ปัญหาเกี่ยวกับโลหะผสมไทเทเนียมในการก่อสร้างเรือดำน้ำ

โลหะผสมไทเทเนียมถูกใช้เป็นวัสดุที่มีความน่าเชื่อถือสูงในการขนส่งเครื่องกำเนิดไอน้ำในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ คอนเดนเซอร์ที่เป็นเหล็กและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อวัตถุประสงค์ในการใช้งานที่แตกต่างกันเริ่มมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในช่วงปลายทศวรรษ 1950 เมื่อสถาบันวิจัยวัสดุโครงสร้างกลางของ Prometheus ได้ริเริ่มความคิดริเริ่มในการเปลี่ยนวัสดุที่มีอายุต่ำสำหรับสภาวะทางทะเลด้วยโลหะผสมไทเทเนียมที่ทนต่อการกัดกร่อน ปัญหาเฉียบพลันโดยเฉพาะในขณะนั้นคือเครื่องกำเนิดไอน้ำสำหรับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ทางทะเล การทำงานของเรือดำน้ำที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์ตั้งแต่ปลายทศวรรษ 1950 เป็นต้นมา แสดงให้เห็นว่าท่อเครื่องกำเนิดไอน้ำที่ทำจากสแตนเลส 18-8 ไม่สามารถให้อายุการใช้งานที่ต้องการของผลิตภัณฑ์ได้ เหตุผลก็คือ การกัดกร่อนจากความเค้นแตกร้าวของเหล็กในสภาพแวดล้อมการทำงานของเครื่องกำเนิดไอน้ำ

ในช่วงเวลานี้เองที่สถาบันกลางโพรมีธีอุสสำหรับวัสดุโครงสร้างได้เริ่มใช้โลหะผสมไทเทเนียมอย่างสร้างสรรค์ในการสร้างเครื่องกำเนิดไอน้ำสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูทางทะเล โครงการริเริ่มนี้อิงจากผลการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ใหม่เกี่ยวกับโลหะผสมไทเทเนียมทนความร้อนพร้อมบริการและคุณสมบัติทางเทคโนโลยีที่เป็นเอกลักษณ์ โลหะผสมไทเทเนียม ПТ-7М และ ПТ-3В การทดสอบที่ดำเนินการในห้องปฏิบัติการและบนโต๊ะได้พิสูจน์แล้วว่าโลหะผสมเหล่านี้และรอยเชื่อมมีความทนทานต่อการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้นในสารละลายที่เป็นน้ำในวงจรการทำงานของระบบท่อของเครื่องกำเนิดไอน้ำ

ความคิดริเริ่มที่มีเหตุผลของสถาบันในการใช้โลหะผสมไทเทเนียมสำหรับเครื่องกำเนิดไอน้ำได้รับการสนับสนุนจากคณะกรรมการของรัฐที่จัดตั้งขึ้นเป็นพิเศษเกี่ยวกับปัญหาในการขนส่งโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ นำโดยนักวิชาการ AP Александров การผลิตท่อสำหรับเครื่องกำเนิดไอน้ำ ПТ{{0}М ได้เริ่มดำเนินการในโรงงานเฉพาะทางของโรงงาน Southern Tube การวิจัยทางวิทยาศาสตร์จำนวนมากสะท้อนให้เห็นในเอกสารประกอบกระบวนการผลิตที่ทะเลบอลติกและโรงงานอื่นๆ บางแห่ง รวมถึงการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างลักษณะโครงสร้างและการเสียรูปของข้อต่อเชื่อมของท่อโลหะผสมไทเทเนียม ПТ-7М และวงจรความร้อนของการเชื่อม ผลลัพธ์ที่ได้ทำให้เราสามารถเลือกและทำให้อุปกรณ์การเชื่อมสำหรับการเชื่อมข้อต่อท่อสมบูรณ์แบบได้อย่างถูกต้อง และรับประกันการพันขดลวดที่ทำจากท่อที่ยาวเป็นพิเศษจากท่อเชื่อมที่เชื่อถือได้ นอกเหนือจากงานทางวิทยาศาสตร์นี้แล้ว ยังให้ความสนใจในการสร้างข้อต่อเปลี่ยนผ่านระหว่างเหล็กไทเทเนียม (ข้อต่อประสานแบบเกลียว) สำหรับการต่อโลหะผสมไทเทเนียม ПТ-3В กับเหล็ก 0х18Н10ТВД และ 20ВД ในระหว่างการพัฒนานี้ โครงสร้างและคุณสมบัติของข้อต่อการเชื่อมของวัสดุดังกล่าวถูกกำหนดโดยสัมพันธ์กับองค์ประกอบของบัดกรีและวงจรความร้อนของการเชื่อม

