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 Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов имени Прометея выступил с инициативой замены мало-материалов для морских условий коррозионностойкими-титановыми сплавами. Особенно острой проблемой в то время были парогенераторы для морских атомных электростанций. Эксплуатация атомных подводных лодок с конца 1950-х годов показала, что трубопроводы парогенераторов из нержавеющей стали 18-8 не могут обеспечить требуемый срок службы изделия. Причиной этого стало коррозионное растрескивание стали 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. Данная инициатива основана на результатах 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 во главе с академиком А. П. Александровым. Производство труб для парогенераторов ПТ-7М освоено в специализированном цехе Южного трубного завода. Большое количество научных исследований нашли отражение в документации производственного процесса на Балтийском и некоторых других заводах, в том числе изучение связи структурных и деформационных характеристик сварных соединений труб из титанового сплава ПТ-7М с термическим циклом сварки. Полученные результаты позволили правильно подобрать и усовершенствовать сварочное оборудование для сварки стыков труб и 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 конструкций. Поэтому все чертежи парогенераторов согласовывались с институтом. Производство первых титановых парогенераторов ПТ-14Т на Балтийском заводе также осуществлялось при непосредственном участии института. В цехах завода были представлены результаты исследований института по ряду технологических операций - сварка особо-длинных труб для рулонов, изготовление переходных соединений из титана-стали, рулонов и их термообработка, а также отработка контрольных операций -. Первый корабль, оснащенный прототипом титанового парогенератора ПТ-14Т, проработал 10 000 часов установленного срока. За время работы установки отказов и неисправностей не выявлено, что подтверждает высокую надежность парогенератора из титанового сплава. (Парогенераторы из стали 18-8 выходили из строя в течение 2000-3000 часов работы. Использование титановых сплавов решило одну из основных проблем транспортировки атомных энергоблоков на подводном флоте - надежность, долговечность и автономность в дальних плаваниях). 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 (ниппели, трубные 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 в - металлургии -, а также высокотехнологичное-производство различных слитков и полуфабрикатов для различных целей судостроения и атомной энергетики, что позволило создать новую модель глубоководной-морской техники. 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 производимого титана, что соответствует 10-12 000 тонн различных полуфабрикатов-. Практически 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 «Русь» и «Консул», 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-летний опыт применения титановых сплавов в области транспорта атомной энергетики, ряд ядерно-физических исследований, облучения, коррозии и других эксплуатационных характеристик показывает, что широкий спектр титановых сплавов на атомных электростанциях полезен, как для увеличения срока службы, так и для корпуса реактора (новое направление) и разнообразного сложного оборудования с использованием титановых сплавов, этих устройств при эксплуатации в условиях сильного нейтронного облучения, потоков до 10 22. нейтронов/см2 или более. По сравнению с традиционными материалами титановые сплавы имеют многообещающие применения.
Активация и радиационная стойкость титановых сплавов. Титановые сплавы ПТ-3В, ПТ-7М, ПТ-5В и другие хорошо изучены и широко применяются в судостроении и морских атомных электростанциях. Важнейшей особенностью титановых сплавов, в отличие от других конструкционных материалов, является их высокая стойкость к радиации 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 решения проблемы захоронения 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 результатам ранее проведенного облучения на воздухе. Характеристика доз-температурной зависимости 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 градусах при инжекциях выше 10-18 нейтронов/см2. Следует отметить, что в случае корпусных сталей изменение свойств происходит уже при скорости впрыска 5×10-17 нейтрон/см2, а допустимый уровень облучения сварных конструкций из титановых сплавов и их наплавок определен на основании всех исследований с учетом нагрузки коррозионной 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 атомной 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 течение 1-5 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-конструкторским институтом электроэнергетики, Высоким-техническим институтом неорганических материалов, Институтом ядерных реакторов, Опытно-конструкторским бюро машиностроения,
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 решения задач 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 не уступают или превосходят реакторные корпусные стали отечественного и зарубежного производства, аустенитные стали и высоконикелевые сплавы.
В отличие от традиционно используемых сталей, которым для достижения заданного уровня свойств изделий приходится подвергать коррозионностойкую-наплавку, многоступенчатую, длительную и дорогостоящую термическую обработку, включающую отжиг сварных соединений, свойства титановых сплавов определяются только их химическим составом.. -Титановые сплавы в качестве конструкционного материала могут быть использованы для изготовления корпусов реакторов, активных зон реакторов различного назначения атомных электростанций с рабочей температурой до 400 градусов С, парогенераторов, теплообменники и другие материалы. 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 марок и применений организованы непрерывные поставки слитков диаметром 1000 мм и массой до 10 тонн. Многие разработанные титановые сплавы и полуфабрикаты различных типов применяются в глубоководном-судостроении, атомной энергетике и других отраслях промышленности.
