МАЛОАКТИВИРУЕМАЯ РАДИАЦИОННО СТОЙКАЯ СТАЛЬ Российский патент 1999 года по МПК C22C38/52 

Изобретение относится к металлургии сталей, используемых в ядерной энергетике, в частности, для изготовления корпусов реакторов и внутриреакторного оборудования.

Известны широко применяемые в настоящее время в промышленности для аналогичного назначения стали марок 15Х2МФА-А и 15Х2НМФА-А, ТУ 108-131-75/86, ТУ 108-765-78 соответственно. Основным недостатком этих сталей является высокая активируемость в поле нейтронного излучения за счет ядерных реакций на Ni, Mo, Co, Cu, Nb и др. элементах с образованием долгоживущих радиоактивных изотопов, являющихся источником жесткого γ- излучения. Это приводит к ухудшению радиационной обстановки, вызывает необходимость увеличения массы железоводной биологической защиты, делает чрезвычайно трудоемким проведение ремонтных работ, создает труднопреодолимые проблемы при захоронении и утилизации отработавшего свой срок крупногабаритного оборудования. Кроме того, ресурс работы указанных сталей вследствие накопления радиационной повреждаемости в виде комплексных радиационных дефектов (не связанных с наведенной радиоактивностью) в настоящее время ограничен 30 годами.

Наиболее близкой по составу ингредиентов и назначению к предлагаемой стали является сталь 15Х2МФА (ТУ 108-131-75/86, стр.5), содержащая, мас.%:
Углерод - 0,13 - 0,18
Кремний - 0,17 - 0,37
Марганец - 0,30 - 0,60
Хром - 2,5 - 3,0
Ванадий - 0,25 - 0,35
Молибден - 0,60 - 0,80
Никель - ≤ 0,4
Кобальт - ≤ 0,025
Медь - ≤ 0,01
Мышьяк - ≤ 0,01
Сера - ≤0,015
Фосфор - ≤ 0,012
Сурьма - ≤ 0,005
Олово - ≤ 0,005
Железо - Остальное
Указанная сталь имеет высокие показатели механических свойств в исходном (необлученном) состоянии. Однако в результате нейтронного облучения сталь обладает высоким уровнем наведенной радиоактивности и низким спадом ее после нейтронной экспозиции, а вследствие накопления радиационной повреждаемости - пониженным уровнем механических свойств.

Целью изобретения является создание стали, обладающей более низким уровнем наведенной радиоактивности и более быстрым ее спадом после нейтронной экспозиции, а также более высоким сопротивлением хрупкому разрушению в условиях нейтронного облучения при сохранении высокого уровня прочностных свойств. Цель достигается тем, что сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, ванадий, медь, молибден, кобальт и железо, дополнительно содержит вольфрам, иттрий, ниобий и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас%:
Углерод - 0,13 - 0,18
Кремний - 0,20 - 0,35
Марганец - 0,30 - 0,60
Хром - 2,0 - 3,5
Ванадий - 0,10 - 0,35
Вольфрам - 1,0 - 2,0
Молибден - 0,01 - 0,05
Никель - 0,01 - 0,05
Кобальт - 0,001 - 0,01
Медь - 0,01 - 0,1
Алюминий - 0,01 - 0,1
Ниобий - 0,01 - 0,05
Иттрий - 0,05 - 0,15
Железо - Остальное
При этом суммарное содержание Ni, Co, Mo, Nb, Cu составляет не более 0,2, а отношение (V+0,3W)/C=3-6.

За счет введения в сталь вольфрама и иттрия, нормирования содержания кобальта и алюминия при одновременном ограничении суммарного содержания никеля, кобальта, молибдена, ниобия и меди до 0,2 достигается уменьшение активируемости под действием нейтронного облучения и увеличивается скорость спада наведенной активности.

За счет введения в сталь вольфрама и иттрия, а также ограничения отношения (V+0,3W)/C в пределах от 3 до 6 возрастает сопротивление хрупкому разрушению в условиях нейтронного облучения.

Введение вольфрама (примерно в эквиатомном соотношении взамен молибдена в известной стали) обеспечивает заявляемой стали также меньшую активируемость под действием нейтронного облучения и более быстрый ее спад во времени после окончания нейтронной экспозиции благодаря меньшему эффективному сечению взаимодействия нейтронов с ядрами вольфрама и меньшему периоду полураспада образовавшихся под облучением изотопов вольфрама, соответственно. При этом не снижается прокаливаемость и уровень механических свойств в исходном (необлученном) состоянии в заявляемой стали в сравнении с известной. Нижний предел содержания вольфрама определятся необходимостью обеспечения прокаливаемости стали в больших толщинах. Ограничение вольфрама по верхнему пределу обусловлено необходимостью обеспечения технологичности заявляемой стали в металлургическом и сварочном производстве.

