בעיות עם סגסוגות טיטניום בבניית צוללות

סגסוגות טיטניום משמשות כחומרים אמינים במיוחד להובלת מחוללי קיטור בתחנות כוח גרעיניות. מעבי פלדה ומחלפי חום למטרות פונקציונליות שונות החלו להיות בשימוש נרחב בסוף שנות ה-50, כאשר המכון המרכזי לחקר חומרים מבניים של פרומתאוס לקח את היוזמה להחליף חומרים בעלי חיים נמוכים לתנאים ימיים בסגסוגות טיטניום עמידות בפני קורוזיה. בעיה חריפה במיוחד באותה תקופה הייתה מחוללי קיטור לתחנות כוח גרעיניות ימיות. הפעלת צוללות המונעות על ידי גרעין מסוף שנות ה-50 ואילך הראתה שצינורות מחולל קיטור העשויים מפלדת אל חלד 18-8 לא יכלו לספק את חיי העבודה הנדרשים של המוצר. הסיבה לכך הייתה פיצוח קורוזיה במתח של הפלדה בסביבת ההפעלה של מחולל הקיטור.

בתקופה זו החל המכון המרכזי של פרומתאוס לחומרים מבניים בשימוש יצירתי בסגסוגות טיטניום בבניית מחוללי קיטור לכורים אטומיים ימיים. יוזמה זו התבססה על תוצאות מחקר מדעי חדש על סגסוגות טיטניום עמידות בחום בעלות שירות ותכונות טכנולוגיות ייחודיות, סגסוגות טיטניום ПТ-7М ו-ПТ-3В. בדיקות שנערכו במעבדה ועל הספסל הוכיחו כי סגסוגות אלו והריתוכים שלהן עמידות בפני פיצוח מתח-קורוזיה בתמיסות מימיות במעגלי העבודה של מערכת הצנרת של מחולל הקיטור.

היוזמה הרציונלית של המכון להשתמש בסגסוגות טיטניום עבור מחוללי קיטור נתמכה על ידי ועדה ממלכתית שהוקמה במיוחד לבעיות הובלת תחנות כוח גרעיניות, בראשות האקדמיה AP Александров. ייצור צינורות עבור מחוללי קיטור ПТ{{0}}М מופעל בבית המלאכה המתמחה של מפעל הצינורות הדרומיים. מספר רב של מחקרים מדעיים באו לידי ביטוי בתיעוד של תהליך הייצור בבלטי ובכמה מפעלים אחרים, כולל מחקר של הקשר בין מאפייני המבנה והדפורמציה של המפרקים המרותכים של צינורות סגסוגת טיטניום ПТ-7М והמחזור התרמי של הריתוך. התוצאות שהתקבלו אפשרו לנו לבחור נכון ולשכלל את ציוד הריתוך לריתוך חיבורי צינורות ולהבטיח סלילה אמינה של סלילים העשויים מצינורות ארוכים במיוחד מצינורות מרותכים. בנוסף לעבודה מדעית זו, הוקדשה תשומת לב לייצור חיבורי מעבר טיטניום-פלדה (חיבורים מולחמים עם הברגה) לחיבור ПТ-3В סגסוגת טיטניום עם פלדות 0Х18Н10ТВД ו-20ВД. במהלך פיתוח זה, המבנה והמאפיינים של מפרקי הריתוך של החומרים הנזכרים נקבעו ביחס להרכב ההלחמה ולמחזור התרמי של הריתוך.

