Научная статья на тему 'Экспериментальные исследования пристенного слоя: стенка конструкционного материала - свинцовый теплоноситель реактора на быстрых нейтронах'

Экспериментальные исследования пристенного слоя: стенка конструкционного материала - свинцовый теплоноситель реактора на быстрых нейтронах Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
120
34
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СВИНЦОВЫЙ ТЕПЛОНОСИТЕЛЬ / ПРИСТЕННЫЙ СЛОЙ / LEAD COOLANT BOUNDARY LAYER / ОКСИДНЫЕ ПОКРЫТИЯ / OXIDE COATING / МЕТОД ЭКСПРЕСС ЗАМОРАЖИВАНИЯ / THE METHOD OF RAPID FREEZING / НЕРАСТВОРЕННЫЕ ПРИМЕСИ / INSOLUBLE IMPURITIES / ОТЛОЖЕНИЯ ПРИМЕСЕЙ / DEPOSITION OF IMPURITIES / МИКРОТВЕРДОСТЬ / MICROHARDNESS / ШЕРОХОВАТОСТЬ / SURFACE ROUGHNESS

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Безносов Александр Викторович, Бокова Татьяна Александровна, Махов Кирилл Андреевич, Шумилков Артем Игоревич, Черныш Алексей Сергеевич

Предмет, тема, цель работы: В статье приведены результаты экспериментальных исследований пристенного слоя свинцового теплоносителя методом экспресс замораживания. Метод или методологию проведения работы; Исследования проводились на высокотемпературном стенде методом экспресс-замораживания свинцового теплоносителя с изменением температуры потока свинца с 470 до 320 0С за 2 с при содержании в нем термодинамически активного кислорода 10 -3 и экспериментов с изменением температуры потока свинца с 550 до 320 0С с тем же темпом охлаждения при содержании в нем термодинамически активного кислорода 10 -1-10 0 и наличии твердой фазы оксидов свинца. Результаты и область их применения; Впервые экспериментально определены триботехнические характеристики пристенного слоя потока свинцового теплоносителя. Зафиксировано наличие в пристенном слое образования частиц примесей, вероятно, пропитанных теплоносителем и представляющих дисперсную систему с соответствующими свойствами. Подтверждено наличие несмачивания в зоне контакта жидкого и твердого металлов. Определены шероховатости поверхности стенки из стали 08Х18Н10Т при внеконтурной пассивации и контурной пассивации, а также в процессе эксплуатации в контакте с потоком свинцового теплоносителя. Результаты проведенных исследований важны для реакторных контуров энергоблоков АЭС с установками БРЕСТ и СВБР со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Безносов Александр Викторович, Бокова Татьяна Александровна, Махов Кирилл Андреевич, Шумилков Артем Игоревич, Черныш Алексей Сергеевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Experimental studies boundary layer: a wall construction material - lead-cooled fast breeder reactor

Purpose: The article presents the results of experimental studies of the boundary layer by lead coolant Express freezing. Design/methodology/approach: Studies were conducted on the high bench by express freezing lead coolant temperature changes lead to flow 470gradC to 320gradC for 2 seconds when the content in it is thermodynamically active oxygen 10 Л-3 and experiment with changes in temperature lead to flow 550 gradC to 320 gradC with the same rate of cooling at Content it 10^-1-10^0 thermodynamically active oxygen in the presence of a solid phase of lead oxides. Findings: First experimentally determined tribological characteristics of the boundary layer flow lead coolant. Reported the presence of a boundary layer particle formation of impurities, probably representing impregnated coolant and dispersed system with the corresponding properties. Confirmed the presence of non-wetting in the contact zone of liquid and solid metals. Defined surface roughness of the steel wall at 08Cr18Ni10Ti vnekonturnoy passivation contour and passivation, as well as during use in contact with the coolant flow lead. Research limitations/implications: The results of these studies are important for reactor circuits NPPs with BREST and MTBF with lead and lead-bismuth coolant.

