Сталь для корпусных конструкций атомных энергоустановок

Изобретение относится к области металлургии конструкционных сталей и может быть использовано для изготовления корпусных конструкций атомных энергоустановок. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, медь, алюминий, кальций, кобальт, азот, ниобий, серу, фосфор, мышьяк, сурьму, олово и железо при следующем соотношении компонентов, 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. Суммарное содержание фосфора, олова, сурьмы и мышьяка составляет не более 0,02, а суммарное содержание никеля, меди и кобальта составляет не более 0,45. Повышается прочность и вязкость стали, эксплуатационная надежность, безопасность и ресурс работы корпусов атомных реакторов. 2 табл.

 

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

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_m ^350°C≥490 МПа, R_p0,2 ^350°C≥392 МПа) при обеспечении критической температуры хрупкости Т_ко=-40°С.

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_m ^350°C≥539 МПа, R_p0,2 ^350°C≥441 МПа) в поковках крупного сечения (толщиной до 480 мм) при одновременном ужесточении требований к уровню критической хрупкости (Т_ко 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.

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_экв ^max=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.

В предлагаемой марке стали при содержании углерода 0,15-0,18% углеродный эквивалент равен С_экв=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.

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_F).

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.

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_к0).

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".

Сталь для корпусных конструкций атомных энергоустановок, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, медь, алюминий, кальций, кобальт, азот, серу, фосфор, мышьяк, сурьму, олово и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ниобий при следующем соотношении компонентов, 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.