מחוללי הקיטור הראשונים עם מערכות צינורות טיטניום תוכננו במרכז הבקרה המשותף של המספנה הבלטית בהשתתפות יצירתית פעילה של מומחים של מכון המחקר המרכזי של פרומתאוס לחומרים מבניים (PRISM), שם התפקיד העיקרי של PRISM היה להבטיח את יכולת הייצור של המבנים. לכן, כל השרטוטים של מחוללי הקיטור נועדו עם המכון. הייצור של מחוללי קיטור הטיטניום הראשונים ПТ-14Т במפעל הבלטי בוצע גם בהשתתפות ישירה של המכון. תוצאות המחקר של המכון במגוון פעולות תהליכיות - ריתוך של צינורות ארוכים במיוחד לסלילים מפותלים, ייצור מפרקי מעבר מטיטניום-פלדה, סלילים מפותלים וטיפול בחום שלהם, כמו גם שליטה בפעולות בקרה - הוצגו ב- סדנאות המפעל. הספינה הראשונה המצוידת באב-טיפוס מחולל קיטור טיטניום ПТ-14Т נאלצה לפעול במשך 10,000 שעות מחייה שצוינו. לא זוהו כשלים או תקלות במהלך פעולת היחידה, מה שמאשר את האמינות הגבוהה של מחולל הקיטור מסגסוגת טיטניום. (מחוללי קיטור העשויים מפלדה 18-8 כשלו במהלך 2000-3000 שעות פעילות. השימוש בסגסוגות טיטניום פתר את אחת הבעיות העיקריות של הובלת יחידות כוח גרעיניות בצי הצוללות - אמינות, אריכות ימים ואוטונומיה לאורך זמן מסעות). מחקרים שנערכו לאחר מכן באחד מתאי מחולל הקיטור שפורקו הראו כי לא נגרם נזק לצינורות ולחיבורים המרותכים, והתכונות המכניות הראשוניות של מתכת הצינור וחוזק החיבורים המרותכים נותרו ללא שינוי.

יישום מוצלח של סגסוגות טיטניום בייצור מחוללי קיטור קובע שימוש נרחב נוסף בסגסוגות אלו בכל פרויקטי תחנות הכוח הגרעיניות לצוללות, ספינות שטח - סיירות ושוברות קרח. עד כה, נצבר ניסיון רב בתפעול מחוללי קיטור העשויים מסגסוגות טיטניום ПТ-7М (צינורות) ו-ПТ-3В (צינורות פטמות, רשתות צינורות, מצמצמים). זמן ההפעלה הארוך ביותר של מחוללי הקיטור של הדגמים ПГ-18Т ו-ПГ-28Т על שוברת הקרח היה 150,000 שעות.

ייצור מקומי חדש של טיטניום וסגסוגותיו - מתכות - כמו גם ייצור היי-טק של מטילים ומוצרים מוגמרים למחצה שונים למטרות שונות של בניית ספינות ואנרגיה גרעינית הוקם בזמן הקצר ביותר, ובכך נוצר מודל חדש של עמוק- טכנולוגיית הים. בעיות של אריכות ימים ואמינות של צי הצוללות הגרעיניות נפתרו, והגדילו את חיי השירות של ציוד כוח גרעיני (מחוללי קיטור, מחליפי חום, מעבים וכו') בפקטור של עשרה.

מכון המחקר המרכזי של פרומתאוס לחומרים מבניים הוא אחד היוזמים והמשתתפים הישירים של תעשיית הטיטניום.

מתחילת תעשיית הטיטניום, בניית ספינות הייתה אחד מתחומי הצריכה העיקריים של סגסוגות טיטניום. תעשיית בניית הספינות צורכת 20 אחוז מייצור הטיטניום, התואם ל-10-12,000 טונות של מוצרים מוגמרים למחצה שונים. כמעט כל הטיטניום שוחרר על ידי תעשיית בניית הספינות, בעיקר לבניית טכנולוגיית ים עמוק למטרות שונות. זה איפשר לנו לבנות את הצוללת הגרעינית הראשונה מטיטניום K-162, את הצוללת הגרעינית האוטומטית הראשונה מסוג 705, את הצוללות העמוקות המאויישות "Русь" ו-"Консул", כמו גם מספר הזמנות אחרות. השגנו פריצת דרך וזינוק איכותי בבניית ספינות צוללות מקומיות לפני עמיתים זרים.

