Трубы циркониевые

Циркониевые трубы — специализированная продукция из сплавов на основе циркония, предназначенная преимущественно для атомной энергетики. Уникальное сочетание низкого сечения захвата тепловых нейтронов (около 0,18 барн), высокой коррозионной стойкости в водной среде при рабочих температурах реакторов и достаточной механической прочности делает цирконий незаменимым конструкционным материалом для активных зон ядерных реакторов. По предварительному запросу поставим трубы циркониевые требуемых характеристик.

Виды циркониевых труб и области их применения

Циркониевые трубы классифицируются по назначению и типу используемого сплава. Основные категории трубной продукции из циркониевых сплавов включают несколько типов.

Канальные трубы из сплава Э125 (Zr–2,5 % Nb)

Бесшовные холоднокатаные трубы из сплава Э125 используются в качестве труб технологических каналов (ТК) реакторов типа РБМК. Этот сплав отличается повышенной прочностью за счёт увеличенного содержания ниобия (2,5 %). Структура сплава состоит из зёрен α-Zr со средним размером ~1,5 мкм с дисперсными включениями частиц β-Nb и β-твёрдого раствора циркония в ниобии. Канальные трубы работают под давлением теплоносителя и должны сохранять стабильные размеры и механические свойства в течение всего срока эксплуатации в условиях нейтронного облучения.

Оболочечные трубы из сплавов Э110 и Э635

Холоднокатаные оболочечные трубы предназначены для изготовления тепловыделяющих элементов (твэлов) реакторов типа ВВЭР и РБМК. Внутрь таких трубок помещают таблетки из диоксида урана, после чего трубку герметизируют — образуется твэл. Оболочка твэла выполняет одновременно функции несущего элемента и первого барьера, предотвращающего выход продуктов деления в теплоноситель.

Сплав Э110 (Zr–1 % Nb) — базовый материал для оболочек твэлов и дистанционирующих решёток. Сплав Э635 (Zr–1 % Nb–1,2 % Sn–0,35 % Fe) — многокомпонентный сплав, применяемый для элементов силового каркаса ТВС: направляющих каналов, центральных труб, уголков жёсткости. Отличается повышенной прочностью и сопротивлением ползучести под облучением.

Трубные заготовки TREX

TREX (Tube Reduced Extrusion) — высокоточные бесшовные трубные заготовки для последующего изготовления оболочечных и канальных труб. Являются полуфабрикатом, из которого методом холодной прокатки получают трубы с окончательными размерами. Заготовки TREX выпускаются из различных циркониевых сплавов, включая Э110, Э635 и сплавы зарубежных систем (Zircaloy-2, Zircaloy-4 и др.).

Марки циркониевых сплавов для трубного производства

В российском реакторостроении исторически сложилась система сплавов на основе бинарной системы Zr–Nb, в отличие от западной практики, базирующейся на системе Zr–Sn (циркалои). Символ «Э» в маркировке указывает на использование электролитно-йодидной циркониевой шихты.

Сплав Э100 — нелегированный цирконий

Э100 — технический цирконий с содержанием основного элемента (Zr + Hf) не менее 99,7 %. Не содержит легирующих добавок. Применяется в ограниченном объёме — преимущественно для деталей, не испытывающих значительных механических нагрузок в активной зоне.

Сплав Э110 (Zr–1 % Nb)

Основной оболочечный сплав для реакторов ВВЭР и РБМК. Содержание ниобия — 0,9–1,1 %. Содержание (Zr + Hf) — не менее 99,5 % (без учёта ниобия). Плотность — около 6,5 г/см³. Сплав работоспособен в водной среде при температурах до ~350 °C. Выше этого значения начинается ускоренная коррозия и снижение механических свойств. Структура — рекристаллизованные зёрна α-Zr со средним размером ~5 мкм с дисперсными включениями частиц β-Nb (~0,05 мкм).