Текст научной работы на тему «Экспериментальные исследования пристенного слоя: стенка конструкционного материала - свинцовый теплоноситель реактора на быстрых нейтронах»

ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА

УДК 621.039.534

А.В. Безносов, Т.А. Бокова, К.А. Махов, А.И. Шумилков, А.С. Черныш

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИСТЕННОГО СЛОЯ: СТЕНКА КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА - СВИНЦОВЫЙ ТЕПЛОНОСИТЕЛЬ РЕАКТОРА НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Предмет, тема, цель работы: В статье приведены результаты экспериментальных исследований пристенного слоя свинцового теплоносителя методом экспресс замораживания.

Метод или методологию проведения работы; Исследования проводились на высокотемпературном стенде методом экспресс-замораживания свинцового теплоносителя с изменением температуры потока свинца с 470 до 3200С за 2 с при содержании в нем термодинамически активного кислорода 10-3 и экспериментов с изменением температуры потока свинца с 550 до 3200С с тем же темпом охлаждения при содержании в нем термодинамически активного кислорода 10-1-100 и наличии твердой фазы оксидов свинца.

Результаты и область их применения; Впервые экспериментально определены триботехнические характеристики пристенного слоя потока свинцового теплоносителя. Зафиксировано наличие в пристенном слое образования частиц примесей, вероятно, пропитанных теплоносителем и представляющих дисперсную систему с соответствующими свойствами. Подтверждено наличие несмачивания в зоне контакта жидкого и твердого металлов. Определены шероховатости поверхности стенки из стали 08Х18Н10Т при внеконтурной пассивации и контурной пассивации, а также в процессе эксплуатации в контакте с потоком свинцового теплоносителя. Результаты проведенных исследований важны для реакторных контуров энергоблоков АЭС с установками БРЕСТ и СВБР со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями.

Ключевые слова: свинцовый теплоноситель, пристенный слой, оксидные покрытия, метод экспресс замораживания, нерастворенные примеси, отложения примесей, микротвердость, шероховатость

Введение

Традиционные методы исследования состояния поверхностей конструкционных материалов после испытаний в потоке свинцового теплоносителя предусматривают дренирование теплоносителя из полостей циркуляционного контура с размещенными в нем образцами или извлечение образцов из объема теплоносителя. После этого проводится удаление с поверхностей контакта твердого и жидкого металлов, шлаков и теплоносителя (если они оставались на поверхности контакта) и изготовление образцов (шлифов и др.) для проведения соответствующих исследований. Традиционные методы позволяют получить полную и представительную информацию о наличии или отсутствии коррозионных, эрозионных и других повреждений поверхностей. Они позволяют получить представительную информацию о характеристиках оксидных покрытий на поверхностях образцов, обладающих защитными (пассивирующими), антифрикционными и электроизолирующими свойствами.

Недостатком таких методов является невозможность получения объективной информации о состояниях пристенного слоя в потоке свинцового теплоносителя при различных его режимах течения и содержаниях в нем примесей. Состояние пристенного, приграничного слоя стали, несмачиваемого высокотемпературным (450-5500С) свинцовым теплоносителем, определяет процессы коррозии, эрозии, формирования и разрушения защитных покрытий

© Безносов А.В., Бокова Т.А., Махов К.А., Шумилков А.И., Черныш А.С., 2014.

[1], гидродинамические и теплофизические характеристики потока [2] в этой области, что подтверждается расчетно-теоретическими и экспериментальными исследованиями.

В Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева проводятся исследования пристенной области: конструкционный материал - свинцовый теплоноситель - методом экспресс-замораживания, что позволяет расширить информацию о процессах, происходящих в этой области.

Методы проведения исследований

Сущность проведения эксперимента заключалась в следующем. Организуется циркуляция высокотемпературного свинцового теплоносителя через И-образную трубу 014 мм с толщиной стенки 2 мм, выполненной из стали 08 Х18Н10Т с установленными на ее поверхности и в потоке свинцового теплоносителя термопарами. Трубка имеет съемную секцию электрообогрева и теплоизоляцию, которые демонтируются в момент, предшествующий замораживанию (рис. 1).

