МАЛОАКТИВИРУЕМЫЙ КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЙ СВАРОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ
LOW ACTIVATED CORROSION RESISTANT WELDING MATERIAL

Изобретение относится к области производства сварочных материалов, используемых в ядерной энергетике, в частности, для выполнения малоактивируемой антикоррозионной наплавки внутренней поверхности корпусов реакторов из малоактивируемой стали марки 15Х2В2ФА [1].
Существующие отечественные и импортные сварочные материалы аустенитного класса, предназначенные для выполнения антикоррозионной наплавки, не обеспечивают быстрый спад наведенной активности, т.к. содержат в своем составе сильноактивируемые под действием нейтронного облучения элементы, такие как Ni, Nb, Mo, Со, Сu, образующие при нейтронном облучении долгоживущие изотопы γ- и β-излучений.
С целью обеспечения коррозионной стойкости в водо-водяной среде атомного реактора, в качестве малоактивируемого может быть рассмотрен безникелевый сварочный материал на базе 12% Сr.
Аналогом предлагаемого материала является малоактивируемая жаропрочная радиационностойкая сталь [2], содержащая(мас.%):
Углерод
0,10-0,21
Кремний
0,1-0,8
Марганец
0,5-2,0
Хром
10,0-13,5
Вольфрам
0,8-2,5
Ванадий
0,05-0,4
Титан
0,03-0,3
Бор
0,001-0,008
Церий (и/или иттрий) в сумме
0,001-0,10
Цирконий
0,05-0,2
Тантал
0,05-0,2
Азот
0,010-0,015
Железо
остальное
Однако данный материал не может быть применен в качестве сварочного материала для наплавки в связи с тем, что:
- высокое содержание углерода (до 0,21%) резко снижает технологические свойства при наплавке, способствует образованию холодных трещин;
- высокое содержание кремния (до 0,8%) приводит к охрупчиванию наплавленного металла в процессе термической обработки;
- содержание хрома ниже 12% приводит к потере коррозионных свойств наплавленного металла в эксплуатационной среде реактора I контура;
- высокое содержание вольфрама (до 2,5%) способствует снижению пластических и вязких свойств наплавленного металла.
Ближайшая по составу и назначению к заявляемой является проволока мартенсито-ферритного класса марки Св-01Х12Н2МТ-ВИ [3], принятая за прототип, содержащая (мас.%):
Углерод
0,002-0,015
Кремний
0,2-0,5
Марганец
0,03-0,2
Хром
12,0-13,5
Никель
1,7-2,4
Молибден
0,6-0,9
Титан
0,04-0,12
Азот
не более 0,02
Железо
остальное
Применение указанной проволоки для наплавки под флюсом обеспечивает высокие показатели прочностных и пластических свойств металла наплавки, высокую коррозионную стойкость в исходном и облученном состояниях, однако и высокий уровень накопленной активности.
Техническим результатом изобретения является создание сварочного материала для антикоррозионной наплавки, обладающего пониженным уровнем наведенной активности и более быстрым ее спадом после нейтронной экспозиции при сохранении высокого уровня сопротивления хрупкому разрушению металла наплавки, в том числе после нейтронного облучения, а также высокого уровня прочностных, пластических и коррозионных свойств.
На основании выполненного анализа, используя базовую основу низкоуглеродистого малоникелевого мартенсито-ферритного материала марки Св-01Х12Н2МТ-ВИ, в качестве сварочного материала для малоактивируемой наплавки предлагается материал, в составе которого ограничено содержание никеля, молибдена, повышено содержание марганца для поддержания необходимого фазового баланса, введен вольфрам, а минимальная концентрация хрома в сварочном материале составляет не менее 13%.
Технический результат достигается тем, что сварочный материал, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, титан, азот, никель, молибден и железо, дополнительно содержит вольфрам, кальций, ниобий, медь, кобальт, мышьяк, сурьму, олово при следующем соотношении компонентов (мас.%):
Углерод
0,01-0,08
Кремний
0,30-0,35
Марганец
2,1-4,0
Хром
13,0-14,0
Вольфрам
1,0-1,5
Титан
0,05-0,2
Никель
0,005-0,01
Ниобий
0,005-0,01
Молибден
0,005-0,01
Медь
0,005-0,01
Кобальт
0,001-0,05
Мышьяк
0,005-0,01
Сурьма
0,001-0,005
Олово
0,001-0,005
Сера
0,006-0,01
Фосфор
0,006-0,01
Азот
0,010-0,015
Кальций
0,005-0,05
Железо
остальное,
при этом:
- суммарное содержание Ni, Mo, Nb, Сu, Со не должно превышать 0,08;
- суммарное содержание As, Sb, Sn не должно превышать 0,018.
Введение в сварочный материал вольфрама в пределах (1,0-1,5)%, при одновременном регламентировании суммарного содержания никеля, ниобия, молибдена, меди и кобальта до 0,08 массовых процентов, позволяет достичь уменьшения активируемости металла наплавки под действием нейтронного облучения и увеличения скорости спада наведенной активности.
Суммарное ограничение содержания цветных примесей - мышьяка, сурьмы и олова до 0,018% позволяет повысить стойкость металла наплавки против отпускной хрупкости в процессе изготовления и эксплуатации реакторов.
Увеличение содержания сильного раскислителя металла - титана в сварочной проволоке до 0,2% способствует повышению сопротивления хрупкому разрушению металла наплавки за счет связывания при наплавке в расплавленном металле кислорода и измельчению зерна в структуре.
Регламентированное содержание азота (0,010-0,015)% способствует повышению сопротивления хрупкому разрушению металла наплавки за счет снижения содержания в нем неметаллических включений типа нитридов.
Ведение в сварочный материал кальция до 0,05% способствует глобулизации карбидов, обеспечивая повышение сопротивления хрупкому разрушению металла шва.
В ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» произведена выплавка в 100-килограммовой открытой печи трех плавок стали для сварочной проволоки заявляемого состава. Выплавка стали производилась на чистых шихтовых материалах предлагаемого состава с промывкой печи до требуемой чистоты по содержанию никеля, молибдена, ниобия, меди, серы и фосфора. Разливку производили в слитки, которые затем проковывались на заготовки размером 16×16 мм с дальнейшим изготовлением катанки диаметром 8 мм и волочением ее на сварочную проволоку диаметром 4 мм.
Образцы для исследования изготавливали из технологических проб с наплавкой, выполненной автоматическим дуговым способом под флюсом КФ-28 с использованием указанной проволоки.
Для исследования механических свойств металла наплавки изготавливали образцы на статическое растяжение диаметром 3 мм и длиной 15 мм, а также призматические образцы размером 5×5×27,5 мм с острым надрезом для испытаний на ударный изгиб.
В качестве известного сварочного материала была выбрана отечественная проволока марки Св-01XI2Н2МТ-ВИ (партия 4).
20
2
-3
-1
Нейтронное облучение образцов предлагаемого и известного сварочного материала производилось в активной зоне исследовательского реактора при температуре 270±10°С флюенсом 2·10 нейтр/см (Е≥0,5 МэВ). Испытание на растяжение проводились на установке УМД-10 на воздухе при скорости деформации 3·10 с. Ударные испытания проводились на копре типа 2121КМ-0,5 с максимальной энергией удара 50 Дж. Испытания на МКК проводились на образцах 3×20×80 мм по ГОСТ 6032.
Химический состав заявляемого и известного сварочного материала приведен в таблице 1, механические свойства - в таблице 2, коррозионные свойства - в таблице 3, результаты расчета кинетики спада наведенной активности в рассматриваемых материалах - в таблице 4.
Данные расчета кинетики спада наведенной активности в сварочных материалах [4] после предполагаемого облучения в реакторе типа ВВЭР-440 в течение 30 лет и последующей выдержки до 100 лет свидетельствуют о преимуществе заявляемого сварочного материала для выполнения малоактивируемой антикоррозионной наплавки примерно на два порядка, по сравнению с применяемыми материалами. На основании расчетно-аналитической оценки после 40 лет выдержки после облучения спад наведенной активности достигнет уровня, допустимого для работы с предлагаемым материалом для утилизации (переработки), в отличие от существующих материалов (≥100 лет).
Ожидаемый технико-экономический эффект, обусловленный более быстрым спадом наведенной активности и меньшей склонностью к радиационному охрупчиванию, выразится в увеличении надежности, безопасной эксплуатации и срока службы сварных соединений, а также повышении экологической чистоты за счет снижения загрязнения окружающей среды в период эксплуатации и после ее завершения атомных энергетических установок нового поколения из малоактивируемых конструкционных материалов.
Таблица 2
Механические свойства наплавленного металла заявляемого и известного материала
Сварочный материал
Условный № партии
σ<sub>0,2</sub> <sup>20°С</sup> (МПа)
Δσ<sub>0,2</sub> <sup>20°С</sup> (МПа)
δ<sub>°</sub> <sup>20°С</sup> (%)
Δδ<sub>°</sub> <sup>20°С</sup> (%)
Т<sub>к</sub> <sup>0,5</sup> (°С)
ΔТ<sub>к</sub> <sup>0,5</sup> (°С)
исходное
облученное
исходное
облученное
исходное
облученное
Предлаг.
1
680
760
80
17,5
17
0,5
-37
10
47
2
670
745
75
18,5
17,5
1,0
-40
0
40
3
665
730
65
18,0
16,5
1,5
-30
0
30
Известн.
4
660
725
65
14,5
12,0
2,5
-30
0
30
Примечание1. Образцы испытывали после высокого отпуска.
2. Испытание на растяжение проводилось при +20°С.
3. Испытания на ударный изгиб проводились в интервале температуре (-60-+350)°С, Т<sub>к</sub> определялось как 1/2 величины вязкости на верхнем шельфе.
4. Значения механических свойств приведены по результатам испытаний не менее трех образцов на точку.
5. Облучение проводилось при температуре 270±10°С, флюенс 2·10<sup>20</sup> н/см<sup>2</sup>.
Таблица 3
Коррозионные свойства наплавленного металла известного и заявляемого сварочного материала
Сварочный материал
Условный № партии
Состояние
Испытание на МКК по методу AM
Предлагаемый
1
исходное
трещин нет
облученное
трещин нет
2
исходное
трещин нет
облученное
трещин нет
3
исходное
трещин нет
облученное
трещин нет
Известный
4
исходное
трещин нет
облученное
трещин нет
Примечание 1. Облучение проводилось при температуре 260-280°С, флюенс 2·10<sup>20</sup> н/см<sup>2</sup>.
Таблица 4
Кинетика спада наведенной активности (Бк/кг) в заявляемом и известном сварочном материале
Сварочный материал
Условный номер партии
Время выдержки после облучения
Допустимое время работы с облученным материалом для утилизации (переработки), лет
1 сутки
1 год
10 лет
30 лет
100 лет
Предлагаемый
1
3,0·10<sup>11</sup>
1,0·10<sup>11</sup>
1,5·10<sup>10</sup>
2,5·10<sup>7</sup>
1,8·10<sup>7</sup>
40
2
3,1·10<sup>11</sup>
1,2·10<sup>11</sup>
1,4·10<sup>10</sup>
2,5·10<sup>7</sup>
1,8·10<sup>7</sup>
40
3
3,0·10<sup>11</sup>
1,3·10<sup>11</sup>
1,4·10<sup>10</sup>
2,5·10<sup>7</sup>
1,8·10<sup>7</sup>
40
Известный
4
3,2·10<sup>11</sup>
2,0·10<sup>11</sup>
4,0·10<sup>10</sup>
3,0·10<sup>9</sup>
1,5·10<sup>9</sup>
≥100
Примечание 1. Расчет выполнялся для внутренней поверхности корпуса реактора ВВЭР-440 при времени облучения 30 лет. Полный флюенс нейтронов на внутренней поверхности корпуса равен 2,49·10<sup>20</sup> н/см<sup>2</sup> для нейтронов с энергией En≥0,5 МэВ, плотность нейтронного потока φ=9,6·10<sup>11</sup>.
2. При расчете использован программный комплекс, основанный на программе FISPACT [3].
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент РФ №2135623.
2. Патент №2211878.
3. А.С. №893477.
4. R.A.Forrest. The European Activation System: EASY-99 Overview. UKAEA FUS 484, 2000.