CC BY
37ЯДЕРНАЯ 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.
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.
