Титановые сплавы используются как высоконадежные материалы для транспортировки парогенераторов на атомных электростанциях. Стальные конденсаторы и теплообменники различного функционального назначения начали широко использоваться в конце 1950-х годов, когда ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей» выступил с инициативой замены малоресурсных материалов для морских условий на коррозионностойкие титановые сплавы. Особенно острой проблемой в то время были парогенераторы для морских атомных электростанций. Эксплуатация атомных подводных лодок с конца 1950-х годов показала, что трубопроводы парогенератора из нержавеющей стали 18-8 не могут обеспечить требуемый ресурс работы изделия. Причиной этого стало коррозионное растрескивание стали под напряжением в условиях эксплуатации парогенератора.
Именно в этот период Центральный институт конструкционных материалов «Прометей» начал творческое использование титановых сплавов в конструкции парогенераторов для морских атомных реакторов. В основу данной инициативы легли результаты новых научных исследований жаропрочных титановых сплавов с уникальными эксплуатационными и технологическими свойствами — титановых сплавов ПТ-7М и ПТ-3В. Испытания, проведенные в лаборатории и на стенде, доказали, что данные сплавы и их сварные швы устойчивы к коррозионному растрескиванию в водных растворах в рабочих контурах трубопроводной системы парогенератора.
Рациональная инициатива института по использованию титановых сплавов для парогенераторов была поддержана специально созданной Государственной комиссией по проблемам транспортировки атомных электростанций, которую возглавил академик А. П. Александров. В специализированном цехе Южного трубного завода освоено производство труб для парогенераторов ПТ{{0}}М. Большое количество научных исследований нашли отражение в документации производственного процесса на Балтийском и некоторых других заводах, в том числе изучение взаимосвязи структурных и деформационных характеристик сварных соединений труб из титанового сплава ПТ-7М. и термический цикл сварки. Полученные результаты позволили правильно подобрать и усовершенствовать сварочное оборудование для сварки стыков труб, а также обеспечить надежную намотку бухт сверхдлинных труб из сварных труб. Помимо этой научной работы было уделено внимание изготовлению переходных соединений титан-сталь (резьбовых паяных соединений) для соединения титанового сплава ПТ-3В со сталями 0Х18Н10ТВД и 20ВД. В ходе разработки определены структура и свойства сварных соединений указанных материалов в зависимости от состава припоя и термического цикла сварки.
Первые парогенераторы с титановыми трубчатыми системами были спроектированы в Объединенном центре управления Балтийского завода при активном творческом участии специалистов Центрального научно-исследовательского института конструкционных материалов «Прометей» (ПРИЗМА), где основная роль ПРИЗМ заключалась в обеспечении технологичности структур. Поэтому все чертежи парогенераторов согласовывались с институтом. Производство первых титановых парогенераторов ПТ-14Т на Балтийском заводе также осуществлялось при непосредственном участии института. Результаты исследований института по ряду технологических операций - сварке сверхдлинных труб для рулонов, изготовлению переходных соединений титан-сталь, рулонов и их термической обработке, а также освоению операций контроля - были представлены в цеха завода. Первый корабль, оснащенный прототипом титанового парогенератора ПТ-14Т, проработал 10,000 часов заданного ресурса. За время работы установки отказов и неисправностей не выявлено, что подтверждает высокую надежность парогенератора из титанового сплава. (Парогенераторы из стали 18-8 вышли из строя за 2000-3000 часов работы. Использование титановых сплавов решило одну из основных проблем транспортировки атомных энергоблоков на подводном флоте - надежность, долговечность и автономность в течение длительного времени. путешествия). Последующие исследования одной из демонтированных камер парогенератора показали, что на трубах и сварных соединениях повреждений нет, а исходные механические свойства металла труб и прочность сварных соединений остались неизменными.
Успешное применение титановых сплавов при производстве парогенераторов определяет дальнейшее широкое применение этих сплавов во всех проектах АЭС для подводных лодок, надводных кораблей - крейсеров и ледоколов. К настоящему времени накоплен большой опыт эксплуатации парогенераторов из титановых сплавов ПТ-7М (трубки) и ПТ-3В (патрубки, трубчатые решетки, переходники). Наибольшая наработка парогенераторов моделей ПГ-18Т и ПГ-28Т на ледоколе составила 150,000 часов.
В кратчайшие сроки было создано новое отечественное производство титана и его сплавов – металлургия, а также высокотехнологичное производство различных слитков и полуфабрикатов для различных целей судостроения и атомной энергетики, что позволило создать новую модель глубокого морская техника. Решены проблемы долговечности и надежности атомного подводного флота, в десять раз увеличен срок службы корабельного атомного энергетического оборудования (парогенераторов, теплообменников, конденсаторов и т. д.).
Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей» — один из инициаторов и непосредственных участников развития титановой отрасли.
С самого зарождения титановой промышленности судостроение было одной из основных сфер потребления титановых сплавов. Судостроительная промышленность потребляет 20 процентов титановой продукции, что соответствует 10-12,000 тонн различных полуфабрикатов. Почти весь титан выпущен судостроительной промышленностью, в основном для строительства глубоководной техники различного назначения. Это позволило нам построить первую полностью титановую атомную подводную лодку К-162, первую полностью автоматизированную атомную подводную лодку Тип 705, обитаемые глубоководные подводные лодки «Консул» и «Русь», а также ряд других заказов. Мы добились прорыва и качественного скачка в отечественном подводном кораблестроении, опередив зарубежные аналоги.
