Komise pro jadernou techniku české vědeckotechnické společnosti
Komisia pre jadrovú techniku Slovanskej vědeckotechnickéj spoločnosti
Československá komise pro atomovou energii
5. CELOSTÁTNÍ KONFERENCE 0 JADERNÉ ENERGETICE Piešíany, 1. - 2. prosince 1970
VÍSLEDKY STUDIA RADIAČNÍ 3TA3ILIK OCELÍ PRO TLAKOVÉ NáDOBY JADERNÍCH REAKTOR^ V ÚJV
Autor: Miroslav Vacek ÚSTAV JADIRNJŠRO VÍZKUMU ČSAV fiež u Prahy
-
1
-.
. Pro studium radiaíní stability byly vybrány různé typy nízkolegovaných ocelí : uhliko-iaanganová, mangan-nikl-nolybdenová ..o mangan-nikl-chrom-molybden-ni'obová. U všech ocelí byl v každém případě studován základní materiál. Svarové spoje, získané různou technikou svařování, byly studovány u oceli uhlíko-manganové a mangan-nikl-^olybdenové. Odolnost vůči radiačnímu poškození se posuzovala hlavně na základě výsledku zkoušek statickým tahem a zkoušek vrubové houževnatosti při; dynamickém ohybu- Součástí studií, bylo i ověření vlivu některých metalurgických faktoru^ jako legujících přísad, způsobu uklidnění tavby, tepelného zpracování a vakuování před odléváním, na výsledné radiační poškození použitých ocelí. Rovněž se studoval účinek některých metalurgických i provozních faktorů na stupeň zatavení z radiačního poškození při žíhání ozářených vzorků. Dosažené výsledky js*u kriticky hodnoceny a aplikovány na provozní podmínky skutečné tlakové nádoby jaderného reaktoru.
Ú vod Neutronové pářeníJzpůsobuje výrazné změny mechanických vlastností kovových konstrukčních materiálů. Znalost závislosti těchto změn na neutronovém ozáření má zásadní význam pro bezpečný provoz jadérnýcji zařízení. • Účinky-neútronjívého ozáření se u konstrukčních materiálů .jaderných reaktrů - včetně ocelí pro tlakové nádoby - i projevují hlavně v jejich zpevnění a zkřehnutí. Velikost ra^diačníhd zpevnění a zkřehnutí je ovlivňor áná hlavně provozními, . ale také metaljurgickými faktory. Objasnění účinků ' '(y jednotlivých faktorů na výsledné radiační poškozeni ©celí pro reaktorovi tlákóvéWédJ^f může. vést k omezení nepříznivého působení téchto taktoro^^k výrobě oceli s vôtôí radiační stabilitou, a tím j. k prodlouženi životnosti nákladné tlakové nádoby. Předložená*práce ae zabývá analýzou výsledků studia na půspbení provozních a některých metalurgických
faktorů ni radiační zpevnění a zkřehnuti několika druhu nízkolegovaňých ocelí, studovaných v ÚJV za posledních pét radiačního1 zpevnění a zkřehnutí nízkole-
zpevnění je v této práci vyjadřováno zvý meze kluzu y tiiiu (oproti neozářenému stavu), což je vyvoláno neutronovým zářením. Radiační zkřehnutí je vztahováno 1c posunutí transitní teploty A 0,4 na křivce vrubové •houževnatosti, kde treňeitní teplota TTQ . odpovídá podle Pr-vijuka asspolupracovníků 0,4násobku maximální spotrebované energie /!/:. Nejvíce experimentálních údajů bylo získáno pro -uhlíko-manganovou ^ocel, která byla použita na výrobu 1.1 československé jaderné e l e k t r á r n y . Je j í che iické«složfcní -je fíiVedeno v tabulce I pod označením 13O3O(A1+Ti+Ni>. Radiační zkřehnutí základního m a t e r i ŕ l u t é t o o c e l i se po různém ozářen í p ř i těploiíě n i ž š í než 15C°G pohybovalo aiezi oboma mezní>ni hodnotami, ls-,teré jsou vyjádřeny přímkami-na obr. 1 /2/. zkřehnutí svarových spojů s t e j n é o c e l i / 3 / j e zde označeno* S jo elektrostrúskový svarový spoj, H je ruční obloukový, svarový 3poj a C je poloautomatický svarový < spoj v atmosféře C0-. SK označuje svarový kov a TOZ teplem ovlivněnou, zónu. Po ručním obloukovém a poloautomatickém svar u v XO2 xiésledoválo zhruba padesátihDdinové žíhání p ř i t e p l o t ě 62;p°tí. Slektrostruskové svarové spoje, byly dvoustupňové normalizovány p ř i t e p l o t ě 94O a 89C|OC, popuštěny p ř i t e ^ l o í. t ě j550°G;po dobu 15 hodin f potom žíhány jako oba předchozí v * svarové spoje. Dalěl údaje y tomto obrázku ae t ý k a j í níxkcti o c e l í 3 Vyšší pevnosti než má ocel pro A I , Oznafeku *(659 p l a t í pro ocel mangan-nikl-chrom-molybden-niobovou 7 4 / a ^ e j í svajové kovy / 5 / , kde zékladn^, m a t e r i á l j e < OM a svarové spojQ máji shodné označoní é o c e l í