ЧР

Дренаж ТЖМТ

Рис. 1. Схема экспериментального участка

Емкость с водой и льдом подводится снизу к И-образной трубке с погружением этой трубки под уровень смеси воды и льда, при этом фиксируется скорость изменения температуры свинца в трубке. После этого теплоноситель дренируется из циркуляционного контура и вырезаются участки И-образной трубки с застывшим в ней свинцом, а также участки трубопровода контура со сдренированным теплоносителем.

Проводилось определение шероховатости следующих поверхностей:

• стального образца, после извлечения из нее слитка свинца;

• стального образца из участка контура со сдренированым теплоносителем, через который осуществлялась циркуляция свинца;

• стального образца, запассивированной на воздухе при тех же температурах, при которых находилась И-образная трубка;

• стального образца из трубки в состоянии поставки;

• поверхности свинцового слитка, извлеченного из И-образной трубки. Определялась микротвердость свинца в ядре «замороженного» потока, микротвердость в образованиях примесей в пристенной области и в стали.

Параметры серий экспериментов:

• продолжительность циркуляции свинцового теплоносителя через И-образную трубку: 50, 75, 100 ч соответственно;

3 3

• расход свинцового теплоносителя через И-образную трубку: 0,27 м /ч; 0,27 м /ч;

0,55 м /ч соответственно;

• среднерасходная скорость потока свинца: 1 м/с; 1 м/с; 2 м/с соответственно;

• температура свинцового теплоносителя: 4700С; 4700С; 5500С соответственно;

3 3 10

• термодинамическая активность кислорода в расплаве свинца: 10- ; 10- ; 10- -10-

Во всех случаях И-образные трубки изготавливались из стали 08Х18Н10Т 014х2 мм в состоянии поставки. Первые две серии экспериментов проводились на стенде ФТ-3 НГТУ при

-3

термодинамической активности кислорода 10- . Время эксплуатации стенда ФТ-3 до врезки И-образной трубки составляло 1000-1500 ч. Третья серия экспериментов проводилась на стенде 2009-302ФТ-НКНГТУ при термодинамической активности кислорода в свинце

10-1-10-0 при гарантированном наличии твердой фазы оксидов свинца в потоке теплоносителя в циркуляционном контуре. Время эксплуатации стенда 2009-302ФТ-НКНГТУ более 1000 часов.

Обсуждение результатов

График изменения температуры свинца в экспериментальном участке (рис. 2) показывает, что через время около 2 с после начала процесса охлаждения экспериментального участка свинец гарантированно переходил в твердое, замороженное состояние, в котором, по мнению авторов, в значительной мере сохраняется структура пристенной области, учитывая малую температуру фазового перехода при застывании свинца.

Рис. 2. График скорости охлаждения экспериментального участка

После вырезки и продольной разрезки образцов из И-образной трубки слитки свинца легко извлекались из стальных оболочек, что свидетельствует о несмачивании стальных стенок свинцом.

На внешних, контактировавших со стенкой поверхностях свинцовых слитков во всех сериях экспериментов зафиксированы газовые (газопаровые) пузыри с линейными размерами до 1 мм (рис. 3)и в редких случаях - до 1 см (рис. 4). Отпечатки пузырей имели статически разный характер: от отпечатков с шириной и глубиной одного порядка (около 1 мм), напоминающих «кратеры» до отпечатков с глубиной существенно меньше диаметрального

размера, похожих на «вмятины». Этот факт может объясняться разбросом в размерах пузырей, разницей их положения относительно поверхности свинцового слитка, составом газовой (газопаровой) смеси или др.

Рис. 3. Газовые (газопаровые) «вмятины» на поверхности свинца

Рис. 4. Газовые (газопаровые) «кратеры» в свинце

При отделении слитка свинца от трубы зафиксированы слои примесей черного и темно-красного цветов, находящиеся на поверхности стенки трубы и поверхности слитка свинца и сцепленные с ними (рис. 5). На поверхности свинца обнаружены участки без визуально фиксируемых покрытий примесями, «чистые».

