Нержавеющая сталь для трубопроводов и трубных систем термоядерной и водородной энергетики

Изобретение относится к металлургии конструкционных сталей и сплавов, содержащих в качестве основы железо с заданным соотношением легирующих и примесных элементов, и предназначено для использования в энергетическом машиностроении при производстве сварных конструкций трубопроводов и трубных систем, отвечающих требованиям эксплуатации и промышленной безопасности современного реакторного оборудования термоядерной и водородной энергетики. Предложена нержавеющая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, титан, медь, кобальт, иттрий, кальций, азот, сера, фосфор и железо, при этом суммарное содержание углерода и азота не должно превышать 0,08 мас.%, а суммарное содержание серы и фосфора не должно превышать 0,04 мас.%. Изобретение направлено на создание высокотехнологичной водородостойкой стали с улучшенным комплексом основных физико-механических и служебных свойств, меньшей склонностью к водородному охрупчиванию и хрупкому разрушению, а также низким уровнем водородопроницаемости по сравнению с известными материалами, что обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и общего ресурса работы трубопроводов и трубных систем реакторных установок перспективных ядерных технологий. 2 табл.

 

Изобретение относится к металлургии конструкционных сталей и сплавов, содержащих в качестве основы железо с заданным соотношением легирующих и примесных элементов, и предназначено для использования в энергетическом машиностроении при производстве сварных трубопроводов и трубных систем, отвечающих требованиям эксплуатации и промышленной безопасности современного реакторного оборудования термоядерной и водородной энергетики.

Известны металлические конструкционные материалы, применяемые в машиностроительных отраслях промышленности (например, нержавеющие стали марок 04Х18Н10, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, а также другие аналоги, указанные в научно-технической и патентной литературе [1-5]). Однако известные стали не обеспечивают требуемого уровня и стабильности основных физико-механических и служебных характеристик, что снижает работоспособность и эксплуатационную надежность используемого трубопроводного и теплообменного энергетического оборудования и не отвечает современным требованиям ядерной безопасности.

Наиболее близкой к заявляемой композиции по назначению и составу компонентов является хромоникелевая сталь аустенитного класса марки 08Х18Н10Т по ГОСТ 5632-72 [2], содержащая в своем составе легирующие элементы в следующем соотношении, в мас.%:

углерод	≤0,08
кремний	≤0,8
марганец	≤2,0
хром	17,0-19,0
никель	9,0-11,0
титан	5,0-0,7
сера	≤0,020
фосфор	≤0,035
железо	остальное

Данную марку стали в соответствии с требованиями действующих ГОСТов рекомендуется использовать в различных отраслях промышленности и народного хозяйства в качестве конструкционного материала при производстве серийного оборудования общетехнического назначения. При этом известная сталь характеризуется весьма низкой водородостойкостью при температурах эксплуатации реакторного оборудования и повышенной склонностью сварных соединений к водородному охрупчиванию. Вместе с тем известной композиции свойственен широкий разброс и нестабильность основных физико-механических, технологических и служебных свойств, что не отвечает предъявляемым требованиям, определяющих заданную работоспособность и эксплуатационную надежность материала в условиях длительной эксплуатации трубопроводного и теплообменного оборудования при воздействии коррозионно-активных водородосодержащих рабочих сред. Согласно требованиям действующих государственных и отраслевых стандартов [1-5] содержание в сталях-аналогах ряда легирующих и примесных элементов, во многом определяющих требуемое структурное состояние металла и уровень его важнейших служебных характеристик, не контролируется и находится в весьма широких концентрационных пределах.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание высокотехнологичной стали, обладающей улучшенным комплексом основных физико-механических и служебных свойств, меньшей склонностью к водородному охрупчиванию и хрупкому разрушению, а также низким уровнем водородопроницаемости по сравнению с известными материалами, что обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и общего ресурса работы трубопроводов и трубных систем реакторных установок термоядерной и водородной энергетики. Технический результат достигается за счет того, что в состав известной стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, никель, титан, серу, фосфор и железо, дополнительно введены медь, кобальт, иттрий, кальций и азот при следующем соотношении компонентов, в мас.%:

углерод	0,02-0,06
кремний	0,3-0,8
марганец	0,8-1,5
хром	17,0-19,0
никель	9,0-11,0
титан	0,1-0,5
медь	0,05-0,1
кобальт	0,005-0,05
иттрий	0,01-0,05
кальций	0,001-0,005
азот	0,01-0,05
сера	0,005-0,015
фосфор	0,005-0,03
железо	остальное

При этом введено ограничение суммарного содержания элементов, превышение которого отрицательно влияет на формирование наиболее оптимального структурного состояния и в значительной мере снижает заданный уровень основных служебных и эксплуатационных характеристик материала, в частности:

- суммарное содержание углерода и азота не должно превышать 0,08%;

- суммарное содержание серы и. фосфора не должно превышать 0,04%.