Перспективы применения титанового сплава на атомных электростанциях. Почти 50 лет положительного опыта применения титановых сплавов в транспортировке в области ядерной энергетики, ряд исследований в области ядерной физики, облучения, коррозии и других эксплуатационных характеристик показывают, что широкий спектр титановых сплавов на атомных электростанциях полезен, как для повышения срока службы, а также корпуса реактора (новое направление) и разнообразного сложного оборудования с использованием титановых сплавов, эти устройства работают в условиях сильного нейтронного облучения, потоками до 10 ´ 22 нейтронов/см2. или больше. По сравнению с традиционными материалами титановые сплавы имеют многообещающие применения.
Активация и радиационная стойкость титановых сплавов. ПТ-3В, ПТ-7М, ПТ-5В и другие -титановые сплавы хорошо изучены и широко применяются в судостроении и морских атомных электростанциях. Важнейшей особенностью титановых сплавов, в отличие от других конструкционных материалов, является их высокая радиационная стойкость в условиях реакторного облучения, низкая активность, отличное быстрое снижение наведенной радиоактивности. По уровню наведенной радиоактивности и скорости ее снижения с течением времени титановые сплавы являются наиболее подходящими конструкционными материалами для улучшения радиационной обстановки при эксплуатации, ремонте и демонтаже АЭС, для снижения облучения обслуживающего персонала и для решение проблемы утилизации радиоактивных отходов.
В результате при температурах до 250 градусов радиационное упрочнение и деградация пластичности исследованных материалов происходят сильнее, чем при более высоких температурах. Дозовая зависимость упрочнения и деградации пластичности сплава ПТ-7М на образцах, облученных в воде в первом контуре реакторного канала атомных ледоколов «Арктика» и «Сибирь», очень хорошо соответствует результаты предшествующего облучения на воздухе. Характеристика зависимости дозы от температуры указывает на существование различных механизмов радиационного воздействия в области низких и высоких температур. Физико-механические свойства титановых сплавов и их сварных соединений начинают изменяться при -50 степени при инжекциях выше 10-18 нейтронов/см2. Следует отметить, что в случае корпусных сталей изменение свойств происходит уже при скорости впрыска 5×10-17 нейтронов/см2, а допустимый уровень облучения сварных конструкций из титановых сплавов и их наплавок определен на на основании всех исследований с учетом нагрузки агрессивной среды и других условий применения.
Особого внимания заслуживает тот факт, что при всех исследованных условиях облучения затравок, в том числе на атомном ледоколе, в образцах титановых сплавов при статическом и динамическом нагружении не обнаружено радиационного охрупчивания. Благодаря сохранению высокой пластичности после нейтронного облучения, низкой скорости снижения инжекции нейтронов и отсутствию хрупкого разрушения -титановые сплавы могут успешно конкурировать со сталями различных систем - от низколегированных до аустенитных.
В ближайшем будущем развитие ядерной энергетики и ее конкурентоспособность будут зависеть от разработки и использования новых конструкционных материалов, характеризующихся одновременно высокой радиационной стойкостью, низким уровнем наведенной радиоактивности в нейтронном поле и способностью быстро разлагаться в {{ 0}} лет. Титановые сплавы считаются лучшим и наиболее перспективным материалом для водоводяных реакторов, работающих при температуре ниже 400 градусов.
ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей» совместно с Институтом Курчака, Научно-исследовательским и проектным институтом электроэнергетики, Высоким технологическим институтом неорганических материалов, Институтом ядерных реакторов, Опытно-конструкторским бюро машиностроения, Московским институтом инженерной физики и другими. провели большое количество комплексных исследований пригодности и ресурса титановых сплавов, которые показали, что:
В зависимости от наведенной радиоактивности титановых сплавов и скорости их деградации, с учетом влияния основных сплавов (Al, V, Zr и др.) и примесных элементов титановые сплавы являются наиболее выгодными конструкционными материалами для обеспечения высокой экологической безопасности. и решение проблем обращения с радиоактивными отходами при длительной эксплуатации атомных электростанций.
По физико-механическим свойствам, коррозионной и радиационной стойкости и другим комплексным характеристикам -титановые сплавы типа ПТ-3В, ПТ-7М, РК-20 и их сварные конструкции равны не уступают отечественным и зарубежным корпусным реакторным сталям, аустенитным сталям и высоконикелевым сплавам или превосходят их.
В отличие от традиционно используемых сталей, которым для достижения заданного уровня свойств изделий приходится подвергаться коррозионностойкой наплавке, многоступенчатой, длительной и дорогостоящей термической обработке, включая отжиг сварных соединений, свойства титановых сплавов определяются только их химический состав. -Титановые сплавы как конструкционный материал могут быть использованы для изготовления корпусов реакторов, активных зон реакторов различного назначения атомных электростанций с рабочей температурой до 400 градусов С, парогенераторов, теплообменников и других материалов. генераторы, теплообменники и другое оборудование.
За очень короткий срок совместные усилия ученых и инженеров различных отраслей промышленности Корпорации «Ависма» привели к разработке научно обоснованной и отточенной технологии производства слитков, превосходящей предыдущий уровень по ряду параметров. Создана мощная металлургическая промышленность титановых сплавов, включающая производство титановой губки, сплавных композиций, титановых слитков, новых сплавов, а также разнообразных полуфабрикатов из них. Научно-технологическая основа производства губчатого титана, разработанная совместными усилиями производителей и потребителей, гарантирует высокое качество губчатого титана, который по твердости и содержанию примесей не уступает зарубежному губчатому титану. Для производства полуфабрикатов из титановых сплавов различных сортов и применений организованы постоянные поставки слитков диаметром 1000 мм и массой до 10 тонн. Многие разработанные титановые сплавы и полуфабрикаты различных типов используются в глубоководном кораблестроении, атомной энергетике и других отраслях промышленности.