Рис. 5. Внешний вид поверхности трубки и слитка свинца после отделения

Наличие примесей на поверхностях контакта свинца со стенкой свидетельствует о наличии граничной внешней поверхности свинца с поверхностными свойствами, на которой или вблизи которой концентрируются примеси, поступающие из ядра потока теплоносителя и удерживаемые в пристенной области при установившемся режиме течения. Эксперименты показали, что пристенная область обогащена нерастворимыми примесями, содержащими кислород и являющимися источниками подпитки кислородом оксидных покрытий на стальных поверхностях.

Результаты анализа шлифов продольных разрезов слитков свинца (рис. 6 и рис. 7) показывали следующее: при испытаниях на циркуляции свинца в течение 50 и 75 ч при а=10- отсутствует визуально фиксируемое оксидное покрытие на стальной поверхности; отложения примесей вблизи границы раздела фаз «теплоноситель - конструкционный материал» имеют неравномерный характер (до 50-60 мкм); фиксируются частицы примесей, отстоящие от стенки трубки на расстоянии до 100 мкм.

Рис. 6. Отложения примесей, в пристенной области (Q= 0,27 м3/ч, T= 4700С, а=10-3, i=50 ч), 400-кратное увеличение

Сталь Оксидное

покрытие

$ 20мкм

71 мкм

Отложения примесей

Эпоксидная смола

Рис. 7. Отложения примесей, сцепленные с конструкционным материалом (6= 0,55 м3/ч, Т= 5500С, а=100, ¿=100 ч), 200-кратное увеличение

Измерение микротвердости структур, составляющих пристенную область по методу Виккерса (рис. 8) показало, что микротвердость пристенной области (от 500 до 900 МПа) на порядок ниже микротвердости стали (2400 МПа) и на порядок выше микротвердости застывшего свинца (50 МПа).

Рис. 8. Результаты измерения микротвердости структур пристенной области (нагрузка Р = 20 г = 0,0196 кгс, время выдержки ¿=15 с)

Можно сделать вывод о том, что фракция примесей в пристенной области, находящаяся ближе к оксидному покрытию, имеет меньшую (в среднем на 150 МПа) микротвердость, чем образования примесей, прилегающих к свинцовому теплоносителю и пропитанным им. Это может свидетельствовать о разной степени рыхлости этих слоев, что совпадает с данными других исследователей [1].

Шероховатость поверхностей стальной трубки в состоянии поставки, оксидированной на воздухе, находившейся в потоке свинца после его дренирования в контакте со стальным слитком и шероховатость поверхности извлеченного из трубки свинцового слитка, существенно различны (рис. 9 и рис. 10).

Рис. 10. Шероховатость поверхности трубки после эксперимента (Т=4700С, 50 часов, а=10-3, б=0,27м3/ч)

Сводные данные по результатам измерения шероховатости поверхностей по результатам трех серий экспериментов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Сравнение результатов измерения шероховатости образцов по результатам трех серий экспериментов

1 . Поверхность трубки до эксперимента

50 ч,75 ч 4700С, а=10-3 100 ч, 5500С, а=100

Ra(ср), мкм 1,079 0,8758

Я^(ср), мкм 6,9383 4,9485

2. Поверхность трубки, выдержанной на воздухе при 7=550^, /=100 ч

100 ч 5500С,воздух

Ra(ср), мкм 0,9304

Я^(ср), мкм 4,9311

3. Поверхность трубки после отделения

50 ч, 4700С, а=10-3, 0 = 0,27 м3/ч 75 ч, 4700С, а=10-3, 0 = 0,27 м3/ч 100 ч, 5500С, а=100, 0 = 0,5 м3/ч

Ra(ср), мкм 2,139333 2,54225 2,7638

Я^(ср), мкм 12,39 14,17 12,6167

4. Поверхность свинца после отделения

50 ч, 4700С, а=10-3, 0 = 0,27 м3/ч 75 ч, 4700С, а=10-3, 0 = 0,27 м3/ч 100 ч, 5500С, а=100, 0 = 0,5 м3/ч