-
3
-
Označení EXP přísluší experimentálním tavbám mangan-nikiaolybdenových ocelí / 5 / . Chemické složení všech ocelí je v' tabulce. I . Z obr. 1 je zřejmé, že zjištěné rozdíly v nadiačním zkřehnutí mezi základním materiálem a svarovými spoji nejsou systematické. Zjištěný rozptyl hodnot rddisřního zkřehnutí, které je vyjádřeno posunutím tr^nsitní.teploty £ TTn Ai je připisován hlavně nepřesnosti v urření časového integrálu hustoty neutronového toku 0t a rozdílům v chemickém (nečistoty) a mikrostruktuře studovaných ocelí. i Ani u mingan-nibl-cKrom-Tuolybden-niobové oceli s pevností nebyly zjištěny podstatné rozdíly v radiačním 'zkřehnutí základního materiálu a svarových kovů ( o b r . l ) . U této oceli následovalo po poloautomatickém sváru v C02 pětinásobné žíktání pri teplote óio'c po'ÍO hodin. Elektrostruskový svar byl tepelně zpracován stejné jako u oceli . 13Q3O(A1+Ti+Ni.) až na" žíhání, které v tomto případě bylo sejninásobné, při teplota 62O°C po 10 hodin s pomalým ochla= zováním v peci. . ' U experimentálních taveb (EXP)^byi studován vliv mikrolegpvéní hliníkem, titaaeni, niobem, zirkoniem a vanadem v různé kombinaci, vliv vyššího obsahu niklu při zjmen- , šeném obsahů uhlíku a manganu a ys jednom případě i vliv vakuování před odléváním (tavba EXP F) na výsledné radiační zkřehnutí. Z dosažených výsledků nelie jednoznačně rozhodnoju*--""*" • lepši účinnosti £i přednosti použitých -kombinaíu£--iiďřrolegur z hlediska radiačního poškození. U všech-ťáVeb nebyla totiž dodržensi úplně stejná výrpbníHréchnplogie. Experimentální, yýfíiedky'-.(obr. lJ<*é£Ě 'naznačffjí příznivý vliv néjvySšího obsahu nittlTu" tavby .EXP H (3?O7*Ni) a EXP E (2,12%iíi) o i příznivý vliy vakuování.před odléváním (EXP F),na výsledné Tadiačnl zkřehnutí (C TÍ
PH
o
a, -u
y
-I
-
4 -
Při stuHu radiačního zkřehnutí (A T T A .) mangan-'-niklmolybdenové oceli ozářené ^2 ,1x107 n/cm~ (E> 1 MeV) nebyl zjištěn v A T T Q . u vzorku typu Cherpy s ostrým vrubem ve tvaru V a vr-lcovými mi kro rázovými vzorky s obvodovým vrubem o délce 30 mm větší rozdíl než 10°G po sta jném ' ozáření /6/, Tento rozdíl je v mezích pŕesnoti použité metodiky pro stanovení radiačního zkřehnutí. "Uvolené výsledky potvrzuji možnosti studia radiačního zkřehnutí ocelí pomocí mikrorr'zových vzorku a jsou v souladu se závěry jiných autorů /7,8/. Velké úsilí bylo věnováno i stadiu žíhání na zotavení z rači?.čního poškození. Na obr. 2 je znázorněn prftbéh zotave-^ ní z radiačního zpevnění u uhlíko-manganové oceli typu 13030 (Al+Ti+Ni), u oceli mangan-nikl-chrom-molybden-niobové "říslo tavby M 8659 s u nerezavějící chromové oceli 17027 dle ČSN. I když oza'ovací teplota (T ) nebyla u všech oceli přesně stijná, nelze předpokládat výrazný vliv této teploty v rozmezí 40 až 1508 na v/sledně radiační zpevnění. Z. obr. 2 jé *řejmé, že k téměř úplnému zotavení dochází u všech použitých ocelí při zhruba stejné teplotě (kol&m 35O°C) nezávisle na použitém typu oceli a podmínkách ozařování*• Naproti tomu teplota pro padesátiprocentní zotavení z radiačního zpevnění ( T C Q X ) závisí ifějen na typ ti použité oceli, ale i na velikosti neutronového ozáření. Výsledky jsou shrnuty v tabulce IIí Tabulka II. Výsledky 50%ního zotavení z radiačního zpevnění ých eceíí i)
Označení oceli li
i
fi
C-Cr
40
4xlO?-8 18
230
7Oažl5O 3»5xlO
M 8659>
?ln-Ni-Cr-:,ío-Nb
7pažÍ5O , 8X10
Q-$5n ..
