Коррозионно-стойкая сталь для внутрикорпусных устройств и теплообменного оборудования аэс

Изобретение относится к металлургии легированных сталей и сплавов, которые предназначены для использования в атомном энергетическом машиностроении при производстве основного и вспомогательного оборудования АЭС, отвечающего требованиям эксплуатации и промышленной безопасности ядерной энергетики. Техническим результатом данного изобретения является создание коррозионно-стойкой аустенитной стали с улучшенным комплексом основных механических, технологических и служебных свойств, меньшей склонностью к росту зерна при горячей пластической и термической обработке и сварочных нагревах, что обеспечивает эксплуатационную надежность и требуемый ресурс работы внутрикорпусных устройств и теплообменного оборудования АЭС. Предложена сталь, содержащая в мас.%: углерод 0,05-0,08, кремний 0,20-0,45, марганец 0,50-0,75, хром 17,00-19,00, никель 9,50-10,50, титан 0,30-0,60, ванадий 0,03-0,09, ниобий 0,03-0,10, алюминий 0,05-0,15, сера 0,005-0,015, фосфор 0,005-0,030, железо остальное, при этом: суммарное содержание ванадия и ниобия не должно превышать 0,15%; суммарное содержание серы и фосфора не должно превышать 0,04%; суммарное содержание кремния, марганца и алюминия не должно превышать 1,25%. 2 табл.

 

Изобретение относится к металлургии легированных сталей и сплавов, содержащих в качестве основы железо с заданным соотношением легирующих элементов, и предназначено для использования в атомном энергетическом машиностроении при производстве основного и вспомогательного оборудования АЭС, отвечающего требованиям эксплуатации и промышленной безопасности ядерной энергетики.

Известны коррозионно-стойкие стали и сплавы, применяемые в машиностроительных отраслях промышленности (например, стали марок 12Х18Н9, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, а также другие аналоги, указанные в научно-технической и патентной литературе [1-6]). Однако известные материалы не обеспечивают требуемого уровня и стабильности основных механических и служебных характеристик, что снижает работоспособность и эксплуатационную надежность используемого реакторного 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, табл.1, стр.17-18, поз.6-30 [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	5С-0,7
сера	≤0,020
фосфор	≤0,035
железо	остальное

Данная марка стали характеризуется пониженным уровнем механических свойств, повышенной склонностью к росту зерна при термической обработке и сварке, пониженной технологической пластичностью на стадии металлургического передела.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание коррозионно-стойкой высокотехнологичной стали, обладающей улучшенным комплексом основных физико-механических свойств, меньшей склонностью к росту зерна при термической обработке и сварочных нагревах, а также повышенной технологической пластичностью на стадии металлургического передела, что обеспечивает эксплуатационную надежность и требуемый ресурс работы внутриреакторных устройств и теплообменного оборудования АЭС.

Технический результат достигается за счет того, что в состав известной стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, никель, титан, серу, фосфор и железо, дополнительно введены ванадий, ниобий и алюминий при следующем соотношении компонентов, в мас.%:

углерод	0,05-0,08
кремний	0,20-0,45
марганец	0,50-0,75
хром	17,00-19,00
никель	9,50-10,50
титан	0,30-0,60
ванадий	0,03-0,09
ниобий	0,03-0,10
алюминий	0,05-0,15
сера	0,005-0,015
фосфор	0,005-0,030
железо	остальное

при этом:

- суммарное содержание ванадия и ниобия не должно превышать 0,15%;

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

- суммарное содержание кремния, марганца и алюминия не должно превышать 1,25%.

Введено ограничение суммарного содержания ванадия и ниобия, так как превышение его отрицательно влияет на формирование наиболее оптимального структурного состояния и в значительной мере снижает заданный уровень основных физико-механических характеристик материала.

Соотношение указанных легирующих и модифицирующих добавок выбрано таким, чтобы заявляемая композиция обеспечивала требуемый уровень и стабильность важнейших структурно-чувствительных характеристик материала, во многом определяющих высокую работоспособность и эксплуатационную надежность внутриреакторных устройств и теплообменного оборудования АЭС.

Введение в заявляемую сталь микролегирующих и модифицирующих добавок ванадия и ниобия в указанном соотношении с другими легирующими элементами, и в первую очередь - с углеродом и титаном, улучшает ее структурное состояние и, как следствие, весь комплекс основных механических и служебных свойств, положительно влияющих на технологическую пластичность и деформационную способность металла на стадии металлургического передела, а также повышает работу зарождения и развития межзеренной трещины в условиях статического и динамического нагружений. При этом, как показали исследования [4, 5], происходит эффективное измельчение зерна как при затвердевании жидкого металла, благодаря созданию дополнительных центров кристаллизации, так и при различных технологических нагревах в процессах горячей деформации и термической обработки за счет сдерживания роста зерна благодаря оптимальному содержанию карбонитридных фаз. Увеличение содержания ванадия и ниобия вне указанных в формуле изобретения пределов снижает эффективность их положительного влияния и не приводит к заметному улучшению структурно-чувствительных характеристик работоспособности материала в составе реакторного оборудования энергетических установок.

