НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ И ТРУБНЫХ СИСТЕМ ТЕРМОЯДЕРНОЙ И ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ Российский патент 2006 года по МПК C22C38/52 

Изобретение относится к металлургии конструкционных сталей и сплавов, содержащих в качестве основы железо с заданным соотношением легирующих и примесных элементов, и предназначено для использования в энергетическом машиностроении при производстве сварных трубопроводов и трубных систем, отвечающих требованиям эксплуатации и промышленной безопасности современного реакторного оборудования термоядерной и водородной энергетики.

Известны металлические конструкционные материалы, применяемые в машиностроительных отраслях промышленности (например, нержавеющие стали марок 04Х18Н10, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, а также другие аналоги, указанные в научно-технической и патентной литературе [1-5]). Однако известные стали не обеспечивают требуемого уровня и стабильности основных физико-механических и служебных характеристик, что снижает работоспособность и эксплуатационную надежность используемого трубопроводного и теплообменного энергетического 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 [2], содержащая в своем составе легирующие элементы в следующем соотношении, в мас.%:

углерод≤0,08кремний≤0,8марганец≤2,0хром17,0-19,0никель9,0-11,0титан5,0-0,7сера≤0,020фосфор≤0,035железоостальное

Данную марку стали в соответствии с требованиями действующих ГОСТов рекомендуется использовать в различных отраслях промышленности и народного хозяйства в качестве конструкционного материала при производстве серийного оборудования общетехнического назначения. При этом известная сталь характеризуется весьма низкой водородостойкостью при температурах эксплуатации реакторного оборудования и повышенной склонностью сварных соединений к водородному охрупчиванию. Вместе с тем известной композиции свойственен широкий разброс и нестабильность основных физико-механических, технологических и служебных свойств, что не отвечает предъявляемым требованиям, определяющих заданную работоспособность и эксплуатационную надежность материала в условиях длительной эксплуатации трубопроводного и теплообменного оборудования при воздействии коррозионно-активных водородосодержащих рабочих сред. Согласно требованиям действующих государственных и отраслевых стандартов [1-5] содержание в сталях-аналогах ряда легирующих и примесных элементов, во многом определяющих требуемое структурное состояние металла и уровень его важнейших служебных характеристик, не контролируется и находится в весьма широких концентрационных пределах.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание высокотехнологичной стали, обладающей улучшенным комплексом основных физико-механических и служебных свойств, меньшей склонностью к водородному охрупчиванию и хрупкому разрушению, а также низким уровнем водородопроницаемости по сравнению с известными материалами, что обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и общего ресурса работы трубопроводов и трубных систем реакторных установок термоядерной и водородной энергетики. Технический результат достигается за счет того, что в состав известной стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, никель, титан, серу, фосфор и железо, дополнительно введены медь, кобальт, иттрий, кальций и азот при следующем соотношении компонентов, в мас.%:

углерод0,02-0,06кремний0,3-0,8марганец0,8-1,5хром17,0-19,0никель9,0-11,0титан0,1-0,5медь0,05-0,1кобальт0,005-0,05иттрий0,01-0,05кальций0,001-0,005азот0,01-0,05сера0,005-0,015фосфор0,005-0,03железоостальное

При этом введено ограничение суммарного содержания элементов, превышение которого отрицательно влияет на формирование наиболее оптимального структурного состояния и в значительной мере снижает заданный уровень основных служебных и эксплуатационных характеристик материала, в частности:

- суммарное содержание углерода и азота не должно превышать 0,08%;

- суммарное содержание серы и. фосфора не должно превышать 0,04%.

Соотношение указанных легирующих и примесных элементов выбрано таким, чтобы заявляемая композиция обеспечивала требуемый уровень и стабильность важнейших структурно-чувствительных характеристик материала, во многом определяющих высокую работоспособность и эксплуатационную надежность трубопроводного и теплообменного оборудования термоядерной и водородной энергетики.

