малоактивируемый коррозионно-стойкий сварочный материал

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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 - и -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	0,2 20°С (МПа)	0,2 20°С (МПа)	° 20°С (%)	° 20°С (%)	Тк 0,5 (°С)	Тк 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	1,0·10 11	1,5·10 10	2,5·10 7	1,8·10 7	40
2	3,1·1011	1,2·1011	1,4·1010	2,5·107	1,8·107	40
3	3,0·1011	1,3·10 11	1,4·10 10	2,5·10 7	1,8·10 7	40
Известный	4	3,2·10 11	2,0·10 11	4,0·10 10	3,0·10 9	1,5·10 9	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 2,49·10 20 н/см2 для нейтронов с энергией En 0,5 МэВ, плотность нейтронного потока =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.