КОРРОЗИОННО-СТОЙКАЯ ЛЕГИРОВАННАЯ НЕЙТРОННО-ПОГЛОЩАЮЩАЯ СТАЛЬ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШЕСТИГРАННЫХ ЧЕХЛОВЫХ ТРУБ ДЛЯ УПЛОТНЕННОГО ХРАНЕНИЯ В БАССЕЙНАХ ВЫДЕРЖКИ И ТРАНСПОРТИРОВКИ ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА
RUST-RESISTING ALLOYED NEUTRON-ABSORBING STEEL FOR PRODUCTION OF HEXAGONAL SHELL PIPES FOR SEALED STORAGE OF NUCLEAR FUEL IN PUMPED POOLS AND ITS TRANSPORTATION

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составу коррозионно-стойкой легированной нейтронно-поглощающей стали, которая обладает высокими механическими и пластическими свойствами, высокой способностью к поглощению нейтронов, технологичностью при горячей обработке давлением, механической обработке - расточке и обточке и может быть использована в атомном энергомашиностроении в качестве материала чехловых труб - поглотителей нейтронов в средствах транспортировки и уплотненного хранения отработанного ядерного топлива в бассейнах выдержки.
В металлургии известна коррозионно-стойкая сталь 0Х18Н15Р (ЭП 304), содержащая, мас.%:
Углерод
до 0,07
Кремний
до 0,8
Марганец
до 1,5
Хром
18-20
Никель
9,0-11,0
Бор
0,65-1,15
Железо
Остальное
(ЧМТУ/ЦНИИЧМ 630-62. Сталь 08Х18Н15Р (ЭП 304).
Недостатком известной стали, при относительно удовлетворительной способности к поглощению нейтронов, является низкая технологическая пластичность при температурах горячей деформации, а также склонность к межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию в средах АЭС, что не позволяет использовать ее в качестве материала чехловых труб - поглотителей нейтронов в средствах транспортировки и хранения отработанного ядерного топлива АЭС.
В металлургии известна также коррозионно-стойкая сталь 04Х14Т3Р1Ф (ЧС 82) для использования при изготовлении шестигранных чехлов для стеллажей уплотненного хранения в бассейнах выдержки и транспортировки ядерного топлива, содержащая, мас.%:
Углерод
0,02-0,10
Кремний
0,10-0,80
Марганец
0,10-0,50
Хром
13,0-16,0
Бор
1,0-2,0
Ванадий
0,05-0,35
Церий
0,01-0,04
Алюминий
0,15-0,8
Титан
2,0-4,0
Железо
Остальное
(Патент RU №1122009, Кл. C22C 38/32 и ТУ 14-3-1630-89 "Трубы стальные холоднодеформированные шестигранные").
Недостатком известной стали при удовлетворительной способности к поглощению нейтронов, снижению склонности к межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением является то, что использование ее в стеллажах бассейнов выдержки облученного ядерного топлива (ОЯТ) не обеспечивает безопасность его хранения и транспортировки при содержании в нем урана U-235 > 5%, что объясняется низким процентным содержанием бора в ее составе.
В металлургии для использования при изготовлении шестигранных чехловых труб для уплотненного хранения в бассейнах выдержки и транспортировки ядерного топлива известна также нейтронно-поглощающая сталь, содержащая, мас.%:
Углерод
0,021-0,10
Кремний
0,10-0,80
Марганец
0,10-0,50
Хром
13,0-16,0
Бор
2,1-3,5
Ванадий
0,05-0,35
Церий
0,01-0,04
Алюминий
0,15-0,8
Титан
4,02-10,0
Железо
Остальное
(Патент RU №2399691, Кл. C22C 38/32,опубл. 20.09.2010).
Недостатком данной стали является относительно низкая технологическая пластичность, приводящая к сужению температурного интервала при горячей деформации 1150-900°C, что приводит к образованию дефектов в виде рванин и поперечных трещин при неустановившихся процессах прокатки на ТПУ с пилигимовыми станами (при затравке и обкатке пилигримовых головок).
Наиболее близким техническим решением (прототипом) для изготовления шестигранных чехловых труб для уплотненного хранения в бассейнах выдержки и транспортировки ядерного топлива является нейтронно-поглощающая сталь, содержащая, мас.%:
Углерод
0,02-0,08
Кремний
0,10-0,80
Марганец
0,10-0,50
Хром
13,0-16,0
Бор
1,5-3,2
Ванадий
0,05-0,25
Церий
0,01-0,04
Алюминий
0,15-0,8
Титан
3,0-6,58
Сера
≤0,015
Фосфор
≤0,020
Водород
≤2ppm
Железо
Остальное
Содержания титана и бора связаны зависимостью 1,7≤Ti/B≤2,05, а содержания титана, хрома и бора - зависимостью Cr-5(B-Ti/2)≥14 (Патент РФ №2434969, Кл. C22C 38/32, опубл. 27.11.2011).