Сплав Э125 (Zr–2,5 % Nb)

Конструкционный сплав для канальных и шестигранных труб. Содержание ниобия — 2,5 %. Обладает более высокой прочностью по сравнению с Э110 за счёт увеличенного содержания ниобия, что критично для труб давления, работающих под нагрузкой теплоносителя в реакторах РБМК. Применяется также для чехлов ТВС реакторов ВВЭР.

Сплав Э635 (Zr–1 % Nb–1,2 % Sn–0,35 % Fe)

Многокомпонентный «комбинированный» сплав, разработанный для повышения прочности и радиационной стойкости элементов каркаса ТВС. Плотность — около 6,5 г/см³. Сочетание олова, ниобия и железа обеспечивает улучшенное сопротивление радиационной ползучести и росту под облучением. Серийно используется в ТВС реакторов ВВЭР-440 и ВВЭР-1000.

Физические и химические свойства циркониевых труб

Свойства трубной продукции определяются свойствами циркония и легирующих добавок. Цирконий (Zr, атомный номер 40) — металл серебристо-серого цвета, относящийся к IV группе переходных элементов.

Циркониевые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в воде и паре при рабочих температурах реакторов (до ~350 °C). Это обеспечивается образованием защитной оксидной плёнки ZrO₂ на поверхности. Однако следует учитывать, что коррозионная стойкость зависит от чистоты металла: примеси азота (свыше 0,007 %), углерода (свыше 0,03 %) и алюминия (свыше 0,007 %) при совместном присутствии способны существенно снизить стойкость циркония в горячей воде.

Для реакторного применения критически важно отсутствие гафния — элемента-спутника циркония с высоким сечением захвата нейтронов (~102 барн). Содержание гафния в реакторных сплавах ограничено и контролируется.

Коррозионная стойкость и поведение в агрессивных средах

Цирконий и его сплавы устойчивы к воздействию большинства органических и минеральных кислот при температурах ниже точки кипения, включая соляную, серную (до ~70 % концентрации), азотную кислоты, а также щелочные растворы. Устойчивы к воздействию пресной и морской воды.

Цирконий неустойчив к плавиковой кислоте, концентрированной серной кислоте (выше ~70 %) при повышенных температурах, а также к «царской водке». На воздухе при температурах выше ~300 °C начинается заметное окисление, при ~700 °C и выше — интенсивное поглощение кислорода с охрупчиванием.

Механические свойства оболочечных труб

Механические характеристики циркониевых труб зависят от марки сплава, режима термообработки и направления испытания (продольное или поперечное).

Примечание: значения зависят от режима термообработки (отжиг, частичная рекристаллизация), текстуры проката и направления испытаний. Приведены справочные диапазоны для рекристаллизованного состояния.

Циркониевые трубы хорошо поддаются холодной прокатке, волочению, вальцовке. Они свариваются в инертной среде (аргон, гелий) методами ЭЛС (электронно-лучевая сварка) и ТИГ (TIG). Все операции холодной и горячей обработки давлением применимы к циркониевым сплавам при соблюдении условий защиты от газонасыщения.

Назначение циркониевых труб в атомной энергетике

Основное применение циркониевых труб — атомная энергетика. Конкретные функции зависят от типа трубы и реактора.

Оболочки твэлов

Тонкостенные оболочечные трубы (наружный диаметр ~9,1 мм, толщина стенки ~0,65 мм для ВВЭР-1000) из сплава Э110 служат герметичным контейнером для топливных таблеток UO₂. Оболочка является первым физическим барьером, удерживающим радиоактивные продукты деления. Она должна сохранять герметичность в течение всего срока эксплуатации (3–6 лет в активной зоне) в условиях высокой температуры (~350 °C), давления, нейтронного облучения и контакта с теплоносителем.

