Результат интеллектуальной деятельности: КОРРОЗИОННО-СТОЙКАЯ СТАЛЬ ДЛЯ ВНУТРИКОРПУСНЫХ УСТРОЙСТВ И ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ АЭС

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.%:

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.%:

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.