เครื่องกำเนิดไอน้ำเครื่องแรกที่มีระบบท่อไทเทเนียมได้รับการออกแบบที่ศูนย์ควบคุมร่วมของอู่ต่อเรือบอลติกด้วยการมีส่วนร่วมอย่างสร้างสรรค์ของผู้เชี่ยวชาญของสถาบันวิจัยกลางโพรสำหรับวัสดุโครงสร้าง (PRISM) ซึ่งบทบาทหลักของ PRISM คือการรับประกันความสามารถในการผลิต ของโครงสร้าง ดังนั้นทางสถาบันจึงขอปรึกษาแบบเขียนแบบสำหรับเครื่องกำเนิดไอน้ำทั้งหมด การผลิตเครื่องกำเนิดไอน้ำไทเทเนียม ПТ-14Т เครื่องแรกที่โรงงานในทะเลบอลติกก็ดำเนินการโดยมีส่วนร่วมโดยตรงของสถาบันเช่นกัน ผลการวิจัยของสถาบันในการดำเนินการตามกระบวนการต่างๆ ได้แก่ การเชื่อมท่อที่ยาวเป็นพิเศษสำหรับขดลวดขด การผลิตข้อต่อการเปลี่ยนผ่านของเหล็กไทเทเนียม ขดลวดขด และการบำบัดความร้อน ตลอดจนการควบคุมการปฏิบัติงานอย่างเชี่ยวชาญ ได้ถูกนำเสนอใน การประชุมเชิงปฏิบัติการของโรงงาน เรือลำแรกที่ติดตั้งเครื่องกำเนิดไอน้ำไทเทเนียมต้นแบบ ПТ-14Т ถูกบังคับให้ทำงานเป็นเวลา 10,000 ชั่วโมงของอายุการใช้งานที่ระบุไว้ ไม่พบความล้มเหลวหรือความผิดปกติระหว่างการทำงานของเครื่อง ซึ่งยืนยันความน่าเชื่อถือสูงของเครื่องกำเนิดไอน้ำโลหะผสมไทเทเนียม (เครื่องกำเนิดไอน้ำที่ทำจากเหล็ก 18-8 ไม่ทำงานระหว่างการทำงาน 2000-3000 ชั่วโมง การใช้โลหะผสมไทเทเนียมช่วยแก้ปัญหาหลักประการหนึ่งของการขนส่งหน่วยพลังงานนิวเคลียร์ในกองเรือดำน้ำ - ความน่าเชื่อถือ อายุการใช้งานยาวนาน และความเป็นอิสระในระยะยาว การเดินทาง) การศึกษาต่อมาของห้องกำเนิดไอน้ำที่ถูกรื้อถอนชิ้นหนึ่งพบว่าไม่มีความเสียหายต่อท่อและข้อต่อที่เชื่อม และคุณสมบัติทางกลเริ่มต้นของโลหะท่อและความแข็งแรงของข้อต่อที่เชื่อมยังคงไม่เปลี่ยนแปลง

การใช้โลหะผสมไทเทเนียมอย่างประสบความสำเร็จในการผลิตเครื่องกำเนิดไอน้ำเป็นตัวกำหนดการใช้โลหะผสมเหล่านี้อย่างแพร่หลายในโครงการโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ทั้งหมดสำหรับเรือดำน้ำ เรือผิวน้ำ - เรือลาดตระเวน และเรือตัดน้ำแข็ง จนถึงขณะนี้ เราได้สั่งสมประสบการณ์มากมายในการใช้งานเครื่องกำเนิดไอน้ำที่ทำจากโลหะผสมไทเทเนียม ПТ-7М (ท่อ) และ ПТ-3В (ท่อจุกนม ตะแกรงท่อ ตัวลดขนาด) ระยะเวลาการทำงานที่ยาวนานที่สุดของเครื่องทำไอน้ำรุ่น ПГ-18Т และ ПГ-28Т บนเรือตัดน้ำแข็งคือ 150,000 ชั่วโมง

