Малоактивируемый коррозионно-стойкий сварочный материал
Владельцы патента RU 2383417:
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ "ПРОМЕТЕЙ" (ФГУП "ЦНИИ КМ "ПРОМЕТЕЙ") (RU)
Изобретение относится к области производства сварочных материалов, используемых в ядерной энергетике, в частности, для выполнения малоактивируемой антикоррозионной наплавки внутренней поверхности корпусов реакторов из теплоустойчивых радиационностойких малоактивируемых сталей. Для создания малоактивируемого коррозионностойкого сварочного материала для антикоррозионной наплавки, обладающего пониженным уровнем наведенной активности и более быстрым ее спадом после нейтронной экспозиции, а также более высоким сопротивлением хрупкому разрушению в условиях нейтронного облучения при сохранении высокого уровня прочностных, пластических и коррозионных свойств предложен материал. Сварочный материал содержит, мас.%: углерод 0,01-0,08, кремний 0,30-0,35, марганец 2,0-4,0, хром 13,0-14,0, вольфрам 1,0-1,5, титан 0,05-0,2, никель 0,005-0,01, ниобий 0,005-0,01, молибден 0,005-0,01, медь 0,005-0,01, кобальт 0,001-0,05, мышьяк 0,005-0,01, сурьма 0,001-0,005, олово 0,001-0,005, сера 0,006-0,01, фосфор 0,006-0,01, азот 0,010-0,015, кальций 0,005-0,05, железо - остальное. 4 табл.
Изобретение относится к области производства сварочных материалов, используемых в ядерной энергетике, в частности, для выполнения малоактивируемой антикоррозионной наплавки внутренней поверхности корпусов реакторов из малоактивируемой стали марки 15Х2В2ФА [1].
Существующие отечественные и импортные сварочные материалы аустенитного класса, предназначенные для выполнения антикоррозионной наплавки, не обеспечивают быстрый спад наведенной активности, т.к. содержат в своем составе сильноактивируемые под действием нейтронного облучения элементы, такие как Ni, Nb, Mo, Со, Сu, образующие при нейтронном облучении долгоживущие изотопы γ- и β-излучений.
С целью обеспечения коррозионной стойкости в водо-водяной среде атомного реактора, в качестве малоактивируемого может быть рассмотрен безникелевый сварочный материал на базе 12% Сr.
Аналогом предлагаемого материала является малоактивируемая жаропрочная радиационностойкая сталь [2], содержащая(мас.%):
| Углерод | 0,10-0,21 |
| Кремний | 0,1-0,8 |
| Марганец | 0,5-2,0 |
| Хром | 10,0-13,5 |
| Вольфрам | 0,8-2,5 |
| Ванадий | 0,05-0,4 |
| Титан | 0,03-0,3 |
| Бор | 0,001-0,008 |
| Церий (и/или иттрий) в сумме | 0,001-0,10 |
| Цирконий | 0,05-0,2 |
| Тантал | 0,05-0,2 |
| Азот | 0,010-0,015 |
| Железо | остальное |
Однако данный материал не может быть применен в качестве сварочного материала для наплавки в связи с тем, что:
- высокое содержание углерода (до 0,21%) резко снижает технологические свойства при наплавке, способствует образованию холодных трещин;
- высокое содержание кремния (до 0,8%) приводит к охрупчиванию наплавленного металла в процессе термической обработки;
- содержание хрома ниже 12% приводит к потере коррозионных свойств наплавленного металла в эксплуатационной среде реактора I контура;
- высокое содержание вольфрама (до 2,5%) способствует снижению пластических и вязких свойств наплавленного металла.
Ближайшая по составу и назначению к заявляемой является проволока мартенсито-ферритного класса марки Св-01Х12Н2МТ-ВИ [3], принятая за прототип, содержащая (мас.%):
| Углерод | 0,002-0,015 |
| Кремний | 0,2-0,5 |
| Марганец | 0,03-0,2 |
| Хром | 12,0-13,5 |
| Никель | 1,7-2,4 |
| Молибден | 0,6-0,9 |
| Титан | 0,04-0,12 |
| Азот | не более 0,02 |
| Железо | остальное |
Применение указанной проволоки для наплавки под флюсом обеспечивает высокие показатели прочностных и пластических свойств металла наплавки, высокую коррозионную стойкость в исходном и облученном состояниях, однако и высокий уровень накопленной активности.
Техническим результатом изобретения является создание сварочного материала для антикоррозионной наплавки, обладающего пониженным уровнем наведенной активности и более быстрым ее спадом после нейтронной экспозиции при сохранении высокого уровня сопротивления хрупкому разрушению металла наплавки, в том числе после нейтронного облучения, а также высокого уровня прочностных, пластических и коррозионных свойств.
На основании выполненного анализа, используя базовую основу низкоуглеродистого малоникелевого мартенсито-ферритного материала марки Св-01Х12Н2МТ-ВИ, в качестве сварочного материала для малоактивируемой наплавки предлагается материал, в составе которого ограничено содержание никеля, молибдена, повышено содержание марганца для поддержания необходимого фазового баланса, введен вольфрам, а минимальная концентрация хрома в сварочном материале составляет не менее 13%.