:
'
.
•
;
, ",
-
6O3ŽÍO
. • • • " " ' • •
187 210
íto-Ni-Cr-Mo-Nb ,
•
A/'
18
M 8659
13O3OCA1+Ti+Ni)
(
2
/n/cm /
-
. ČSN 17027
"
Í m
Typ ( • ; o c e l i ;:
x
lxIO ? 256
-
5 -
Stejné oziřená nerezavějící chromové ocel CSN 17027 jako na obr. 2 a v tabulce II se podle měřené tvrdosti dle Yickerse (H\n 0 ) téměř úplné zotavila při teplotě kolem 425°C. K padesátiproconthímu zotavení ze zvýšené tvrdosti způsobené neutronovým zářením došlo při teplotě 25O°C. Bůzné vlastnoti oceli se tedy nemusí vždy zotavovat ve st.ejném teplotním rozmezí. Na podobné teplotní rpzčtíly ó velikosti kolem 40°C mezi zotavením z radiačního zkřehnutí (á TT) a z radiačního zpevnění (A^xt1 n * 3 k o l e o ° v a n é - oceli poukazoval Berggren n a spolupracovníci / ? / • . • U všech použitých ocelí /ôbr. 2/ dochází po žíhání mezi 75 až 125° k dalšímu zpevnění, které' je vyvoláno další interakcí mřížkových poruch. Nichols a Harriea /10/ vysvětlují toto dodatečné zpevnění shlukováním vakancí. Dispersnost vakancí dosáhne v uvedeném teplptním rozmezí kritické hodnoty, při které se, zvyšuje odpor proti pohybu dislokací, a tedy i deformační napětí. Různou žíhací teplotou jsou ovlivňovány u ozářených vzorků i děje ná mezi kluzu, jmenovitě výrazná a iievýrjíšsná mez kluzu oceli (obr\ 3 j . výrazná mez klužu ozářených vzorků přechází v d^sle:!*ku žíhrnl v nevýraznou ínez kluzu v teplotním rozmezí kolem 250 až 325°C. Neozářené vzorky stejné oceli vykazovaly -výraznou mez kluzu při všech žíhacích; teplotách. Nevýrazná mez kluzu je v souladu s prací Hahna 711/ á Cot-fcrell; •/12/ vysvětlována nedostatečným'počtem dislokací zakotvených atomy uhlíku a dusíku. Nedostatek ctěchto atomů uhlíku a dusíku je pravd ipodcbBě způsoben jejich '•-*.'•• zmíněnou interakcí s isřížkovýnii poruchami vyvolanými aářeňím (pravděpodobně vakancemi) v uvedeném teplotním „rozjnezí, takž* potom n,edochází k áčihnámu zakotvení kácí. Podle Smiďťa A 3 / skutečná dochází při teplotě 227 af"2Al°t k rozpadu, komplexu, trořených vafcancí, h a atomem uhlíka. PrecipitaČním procesem aě vytvářet aú&nikroakoEicTsrf Částiee Fe^C. VakaxweA pos topně putovania \v
v/
-
železem z a n i k a j í .
»
6
-
;
•• ' '-
'
.