Недостатком данного прототипа, также как и вышеприведенного аналога, является относительно низкая технологическая пластичность, приводящая к сужению температурного интервала при горячей деформации 1150-900°C, что приводит к образованию дефектов в виде рванин и поперечных трещин при неустановившихся процессах прокатки на ТПУ с пилигримовыми станами (при затравке и обкатке пилигримовых головок) и при механической обработке - расточке и обточке.
Задачей предложенной коррозионно-стойкой легированной нейтронно-поглощающей стали является использование ее для изготовления шестигранных труб для уплотненного хранения в бассейнах выдержки и транспортировки топлива (ТВС) с обогащением до 8,0% и более для обеспечения ядерной безопасности в условиях нормальной эксплуатации и в аварийных ситуациях, а следовательно, повышение экологической и аварийной безопасности объектов атомной энергетики, повышение технологической пластичности при температурах горячей деформации, снижение склонности к межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением.
Технический результат достигается тем, что коррозионно-стойкая легированная нейтронно-поглощающая сталь для изготовления шестигранных чехловых труб для уплотненного хранения в бассейнах выдержки и транспортировки ядерного топлива, содержит углерод, кремний, марганец, хром, бор, ванадий, церий, алюминий, титан, серу, фосфор, ванадий, церий, алюминий, титан, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит никель, ограниченное количество свинца и висмута при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод
0,02-0,05
кремний
0,10-0,80
марганец
0,10-0,50
хром
13,0-16,0
бор
2,01-3,5
ванадий
0,15-035,
церий
0,03-0,07
алюминий
0,15-0,80
титан
4,02-8,5
никель
0,05-0,50
серу
0,005-0,02
фосфор
0,005-0,03
свинец
не более 0,005
висмут
не более 0,005
железо
остальное
2
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что при наличии в стали повышенного содержания бора повышается способность к поглощению нейтронов при одновременном резком понижении технологической пластичности стали, повышаются прочностные свойства, понижается ударная вязкость. Понижение пластичности при горячей деформации связано с образованием боридных эвтектик, располагающихся в междендритных пространствах. Температура плавления некоторых боридных эвтектик приходится на область нагрева под горячую обработку металла давлением. При горячей деформации металла, имеющего в структуре боридную эвтектику, образуются трещины. Для предотвращения этого явления необходимо связать бор в борид, температура плавления которого была бы выше температуры горячей пластической деформации. Таким элементом является титан, который образует с бором борид титана TiB, температура плавления которого составляет 2800°C. Кроме того, титан, образуя бориды, а также карбиды и нитриды, способствует сохранению хрома в металлической матрице и тем самым способствует получению высокого уровня коррозионных характеристик стали.
Введение титана в борсодержащую коррозионно-стойкую композицию позволяет получить хорошую технологическую пластичность при обработке металла давлением, повышает стойкость против межкристаллитной коррозии и коррозионного растрескивания под напряжением в средах, содержащих хлориды.
При введении в сталь титана в массовых долях, равных массовым долям бора, он не обеспечивает полного превращения бора в борид титана TiB, а также не обеспечивает полного замещения хрома в неметаллических фазах (боридах, карбидах, нитридах), что приводит к нестабильности технологических и коррозионных свойств стали. Верхний предел содержания титана в заявляемой стали задан из технологических соображений: при содержании в стали титана более 8,5%, с содержанием бора от 2,1 до 3,5% и хрома от 13,0 до 16,0%, существенно затрудняется проведение заключительной стадии плавки и разливки стали при изготовлении электродов для последующего электрошлакового переплава их в товарные слитки ЭШП, т.к. металл загрязнен пленками и содержит чрезмерное количество окислов и нитридов титана. Поэтому необходимо при выплавке данной стали соблюдать соотношения титана к бору от 2,0 до 2,5, большие значения которого относятся к сталям с большим содержанием бора и титана.
Для повышения технологической пластичности при температурах горячей деформации необходимо в сталь вводить церий, массовое соотношение которого приведено в формуле изобретения, а для снижения склонности к межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением ограничить содержание свинца и висмута до 0,005% и введения никеля не более 0,5%.
Так как передельные трубы-заготовки размером 290×12 мм подвергаются высокой обрабатываемости резанием - расточке и обточке на размер 284×6 мм, то для улучшения чистоты обрабатываемых поверхностей круглых передельных труб-заготовок предложено вводить в коррозионно-стойкую легированную нейтронно-поглощающую сталь свинец и висмут в количествах не более 0,005%.
Предлагаемая сталь обладает хорошей технологической пластичностью в интервале температур от 800 до 1150°C, что позволяет изготавливать способом ЭШП из нее трубную заготовку размером 470±х1700±50 мм для передела на ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами в передельные трубы размером 290×12×22000-23000 мм и дальнейшего передела их в шестигранные трубы "под ключ" размером 257×6×4300+80/-30 мм и другие изделия. Коррозионные испытания показали отсутствие склонности к межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением. Это позволяет использовать данную сталь в качестве материала для изготовления чехловых шестигранных труб размером "под ключ" 255 мм с толщиной стенки 5,0+1,5/-1,0 мм вместо существующих 257 с толщиной стенки 6+2,0/-1,0 мм для хранения в бассейнах выдержки и транспортировки обогащенного ядерного топлива ураном 235 более 8,0%, а также листа для внутрикорпусных защитных экранов в реакторах АЭС.