יישום מתקדם של סגסוגת טיטניום בתחנת כוח גרעינית. כמעט 50 שנה של סגסוגות טיטניום בתחום ההובלה של כוח גרעיני עם ניסיון יישום חיובי, יש סדרה של מחקר פיזיקה גרעינית, הקרנה, קורוזיה וביצועי שירות אחרים מראים שמגוון רחב של סגסוגות טיטניום בתחנות כוח גרעיניות מועיל, הן כדי לשפר את חיי השירות, אבל גם עבור מעטפת הכור (הכיוון החדש) ומגוון של ציוד מורכב באמצעות סגסוגות טיטניום, מכשירים אלה בהפעלה של התנאים של קרינת נויטרונים חזקה, שטפים של עד 10 ʌ 22 נויטרונים/cm2 או יותר. בהשוואה לחומרים קונבנציונליים, לסגסוגות טיטניום יש יישומים מבטיחים.

הפעלה ועמידות לקרינה של סגסוגות טיטניום.ПТ-3В, ПТ-7М, ПТ-5В וסגסוגות טיטניום אחרות נחקרות היטב ונמצאות בשימוש נרחב בבניית ספינות ובתחנות כוח גרעיניות ימיות. התכונה החשובה ביותר של סגסוגות טיטניום, בניגוד לחומרים מבניים אחרים, היא העמידות הגבוהה שלהן לקרינה בתנאי קרינה בכור, פעילות נמוכה, ירידה מהירה מצוינת של הרדיואקטיביות המושרה. מבחינת רמת הרדיואקטיביות המושרה וקצב ירידתה לאורך זמן, סגסוגות טיטניום הן החומרים המבניים המתאימים ביותר לשיפור סביבת הקרינה במהלך ההפעלה, התיקון והפירוק של תחנות כוח גרעיניות, להפחתת הקרנת אנשי התחזוקה ועבור פתרון הבעיה של סילוק פסולת רדיואקטיבית.

כתוצאה מכך, בטמפרטורות של עד 250 מעלות, התקשות הקרינה ופירוק הפלסטיות של החומרים הנחקרים חמורים יותר מאשר בטמפרטורות גבוהות יותר. התלות במינון של ההתקשות והפירוק הפלסטיות של סגסוגת ПТ-7М בדגימות שהוקרנו במים במעגל הראשון של תעלת הכור של שוברות הקרח המונעות על ידי גרעיני "ארקטי" ו"סיביר" תואמת היטב את תוצאות של הקרנה מוקדמת יותר באוויר. אפיון הקשר מינון-טמפרטורה מצביע על קיומם של מנגנוני השפעת קרינה שונים באזורי הטמפרטורה הנמוכה והגבוהה. התכונות הפיזיקליות-מכניות של סגסוגות טיטניום והמפרקים המרותכים שלהן מתחילות להשתנות ב--50 מעלות בהזרקות הגבוהות מ-10ʌ18 נויטרונים/סמ"ר. יש לציין שבמקרה של פלדות גוף, השינוי במאפיינים כבר מתרחש בקצב הזרקה של 5 × 10ʌ17 נויטרונים/סמ"ר, ורמת הקרינה המותרת של מבנים מרותכים מסגסוגות טיטניום והצטברות שלהם נקבעה על הבסיס של כל המחקרים, תוך התחשבות בעומס המדיום המאכל ובתנאי יישום אחרים.

ראויה לציון במיוחד העובדה שלא זוהתה התפרקות קרינה בדגימות סגסוגת טיטניום בהעמסה סטטית ודינמית בכל תנאי הקרנת הזרעים שנחקרו, כולל על שוברת קרח המונעת על ידי גרעיני. בשל השמירה על פלסטיות גבוהה לאחר הקרנת נויטרונים, קצב הפחתת הזרקת נויטרונים נמוך והיעדר שבר שביר, סגסוגות טיטניום יכולות להתחרות בהצלחה עם פלדות של מערכות שונות, החל מסגסוגות נמוכות ועד אוסטניטיות.