Введение в заявляемую сталь микролегирующих и модифицирующих добавок меди, кобальта, иттрия и кальция в указанном соотношении с другими легирующими элементами, и в первую очередь - хромом, никелем и марганцем улучшает ее структурную стабильность и, как следствие, весь комплекс основных физико-механических и служебных свойств, положительно влияющих на снижение чувствительности металла шва и зоны термического влияния к водородному охрупчиванию в процессе длительной эксплуатации, а также повышает работу зарождения и развития межзеренной трещины в условиях статического и динамического нагружений. При этом, как показали наши исследования [6-8], происходит более равномерное распределение легирующих элементов и неметаллических включений по всему сечению слитка, крупных поковок и слябов, металл эффективнее очищается от вредных примесей и газов, тоньше и чище становится границы зерна, увеличивается прочность межкристаллитной связи, что в целом обеспечивает значительное повышение пластичности и вязкости как основного металла, так и сварных соединений. Снижается склонность стали к структурной анизотропии и существенно улучшается ее технологичность на стадии металлургического передела, что повышает выход годного при промышленном производстве листового и трубного проката, а также других тонкостенных полуфабрикатов сложного профиля. Введение меди, кобальта и иттрия вне указанных в формуле изобретения пределов снижает эффективность их положительного влияния и не приводит к заметному улучшению этих структурно-чувствительных характеристик работоспособности материала в составе трубопроводного и теплообменного оборудования энергетических установок.

Модифицирование стали азотом в указанном соотношении с углеродом и титаном улучшает структурную стабильность металла шва и ЗТВ, способствует формированию при соответствующей термообработке в достаточном количестве мелкодисперсных карбидных и нитридных фаз, термодинамически устойчивых при температурах технологических и сварочных нагревов, что обеспечивает снижение структурной неоднородности в приграничных областях и повышает сопротивление металла хрупкому разрушению в условиях сложного динамического нагружения и водородной коррозии. При этом обеспечение требуемого, более высокого, чем в прототипе, уровня пластических характеристик и деформационной способности стали достигается за счет формирования устойчивой дислокационной структуры, определяющей оптимальную плотность активных плоскостей скольжения в процессе пластической деформации и отражающей важный вклад дислокационной неупругости в процессы внутреннего трения. Как уже отмечалось, введение азота в указанном соотношении с углеродом и титаном способствует образованию высокодисперсных карбонитридов титана и повышению отпускоустойчивости металла шва и зоны термического влияния при сохранении необходимой прочности стали с высокой пластичностью и вязкостью.

Фрактографический анализ поверхности изломов образцов методом сканирования на растровом электронном микроскопе показал [6], что в заявляемой стали доля вязкой составляющей в зоне разрушения после наводороживания металла заметно возрастает по сравнению с известным составом. Увеличение суммарного содержания углерода и азота свыше указанного в формуле изобретения пределов снижает дисперсность образующихся фаз внедрения и затрудняет равномерность их распределения по объему зерна, что ослабляет механизм закрепления дислокации в процессе последующих технологических нагревов трубного проката и отрицательно влияет на деформационную способность металла в процессе длительной эксплуатации.

Полученный более высокий уровень физико-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 остаточным вредным примесям - 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 вакуумной плазменно-дуговой печи емкостью 5 т с последующей обработкой давлением на промышленном кузнечно-прессовом и прокатном оборудовании с получением полуфабрикатов требуемого сортамента.

Химический состав исследованных материалов, а также результаты определения всего комплекса наиболее важных свойств и характеристик представлены в табл.1 и 2.

Ожидаемый технико-экономический эффект применения разработанной марки стали в народном хозяйстве выразится в повышении эксплуатационной надежности и экологической безопасности использования трубопроводов и трубных систем реакторных установок термоядерной и водородной энергетики.

Таблица 1
Химический состав исследованных материаловСоставУсловный № составаСодержание элементов, мас.%СSiMnCrNiTiCuСоYСаNSРFeЗаявляемый10,020,30,817,09,00,10,050,0050,010,0010,050,0050,03остальное20,040,51,218,010,00,30,080,030,030,0030,010,0100,02остальное30,060,81,519,011,00,50,10,050,050,0050,020,0150,005остальноеИзвестный40,080,82,018,510,00,6-----0,0200,035остальное