Технический результат достигается тем, что сварочный материал, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, титан, азот, никель, молибден и железо, дополнительно содержит вольфрам, кальций, ниобий, медь, кобальт, мышьяк, сурьму, олово при следующем соотношении компонентов (мас.%):
| Углерод | 0,01-0,08 |
| Кремний | 0,30-0,35 |
| Марганец | 2,1-4,0 |
| Хром | 13,0-14,0 |
| Вольфрам | 1,0-1,5 |
| Титан | 0,05-0,2 |
| Никель | 0,005-0,01 |
| Ниобий | 0,005-0,01 |
| Молибден | 0,005-0,01 |
| Медь | 0,005-0,01 |
| Кобальт | 0,001-0,05 |
| Мышьяк | 0,005-0,01 |
| Сурьма | 0,001-0,005 |
| Олово | 0,001-0,005 |
| Сера | 0,006-0,01 |
| Фосфор | 0,006-0,01 |
| Азот | 0,010-0,015 |
| Кальций | 0,005-0,05 |
| Железо | остальное, |
при этом:
- суммарное содержание Ni, Mo, Nb, Сu, Со не должно превышать 0,08;
- суммарное содержание As, Sb, Sn не должно превышать 0,018.
Введение в сварочный материал вольфрама в пределах (1,0-1,5)%, при одновременном регламентировании суммарного содержания никеля, ниобия, молибдена, меди и кобальта до 0,08 массовых процентов, позволяет достичь уменьшения активируемости металла наплавки под действием нейтронного облучения и увеличения скорости спада наведенной активности.
Суммарное ограничение содержания цветных примесей - мышьяка, сурьмы и олова до 0,018% позволяет повысить стойкость металла наплавки против отпускной хрупкости в процессе изготовления и эксплуатации реакторов.
Увеличение содержания сильного раскислителя металла - титана в сварочной проволоке до 0,2% способствует повышению сопротивления хрупкому разрушению металла наплавки за счет связывания при наплавке в расплавленном металле кислорода и измельчению зерна в структуре.
Регламентированное содержание азота (0,010-0,015)% способствует повышению сопротивления хрупкому разрушению металла наплавки за счет снижения содержания в нем неметаллических включений типа нитридов.
Ведение в сварочный материал кальция до 0,05% способствует глобулизации карбидов, обеспечивая повышение сопротивления хрупкому разрушению металла шва.
В ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» произведена выплавка в 100-килограммовой открытой печи трех плавок стали для сварочной проволоки заявляемого состава. Выплавка стали производилась на чистых шихтовых материалах предлагаемого состава с промывкой печи до требуемой чистоты по содержанию никеля, молибдена, ниобия, меди, серы и фосфора. Разливку производили в слитки, которые затем проковывались на заготовки размером 16×16 мм с дальнейшим изготовлением катанки диаметром 8 мм и волочением ее на сварочную проволоку диаметром 4 мм.
Образцы для исследования изготавливали из технологических проб с наплавкой, выполненной автоматическим дуговым способом под флюсом КФ-28 с использованием указанной проволоки.
Для исследования механических свойств металла наплавки изготавливали образцы на статическое растяжение диаметром 3 мм и длиной 15 мм, а также призматические образцы размером 5×5×27,5 мм с острым надрезом для испытаний на ударный изгиб.
В качестве известного сварочного материала была выбрана отечественная проволока марки Св-01XI2Н2МТ-ВИ (партия 4).
Нейтронное облучение образцов предлагаемого и известного сварочного материала производилось в активной зоне исследовательского реактора при температуре 270±10°С флюенсом 2·1020 нейтр/см2 (Е≥0,5 МэВ). Испытание на растяжение проводились на установке УМД-10 на воздухе при скорости деформации 3·10-3 с-1. Ударные испытания проводились на копре типа 2121КМ-0,5 с максимальной энергией удара 50 Дж. Испытания на МКК проводились на образцах 3×20×80 мм по ГОСТ 6032.
Химический состав заявляемого и известного сварочного материала приведен в таблице 1, механические свойства - в таблице 2, коррозионные свойства - в таблице 3, результаты расчета кинетики спада наведенной активности в рассматриваемых материалах - в таблице 4.
Данные расчета кинетики спада наведенной активности в сварочных материалах [4] после предполагаемого облучения в реакторе типа ВВЭР-440 в течение 30 лет и последующей выдержки до 100 лет свидетельствуют о преимуществе заявляемого сварочного материала для выполнения малоактивируемой антикоррозионной наплавки примерно на два порядка, по сравнению с применяемыми материалами. На основании расчетно-аналитической оценки после 40 лет выдержки после облучения спад наведенной активности достигнет уровня, допустимого для работы с предлагаемым материалом для утилизации (переработки), в отличие от существующих материалов (≥100 лет).