Obdobný proběh diagramů nepětí-prodloužení v závislosti na žíhací teplotě pozoroval -Vrtěl /14/ u oceli poiobného složení po deformačním OT(Í poruchy ;hrají důležitou úlohu i při ' -rrro kiluzuo ,,..-, ::L rychlosti deformace £ u o ocelí, tfroně'ci a spolupracovníci /15/4 uvádějí v přetíledu dosavadních poznatků o; účincích neutronového záření na kovy s kubickou prostorová centrovanou mřížkou, že ozáření zmenšuje závislost dolní meze kluzu na rychlosti deformace. To se vysvětluje zvyšováním účinného aktivačního objemu pro skluz. li
Při hledání korelac'e mezi radiačním zpevněním a zkřehnu. I! ' • • tím byl v UJV taká studoyán .vliv neutronového.záření u záv i s l o s t i dolní meze kluzb na rychlosti deformace /16/ pro oceli 13030(AI-!-Ti+Ni) a ifiSN 12C13. Chemické složení j t v t c 1! bulce I.. Výslelky tohoto'; studia jsou znázor.nšny_n2 obr. 4. Závislost ctolní meze klussu na rychlosti deformace se neutr0novým'záíénim zvyšuje u oceli. 13O3Q(A1+Ti+Ni),- ale u oceli ČSN 12OÍ3 s? zmenšuje. Ylav neutronového záření na tuto závislost se bude patrně ř í d i t složitou .if.sterakcí &2si dislokacemi a mřížkovými poruchami (včetně obsaíiu - nečistot), kxeré již dříve v oceli existyvaly nebo v ní. nově vznikly -ozářením, • Toto studium., tedy nepotvrdilo závěr, Wronskiho a spolupracovníků /15/ o-:zmenšení závislosti dolní meze kluzu na rychlosti deformace„vlivem neutronového ozáření. i Z á v ě r . Poroynání dosažených výsledků studia radiačního zkřehnutí čs. nízkolegovanýc.h ocelí pro tlakové nádoby jaderných reaktorů š' výsledky zahraničních autorů ukazuje^ Že odolnost čs, ocelí pŕo^i:radiačnímu zkřehnutí je srovnatěiríá s odolností podobných óčelí sovětské a americrké. výroby. " #
• 1
. 7 Výsledky studia vlivu nékterýcji metalurgických faktorů nu radiační zkřehnuti použitých fs. ocelí naznačují, že pomocí těchto faktorů (obsah niklu, vakuování před odléváním, mikrostruktura) lze zvýšit odolnost oceíívůči radiačnímu zkřehnutí, a tím zvýšit i životnost nákladné tlakové nádoby. Vliv těchto faktorů se však musí ověřit při ozařovací teplotě odpovídající provozní teplotě tlakové nádoby vzhledem k citlivosti . •radiačního zkřehnutí i zpevnění vůči, ozařovací .teplotě.
J ,
V •4 Použitá
6
I i ťér.^'t u-r a
~" "
T~ ~1 "
1
,-• ' -
' '; -
(l) . N.F.Pravájuk/i A.D.Am^PV, P.A. Platónov, B.M.Kuznecov, :;r :
-- ' B . M :
;
•{Joljano^
1
' ' ' ' ' • • .
,, \ •
• Dejstvié jaderných izlučenii na materiály ) ' Moskva, 1962,|str. 34-57•
•
•
•
'
•
;
•
I
•
•••;
"•'
(2). ří.;,Vacek " | . -, ' ... Vliv3 neutronového záření na mechanické v l a s t n o s t i oceli ' typu 13O3OU1+TÍ+NÍ), ( 3 ) . M, Vacek Vliv neutronového záření na mechanické v l a s t n p á t i svarových spojů reaktorové tldkové nádoby z nízkouhlíkové oceli, tÍJV 16 30/67, (1967) (q ). U. Vacek ' Vliv neutronového záření na mechanické v l a s t n o s t i nízkolegované oceli typu 13030<:-MnNiMolíb ÚJV 1^73/65, (1965)(5)'. M. Vacek „ . • . . - ' Vliv neutronového záření ria mechanické v l a s t n o s t i kovů pro A 2 a některých Mn-Ni-Jío ocelí ÚJV 2055-M., (1968) .
svarových
(6). J . Červášek, V. Juřička Vliv některých metalurgiekých.faktorů na radiační c i t l i vost Mn-Ni-Mo oceli pro tlakovou nádobu A 2 > ÚJV,2314-M, (19.69); ' •: " •' . o A.D.Amaev, P.A.Platónov, N.P.Pravdjuk IzuíTenié eklonnosti k chrupindäti f e r r i t o - p e r l i t n ý e h s t a j e l , Bíja korpusov reaktorov p r i nejtronnom ob'lučenií, • r e f e r á t na I I I . Ženevské korďeŕWci v r . 196<, ref.A/ : "- :=CONF'..2§/P/339' ' " , ; ' l ; \ "• o )) :'. Ô , „ -
*"• 9
-
( 8 ) . M. Grounes, H.P.Myers and N.E.Hannerž :0 i r r a d i a t i o n Effects at 160 - 240^0 in Somé ' SwedÍ3h > Pressure Vesssl S t e e l s , ,,AE - 2 9 8 , (1967) ' (9). R.G.Berg&Jcen, W.J.SteLzman arid T>N.Jones • 5 Radiation.Effects on Pressures-Vessel S t e e l s , u U3A.EC-Report ORIÍÍL - 4020, (1966)'" 1
"
'
(10). R..7.Kichols;,and D.R.Harries,^ ^ ^. Brittle Fracture aní Irradiation Effects in Ferritic Pressure Vessel Steels, ASTM - STP - 341.r str. 162-198 í ,; " •
ill). G,T.Hahn:
.