Таблица 2
Результаты определения основных физико-механических, технологических и служебных свойств исследованных материаловСоставУсловный № составаМеханические свойства при растяженииКритический коэффициент интенсивности напряжений после наводораживания металла, K_ic, МПа√мПредел усталости σ_-1 сварных соединений в среде водорода, МПаВодородопроницаемость Р, см³·мм/см²·сек·атм^0,5Выход годного при производстве трубной продукции, %σ_вσ_0,2δΨМПа%Заявляемый153526553751802607·10^-787254026050741652808·10^-792355027048701702757·10^-785Известный451022040651102302·10^-680Примечания:
1. Результаты механических испытаний усреднены по 3-м образцам на точку.
2. Вязкость разрушения K_IC сварных образцов после наводораживания определялась при испытании компактных образцов на внецентренное растяжение по стандартной методике (ГОСТ 25.506-85);
3. Усталостная прочность образцов определялась в условиях циклического нагружения на базе 10⁸ циклов;
4. Водородопроницаемость сварных образцов исследуемой стали определялась при температуре 350°С на
газоанализирующей установке ВД-8 Физико-механического института АН Украины, работающей на принципе объемно-метрического метода измерения стационарного потока водорода.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.Н.Журавлев, О.И.Николаева "Машиностроительные стали". Справочник, Изд-во "Машиностроение", Москва, 1989.

2. ГОСТ 5632-72 "Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные" (марки и технические требования), Москва, Изд-во "Стандарт", 1977 - прототип.

3. ГОСТ 9940-81 "Трубы бесшовные горячедеформированные из коррозионно-стойкой стали", Москва, Изд-во "Стандарт", 1981.

4. ГОСТ 9941-81 "Трубы бесшовные холодно и теплодеформированные из коррозионно-стойкой стали", Москва, Изд-во "Стандарт", 1982.

5. ГОСТ 24030-80 "Трубы бесшовные из коррозионно-стойкой стали для энергомашиностроения", Москва, Изд-во "Стандарт", 1987.

6. В.В.Рыбин, И.А.Повышев "Физико-химические основы создания водородостойких сталей". - Материалы XVI Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, том 2, Москва, 1998, с.461.

7. В.В.Васильев, Ю.И.Звездин, И.А.Повышев "Проникновение водорода сквозь аустенитные коррозионно-стойкие материалы". - Сборник научных статей "Вопросы судостроения", сер. "Металловедение", №26, Ленинград, 1978, с.55-56.

8. Т.Д.Возный, Ю.И.Звездин, И.А.Повышев и др. "Длительная прочность нержавеющих хромоникелевых сталей в среде водорода высокого давления". - Журнал "Физико-химическая механика материалов", том 14, №6, Львов, Изд-во "Наукова Думка", 1978.

Изобретение относится к металлургии конструкционных сталей и сплавов, содержащих в качестве основы железо с заданным соотношением легирующих и примесных элементов, и предназначено для использования в энергетическом машиностроении при производстве сварных конструкций трубопроводов и трубных систем, отвечающих требованиям эксплуатации и промышленной безопасности современного реакторного оборудования термоядерной и водородной энергетики. Предложена нержавеющая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, титан, медь, кобальт, иттрий, кальций, азот, сера, фосфор и железо, при этом суммарное содержание углерода и азота не должно превышать 0,08 мас.%, а суммарное содержание серы и фосфора не должно превышать 0,04 мас.%. Изобретение направлено на создание высокотехнологичной водородостойкой стали с улучшенным комплексом основных физико-механических и служебных свойств, меньшей склонностью к водородному охрупчиванию и хрупкому разрушению, а также низким уровнем водородопроницаемости по сравнению с известными материалами, что обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и общего ресурса работы трубопроводов и трубных систем реакторных установок перспективных ядерных технологий. 2 табл.

Нержавеющая сталь для трубопроводов и трубных систем термоядерной и водородной энергетики, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, титан, серу, фосфор, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит медь, кобальт, иттрий, кальций и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,02-0,06Кремний 0,3-0,8Марганец 0,8-1,5Хром 17,0-19,0Никель 9,0-11,0Титан 0,1-0,5Медь 0,05-0,1Кобальт 0,005-0,05Иттрий 0,01-0,05Кальций 0,001-0,005Азот 0,01-0,05Сера 0,005-0,015Фосфор 0,005-0,03Железо Остальное

при этом суммарное содержание углерода и азота не должно превышать 0,08 мас.%, а суммарное содержание серы и фосфора не должно превышать 0,04 мас.%.