Соотношение указанных легирующих и примесных элементов выбрано таким, чтобы заявляемая композиция обеспечивала требуемый уровень и стабильность важнейших структурно-чувствительных характеристик материала, во многом определяющих высокую работоспособность и эксплуатационную надежность трубопроводного и теплообменного оборудования термоядерной и водородной энергетики.

Введение в заявляемую сталь микролегирующих и модифицирующих добавок меди, кобальта, иттрия и кальция в указанном соотношении с другими легирующими элементами, и в первую очередь - хромом, никелем и марганцем улучшает ее структурную стабильность и, как следствие, весь комплекс основных физико-механических и служебных свойств, положительно влияющих на снижение чувствительности металла шва и зоны термического влияния к водородному охрупчиванию в процессе длительной эксплуатации, а также повышает работу зарождения и развития межзеренной трещины в условиях статического и динамического нагружений. При этом, как показали наши исследования [6-8], происходит более равномерное распределение легирующих элементов и неметаллических включений по всему сечению слитка, крупных поковок и слябов, металл эффективнее очищается от вредных примесей и газов, тоньше и чище становится границы зерна, увеличивается прочность межкристаллитной связи, что в целом обеспечивает значительное повышение пластичности и вязкости как основного металла, так и сварных соединений. Снижается склонность стали к структурной анизотропии и существенно улучшается ее технологичность на стадии металлургического передела, что повышает выход годного при промышленном производстве листового и трубного проката, а также других тонкостенных полуфабрикатов сложного профиля. Введение меди, кобальта и иттрия вне указанных в формуле изобретения пределов снижает эффективность их положительного влияния и не приводит к заметному улучшению этих структурно-чувствительных характеристик работоспособности материала в составе трубопроводного и теплообменного оборудования энергетических установок.

Модифицирование стали азотом в указанном соотношении с углеродом и титаном улучшает структурную стабильность металла шва и ЗТВ, способствует формированию при соответствующей термообработке в достаточном количестве мелкодисперсных карбидных и нитридных фаз, термодинамически устойчивых при температурах технологических и сварочных нагревов, что обеспечивает снижение структурной неоднородности в приграничных областях и повышает сопротивление металла хрупкому разрушению в условиях сложного динамического нагружения и водородной коррозии. 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 процессы внутреннего трения. Как уже отмечалось, введение азота в указанном соотношении с углеродом и титаном способствует образованию высокодисперсных карбонитридов титана и повышению отпускоустойчивости металла шва и зоны термического влияния при сохранении необходимой прочности стали с высокой пластичностью и вязкостью.

Фрактографический анализ поверхности изломов образцов методом сканирования на растровом электронном микроскопе показал [6], что в заявляемой стали доля вязкой составляющей в зоне разрушения после наводороживания металла заметно возрастает по сравнению с известным составом. Увеличение суммарного содержания углерода и азота свыше указанного в формуле изобретения пределов снижает дисперсность образующихся фаз внедрения и затрудняет равномерность их распределения по объему зерна, что ослабляет механизм закрепления дислокации в процессе последующих технологических нагревов трубного проката и отрицательно влияет на деформационную способность металла в процессе длительной эксплуатации.

Полученный более высокий уровень физико-механических, сварочно-технологических и служебных характеристик стали обеспечивается комплексным легированием заявляемой композиции в указанном соотношении с другими элементами, сбалансированным химическим и фазовым составом, нормированным содержанием вводимых микролегирующих и модифицирующих добавок, а также контролированием чистоты металла по остаточным вредным примесям - сере и фосфору.

В ЦНИИ КМ "Прометей" совместно с другими предприятиями отрасли в соответствии с планом проводимых научно-исследовательских разработок выполнен необходимый комплекс лабораторных, расчетных и опытно-промышленных работ по выплавке, пластической и термической обработкам создаваемой марки стали. Металл выплавлялся в вакуумной плазменно-дуговой печи емкостью 5 т с последующей обработкой давлением на промышленном кузнечно-прессовом и прокатном оборудовании с получением полуфабрикатов требуемого сортамента.

Химический состав исследованных материалов, а также результаты определения всего комплекса наиболее важных свойств и характеристик представлены в табл.1 и 2.