Канальные трубы (трубы давления)

Канальные трубы из сплава Э125 (наружный диаметр ~88 мм, толщина стенки ~4 мм для РБМК-1000) вмещают тепловыделяющие сборки и направляют поток теплоносителя. Работают под давлением теплоносителя и испытывают воздействие нейтронного потока в течение 20–30 лет. Замена канальных труб — одна из самых сложных операций при продлении срока службы реакторов РБМК.

Элементы каркаса ТВС

Трубы из сплава Э635 применяются для направляющих каналов поглощающих элементов и центральных труб в тепловыделяющих сборках ВВЭР-440, ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200. Эти элементы обеспечивают жёсткость конструкции ТВС и размещение органов регулирования реактора.

Применение циркониевых трубок за пределами атомной отрасли

Помимо атомной энергетики, циркониевые трубы и трубки ограниченно применяются в химическом машиностроении — для теплообменных аппаратов и трубопроводов, работающих с агрессивными средами (кислоты, щёлочи), где требуется сочетание коррозионной стойкости и теплопроводности. Также трубки из промышленного циркония применяются в приборостроении и электротехнике — в частности, в электровакуумных приборах в качестве геттеров (газопоглотителей).

Технология производства циркониевых труб

Производство циркониевых труб для атомной энергетики — многоступенчатый процесс с жёсткими требованиями к качеству на каждом этапе.

Получение циркониевой основы

Исходным сырьём служит циркониевый концентрат, из которого получают тетрахлорид циркония с последующим разделением циркония и гафния (содержание гафния в реакторном цирконии должно быть минимальным). Металлический цирконий получают методом магниетермического восстановления (Кролль-процесс) — так производится циркониевая губка. Для получения сплавов губку смешивают с легирующими элементами и переплавляют в вакуумных дуговых печах.

Этапы изготовления трубной продукции

Из слитков методом горячей экструзии получают трубные заготовки (TREX). Далее следует многоступенчатая холодная прокатка на пилигримных станах с промежуточными вакуумными отжигами для снятия наклёпа и формирования необходимой текстуры. Финальная термообработка определяет конечные механические свойства: рекристаллизационный отжиг обеспечивает пластичность, частичная рекристаллизация — баланс прочности и пластичности.

Готовая продукция подвергается травлению внутренней и наружной поверхностей для удаления дефектного слоя и окалины. Каждая труба проходит контроль геометрических размеров, ультразвуковую дефектоскопию, контроль структуры и механических свойств.

Требования к качеству и контроль

Трубная продукция для атомной энергетики подвергается многоуровневому контролю.

Контроль химического состава проводится на каждой плавке. Контролируется содержание легирующих элементов (Nb, Sn, Fe) и примесей (Hf, N, C, O, H, Al). Особое внимание уделяется содержанию водорода — его накопление при эксплуатации приводит к образованию гидридов циркония, которые снижают пластичность оболочек.

Каждая труба проходит неразрушающий контроль: ультразвуковую дефектоскопию, вихретоковый контроль, контроль геометрических параметров. Герметичность оболочечных труб проверяется гелиевым течеискателем.

Формы поставки циркониевых труб и трубок

Циркониевые трубы поставляются в различных исполнениях в зависимости от назначения:

Поставка осуществляется в состоянии после финального отжига и травления поверхностей. Также доступны другие формы полуфабрикатов из циркониевых сплавов: циркониевый лист, циркониевые прутки, проволока.

Упаковка и транспортировка

Каждая циркониевая труба упаковывается в бумагу или полиэтиленовую плёнку для защиты поверхности от механических повреждений и загрязнений. Упакованные трубы укладываются в металлическую или деревянную тару (контейнеры, ящики). При транспортировке необходимо исключить контакт с влагой и агрессивными средами.

Условия поставки

Поставляем трубы и трубки из циркониевых сплавов по предварительному запросу. Марка сплава, размеры (диаметр, толщина стенки, длина), состояние поставки, объём и сроки — согласовываются индивидуально. Для оформления запроса укажите требуемые параметры продукции и необходимое количество.