МНОГОСЛОЙНЫЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТРУБЫ

ПРИМЕНЕНИЕ МНОГОСЛОЙНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОРПУСОВ РЕАКТОРОВ ДЛЯ АТОМНЫХ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

В последнее десятилетие происходит коренная перестройка топливно-энергетической базы нашей страны в направлении рез­кого повышения роли ядерного горючего и угля вместо природного газа, и особенно, жидкого органического топлива.

Поэтому в дальнейшем для увеличения доли ядерного горючего в топливно-энергетическом балансе возникает необходимость широ­кого использования этого горючего для целей централизованного теплоснабжения.

В материалах XXVI съезда КПСС указано на необходимость опе­режающими темпами развивать атомную энергетику. В связи с этим, перед энергетическим машиностроением была поставлена задача значительно увеличить производство оборудования для атомных, гидро - и тепловых электростанций, в том числе атомных реакторов теплоснабжения городов.

В настоящее время разработаны проекты первых двух отопи­тельных атомных ТЭЦ (АТЭЦ) с реакторами типа В-1000. Однако их применение не является оптимальным решением, так как изготовле­ние необходимого количества таких реакторов для АТЭЦ и особенно АЭС ограничено возможностями промышленности. В то же время из-за того, что не исключается вероятность хрупкого разрушения монолитного корпуса реактора, согласно требованиям радиационной безопасі ости, АТЭЦ необходимо размещать на расстоянии не менее 25—30 км от границ городов.

Начаты работы по сооружению первых двух отопительных атом­ных станций теплоснабжения (ACT) с установкой реакторов типа ВВТР-500 для покрытия тепловых нагрузок порядка 1500 Гкал/ч. Как АТЭЦ (в силу большой удаленности), так и ACT (исходя из при­нятого типа реактора) могут покрывать тепловые нагрузки только в горячей воде.

Вместе с тем анализ перспективных тепловых нагрузок в нашей стране показал, что абсолютное большинство городов и промышлен­ных комплексов имеют смешанные тепловые нагрузки: отопительные (в горячей воде) и промышленные (в технологическом паре различного давления).

Исследования, выполненные институтом ВНИПИэнергопром в от­ношении величины и структуры перспективных тепловых нагрузок городов и промышленно-жилых комплексов (ПЖК) европейской части CCCJP, включая Урал, показали, что суммарная тепловая нагрузка исследуемых городов и ПЖК возрастет почти в 1,4 р.; значи­тельно увеличится расход технологического пара (примерно в 1,3 раза); 97 % потребителей городов и ПЖК нуждаются в тех­нологическом паре давлением до 2 МПа, 85 % потребляют пар давлением до 1,3 МПа, а порядка 40 % — давлением не выше 0,8 МПа; в это же время возрастает концентрация тепловых на­грузок в городах и ПЖК, т. е. будет продолжаться централизация теплоснабжения.

С целью покрытия промышленных и смешанных промышленно­отопительных нагрузок необходимо создание специальных атомных станций промышленного теплоснабжения (АСПТ), на которых можно получать тепло в виде технологического пара и горячей воды.

Исходя из условий транспортировки пара, размещать их це­лесообразно на территории промышленных узлов или в непосредствен­ной близости от потребителей технологического пара, что предъяв­ляет ряд требований к таким станциям, атомным реакторам и их корпусам. Создание АСПТ требует разработки недорогих, надежных и безопасных в эксплуатации корпусов атомных реакторов. Опыт применения многослойной конструкции в химическом и нефтехимиче­ском производстве показал, что таким требованиям соответствуют корпуса атомных реакторов в многослойном исполнении.

Как показывает практика однослойная конструкция корпусов реакторов практически достигла предела своих возможностей в части надежности. Преодолеть трудности обеспечения высокой надежности в эксплуатации корпусов атомных реакторов можно, используя предложенные ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР, ИркутскНИИхим - машем и ПО Уралхиммаш новые технические идеи, основанные на замене монолитной стенки реакторов на многослойную, изготав­ливаемую из качественной тонколистовой рулонной стали, и на созда­нии новой высокоэффективной технологии изготовления обечаек путем навивки на центральную трубу рулонной полосы. Это дает возможность изготавливать реакторы неограниченных размеров с различной толщиной стенки.

Наличие дренажных отверстий в многослойной стенке обеспе­чит важное эксплуатационное преимущество многослойных реакто­ров, в частности, возможность надежного непрерывного контроля за состоянием стенки, а сварка кольцевых швов — даст возможность проводить такой контроль по частям, т. е. отдельно для днища и каж­дой обечайки. Следовательно, можно своевременно обнаружить ма­лейшую утечку и принять меры.

