ЛИСТОВАЯ ХЛАДОСТОЙКАЯ СТАЛЬ ДЛЯ ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОНТЕЙНЕРНОЙ ТЕХНИКИ АТОМНОЙ И ТЕРМОЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
COLD RESISTANT SHEET STEEL FOR HIGH LOADED STRUCTURES OF CONTAINER EQUIPMENT OF NUCLEAR AND THERMO-NUCLEAR POWER

Изобретение относится к области атомного энергомашиностроения и предназначено для использования при серийном производстве высоконадежной контейнерной техники, в частности металлобетонных контейнеров для транспортировки и длительного хранения отработавшего ядерного топлива и радиоактивных отходов атомной и термоядерной энергетики.
Известны конструкционные стали и сплавы, широко применяемые в различных отраслях промышленности и народного хозяйства, например стали марок 09Г2С, 10Г2С и 16ГС, а также другие аналоги, указанные в научно-технической и патентной литературе [1-5]. Однако известные материалы не обеспечивают требуемого уровня и стабильности основных физико-механических и служебных характеристик, в том числе деформационной способности в условиях ударного и статического нагружения при отрицательных температурах, во многом определяющих требуемую работоспособность и эксплуатационную надежность контейнерного оборудования.
Наиболее близкой к заявляемой композиции по базовому химическому составу и функциональному назначению компонентов является сталь типа 09Г2С [1], содержащая в своем составе следующие элементы, вес.%:
углерод
0,03-0,10
кремний
0,3-0,7
марганец
1,0-1,7
хром
0,05-0,25
никель
0,05-0,25
медь
0,05-0,25
ванадий
0,01-0,08
ниобий
0,005-0,05
алюминий
0,01-0,06
кальций
0,001-0,005
сера
0,002-0,015
фосфор
0,003-0,015
железо
остальное
При этом суммарное содержание никеля и меди не превышает 0,4%, а суммарное содержание серы и фосфора не превышает 0,025%.
Данную марку стали в соответствии с требованиями действующей нормативно-технической и технологической документации [2-4] рекомендуется использовать как конструкционный материал в машиностроительных отраслях промышленности при производстве серийной металлопродукции общетехнического назначения. При этом известная сталь характеризуется недостаточно высоким уровнем деформационной способности металла в условиях ударного и статического нагружения при отрицательных температурах, а также является чувствительной к тепловому и радиационному охрупчиванию в процессе транспортировки и длительного хранения отработавшего ядерного топлива.
Согласно требованиям действующих государственных и отраслевых стандартов содержание в сталях-аналогах ряда легирующих и примесных элементов, повышающих склонность металла к тепловому и радиационному охрупчиванию и образующих при нейтронном облучении долгоживущие изотопы с высокой энергией гамма-излучения, не контролируется и находится в весьма широких концентрационных пределах.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание высокотехнологичной листовой контейнерной стали, обладающей улучшенным комплексом основных физико-механических и служебных свойств, меньшей склонностью к тепловому и радиационному охрупчиванию, что обеспечивает повышение деформационной способности и эксплуатационной надежности высоконагруженных несущих конструкций металлобетонных контейнеров для транспортировки и длительного хранения отработавших тепловыделяющих сборок стационарных и транспортных реакторных установок типа РБМК и ВВЭР.
Решение поставленной в заявке задачи достигается изменением в стали соотношения легирующих и модифицирующих элементов и введением в состав заявляемой композиции оптимального количества иттрия, титана и азота, а также нормированием содержания серы, фосфора и мышьяка в сочетании с расчетной величиной углеродного эквивалента. Предлагается состав, содержащий в мас.%:
углерод
0,05-0,09
кремний
0,5-0,7
марганец
1,2-1,5
хром
0,05-0,25
никель
0,05-0,30
медь
0,05-0,25
ванадий
0,01-0,09
ниобий
0,01-0,07
иттрий
0,001-0,005
азот
0,005-0,01
титан
0,003-0,05
алюминий
0,02-0,05
мышьяк
0,003-0,01
сера
0,003-0,01
фосфор
0,003-0,01
железо
остальное
При этом:
экв.
- значение углеродного коэффициента стали (С) не должно превышать 0,38;
- суммарное содержание ванадия и ниобия не должно превышать 0,12%;
- суммарное содержание серы, фосфора и мышьяка не должно превышать 0,022%.
Соотношение указанных легирующих и примесных элементов выбрано таким, чтобы заявляемая композиция обеспечивала формирование наиболее оптимального структурного состояния, требуемый уровень и стабильность важнейших структурно-чувствительных свойств металла, во многом определяющих заданную работоспособность и эксплуатационную надежность, а также ресурсные характеристики создаваемой контейнерной техники.
