СТАЛЬ ДЛЯ КОРПУСНЫХ КОНСТРУКЦИЙ АТОМНЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК
STEEL FOR VESSEL STRUCTURES OF NUCLEAR POWER STATIONS

Изобретение относится к металлургии конструкционных сталей и сплавов, содержащих в качестве основы железо с различным сочетанием легирующих элементов и предназначено для использования в атомном энергомашиностроении при изготовлении корпусов сосудов давления атомных энергоустановок повышенной безопасности, надежности и ресурса.
Известны стали, конструкционные материалы, применяемые в указанной области техники в России (Cr-Mo-V и Cr-Ni-Mo-V стали) и за рубежом (в основном Mn-Ni-Mo стали) [1-3]. Следует отметить, что отечественные материалы обладают комплексом более высоких механических и эксплуатационных свойств.
С увеличением мощности и размеров реакторов возникла необходимость в создании для перспективных АЭУ материала, характеризующегося сочетанием высокой прочности и вязкости в заготовках больших толщин и одновременно стойкости к радиационному охрупчиванию.
Однако известные материалы не в полной мере удовлетворяют требованиям, предъявляемым к современным атомным энергетическим установкам. А именно характеризуются либо недостаточно высокой прочностью и прокаливаемостью, от которой зависит получение требуемых механических свойств в толстостенных полуфабрикатах, обеспечивая категорию прочности КП-40 при необходимости обеспечивать КП-45, либо не обладают достаточной радиационной стойкостью, требуемой для современных проектов АЭУ.
Наиболее близкой по химическому составу и техническим характеристикам к предлагаемой стали является сталь по патенту РФ №2139952 [3], содержащая легирующие компоненты, мас.%:
углерод
0,10-0,28
кремний
0,03-0,42
марганец
0,17-0,70
хром
2,0-3,3
молибден
0,60-0,80
ванадий
0,20-0,40
никель
0,05-0,40
медь
0,03-0,30
алюминий
0,05-0,10
кобальт
0,005-0,025
азот
0,005-0,08
церий
0,002-0,05
кальций
0,001-0,005
сера
0,002-0,020
фосфор
0,002-0,015
олово
0,001-0,005
сурьма
0,001-0,005
мышьяк
0,002-0,004
железо
остальное
m
p0,2
ко
350°C
350°C
Данную марку стали рекомендуется использовать в энергетическом машиностроении при производстве корпусов водоохлаждаемых атомных реакторов. Однако известная сталь не обладает необходимым уровнем прочности, предъявляемым к современным энергетическим установкам. Уровень прочности данной марки стали соответствует КП40 (R ≥490 МПа, R ≥392 МПа) при обеспечении критической температуры хрупкости Т=-40°С.
m
p0,2
ко
350°C
350°C
Техническим результатом настоящего изобретения является создание стали, обладающей высокой радиационной стойкостью, требующейся для современных проектов АЭУ с гарантированным обеспечением прочностных характеристик -категории прочности КП45 (К ≥539 МПа, R ≥441 МПа) в поковках крупного сечения (толщиной до 480 мм) при одновременном ужесточении требований к уровню критической хрупкости (Т до -50°С), что даст возможность повысить эксплуатационную надежность и обеспечить увеличение срока службы корпуса реактора в 2 раза.
Технический результат достигается изменением соотношения легирующих элементов и введением в состав заявляемой композиции оптимального количества ниобия в сочетании с азотом при следующем соотношении, мас.%:
углерод
0,15-0,18
кремний
0,17-0,37
марганец
0,30-0,60
хром
2,70-3,00
никель
0,20-0,40
молибден
0,60-0,80
ванадий
0,25-0,35
медь
0,01-0,07
алюминий
0,005-0,01
кальций
0,01-0,05
кобальт
0,005-0,025
ниобий
0,03-0,05
азот
0,005-0,04
сера
0,002-0,007
фосфор
0,002-0,007
мышьяк
0,005-0,01
сурьма
0,001-0,005
олово
0,001-0,005
железо
остальное
при этом суммарное содержание фосфора, олова, сурьмы и мышьяка составляет не более 0,02, а суммарное содержание никеля, меди и кобальта составляет не более 0,45.