Использование данной коррозионно-стойкой легированной нейтронно-поглощающей стали позволит вести прокатку передельных труб размером 288×11 мм без образования дефектов в виде рванин при установившемся процессе прокатки и продольных трещин при затравке и обкатке пилигримовых головок для последующего передела механической обработкой-обточкой, расточкой и профилированием в товарные шестигранные чехловые трубы размером 255×5+1,5/-1,0×4300+80/-0 мм для транспортировки и уплотненного хранения в бассейнах выдержки отработанного ядерного топлива. Изготовленные из предложенной стали шестигранные трубы обеспечивают надежную защиту при транспортировке обогащенного ядерного топлива ураном 235 более 8,0%, дают возможность повысить экологическую и аварийную безопасность, снизить материалоемкость стеллажей на вновь вводимых и реконструируемых объектах атомной энергетики, сохранить и повысить позиции атомэнергопрома России на мировом рынке.
Произведено опробование производства из предлагаемой стали на ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами передельных труб размером 290×12 мм для последующей механической обработки - расточки, обточки и профилирования из них шестигранных труб "под ключ" размером 257+2,0/-1,0×6+2,0/-1,0×4300+80/-30 мм. На ОАО "Златоустовский металлургический завод" выплавлены методом электрошлакового переплава (ЭШП) три промышленных плавки стали марки 04Х14Т5Р2Ф-Ш с содержанием бора от 2,54 до 2,97, титана от 4,80 до 6,00, церия от 0,01 до 0,02% в соответствии с патентом РФ №2434969 и три плавки с содержанием бора от 2,61 до 2,87, титана от 6,00 до 6,65 и церия от 0,05 до 0,06% в соответствии с предлагаемым составом (по шесть слитков размером 470×1700 мм общей массой по 13,26 тонн). На плавках, отлитых в соответствии с патентом №2434969, соотношение титана к бору составило от 1,89 до 2,09, а на опытных плавках - от 2,28 до 2,38. На ОАО "Челябинский трубопрокатный завод" в слитках были просверлены сквозные отверстия диаметром 100±5 мм. Слитки были нагреты до температуры пластичности (1150°C), прошиты в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы размером 470хвн. 295×2620 мм, которые были прокатаны на ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами в передельные трубы-плети размером 290×12×22400-22800 мм. Трубы-плети порезаны на четыре крата, расточены, обточены на размер 284×6 мм и спрофилированы в шестигранные трубы-заготовки. При прокатке передельных труб из слитков стали марки по патенту РФ №2434969 на одной трубе с отношением Ti/B=1,89 были рванины с затравочного конца, а на трубе с отношением Ti/B=2,09 были сквозные рванины под пилигимовую головку, что привело к браку 3-х кратов. На механическую обработку было направлено 21 крат. В процессе механической обработки - обточки и расточки из-за дефектов проката были забракованы еще два крата: один крат по наружной плене, а второй крат по внутренней плене. Из данной партии передельных труб задано на профилирование в шестигранные трубы-заготовки 19 кратов, из которых получено 19 шестигранных  труб-заготовок общей массой 3,515 тонн. Расходный коэффициент металла (отношение массы заданного металла в производство к массе шестигранных труб-заготовок) по данной партии шестигранных труб-заготовок составил 3,772. Одновременно в производство были заданы три плавки стали марки 04Х14Т5Р2Ф-Ш (6 слитков ЭШП), отлитых на ОАО "ЗМЗ" в соответствии с формулой изобретения. Слитки были нагреты до температуры пластичности (1150°C), прошиты в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы размером 470хвн. 295×2620 мм и прокатаны на ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами в передельные трубы размером 290×12×22300-22800 мм, порезаны на четыре крата, обточены и расточены на размер 284×6 мм и спрофилированы в шестигранные трубы-заготовки. При прокатке передельных труб из слитков данной марки стали дефекты отсутствовали. На механическую обработку было направлено 24 крата. В процессе механической обработки - расточки и обточки из-за дефектов проката по наружной плене, выводящей толщину стенки за пределы минусового поля допуска, забракован один крат. Из данной партии передельных труб задано на профилирование в шестигранные трубы-заготовки 23 крата, из которых получено 23 шестигранных трубы-заготовки общей массой 4,255 тонн. Расходный коэффициент металла по данной партии шестигранных труб-заготовок составил 3,116. Прочностные и коррозионные свойства предложенной и существующей сталей находятся на одном уровне, а пластические значительно выше δ на 15%, а ψ на 20%.
Таким образом, предложенная сталь 04Х14Т5Р2Ф-Ш (ЧС 82 М2) рекомендуется для изготовления шестигранных труб-заготовок и для изготовления из них стеллажей для уплотненного хранения отработанного ядерного топлива в бассейнах выдержки на АЭС и изготовления чехлов для его транспортировки.