Модифицирование стали алюминием в указанном соотношении с кремнием и марганцем способствует более глубокому раскислению металла в процессе выплавки и снижает его загрязненность по неметаллическим включениям и газам. При этом также обеспечивается существенное замедление роста зерна при высокотемпературных нагревах и снижается склонность стали к структурной анизотропии. Введение алюминия в указанном соотношении с кремнием и марганцем вне указанных в формуле изобретения пределов снижает эффективность его положительного влияния на структурное состояние получаемого металла.

Выбор системы комплексного легирования заявляемой композиции предусматривает также ограничение суммарного содержания серы и фосфора, во многом определяющих динамику образования зернограничных сегрегаций при рабочих температурах и снижающих когезионную прочность между зернами, что отрицательно влияет на деформационную способность металла в процессе длительной эксплуатации реакторного оборудования.

Полученный более высокий уровень 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 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 электродуговых металлургических печах с обработкой на установке внепечного рафинирования и вакуумирования (УВРВ) с последующей обработкой давлением на промышленном кузнечно-прессовом оборудовании с получением полуфабрикатов требуемого сортамента. Металл был подвергнут испытаниям для определения комплекса основных механических и технологических свойств.

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

Ожидаемый технико-экономический эффект применения разработанной марки стали в народном хозяйстве выразится в повышении эксплуатационной надежности и ресурса работы создаваемого реакторного оборудования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ф.Ф. Химушин. "Жаропрочные стали и сплавы". - М.: Металлургия, 1969.

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

3. Ф.Б. Пикеринг. "Физическое металловедение и разработка сталей". - М.: Металлургия, 1982.

4. В.Г. Азбукин, Ю.Ф. Баландин, В.Н. Павлов и др. "Коррозионно-стойкие стали и сплавы для оборудования и трубопроводов АЭС". - Киев: Наукова думка, 1983.

5. В.Г. Азбукин, В.И. Горынин, В.Н. Павлов. "Перспективные коррозионно-стойкие материалы для оборудования и трубопроводов АЭС". - СПб, 1998.

6. И.В. Горынин, А.Д. Амаев, В.А. Николаев и др. "Радиационные повреждения стали для водо-водяных реакторов". - М.: Энергоиздат, 1981.

7. М.В. Добрынина. "Влияние химического состава и режимов термомеханической обработки на величину зерна в крупногабаритных поковках из стали марки 08Х18Н10Т". - Материалы 4-й отраслевой научно-технической конференции по проблемам материаловедения, СПб, ЦНИИ КМ "Прометей", 2004.

8. В.Н. Павлов, В.П. Логинов и др. Материалы 5-й международной научно-технической конференции "Проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации АЭС". - СПб, 1998.

Таблица 1 Химический состав исследованных материалов
Состав	Условный № состава	Содержание элементов, мас.%
		С	Si	Mn	Cr	Ni	Ti	V	Nb	Al	S	Р	V+Nb	S+Р	Al+Si+Mn	Fe
Заявляемый	1	0,05	0,20	0,50	17,00	9,50	0,30	0,03	0,10	0,15	0,005	0,030	0,13	0,035	0,85	остальное
	2	0,07	0,30	0,60	18,50	10,00	0,50	0,09	0,06	0,10	0,010	0,005	0,15	0,015	1,00	-//-
	3	0,08	0,45	0,75	19,00	10,50	0,60	0,06	0,03	0,05	0,015	0,025	0,09	0,040	1,25	-//-
Известный	4	0,08	0,70	1,50	18,00	10,00	0,60	-	-	-	0,020	0,035	--	--	--	-//

Коррозионно-стойкая сталь для внутрикорпусных устройств и теплообменного оборудования АЭС, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, титан, серу, фосфор, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ванадий, ниобий и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,05-0,08
Кремний	0,20-0,45
Марганец	0,50-0,75
Хром	17,00-19,00
Никель	9,50-10,50
Титан	0,30-0,60
Ванадий	0,03-0,09
Ниобий	0,03-0,10
Алюминий	0,05-0,15
Сера	0,005-0,015
Фосфор	0,005-0,030
Железо	Остальное

при этом суммарное содержание ванадия и ниобия не должно превышать 0,15%; суммарное содержание серы и фосфора не должно превышать 0,04%; суммарное содержание кремния, марганца и алюминия не должно превышать 1,25%.