การผลิตไทเทเนียมและโลหะผสมในประเทศใหม่ - โลหะวิทยา - รวมถึงการผลิตแท่งโลหะและผลิตภัณฑ์กึ่งสำเร็จรูปที่ใช้เทคโนโลยีขั้นสูงเพื่อวัตถุประสงค์ที่แตกต่างกันของการต่อเรือและพลังงานนิวเคลียร์ได้รับการจัดตั้งขึ้นในเวลาที่สั้นที่สุดที่เป็นไปได้ ดังนั้นการสร้างรูปแบบใหม่ของการเจาะลึก เทคโนโลยีทางทะเล ปัญหาอายุการใช้งานและความน่าเชื่อถือของกองเรือดำน้ำนิวเคลียร์ได้รับการแก้ไขแล้ว โดยเพิ่มอายุการใช้งานของอุปกรณ์พลังงานนิวเคลียร์บนเรือ (เครื่องกำเนิดไอน้ำ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน คอนเดนเซอร์ ฯลฯ) ได้ถึงสิบเท่า

สถาบันวิจัยกลาง Prometheus สำหรับวัสดุโครงสร้างเป็นหนึ่งในผู้ริเริ่มและผู้เข้าร่วมโดยตรงของอุตสาหกรรมไทเทเนียม

จากจุดเริ่มต้นของอุตสาหกรรมไทเทเนียม การต่อเรือเป็นหนึ่งในพื้นที่หลักในการใช้โลหะผสมไทเทเนียม อุตสาหกรรมการต่อเรือใช้การผลิตไทเทเนียม 20 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งสอดคล้องกับผลิตภัณฑ์กึ่งสำเร็จรูปต่างๆ 10-12,000 ตัน ไทเทเนียมเกือบทั้งหมดได้รับการเผยแพร่โดยอุตสาหกรรมการต่อเรือ โดยส่วนใหญ่มีไว้เพื่อการก่อสร้างเทคโนโลยีใต้ทะเลลึกเพื่อวัตถุประสงค์ต่างๆ สิ่งนี้ช่วยให้เราสามารถสร้างเรือดำน้ำนิวเคลียร์ไทเทเนียมทั้งหมดลำแรก K-162 ซึ่งเป็นเรือดำน้ำนิวเคลียร์อัตโนมัติเต็มรูปแบบลำแรกประเภท 705 เรือดำน้ำลึกที่มีคนขับ "Русь" และ "Консул" รวมถึงคำสั่งซื้ออื่นๆ อีกจำนวนหนึ่ง เราประสบความสำเร็จในการก้าวหน้าและการก้าวกระโดดเชิงคุณภาพในการต่อเรือดำน้ำในประเทศโดยนำหน้าคู่แข่งจากต่างประเทศ

การประยุกต์โลหะผสมไทเทเนียมขั้นสูงในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ เกือบ 50 ปีของโลหะผสมไทเทเนียมในการขนส่งสนามพลังงานนิวเคลียร์ของประสบการณ์การใช้งานเชิงบวก มีชุดของการวิจัยฟิสิกส์นิวเคลียร์ การฉายรังสี การกัดกร่อน และประสิทธิภาพการบริการอื่น ๆ แสดงให้เห็นว่าโลหะผสมไทเทเนียมที่หลากหลายในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์มีประโยชน์ ทั้งสอง เพื่อปรับปรุงอายุการใช้งาน แต่ยังรวมถึงเปลือกเครื่องปฏิกรณ์ (ทิศทางใหม่) และอุปกรณ์ที่ซับซ้อนหลากหลายที่ใช้โลหะผสมไททาเนียม อุปกรณ์เหล่านี้ในการทำงานของสภาวะการฉายรังสีนิวตรอนรุนแรง ฟลักซ์สูงถึง 10 ʌ 22 นิวตรอน/ซม.2 หรือมากกว่า. เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุทั่วไป โลหะผสมไททาเนียมมีการใช้งานที่ดี

การเปิดใช้งานและการต้านทานการแผ่รังสีของโลหะผสมไทเทเนียม ПТ-3В, ПТ-7М, ПТ-5В และโลหะผสมไทเทเนียมอื่นๆ ได้รับการศึกษาอย่างดีและใช้กันอย่างแพร่หลายในการต่อเรือและโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ทางทะเล คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของโลหะผสมไททาเนียมซึ่งแตกต่างจากวัสดุโครงสร้างอื่น ๆ คือความต้านทานสูงต่อการแผ่รังสีภายใต้สภาวะการฉายรังสีของเครื่องปฏิกรณ์ มีกิจกรรมต่ำ ลดกัมมันตภาพรังสีเหนี่ยวนำอย่างรวดเร็วดีเยี่ยม ในแง่ของระดับของกัมมันตภาพรังสีเหนี่ยวนำและอัตราการลดลงเมื่อเวลาผ่านไป โลหะผสมไททาเนียมเป็นวัสดุโครงสร้างที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการปรับปรุงสภาพแวดล้อมการแผ่รังสีในระหว่างการดำเนินการ การซ่อมแซม และการรื้อถอนโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ เพื่อลดการฉายรังสีของบุคลากรซ่อมบำรุงและสำหรับ การแก้ปัญหาการกำจัดกากกัมมันตภาพรังสี