Особенности тонкого металла и многослойность стенки снижают опасность хрупкого разрушения, характерного для толстого металла [1]. Проведенные исследования показали, что тонкий металл делает корпус более стойким не только к зарождению, но и к распростране­нию трещин вследствие значительного снижения температуры пере­хода в хрупкое состояние.

Кроме того, критическая температура увязания хрупкой трещины не зависит от числа слоев и остается такой же, как и для одного слоя из тонкого металла; не зависит она также от длины пути, про­йденного трещиной, т. е. хрупкая трещина в многослойной стенке не обладает «инерцией».

В сосудах с монолитной стенкой зародившейся трещине практи­чески ничто не препятствует ее распространению на всю толщину. Процесс разрушения при этом неуправляем, часто быстротечен и име­ет характер взрыва. В многослойной стенке из-за отсутствия сплош­ности металла, развивающаяся трещина не может просто перейти через зазор. Она, дойдя до зазора, как бы ни был он мал, должна обязательно остановиться.

Для движения трещины в тонком металле необходимо также затратить значительно больше энергии, чем в толстом металле одно­слойной стенки. Особенностью разрушения многослойной стенки является его локальный характер.

Установлено, что толстый металл, вследствие наследственной неоднородности свойств по толщине при воздействии нейтронного облучения, подвержен неравномерному охрупчиванию. Тонкий ме­талл более однороден, поэтому он менее склонен к охрупчиванию. Следовательно, многослойная стенка более работоспособна в условиях нейтронного облучения. Это различие усиливается с увеличением толщины стенки, что очень важно для конструкций, применяемых в атомной энергетике.

Таким образом, особенности тонкого металла и достоинства мно - гослоя — замедленный характер разрушения, локальный характер разрушения, возможность тщательного контроля состояния стенки — практически обеспечивают неразрушаемость многослойных корпусов реакторов. При этом технико-экономические показатели рулониро­ванных корпусов по сравнению с коваными и кованосварными будут значительно выше.

Это позволило предложить корпус в многослойном испол­нении для реактора АСПТ [2]. В настоящее время к работе над кор­пусом привлечены многие организации, среди них такие как

НИКИЭТ, ВНИИАМ, ВНИПИэнергопром, ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР, ИЯИ АН УССР, ИркутскНИИхиммаш и др. Этими организациями проведен большой объем работ по обоснованию воз­можности использования многослойного корпуса для реактора АСПТ мощностью 300 МВт. Рассмотрены при этом два варианта — корпус полностью многослойный и многослойный корпус использован в ка­честве страховочного, а внутренний — однослойный.

На уровне технических предложений разработана конструкция и технология изготовления корпусов, установлены основные технико­экономические показатели, определены заводы-изготовители, а также обоснован выбор основных и сварочных материалов. В частности, в качестве базового материала для многослойного корпуса реактора АСПТ рекомендована сталь 12ХГНМФ.

Конструктивные особенности корпусов реакторов, специфические условия эксплуатации и повышенные требования к надежности и безопасности атомных станций промышленного теплоснабжения требуют проведения комплекса НИР и ОКР по созданию норм расчета на прочность, разработке правил устройства и безопасной эксплуата­ции, общих положений по сварке и правил контроля сварных соеди­нений многослойных корпусов атомных реакторов.

Для выполнения этой задачи проводятся следующие организа­ционные и исследовательские работы.

1. Обобщается опыт конструирования сосудов в многослойном исполнении и типовых узлов соединений с днищем, фланцем, пат­рубками, арматурой, колоннами и т. д.

2. Систематизируются данные по методам расчета при выборе основных размеров и методам проверочного расчета циклической прочности и прочности при статическом нагружении с учетом де­фектов.

3. Обобщаются результаты прочностных исследований и обосно­вываются методы расчета.

4. Ведутся технологические разработки, в частности, по вопросам сіарки рулонированного корпуса с применением разнесенных швов,, изготовления крышки с многослойным лазом, изготовления и вварки патрубков воротникового типа и др.

Особенно большой объем работ необходимо провести по созда­нию норм расчета на прочность атомных реакторов. Для этого долж­ны быть тщательно проанализированы существующие нормы и на их основе составлена подробная, конкретная программа работ и опре­делены ее исполнители.

АСПТ будут широко применяться в системах централизован­ного теплоснабжения как самостоятельные источники тепла про­мышленных узлов, так и совместно с отопительными АТЭЦ и ACT в крупных городах и промышленных комплексах. Они внесут на­иболее ощутимый вклад в оптимизацию топливно-энергетических ре­сурсов страны.

Эти станции также будут иметь большое значение в социальном и экологическом отношении благодаря вытеснению ими в наиболее распространенных системах теплоснабжения локальных источников

тепла на органическом топливе, загрязняющих окружающую сред^ и высвобождению значительного количестварабочих, Занимающихся неквалифицированным и маломеханизированным трудом.