Ожидаемый технико-экономический эффект, обусловленный более быстрым спадом наведенной активности и меньшей склонностью к радиационному охрупчиванию, выразится в увеличении надежности, безопасной эксплуатации и срока службы сварных соединений, а также повышении экологической чистоты за счет снижения загрязнения окружающей среды в период эксплуатации и после ее завершения атомных энергетических установок нового поколения из малоактивируемых конструкционных материалов.
| Таблица 2 | ||||||||||
| Механические свойства наплавленного металла заявляемого и известного материала | ||||||||||
| Сварочный материал | Условный № партии | σ0,2 20°С (МПа) | Δσ0,2 20°С (МПа) | δ° 20°С (%) | Δδ° 20°С (%) | Тк 0,5 (°С) | ΔТк 0,5 (°С) | |||
| исходное | облученное | исходное | облученное | исходное | облученное | |||||
| Предлаг. | 1 | 680 | 760 | 80 | 17,5 | 17 | 0,5 | -37 | 10 | 47 |
| 2 | 670 | 745 | 75 | 18,5 | 17,5 | 1,0 | -40 | 0 | 40 | |
| 3 | 665 | 730 | 65 | 18,0 | 16,5 | 1,5 | -30 | 0 | 30 | |
| Известн. | 4 | 660 | 725 | 65 | 14,5 | 12,0 | 2,5 | -30 | 0 | 30 |
| Примечание 1. Образцы испытывали после высокого отпуска. |
||||||||||
| 2. Испытание на растяжение проводилось при +20°С. | ||||||||||
| 3. Испытания на ударный изгиб проводились в интервале температуре (-60-+350)°С, Тк определялось как 1/2 величины вязкости на верхнем шельфе. | ||||||||||
| 4. Значения механических свойств приведены по результатам испытаний не менее трех образцов на точку. | ||||||||||
| 5. Облучение проводилось при температуре 270±10°С, флюенс 2·1020 н/см2. |
| Таблица 3 | |||
| Коррозионные свойства наплавленного металла известного и заявляемого сварочного материала | |||
| Сварочный материал | Условный № партии | Состояние | Испытание на МКК по методу AM |
| Предлагаемый | 1 | исходное | трещин нет |
| облученное | трещин нет | ||
| 2 | исходное | трещин нет | |
| облученное | трещин нет | ||
| 3 | исходное | трещин нет | |
| облученное | трещин нет | ||
| Известный | 4 | исходное | трещин нет |
| облученное | трещин нет | ||
| Примечание 1. Облучение проводилось при температуре 260-280°С, флюенс 2·1020 н/см2. |
| Таблица 4 | |||||||
| Кинетика спада наведенной активности (Бк/кг) в заявляемом и известном сварочном материале | |||||||
| Сварочный материал | Условный номер партии | Время выдержки после облучения | Допустимое время работы с облученным материалом для утилизации (переработки), лет | ||||
| 1 сутки | 1 год | 10 лет | 30 лет | 100 лет | |||
| Предлагаемый | 1 | 3,0·1011 | 1,0·1011 | 1,5·1010 | 2,5·107 | 1,8·107 | 40 |
| 2 | 3,1·1011 | 1,2·1011 | 1,4·1010 | 2,5·107 | 1,8·107 | 40 | |
| 3 | 3,0·1011 | 1,3·1011 | 1,4·1010 | 2,5·107 | 1,8·107 | 40 | |
| Известный | 4 | 3,2·1011 | 2,0·1011 | 4,0·1010 | 3,0·109 | 1,5·109 | ≥100 |
| Примечание 1. Расчет выполнялся для внутренней поверхности корпуса реактора ВВЭР-440 при времени облучения 30 лет. Полный флюенс нейтронов на внутренней поверхности корпуса равен 2,49·1020 н/см2 для нейтронов с энергией En≥0,5 МэВ, плотность нейтронного потока φ=9,6·1011. | |||||||
| 2. При расчете использован программный комплекс, основанный на программе FISPACT [3]. |
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент РФ №2135623.
2. Патент №2211878.
3. А.С. №893477.
4. R.A.Forrest. The European Activation System: EASY-99 Overview. UKAEA FUS 484, 2000.
Малоактивируемый коррозионно-стойкий сварочный материал, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, титан, азот, никель, молибден и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вольфрам, кальций, ниобий, медь, кобальт, мышьяк, сурьму и олово при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,01-0,08 |
| Кремний | 0,30-0,35 |
| Марганец | 2,0-4,0 |
| Хром | 13,0-14,0 |
| Вольфрам | 1,0-1,5 |
| Титан | 0,05-0,2 |
| Никель | 0,005-0,01 |
| Ниобий | 0,005-0,01 |
| Молибден | 0,005-0,01 |
| Медь | 0,005-0,01 |
| Кобальт | 0,001-0,05 |
| Мышьяк | 0,005-0,01 |
| Сурьма | 0,001-0,005 |
| Олово | 0,001-0,005 |
| Сера | 0,006-0,01 |
| Фосфор | 0,006-0,01 |
| Азот | 0,010-0,015 |
| Кальций | 0,005-0,05 |
| Железо | остальное, |
при этом суммарное содержание Ni, Mo, Nb, Сu, Со не превышает 0,08, а суммарное содержание As, Sb, Sn не превышает 0,018.