Соотношение указанных легирующих элементов и принятые ограничения суммарного содержания некоторых из них выбраны таким образом, чтобы сталь после соответствующей термической обработки обеспечивала требуемый уровень прочности, критической температуры хрупкости, радиационную стойкость и стабильность важнейших физико-механических свойств, определяющих работоспособность материала в условиях эксплуатации оборудования. Кроме того, при указанном сочетании легирующих элементов повышается отпускоустойчивость стали, что, с одной стороны, гарантирует надежное обеспечение требуемых механических характеристик после воздействия технологических отпусков после сварки, с другой стороны, позволит увеличить продолжительность этих отпусков, что важно для обеспечения достаточного сопротивления хрупкому разрушению металла шва.
экв
max
В заявляемой марке стали по сравнению с прототипом сужены пределы содержания углерода: 0,15-0,18% вместо 0,10-0,28%. Сужение границ содержания углерода в пределах 0,15-0,18% приводит к уменьшению выделений карбидов по границам зерен, более равномерному их распределению по телу зерна, что также способствует повышению прочности и вязкости. Кроме того, при содержании углерода, близком к максимальному, в стали-прототипе (0,19-0,28%) значительно ухудшается технологичность стали при сварке (С =1,2). Сталь-прототип, выплавленная на нижнем пределе марочного состава, будет иметь низкую прокаливаемость, в результате чего даже заявленный уровень свойств будет обеспечен только в тонкостенных полуфабрикатах.
экв
В предлагаемой марке стали при содержании углерода 0,15-0,18% углеродный эквивалент равен С=0,77-0,98, что дает возможность примененять одинаковые технологические параметры при сварке различных плавок, а также получать стабильные характеристики сопротивления хрупкому разрушению в полуфабрикатах большого диапазона толщин и в зоне термического влияния различных плавок.
Хром является одним из основных легирующих элементов, обеспечивающих прокаливаемость в крупных сечениях. Увеличение нижнего предела содержания хрома до 2,7% повышает прокаливаемость стали, что дает возможность получать требуемый уровень прочности и вязкости в полуфабрикатах большой толщины. Снижение верхнего содержания хрома до 3,0% уменьшает выделение карбидов по границам зерен и приводит в результате к получению более однородной структуры в процессе основного отпуска и при проведении технологических отпусков.
Кроме того, хром подавляет выделение более термически стабильных карбидов молибдена, ванадия и ниобия, которые медленнее коагулируют и вследствие этого вносят больший вклад в упрочнение. Вследствие этого увеличение содержания хрома выше обеспечивающего прокаливаемость отрицательно влияет на прочность.
Повышение содержания углерода и хрома выше указанного в формуле изобретения таким образом способствует выделению карбидов и ускоренной их коагуляции по границам зерен, уменьшению дисперсности выделяющихся фаз, что ведет к снижению характеристик прочности, сопротивления металла хрупкому разрушению и ухудшению технологичности при сварке.
При длительном воздействии повышенных рабочих температур до 350°С возможна сегрегация примесных элементов, таких как Sb, P, Sn и As, на границах зерен, что приводит к появлению участков межзеренного разрушения в изломах образцов. При этом наблюдается снижение сопротивления хрупкому разрушению, повышение критической температуры хрупкости стали.
Суммарное ограничение содержания P+Sn+Sb+As не более 0,02 благоприятно сказывается также на радиационной стойкости стали.
Ограничение содержания серы и фосфора до 0,007% каждого уменьшает сегрегационные процессы, неблагоприятно влияющие на уровень вязкости металла в исходном состоянии.
Значительное влияние на увеличение чувствительности сталей к отпускной и тепловой хрупкости, а также радиационной стойкости оказывает фосфор, поэтому ограничение содержания фосфора до 0,007% благоприятно сказывается на уменьшении склонности стали к охрупчиванию при эксплуатационных воздействиях (тепловое воздействие и облучение нейтронным потоком).