Введение в заявляемую сталь микролегирующих и модифицирующих добавок иттрия, титана, азота и мышьяка в указанном соотношении с другими легирующими элементами, и в первую очередь с ванадием, ниобием и хромом, улучшает ее структурную стабильность и, как следствие, весь комплекс основных физико-механических свойств, положительно влияющих на снижение чувствительности металла к тепловому и радиационному охрупчиванию, а также повышает работу зарождения и развития межзеренной трещины в условиях динамического нагружения в области отрицательных температур. При этом, как показали наши исследования [6-9], происходит более равномерное распределение легирующих и примесных элементов, а также неметаллических включений по всему сечению слитка, крупных поковок и слябов, металл эффективней очищается от вредных примесей и газов, тоньше и чище становятся границы зерна, увеличивается прочность межкристаллитной связи, что в целом обеспечивает значительное повышение деформационной способности (пластичности, вязкости и др. характеристик) стали. Снижается склонность металла к структурной анизотропии и существенно улучшается его технологичность на стадии металлургического передела, что повышает выход годного при промышленном производстве листового проката. Введение модифицирующих элементов вне указанных в формуле изобретения пределов снижает эффективность их положительного влияния и не приводит к заметному улучшению этих важных структурно-чувствительных характеристик материала.
Выбор системы комплексного легирования заявляемой композиции предусматривает также ограничение суммарного содержания некоторых карбидообразующих элементов в оптимальном соотношении с углеродом, что способствует образованию при соответствующей термообработке в достаточном количестве мелкодисперсных карбидных фаз, термодинамически устойчивых в широком интервале температур технологических, сварочных и эксплуатационных нагревов, что снижает структурную неоднородность в приграничных областях и повышает сопротивление металла хрупкому разрушению в условиях статического и динамического нагружения. При этом обеспечение требуемого, более высокого, чем в прототипе, уровня пластических характеристик и деформационной способности стали достигается за счет формирования устойчивой дислокационной структуры, определяющей оптимальную плотность активных плоскостей скольжения в процессе пластической деформации и отражающей важный вклад дислокационной неупругости в процессе внутреннего трения.
При этом логарифмический декремент колебаний, как одна из важных характеристик реального структурного состояния металла и его деформационной способности, показывает заметное возрастание энергоемкости процесса пластической деформации и, как следствие, работы зарождения хрупкой трещины в условиях ударного нагружения и низких температур.
Выполненные металлографические исследования и электронно-фрактографический анализ поверхности излома ударных образцов с помощью высокоразрешающей растровой электронной микроскопии [6-9] свидетельствуют о преобладании внутризеренного характера разрушения и наличии развитого локального пластического течения металла, что является важной структурной характеристикой высокой деформационной способности заявляемой композиции.
Введение требуемых количеств ванадия, ниобия и титана в сочетании с заданной величиной углеродного эквивалента способствует активному образованию высокодисперсных карбонитридных фаз и повышению отпускоустойчивости при сохранении необходимого уровня прочностных и пластических характеристик металла в процессе длительной эксплуатации. Увеличение содержания этих элементов сверх указанных в формуле изобретения пределов снижает дисперсность образующихся фаз внедрения и затрудняет равномерность их распределения по объему зерна, что ослабляет механизм закрепления дислокаций в процессе последующей термообработки листового проката и других полуфабрикатов. При этом величина углеродного эквивалента, определяющего четкую взаимосвязь структурно-чувствительных характеристик стали с ее реальным химическим и фазовым составом, рассчитывается по общепринятой математической зависимости [10]:
Комплексное введение в сталь модифицирующих добавок титана, азота и мышьяка в оптимальном сочетании с такими термодинамически активными элементами (Al, Si, Mn и др.) способствует повышению эффективной поверхностной энергии межзеренного разрушения за счет подавления зернограничных сегрегационных процессов. Методом локального рентгеноспектрального анализа и Оже-электронной спектроскопии установлено, что при увеличении указанного в формуле изобретения суммарного содержания вводимых элементов, в результате воздействия технологических и эксплуатационных нагревов, активизируются процессы межзеренных сегрегационных образований и возрастает склонность стали к тепловому и радиационному охрупчиванию. Определение значения работы деформации и анализ электронных фрактограмм с использованием растровой электронной микроскопии свидетельствуют об увеличении доли вязкой составляющей в изломе, отражающей более высокую энергоемкость процесса разрушения по сравнению с хрупко-скольными структурными образованиями сталей-аналогов, что хорошо согласуется с результатами выполненных механических испытаний и положительно влияет на повышение сопротивления заявляемой композиции хрупкому разрушению [11, 12].
Полученный более высокий уровень физико-механических, технологических и служебных характеристик стали обеспечивается комплексным легированием заявляемой композиции в указанном соотношении с другими элементами, сбалансированным химическим и фазовым составом, нормированным соотношением сильнокарбидообразующих элементов в сочетании с расчетной величиной углеродного эквивалента, а также контролированием оптимального содержания легкоплавких элементов в твердом растворе.