Ra(ср), мкм 2,369667 2,313 2,7539

Я^(ср), мкм 12,24667 11,77 13,4477

5. Поверхность трубки после дренирования

50 ч, 4700С, а=10-3, 0 = 0,27 м3/ч 75 ч, 4700С, а=10-3, Q = 0,27 м3/ч 100 ч, 5500С, а=100, 0 = 0,5 м3/ч

Ra(ср), мкм 2,1692 2,1528 4,7166

Я^(ср), мкм 11,1086 12,294 20,4900

В процессе эксплуатации контура со свинцовым теплоносителем возможно существенное увеличение шероховатости стенок циркуляционного контура, вследствие отложений примесей, что может приводить к увеличению гидравлического сопротивления циркуляционного контура.

Выводы

Результаты экспериментов показали следующее:

1. В пристенной зоне поток свинцового теплоносителя через 100 ч циркуляции при средней скорости потока 2 м/с, температуре 5500С, термодинамической активности кислорода 10-1-10-0 фиксируется образование дисперсной фазы примесей неравномерной толщины до 500 мкм.

При циркуляции свинцового теплоносителя в течение 50 и 75 ч при средней скорости

0 3

потока 1 м/с, температуре 470 С, термодинамической активности кислорода 10- толщина отложений примесей на поверхности конструкционных материалов достигает нескольких десятков микрон

2. В пристенной зоне во всех случаях фиксируются «отпечатки» газовых пузырей с линейными размерами до 1 мм, в редких случаях - до 1 см.

3. Длительная циркуляция свинцового теплоносителя в каналах, независимо от их исходной шероховатости, приводит к увеличению шероховатости каналов вследствие образования на их поверхностях нерастворенных частиц примесей, что подтверждается соответствующими профилограммами и другими видами анализа. Увеличение шероховатости, в свою очередь, приводит к увеличению гидравлического сопротивления циркуляционного контура.

Работа проводилась в рамках ФЦП «Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010-2015 годов и на перспективу до 2020 года», а также в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Библиографический список

1. Безносов, А.В. Тяжелые жидкометаллические теплоносители в атомной энергетике / А.В. Безносов, Ю.Г. Драгунов, В.И. Рачков. - М. : ИздАт, 2007. - 434 с.

2. Молодцов, А.В. Характеристики теплообмена от свинцового теплоносителя в оборудовании ЯЭУ при эксплуатационном содержании в нем примесей: дисс. ... на соискание ученой степени канд. техн. наук / Молодцов А.В. - Н. Новгород, 2007.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Дата поступления в редакцию 07.02.2014

A.V.Beznosov, T.A.Bokova, K.A.Mahov, A.LShumilkov, A.SChernysh

EXPERIMENTAL STUDIES BOUNDARY LAYER: A WALL CONSTRUCTION MATERIAL - LEAD-COOLED FAST BREEDER REACTOR

Nizhny Novgorod state technical university n.a. R.E. Alexeev

Purpose: The article presents the results of experimental studies of the boundary layer by lead coolant Express freezing. Design/methodology/approach: Studies were conducted on the high bench by express freezing lead coolant temperature changes lead to flow 470gradC to 320gradC for 2 seconds when the content in it is thermodynamically active oxygen 10A-3 and experiment with changes in temperature lead to flow 550 gradC to 320 gradC with the same rate of cooling at Content it 10A-1-10A0 thermodynamically active oxygen in the presence of a solid phase of lead oxides.

Findings: First experimentally determined tribological characteristics of the boundary layer flow lead coolant . Reported the presence of a boundary layer particle formation of impurities , probably representing impregnated coolant and dispersed system with the corresponding properties . Confirmed the presence of non-wetting in the contact zone of liquid and solid metals. Defined surface roughness of the steel wall at 08Cr18Ni10Ti vnekonturnoy passivation contour and passivation , as well as during use in contact with the coolant flow lead .

Research limitations/implications: The results of these studies are important for reactor circuits NPPs with BREST and MTBF with lead and lead-bismuth coolant.

Key words: lead coolant boundary layer, oxide coating, the method of rapid freezing, insoluble impurities, deposition of impurities, microhardness, surface roughness.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.