. /V
A Model Yielding with Special Reference t»J the Yield"point Phenomena of,* Iron and1 Related BCC -Metals \\ Acta;,Met., Volľ-lO?, August 1962, 727-737 -
(12). A.H.Cottrell , '..'•."" ' ; , Discontinuous Yielding, Proceedings of the conference held at the National Physical Laboratory, Teddington 1963, 456-473' ' s . ^ : — J (13). F.A.Smidt, A.L.Bement, Dislo'cation Dynamics,, t J$ New York 1968, str. 409-417 • -< ' (14). J . V - Výzkumná
i. Z-62-1115
^-). A.S^T/t'ronski, G.A.Sargent, A.&.Johnson .„' r,/ ' ,, 0| J , I r r a d i a t i o n Hardening arid Embrittlement in Bbdy-centr,ed ° Cubic' Transition Metals/ ASTM-STP-3811 (1965),69-85." ,
(16) , V . J u H č k a °
0
_ \ , ^ ľ ^ " c ^ " ' . : . .. ,ľ" l':
"'«; ' { ,% ^ ^ ^ ; s
Vliv r ů z n é ; d e f p r m a 2 n l . r y c h l o s t i na pracovní diagrama; 0 " 1 * ,^ '- ne.ozářené • á""ozářené V c e l i ČSN 12013 arf13Ô3O(AÍ+Ti+Ni). ',: p^ráce ÔVUT,\1968 f ^\ - ^[\ • . £ >.°"', . V ' - ^
, 0 '"'
•.
o o o
O
£ 0,023 0,026
0,033 0,018 j
0,022 007
,016
,011
003
o o u>
CM
t-
o o o O O O
3 q
•H
O
o o c» o í~ f-t o
&
cio;
o (->
o 1
Sť(
o
0,02
o
H
o
VO IO
0
1o 1y s 3
US
F027
86 3 •HD)
M
í °»53
V*
O
S
0,70
O
\o
* o
r"»
|l,20 í 0,63 ,11 0,39 0,08 0,14
O
&
(M
0,05
H
1,52
O
o
-<•
0,37
'Ks
1,50
o o
i,16
•H
rH
3! o +» •8 H o • •H K)
o
I O H
en
<
Ä
O
A.
n.
rt.
äšä A.
pa k
r-
<
>i
"B
r*
w m
v v
f 1í i |I I íI í1n
o
o
1
3
"»
CM;
o.
0,016 0,017
045 037
8 o.
0,30
s
0,34 0,15 ,16 1,09 0,39 0,70 |1,16 0,17 !0,64 >,15 í 1.09 1 0,41 1,18 11,05 0,24 0,47 |l*13 0,28 0,51
g
§
SCO
s
o
900 010
o
O
o o o o o o o o o o o
i5 ti
s
m
§
0T0
•s
O
110
u*
rH ,
910*0
n
015 0,018
o o
í
oV
"T
^~
,3. Otllvataí * —U.
klusá T tahu oséŕati/eh vsorkA
161
50
40 12013 NEOZÁÍENO
13030(M*7i*Ni) • NEOZÁŘEHO
20
,4. Ovlivněni sáTlalosti doloť M M klasa v tana i ďroa oe*ll n*a,tronovi
161
li --
50
100
ISO
200
250
13030
f,,
8650
Tm*i50*C
300
.2. PrttMh *9Utwmí s Uaoaua sp M i U f s4vl«lMU •a tibMí t«pl«t<
\
140
1
'
1
EXfLA EXP%D EXP*C
130 120 .
W
100
• E-SK m R-SK wC-SK 13030 mE-TOZ SVAROVÉ *R-TOZ SPOJE vC-TOZ + E-SK 6659 / mC-SK + 86594M / o EXP
/EXP* B m
/ /
*EXP*F
t
EXP»E
90
/.
BO
7
•
70 60
50
:
/
40 30
7^
20
<150rc
10 m
0
i
.
i
6
mom
Otar.l. Wdlmůai i k M n t i použitých «c«lí v sAvíslMtl IM f t .
is