В ЦНИИ КМ «Прометей» в соответствии с планом научно-исследовательских работ отрасли, проводимых в рамках обеспечения выполнения федеральной целевой научно-технической программы [13], осуществлен комплекс лабораторных и опытно-промышленных работ по выплавке, пластической и термической обработкам разработанной марки стали. Металл выплавлялся в 100-тонной дуговой электропечи с разливкой в слитки массой до 30 т и последующей обработкой давлением на промышленном кузнечно-прессовом и прокатном оборудовании.
Химический состав исследованных материалов, а также результаты определения наиболее важных свойств и характеристик опытного металла представлены в табл.1 и 2.
Ожидаемый технико-экономический эффект промышленного применения разработанной марки стали в атомном энергомашиностроении выразится в повышении эксплуатационной надежности и ресурсных характеристик производимых контейнерных сборок серии МБК и другого оборудования создаваемой контейнерной техники для атомной и термоядерной энергетики. Новое техническое решение может быть также использовано и в других отраслях отечественного машиностроения при производстве современной высоконадежной техники и оборудования для народного хозяйства.
В качестве примесей заявляемая сталь может содержать, вес %:
Мышьяк
0,003-0,01
Свинец
0,0005-0,006
Олово
0,0008-0,008
Цинк
0,0008-0,009
Сурьма
0,0005-0,008
Висмут
0,0006-0,006
ЛИТЕРАТУРА
1. И.В.Горынин, Н.Г.Быковский, Т.И.Титова и др. «Сталь для высоконадежного контейнерного оборудования по транспортировке и хранению отработавших ядерных материалов». - Патент РФ № 2232203, 2003. - прототип.
2. ГОСТ 19281-89 «Листовой прокат из стали повышенной прочности». М., Госстандарт, 1991.
3. ГОСТ 5520-79 «Сталь листовая углеродистая низколегированная для сосудов, работающих под давлением», М., Госстандарт, 1987.
4. Технические условия ТУ 5.961-11829-2003 «Прокат листовой из стали марки 09Г2СА», 2003.
5. В.Н.Журавлев, И.И.Николаева. Машиностроительные стали (справочник). М., изд-во «Машиностроение», 1981.
6. Технический отчет ЦНИИ КМ «Прометей» по теме № 35.663.11.001 «Создание контейнеров для отработавшего ядерного топлива стационарных и транспортных АЭУ с использованием радиационно стойких малоактивируемых сталей нового поколения» (проблема «Контейнер», инв. №9369°), Санкт-Петербург, 2003.
7. Г.П.Карзов, И.А.Повышев, В.Н.Павлов. Технический отчет ЦНИИ КМ «Прометей» по теме «Материаловедческое сопровождение техпроекта и промышленного производства на Ижорском заводе опытной партии транспортных упаковочных комплектов ТУК-18 для атомного ледокольного флота Мурманского морского пароходства», Ленинград, 1991.
8. Г.П.Карзов, И.А.Повышев, А.В.Ильин и др. «Проблемы разработки и выбора конструкционных материалов для сварных конструкций металлобетонных контейнеров для транспортировки и хранения радиоактивных отходов». - Труды Международной научно-технической конференции «Радиоактивные отходы: хранение, транспортировка и переработка», Санкт-Петербург, 1996, стр.С-40.
9. Г.П.Карзов, Н.Г.Быковский, И.А.Повышев и др. «Материаловедческая концепция обеспечения радиационно-экологической безопасности современной контейнерной техники для хранения и транспортировки ОЯТ». - Труды 7-й Российской межотраслевой конференции по реакторному материаловедению, г. Димитровград, НИИАР, 2003, стр.130-131.
10. Лосев В.А., Юхин Н.А. Иллюстрированное пособие сварщика. М.: издательство "Соуэло", 2007 г.
11. Н.Г.Быковский, И.А.Повышев, Г.Н.Филимонов и др. Материалы международного семинара Россия - НАТО «Научные проблемы и нерешенные задачи утилизации кораблей с ЯЭУ и экологической реабилитации обслуживающей инфраструктуры», Москва, изд-е ИБРАЭ РАН (Институт проблем безопасности развития атомной энергетики), 2002, стр.19.
12. Н.Г.Быковский, М.И.Оленин и др. Технический отчет ЦНИИ КМ «Прометей» по теме № 146/6626 «Материаловедческое сопровождение промышленного изготовления на стане 5000 ОАО «Северсталь» опытной партии листового проката из стали 09Г2СА-А», Санкт-Петербург, 2005.
13. Федеральная целевая программа "Национальная технологическая база" НИОКР "Модификация".