Введение иттрия в количестве 0,05-0,15 способствует рафинированию и измельчению зерна стали. При этом иттрий, являясь малоактивируемым элементом, не увеличивает наведенную активность заявляемой стали.

Нижний предел содержания иттрия соответствует минимальной концентрации, при которой отмечается его положительное влияние на рафинирование стали. Значение верхнего предела содержания иттрия обеспечивают сохранение стали достаточную технологичность при горячей обработке давлением.

В ЦНИИ КМ "Прометей" произведена выплавка в открытой индукционной печи трех 100-килограммовых слитков заявляемой стали. Слитки проковывались на заготовки размером 50х50х150 мм, затем прокатывались на пластины толщиной 10 мм. Пластины термически обрабатывались по следующему режиму: нормализация от 1000^oC, отпуск при 680^oC в течение 10 ч. Из термообработанного металла изготавливались цилиндрические образцы размером ⊘ 3/15 мм для испытаний на статическое растяжение, а также призматические образцы размером 5х5х27,5 мм с острым надрезом для испытаний на ударный изгиб.

В качестве известной стали был выбран металл промышленного способа производства, термически обработанный по типовому режиму: нормализация от 1000^oC, отпуск при 680^oC в течение 10 ч.

Нейтронное облучение образцов заявляемой и известной сталей проводилось в активной зоне исследовательского реактора ВВРМ ПИЯФ при температуре ~290^oC флюенсом ~1•10²⁰ н/см² (E >0,5 Мэв). Испытания на растяжение проводились на установке УМД-10 на воздухе при скорости деформации 3•10^-3 с^-1. Ударные испытания проводились на копре типа 2121 КМ-0,5 с максимальной энергией удара 50 Дж.

Химические составы заявляемой и известной сталей приведены в табл.1, результаты расчета кинетики спада наведенной активности в рассматриваемых материалах - в табл. 2 и результаты испытаний механических свойств - в табл.3.

Данные расчета кинетики спада наведенной активности в сталях после предполагаемого облучения в реакторе типа ВВЭР-1000 в течение 30 лет и последующей выдержки до 500 лет свидетельствуют о преимуществе заявляемой стали, особенно заметной после выдержи свыше 10 лет (табл.2).

Результаты испытаний механических свойств (табл.3) подтверждают преимущество описываемой стали перед известной в отношении меньшей склонности к радиационному охрупчиванию, определяемому меньшей величиной сдвига критической температуры хрупкости после облучения.

Ожидаемый технико-экономический эффект, обусловленный более быстрым спадом наведенной активности и меньшей склонностью к радиационному охрупчиванию, выразится в увеличении срока эксплуатации и снижении опасности загрязнения окружающей среды в период эксплуатации и после ее завершения атомных энергетических установок нового поколения.

Изобретение относится к металлургии сталей, используемых в ядерной энергетике, в частности для изготовления корпусов реакторов, внутриреакторного оборудования. Предложена сталь, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас. %: углерод 0,13 - 0,18; кремний 0,20 - 0,35; марганец 0,30 - 0,60; хром 2,0 - 3,5; ванадий 0,10 - 0,35; вольфрам 1,0 - 2,0; молибден 0,01 - 0,05; никель 0,01 - 0,05; кобальт 0,01 - 0,05; медь 0,01 - 0,1; алюминий 0,01 - 0,1; ниобий 0,01 -0,05; иттрий 0,05 -0,15; железо остальное. Причем суммарное содержание Ni, Со, Мо, Nb, Сu составляет не более 0,2, а отношение (V + 0,3W)/C составляет 3 -6. Техническим результатом изобретения является то, что сталь обладает более низким уровнем наведенной радиоактивности при более быстром ее спаде после нейтронной экспозиции, а также более высоким сопротивлением хрупкому разрушению в условиях нейтронного облучения при сохранении высокого уровня прочностных свойств. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Малоактивируемая радиационно стойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, никель, молибден, медь, кобальт и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит вольфрам, иттрий, алюминий и ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,13-0,18
Кремний - 0,20-0,35
Марганец - 0,30-0,60
Хром - 2,0-3,5
Ванадий - 0,10-0,35
Вольфрам - 1,0-2,0
Молибден - 0,01-0,05
Никель - 0,01-0,05
Кобальт - 0,01-0,05
Медь - 0,01-0,1
Алюминий - 0,01-0,1
Ниобий - 0,01-0,05
Иттрий - 0,05-0,15
Железо - Остальное
2. Малоактивируемая радиационно стойкая сталь по п. 1, отличающаяся тем, что суммарное содержание Ni, Со, Мо, Nb, Сu составляет не более 0,2. 3. Малоактивируемая радиационно стойкая сталь по п. 1, отличающаяся тем, что отношение (V + 0,3W)/C составляет 3 - 6.