בעתיד הקרוב, פיתוח האנרגיה הגרעינית והתחרותיות שלה יהיו תלויים בפיתוח ושימוש בחומרים מבניים חדשים המאופיינים בעת ובעונה אחת בעמידות גבוהה לקרינה, רמות נמוכות של רדיואקטיביות מושרה בשדה הנייטרונים ויכולת להתפרק במהירות בתוך {{ 0}} שנים. סגסוגות טיטניום נחשבות לחומר הטוב והמבטיח ביותר עבור כורי מים-מים הפועלים מתחת ל-400 מעלות.

מכון המחקר המרכזי של פרומתאוס לחומרים מבניים בשיתוף עם מכון קורצ'אק, מכון מחקר ועיצוב להנדסת חשמל, מכון הייטק לחומרים אנאורגניים, המכון לכורים גרעיניים, לשכת התכנון הניסיוני להנדסת מכונות, המכון לפיזיקה הנדסית במוסקבה ואחרים ביצעו מספר רב של מחקרים מקיפים על ההתאמה וחיי השירות של סגסוגות טיטניום, אשר הראו כי:

בהתאם לרדיואקטיביות המושרה של סגסוגות טיטניום וקצב הפירוק שלהן, תוך התחשבות בהשפעת הסגסוגות העיקריות (Al, V, Zr וכו') ואלמנטים לטמאים, סגסוגות טיטניום הן החומרים המבניים הטובים ביותר לאספקת בטיחות סביבתית גבוהה ופתרון הבעיות של ניהול פסולת רדיואקטיבית בפעילות ארוכת טווח של תחנות כוח גרעיניות.

על פי התכונות הפיזיקליות והמכניות, יציבות הקורוזיה והקרינה ומאפיינים מקיפים אחרים, סגסוגות טיטניום כגון ПТ-3В, ПТ-7М, РК-20 והמבנים המרותכים שלהם שווים על פני פלדות מעטפת הכור, פלדות אוסטניטיות וסגסוגות ניקל גבוהות או עדיף על פני פלדות הכור המיוצרות מקומיות וזר.

בניגוד לפלדות בשימוש מסורתי, שכדי להשיג את הרמה המצוינת של תכונות המוצר, צריכות לעבור ריתוך שכבה עמיד בפני קורוזיה, טיפול חום רב-שלבי, ארוך ויקר, כולל חישול של מפרקים מרותכים, המאפיינים של סגסוגות טיטניום נקבעות רק על ידי ההרכב הכימי שלהם. סגסוגות טיטניום כחומר מבני יכולות לשמש לייצור מארזי כורים, ליבות כורים ליישומים שונים של תחנות כוח גרעיניות עם טמפרטורות עבודה של עד 400 מעלות צלזיוס, מחוללי קיטור, מחליפי חום וחומרים אחרים. גנרטורים, מחליפי חום וציוד אחר.

תוך פרק זמן קצר מאוד, המאמצים המשותפים של מדענים ומהנדסים ממגזרי תעשייה שונים של תאגיד אביסמה הובילו לפיתוח טכנולוגיה מוכחת ומשוכללת מדעית של ייצור מטיל, העולה על הרמה הקודמת במספר פרמטרים. הוקמה תעשייה מתכתית חזקה של סגסוגות טיטניום, הכוללת ייצור ספוג טיטניום, קומפוזיציות סגסוגת, מטילי טיטניום, סגסוגות חדשות, וכן מגוון מוצרים חצי מוגמרים העשויים מהם. הבסיס המדעי והטכנולוגי של ייצור ספוג טיטניום, שפותח במאמצים משותפים של יצרנים וצרכנים, מבטיח איכות גבוהה של ספוג טיטניום, שאינו נחות מספוג הטיטניום המיוצר בחו"ל מבחינת קשיות ותכולת הטומאה. אספקה ​​רציפה של מטילים בקוטר של 1000 מ"מ ומשקל של עד 10 טון אורגנו לייצור מוצרים מוגמרים למחצה של סגסוגות טיטניום מזנים ויישומים שונים. סגסוגות טיטניום מפותחות רבות ומוצרים מוגמרים למחצה מסוגים שונים משמשים בבניית ספינות במעמקי הים, באנרגיה גרעינית ובתעשיות אחרות.