Снижение содержания меди, отрицательно влияющей на радиационную стойкость, в заявляемой стали до 0,01-0,07% существенно повышает стойкость стали к радиационному охрупчиванию.
F
При этом при заявленном содержании примесных элементов (P, Сu), влияющих на радиационное охрупчивание, предлагаемая сталь имеет более высокую радиационную стойкость по сравнению с прототипом (по коэффициенту радиационного охрупчивания А).
Введение в состав стали добавок ниобия в количестве 0,03-0,05% способствует образованию мелкодисперсных карбонитридов ниобия игольчатой формы, расположенных по телу зерна, что обеспечивает достижение требуемого уровня прочности. Улучшение структурной стабильности стали, образование при отпуске достаточного количества мелкодисперсных карбонитридов ниобия, устойчивых в широком интервале температур, способствует стабильному обеспечению высокого уровня прочности как после основной термической обработки, так и после технологических отпусков и эксплуатационных нагревов.
Снижение содержания азота в заявляемой марке стали по сравнению с прототипом предотвращает выделение карбонитридов ниобия по границам зерен и на их стыках, повышая таким образом вязкость стали.
Никель в заявляемой композиции был нормирован в количестве 0,2-0,4% для увеличения прокаливаемости в заготовках крупных сечений (до 480 мм). Увеличение содержания никеля сверх установленных пределов приведет к значительному ухудшению радиационной стойкости и увеличению чувствительности к отпускной и тепловой хрупкости, в результате чего может значительно снизиться эксплуатационная надежность. Критическая температура хрупкости при значительных содержаниях никеля может повыситься не только в результате длительной работы при повышенной температуре, но и при медленном охлаждении с температуры отпуска.
При этом выбор системы комплексного легирования заявляемой композиции предусматривает ограничение до 0,45% суммарного содержания ряда элементов (Ni, Сu, Со), образующих при нейтронном облучении долгоживущие изотопы и радионуклиды с высокой энергией γ-излучения. Превышение содержания вводимых элементов сверх указанного предела приводит к возрастанию наведенной активности, что повышает радиационную опасность и дозовые нагрузки на персонал при ремонте и демонтаже оборудования.
На ОАО "Ижорские заводы" при участии с ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей" были выполнены 3 опытно-промышленные плавки весом по 159,7 т. Металл выплавлялся в электродуговых печах с последующей обработкой на установках внепечного рафинирования и вакуумирования. Разливка в слитки производилась в вакууме. Полученный металл подвергался обработке давлением на промышленном кузнечно-прессовом и прокатном оборудовании.
Из термически обработанного материала были изготовлены образцы на статическое растяжение и удар.
Химический состав исследованных материалов и результаты определения механических и служебных свойств приведены в таблицах 1 и 2.
к0
Уровень прочностных характеристик заявляемой стали соответствует уровню категории прочности КП-45. При этом предел текучести заявленной стали при 350°С выше предела текучести прототипа при комнатной температуре. Кроме того, заявленная сталь также превосходит прототип по уровню вязкости (KCV, Т).
Источники информации
1. Ю.Ф.Баландин, И.В.Горынин, Ю.И.Звездин, В.Г.Марков. Конструкционные материалы АЭС. Энергоатомиздат, 1984. 280 С.
2. И.В.Горынин, В.В.Рыбин, Г.П.Карзов, Г.Н.Филимонов, Б.И.Бережко, Р.А.Козлов, В.А.Николаев, И.И.Грекова, В.В.Цуканов. Создание и совершенствование сталей для корпусов реакторов атомных энергетических установок с водой под давлением. Вопросы материаловедения. №3 (20), 1999, с.63.
3. ASTM Standards: SA-508/SA-508M. Specification for quenched and tempered vacuum-treaded carbon and alloy steel forgings for pressure vessels, p.916.
4. Патент РФ №2139952.
5. ПНАЭ Г-7-002-86 "Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок".