СВАРОЧНАЯ ПРОВОЛОКА ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СВАРКИ ТЕПЛОУСТОЙЧИВЫХ СТАЛЕЙ ПЕРЛИТНОГО КЛАССА
WELDING WIRE FOR AUTOMATIC WELDING OF HEAT-RESISTANCE PEARLITIC STEELS

Изобретение относится к производству сварочных материалов и может быть использовано для автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса при изготовлении изделий в атомном энергетическом машиностроении.
к0
Для обеспечения надежности и долговечности оборудования металл сварного шва должен обладать комплексом технологических и служебных свойств: высокой прочностью и пластичностью, низкой температурой хрупковязкого перехода (Т), стойкостью против тепловой хрупкости, отсутствием существенной деградации свойств металла шва под воздействием нейтронного облучения.
к0
Значительная часть энергетического оборудования изготавливается из теплоустойчивой стали 15Х2НМФА, ТУ0893-013-0021279, которая содержит 1,8-2,3% Сr, 0,5-0,7% Мо, 0,10-0,12% V, 1,0-1,3% Ni обладает высокой прочностью и пластичностью при температуре эксплуатации до 350°С. Для сварки этой стали ПН АЭ Г-7-010-89 предусматривает применение сварочной проволоки марок Св-12Х2Н2МАА, ТУ14-1-2502 и Св-09ХГНМТАА-ВИ, ТУ 14-1-3675. К металлу сварных швов, выполненных этими материалами, предъявляются жесткие требования по прочностным и пластическим характеристикам, а также по критической температуре хрупкости (таблица №1). Основным недостатком применяемых в настоящее время, как сталей, так и сварочных материалов является наличие в их составе никеля до 1,3%. Высокое содержание никеля является причиной пониженной радиационной стойкости металла, что под воздействием нейтронного облучения приводит к значительному сдвигу критической температуры хрупкости в область положительных температур. При этом известно, что отрицательное влияние никеля скачкообразно возрастает при увеличении его содержания более 0,8%. С другой стороны уменьшение содержания никеля может привести к снижению вязких и пластических характеристик как стали, так и металла сварных швов, а также к повышению температуры хрупковязкого перехода (Т) в исходном состоянии. Температура хрупко-вязкого перехода сварных швов, расположенных напротив активной зоны является основным фактором, лимитирующим продолжительность срока службы корпуса атомного реактора и всей АЭС в целом.
В настоящее время в ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» создана сталь с повышенной радиационной стойкостью за счет снижения содержания никеля до 0,6-0,8% с сохранением высоких прочностных, пластических и вязких характеристик металла (15Х2МФА мод. Б, ТУ 108.131). Соответственно, для сварки этой стали необходимы сварочные материалы, обеспечивающие получение металла сварного шва, не уступающего радиационной стойкости основному металлу, при этом металл шва должен отвечать требованиям нормативной документации по прочностным, пластическим показателям и критической температуре хрупкости.
Как отмечалось выше, для сварки теплоустойчивых сталей применяется проволока марки Св-12Х2Н2МАА ТУ 14-1-2 5 02, содержащая в своем составе:
Углерод
0,10-0,14
Олово
не более 0,005
Кремний
0,05-0,20
Мышьяк
не более 0,01
Марганец
0,6-0,8
Кобальт
не более 0,02
Хром
1,8-2,1
Сера
не более 0,006
Никель
1,0-1,3
Фосфор
не более 0,006
Молибден
0,55-0,7
Железо
Остальное
Медь
не более 0,06
Наиболее близким к заявленному составу является состав сварочной проволоки марки Св-09ХГНМТАА-ВИ по ТУ14-1-3675, прототип, имеющий следующие ингредиенты, %:
Углерод
0,07-0,11
Алюминий
не более 0,05
Кремний
0,17-0,30
Олово
не более 0,001
Марганец
0,80-1,05
Сурьма
не более 0,008
Хром
1,6-1,9
Мышьяк
не более 0,01
Никель
1,0-1,3
Кобальт
не более 0,02
Молибден
0,5-0,7
Азот
не более 0,015
Титан
0,05-0,11
Сера
не более 0,006
Ванадий
не более 0,03
Фосфор
не более 0,006
Медь
не более 0,06
Железо
Остальное
Недостатком указанного состава является низкая стойкость к радиационному охрупчиванию из за высокого содержания никеля.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение радиационной стойкости металла сварных швов при одновременном сохранении высокого уровня прочностных, пластичных и вязких характеристик металла шва.
Технический результат достигается изменением соотношения легирующих элементов, введением дополнительно в состав заявляемой сварочной проволоки ниобия и бора и снижением содержания никеля.
Предлагается состав сварочной проволоки, содержащий, мас.%:
Углерод
0,07-0,11
Медь
не более 0,06
Кремний
0,15-0,25
Ванадий
не более 0,03
Марганец
0,8-1,0
Олово
не более 0,001
Хром
1,6-1,9
Сурьма
не более 0,005
Никель
0,6-0,8
Мышьяк
не более 0,005
Молибден
0,5-0,7
Кобальт
не более 0,02
Титан
0,05-0,11
Азот
не более 0,015
Ниобий
0,001-0,01
Сера
не более 0,006
Бор
0,0001-0,001
Фосфор
не более 0,006
Алюминий
не более 0,02
Железо
Остальное
Нормирование содержания легирующих выполнено таким образом, чтобы металл сварного шва после соответствующих технологических отпусков обеспечивал требуемый уровень важнейших механических свойств. Кроме того, для достижения необходимой стабильности основных физико-механических свойств в условиях работы корпуса атомного реактора должно соблюдаться следующее условие:
2
Q=(Ni+Co)+1,5Cu+0,2Mn+P+0,25(Sb+Sn)≤0,85
где Q - критерий охрупчивания в условиях облучения
Увеличение вязких характеристик при пониженных температурах достигается за счет модифицирования ниобием. В указанных пределах такое легирование способствует возникновению дополнительной мелкодисперсной фазы и измельчению зерен, увеличению протяженности их границ и, как следствие, более равномерному распределению примесей по объему. Это позволяет компенсировать снижение вязких характеристик метала шва, которое происходит при уменьшении содержания в нем никеля. Дальнейшее повышение содержания ниобия приводит к увеличению и укрупнению мелкодисперсной фазы, что приводит к значительному охрупчиванию металла шва в ходе послесварочных отпусков и эксплуатации при рабочих температурах. При содержании ниобия в металле шва менее 0,001% его влияние практически не прослеживается.