เป็นผลให้ที่อุณหภูมิสูงถึง 250 องศา การแข็งตัวของรังสีและการย่อยสลายของพลาสติกของวัสดุที่ศึกษาจะรุนแรงกว่าที่อุณหภูมิสูงกว่า การพึ่งพาปริมาณของการเสื่อมสภาพของการแข็งตัวและความเป็นพลาสติกของโลหะผสม ПТ-7М บนตัวอย่างที่ถูกฉายรังสีในน้ำในวงจรแรกของช่องเครื่องปฏิกรณ์ของเรือตัดน้ำแข็งที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์ "อาร์กติก" และ "ไซบีเรีย" สอดคล้องกันเป็นอย่างดีกับ ผลของการฉายรังสีในอากาศก่อนหน้านี้ การจำแนกลักษณะของความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณรังสีกับอุณหภูมิบ่งชี้ถึงการมีอยู่ของกลไกต่างๆ ของอิทธิพลของรังสีในบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำและสูง คุณสมบัติทางกายภาพและทางกลของโลหะผสมไททาเนียมและข้อต่อที่เชื่อมจะเริ่มเปลี่ยนแปลงที่ -50 องศาที่การฉีดที่สูงกว่า 10ʌ18 นิวตรอน/ซม.2 ควรสังเกตว่าในกรณีของตัวถังเหล็ก การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติเกิดขึ้นแล้วที่อัตราการฉีด 5 × 10ʌ17 นิวตรอน/ซม.2 และระดับการฉายรังสีที่อนุญาตของโครงสร้างรอยเชื่อมโลหะผสมไทเทเนียมและการสะสมตัวของพวกมันได้ถูกกำหนดไว้แล้ว เป็นพื้นฐานของการวิจัยทั้งหมด โดยคำนึงถึงการโหลดตัวกลางที่มีฤทธิ์กัดกร่อนและเงื่อนไขการใช้งานอื่นๆ

สิ่งที่น่าสังเกตเป็นพิเศษคือความจริงที่ว่าไม่มีการตรวจพบการเปราะของรังสีในตัวอย่างโลหะผสมไททาเนียมภายใต้การโหลดแบบคงที่และไดนามิกภายใต้สภาวะการฉายรังสีของเมล็ดพืชทั้งหมดที่ศึกษา รวมถึงบนเรือตัดน้ำแข็งที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์ เนื่องจากการรักษาความเป็นพลาสติกสูงหลังจากการฉายรังสีนิวตรอน อัตราการลดการฉีดนิวตรอนต่ำ และไม่มีการแตกหักแบบเปราะ -โลหะผสมไทเทเนียมสามารถแข่งขันกับเหล็กกล้าของระบบต่างๆ ได้สำเร็จ ตั้งแต่โลหะผสมต่ำไปจนถึงออสเทนนิติก

ในอนาคตอันใกล้นี้ การพัฒนาพลังงานนิวเคลียร์และความสามารถในการแข่งขันจะขึ้นอยู่กับการพัฒนาและการใช้วัสดุโครงสร้างใหม่ที่มีคุณลักษณะเด่นคือ มีความต้านทานรังสีสูงในเวลาเดียวกัน มีกัมมันตภาพรังสีเหนี่ยวนำในระดับต่ำในสนามนิวตรอน และความสามารถในการย่อยสลายอย่างรวดเร็วภายใน {{ 0}} ปี โลหะผสมไทเทเนียมถือเป็นวัสดุที่ดีที่สุดและมีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับเครื่องปฏิกรณ์น้ำ-น้ำที่ทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่า 400 องศา

สถาบันวิจัยวัสดุโครงสร้างกลาง Prometheus ร่วมกับสถาบัน Kurchak, สถาบันวิจัยและออกแบบวิศวกรรมพลังงานไฟฟ้า, สถาบันเทคโนโลยีชั้นสูงของวัสดุอนินทรีย์, สถาบันเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์, สำนักออกแบบทดลองวิศวกรรมเครื่องกล, สถาบันฟิสิกส์วิศวกรรมมอสโกและอื่น ๆ ได้ทำการศึกษาที่ครอบคลุมจำนวนมากเกี่ยวกับความเหมาะสมและอายุการใช้งานของโลหะผสมไทเทเนียม ซึ่งแสดงให้เห็นว่า:

ขึ้นอยู่กับกัมมันตภาพรังสีที่เกิดขึ้นของโลหะผสมไทเทเนียมและอัตราการย่อยสลายของพวกมัน โดยคำนึงถึงอิทธิพลของโลหะผสมหลัก (Al, V, Zr ฯลฯ) และองค์ประกอบที่ไม่บริสุทธิ์ โลหะผสมไทเทเนียมเป็นวัสดุโครงสร้างที่ดีที่สุดสำหรับการให้ความปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อมในระดับสูง และแก้ไขปัญหาการจัดการกากกัมมันตภาพรังสีในการดำเนินงานระยะยาวของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์

เมื่อพิจารณาจากคุณสมบัติทางกายภาพและทางกล ความเสถียรต่อการกัดกร่อนและการฉายรังสี และคุณลักษณะที่ครอบคลุมอื่นๆ โลหะผสมไททาเนียม เช่น ПТ-3В, ПТ-7М, РК-20 และโครงสร้างการเชื่อมจะเท่ากัน ถึงหรือเหนือกว่าเหล็กปลอกเครื่องปฏิกรณ์ที่ผลิตในประเทศและต่างประเทศ เหล็กกล้าออสเทนนิติก และโลหะผสมนิกเกิลสูง

แตกต่างจากเหล็กที่ใช้ทั่วไปซึ่งเพื่อให้ได้คุณสมบัติของผลิตภัณฑ์ในระดับที่กำหนดจะต้องผ่านการเชื่อมแบบซ้อนทับที่ทนต่อการกัดกร่อนการบำบัดความร้อนแบบหลายขั้นตอนยาวนานและมีราคาแพงรวมถึงการหลอมข้อต่อที่เชื่อม คุณสมบัติของโลหะผสมไทเทเนียมจะถูกกำหนดโดยเท่านั้น องค์ประกอบทางเคมีของพวกเขา -โลหะผสมไทเทเนียมเป็นวัสดุโครงสร้างสามารถใช้ในการผลิตปลอกเครื่องปฏิกรณ์ แกนเครื่องปฏิกรณ์สำหรับการใช้งานต่างๆ ของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ที่มีอุณหภูมิในการทำงานสูงถึง 400 องศาเซลเซียส เครื่องกำเนิดไอน้ำ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน และวัสดุอื่นๆ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน และอุปกรณ์อื่นๆ

ในระยะเวลาอันสั้น ความพยายามร่วมกันของนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรจากภาคอุตสาหกรรมต่างๆ ของ Avisma Corporation ได้นำไปสู่การพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตแท่งโลหะที่ได้รับการพิสูจน์ทางวิทยาศาสตร์และสมบูรณ์แบบ ซึ่งเกินกว่าระดับก่อนหน้าในพารามิเตอร์จำนวนหนึ่ง อุตสาหกรรมโลหะวิทยาที่แข็งแกร่งของโลหะผสมไทเทเนียมได้รับการจัดตั้งขึ้น รวมถึงการผลิตฟองน้ำไทเทเนียม องค์ประกอบของโลหะผสม แท่งไทเทเนียม โลหะผสมใหม่ รวมถึงผลิตภัณฑ์กึ่งสำเร็จรูปที่หลากหลายที่ทำจากพวกมัน พื้นฐานทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของการผลิตฟองน้ำไทเทเนียมซึ่งพัฒนาโดยความพยายามร่วมกันของผู้ผลิตและผู้บริโภครับประกันฟองน้ำไทเทเนียมคุณภาพสูงซึ่งไม่ด้อยกว่าฟองน้ำไทเทเนียมที่ผลิตในต่างประเทศในแง่ของความแข็งและสิ่งเจือปน มีการจัดการส่งมอบแท่งโลหะที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1,000 มม. และน้ำหนักสูงสุด 10 ตันอย่างต่อเนื่องเพื่อการผลิตผลิตภัณฑ์กึ่งสำเร็จรูปของโลหะผสมไทเทเนียมในพันธุ์และการใช้งานต่างๆ โลหะผสมไทเทเนียมที่ได้รับการพัฒนาและผลิตภัณฑ์กึ่งสำเร็จรูปประเภทต่างๆ จำนวนมากถูกนำมาใช้ในการต่อเรือใต้ทะเลลึก พลังงานนิวเคลียร์ และอุตสาหกรรมอื่นๆ