшает скорость сорбции водорода и обеспечивает более высокую энергию активации сорбции водорода (70 кДж/моль) по сравнению с образцами без покрытия (61 кДж/моль). После наводороживания при 900 °C не наблюдалось растрескивания или отслоения Cr-покрытия. Также наводороживание образцов приводит к образованию хрупких 5-гидридов, концентрация и ориентация которых зависит от условий наводороживания и исходной микроструктуры. Гидриды ориентированы в основном в продольном направлении в ОС, в то время как гидриды циркония образуются в поперечном направлении в СШ. Механизм выпадения гидридов аналогичен при температурах 360 и 450 °C. Доля и размер гидридов увеличивается с ростом концентрации водорода, а направление их роста определяется кристаллографической текстурой и ориентацией границ зерен. Водород быстро диффундирует при 900 °C, и гидриды образуются в результате 0^-3 фазового превращения. Полученная микроструктура зависит от концентрации водорода в сплаве, которая может быть значительно выше для образцов с Cr- покрытием из-за замедления десорбции водорода при охлаждении. Также установлено, что образование гидридов вызывает потерю пластичности при высоких их концентрациях.
Наводороживание ЛЛШ из циркониевого сплава Э110 с Cr-покрытием из циркониевого сплава Э110 проводилось при 360-900 °C в чистом водороде (2 бар). Было установлено, что Cr-покрытие уменьшает скорость сорбции водорода и обеспечивает более высокую энергию активации сорбции водорода (70 кДж/моль) по сравнению с образцами без покрытия (61 кДж/моль). После наводороживания при 900 °C не наблюдалось растрескивания или отслоения Cr-покрытия. Также наводороживание образцов приводит к образованию хрупких 5-гидридов, концентрация и ориентация которых зависит от условий наводороживания и исходной микроструктуры. Гидриды ориентированы в основном в продольном направлении в ОС, в то время как гидриды циркония образуются в поперечном направлении в СШ. Механизм выпадения гидридов аналогичен при температурах 360 и 450 °C. Доля и размер гидридов увеличивается с ростом концентрации водорода, а направление их роста определяется кристаллографической текстурой и ориентацией границ зерен. Водород быстро диффундирует при 900 °C, и гидриды образуются в результате 0^-3 фазового превращения. Полученная микроструктура зависит от концентрации водорода в сплаве, которая может быть значительно выше для образцов с Cr- покрытием из-за замедления десорбции водорода при охлаждении. Также установлено, что образование гидридов вызывает потерю пластичности при высоких их концентрациях.