МАЛОАКТИВИРУЕМЫЙ КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЙ СВАРОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2010 года по МПК B23K35/30 C22C38/60 

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 γ- и β-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 σ_0,2 ^20°С (МПа) Δσ_0,2 ^20°С (МПа) δ_° ^20°С (%) Δδ_° ^20°С (%) Т_к ^0,5 (°С) ΔТ_к ^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, Т_к 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 1,0·10¹¹ 1,5·10¹⁰ 2,5·10⁷ 1,8·10⁷ 40 2 3,1·10¹¹ 1,2·10¹¹ 1,4·10¹⁰ 2,5·10⁷ 1,8·10⁷ 40 3 3,0·10¹¹ 1,3·10¹¹ 1,4·10¹⁰ 2,5·10⁷ 1,8·10⁷ 40 Известный 4 3,2·10¹¹ 2,0·10¹¹ 4,0·10¹⁰ 3,0·10⁹ 1,5·10⁹ ≥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 2,49·10²⁰ н/см² для нейтронов с энергией En≥0,5 МэВ, плотность нейтронного потока φ=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.

Изобретение относится к области производства сварочных материалов, используемых в ядерной энергетике, в частности, для выполнения малоактивируемой антикоррозионной наплавки внутренней поверхности корпусов реакторов из теплоустойчивых радиационностойких малоактивируемых сталей. Для создания малоактивируемого коррозионностойкого сварочного материала для антикоррозионной наплавки, обладающего пониженным уровнем наведенной активности и более быстрым ее спадом после нейтронной экспозиции, а также более высоким сопротивлением хрупкому разрушению в условиях нейтронного облучения при сохранении высокого уровня прочностных, пластических и коррозионных свойств предложен материал. Сварочный материал содержит, 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. 4 табл.

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,