Ожидаемый технико-экономический эффект применения разработанной марки стали в народном хозяйстве выразится в повышении эксплуатационной надежности и экологической безопасности использования трубопроводов и трубных систем реакторных установок термоядерной и водородной энергетики.

Таблица 1 Химический состав исследованных материалов
Состав	Условный № состава	Содержание элементов, мас.%
С	Si	Mn	Cr	Ni	Ti	Cu	Со	Y	Са	N	S	Р	Fe
Заявляемый	1	0,02	0,3	0,8	17,0	9,0	0,1	0,05	0,005	0,01	0,001	0,05	0,005	0,03	остальное
	2	0,04	0,5	1,2	18,0	10,0	0,3	0,08	0,03	0,03	0,003	0,01	0,010	0,02	остальное
3	0,06	0,8	1,5	19,0	11,0	0,5	0,1	0,05	0,05	0,005	0,02	0,015	0,005	остальное
Известный	4	0,08	0,8	2,0	18,5	10,0	0,6	-	-	-	-	-	0,020	0,035	остальное

Таблица 2 Результаты определения основных физико-механических, технологических и служебных свойств исследованных материалов
Состав	Условный № состава	Механические свойства при растяжении	Критический коэффициент интенсивности напряжений после наводораживания металла, Kic, МПа√м	Предел усталости σ-1 сварных соединений в среде водорода, МПа	Водородопроницаемость Р, см3·мм/см2·сек·атм0,5	Выход годного при производстве трубной продукции, %
		σв					σ0,2	δ	Ψ
МПа	%
Заявляемый	1	535	265	53	75	180	260	7·10-7	87
	2	540	260	50	74	165	280	8·10-7	92
3	550	270	48	70	170	275	7·10-7	85
Известный	4	510	220	40	65	110	230	2·10-6	80
Примечания: 1. Результаты механических испытаний усреднены по 3-м образцам на точку. 2. Вязкость разрушения KIC сварных образцов после наводораживания определялась при испытании компактных образцов на внецентренное растяжение по стандартной методике (ГОСТ 25.506-85); 3. Усталостная прочность образцов определялась в условиях циклического нагружения на базе 108 циклов; 4. Водородопроницаемость сварных образцов исследуемой стали определялась при температуре 350°С на газоанализирующей установке ВД-8 Физико-механического института АН Украины, работающей на принципе объемно-метрического метода измерения стационарного потока водорода.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.Н.Журавлев, О.И.Николаева "Машиностроительные стали". Справочник, Изд-во "Машиностроение", Москва, 1989.

2. ГОСТ 5632-72 "Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные" (марки и технические требования), Москва, Изд-во "Стандарт", 1977 - прототип.

3. ГОСТ 9940-81 "Трубы бесшовные горячедеформированные из коррозионно-стойкой стали", Москва, Изд-во "Стандарт", 1981.

4. ГОСТ 9941-81 "Трубы бесшовные холодно и теплодеформированные из коррозионно-стойкой стали", Москва, Изд-во "Стандарт", 1982.

5. ГОСТ 24030-80 "Трубы бесшовные из коррозионно-стойкой стали для энергомашиностроения", Москва, Изд-во "Стандарт", 1987.

6. В.В.Рыбин, И.А.Повышев "Физико-химические основы создания водородостойких сталей". - Материалы XVI Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, том 2, Москва, 1998, с.461.

7. В.В.Васильев, Ю.И.Звездин, И.А.Повышев "Проникновение водорода сквозь аустенитные коррозионно-стойкие материалы". - Сборник научных статей "Вопросы судостроения", сер. "Металловедение", №26, Ленинград, 1978, с.55-56.

8. Т.Д.Возный, Ю.И.Звездин, И.А.Повышев и др. "Длительная прочность нержавеющих хромоникелевых сталей в среде водорода высокого давления". - Журнал "Физико-химическая механика материалов", том 14, №6, Львов, Изд-во "Наукова Думка", 1978.

Нержавеющая сталь для трубопроводов и трубных систем термоядерной и водородной энергетики, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, титан, серу, фосфор, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит медь, кобальт, иттрий, кальций и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,02-0,06
Кремний	0,3-0,8
Марганец	0,8-1,5
Хром	17,0-19,0
Никель	9,0-11,0
Титан	0,1-0,5
Медь	0,05-0,1
Кобальт	0,005-0,05
Иттрий	0,01-0,05
Кальций	0,001-0,005
Азот	0,01-0,05
Сера	0,005-0,015
Фосфор	0,005-0,03
Железо	Остальное

при этом суммарное содержание углерода и азота не должно превышать 0,08 мас.%, а суммарное содержание серы и фосфора не должно превышать 0,04 мас.%.