Снижение прочностных характеристик, связанное с уменьшением содержания никеля, компенсируется за счет введения бора. Упрочнение металла шва идет за счет создания раствора внедрения, происходит значительное искажение кристаллической решетки с повышением прочностных характеристик. Превышение указанного предела легирования ведет к резкому снижению пластических и вязких характеристик металла шва. При содержании бора в металле шва менее 0,0001% его упрочняющего влияние практически не наблюдается.
Уменьшение содержания никеля до 0,8% значительно повышает радиационную стойкость металла сварного шва. При содержании никеля более 0,8% происходит резкое снижение радиационной стойкости металла сварного шва. Снижение содержание никеля менее 0,6% ведет к снижению прочностных и вязких характеристик за счет существенного снижения прокаливаемости металла при уменьшении в нем содержания никеля.
На основании экспериментальных исследований было установлено, что на радиационное охрупчивание металла сварного шва кроме никеля и марганца также влияют такие элементы, как медь, сурьма, фосфор и олово, поэтому было ограничено их общее содержание в металле шва следующим условием:
2
Q=(Ni+Co)+1,5Cu+0,2Mn+P+0,25(Sb+Sn)≤0,85
Таким образом, задача создания нового состава сварочной проволоки заключается в оптимизации содержания легирующих элементов с целью обеспечения высокой стойкости к охрупчиванию под воздействием нейтронного облучения на металл сварных швов при сохранении требуемых характеристик прочности и пластичности.
При легировании сварочной проволоки вне заданных пределов, в соответствии с заявленными, состав сварочной проволоки становится неоптимальным, что проявляется в усилении склонности к радиационному охрупчиванию, снижению характеристик пластичности и вязкости.
На производственной базе ОАО «МЗ «Электросталь» ЦНИИ КМ "Прометей" провел комплекс лабораторных и опытно-промышленных работ по выплавке, пластической обработке и изготовлению опытной партии сварочной проволоки. Во ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» были изготовлены сварные пробы в натурном сечении и проведены их испытания.
Химический состав исследованных материалов, а также результаты определения необходимых механических и служебных свойств представлены в табл.№2-4.
Ожидаемый технико-экономический эффект от использования нового состава сварочной проволоки для изготовления корпусов реакторов АЭУ перспективных проектов выразится в повышении эксплуатационной надежности и ресурса изделий при обеспечении повышенной безопасности.
Таблица 1
Требования, предъявляемые к механическим свойствам металла шва, выполненного автоматической сваркой проволокой марок Св-12Х2Н2МАА и Св-09ХГНМТАА-ВИ
+20°
+350°
Критическая температура хрупкости Т<sub>к0</sub>
σ<sub>в</sub>
σ<sub>0,2</sub>
δ
ψ
σ<sub>в</sub>
σ<sub>0,2</sub>
δ
ψ
МПа
%
МПа
%
°С
Требования к сварному шву
539
422
15
55
490
392
14
50
≤0
Таблица 3
Механические свойства металла шва
№ плавка
Механические свойства
Т<sub>к0</sub>
Т<sub>исп</sub>=+20°С
Т<sub>исп</sub>=+350°С
σ<sub>в</sub>
σ<sub>0,2</sub>
δ
ψ
σ<sub>в</sub>
σ<sub>0,2</sub>
δ
ψ
МПа
МПа
%
%
МПа
МПа
%
%
°С
700
620
14
56
580
510
14
51
1
710
610
13
54
560
520
15
49
+10
720
620
15
51
570
520
14
49
690
610
16
59
570
490
18
57
2
700
610
16
60
560
500
16
57
-20
690
610
15
57
560
470
16
55
670
590
18
61
550
480
17
66
3
680
590
20
65
560
480
19
68
-15
650
600
16
62
550
470
19
62
590
520
18
60
520
430
16
55
4
580
510
18
59
530
410
19
55
-5
590
500
17
59
500
410
17
58
720
630
9
35
610
550
11
35
5
710
640
8
34
610
580
9
38
+30
740
640
9
34
610
580
10
37
6 прототип
590
550
18
56
520
440
16
61
610
530
16
61
520
410
16
65
-10
630
560
15
55
510
440
15
66
Таблица 4
Значения критической температуры хрупкости Т<sub>к0</sub> металла шва до и после облучения флюенсом 0,5×10<sup>20</sup> нейтр/см<sup>2</sup>, сдвиг Т<sub>к0</sub> в результате облучения
№ плавки
Значения Т<sub>к0</sub>
ΔТ<sub>к0</sub>
После сварки и высокого отпуска
После нейтронного облучения
1
+5
+35
30
2
-20
-5
15
3
-15
-5
10
4
-5
0
5
5
+30
+35
5
6 (прототип)
-10
+25
35