Сварочная проволока для сварки корпусов атомных реакторов и других сосудов давления для энергетического машиностроения

 

Изобретение может быть использовано при изготовлении сваркой сосудов высокого давления в энергетическом машиностроении. Сварочная проволока содержит элементы в следующем соотношении, мас. %: углерод 0,08-0,14, кремний 0,15-0,40, марганец 0,2-0,8, хром 2,5-3,5, никель 0,3-0,7, молибден 0,4-1,2, натрий 0,001-0,005, ванадий 0,05-0,25, медь 0,01-0,06, сера 0,001-0,006, фосфор 0,001-0,006, мышьяк 0,001-0,010, сурьма 0,001-0,008, кобальт 0,005-0,02, олово 0,0001-0,0100, азот 0,003-0,012, алюминий 0,005-0,050, титан 0,01-0,15, кальций 0,005-0,030, кислород 0,001-0,005, свинец 0,001-0,010, железо остальное. Изобретение позволяет повысить эксплуатационную надежность и ресурс изделий при обеспечении повышенной безопасности. 3 табл.

Изобретение относится к области производства сварочной проволоки для изготовления современных корпусов атомных реакторов и других сосудов высокого давления для энергетического машиностроения и нефтехимии. Для обеспечения надежности и долговечности основного оборудования АЭС сварочные материалы должны обеспечивать определенный комплекс служебных свойств металла шва: требуемые прочность, пластичность, низкую температуру хрупко-вязкого перехода (Тк₀), отсутствие существенной деградации свойств металла шва под воздействием повышенной температуры и нейтронного облучения.

В настоящее время для корпусов атомных реакторов ВВЭР-1000 с ресурсом работы до 40 лет, изготовленных из стали 15Х2НМФА, 15Х2НМФАА и 15Х2НМФА класс 1 (ТУ 108.765-98) применяются сварочные проволоки Св-09ХГНМТАА-ВИ по ТУ 14-1-3675-83 и Св-12Х2Н2МА по ТУ 14-1-2502-78. Недостатком данных проволок является повышенное содержание в них никеля 1,0-1,3%, который приводит к повышенному охрупчиванию металла под воздействием нейтронного облучения. Указанный недостаток не позволяет использовать данную сварочную проволоку для сварки корпусов перспективных реакторов нового поколения с ресурсом не менее 60 лет.

Наиболее близким к заявляемому является состав сварочной проволоки по заявке RU 2000122009/А1, 27.08.2000 г., взятый в качестве прототипа, имеющий компоненты в следующем соотношении, мас.%: Углерод - 0,07-0,12 Кремний - 0,15-0,40 Марганец - 0,3-1,2 Хром - 1,5-2,5 Никель - 0,01-0,20 Молибден - 0,4-1,2 Медь - 0,01-0,06 Ванадий - 0,05-0,25 Фосфор - 0,001-0,006
Сера - 0,001-0,006
Мышьяк - 0,001-0,010
Сурьма - 0,001-0,008
Кобальт - 0,005-0,020
Олово - 0,0001-0,0100
Азот - 0,003-0,012
Алюминий - 0,005-0,050
Титан - 0,01-0,15
Свинец - 0,001-0,010
Кислород - 0,001-0,005
Железо - Остальное
Указанный состав обладает достаточно высокой стойкостью к радиационному охрупчиванию, однако после высокого отпуска, проведенного согласно технологической схеме изготовления корпуса реактора типа ВВЭР, не позволяет обеспечить предел текучести 420 МПа при температуре +350^oС и критическую температуру хрупкости Тк₀≤-15^oС металла шва.

Задачей настоящего изобретения является создание сварочной проволоки, при применении которой обеспечивается категория прочности КП-40 сварных соединений (предел текучести при рабочих температурах более 420 МПа, предел прочности более 490 МПа) и критическая температура хрупкости Тк₀≤-15^oС после термообработки в сочетании с высокой стойкостью металла сварных швов к тепловому и радиационному охрупчиванию.

Поставленная в заявке задача достигается изменением соотношения легирующих элементов, введением дополнительно в состав заявляемой сварочной проволоки кальция, натрия, увеличением содержание хрома, никеля, углерода, снижением содержания марганца.

Предлагается состав сварочной проволоки, содержащий, мас.%:
Углерод - 0,08-0,14
Кремний - 0,15-0,40
Марганец - 0,2-0,8
Хром - 2,5-3,5
Никель - 0,3-0,7
Молибден - 0,4-1,2
Натрий - 0,001-0,005
Ванадий - 0,05-0,25
Медь - 0,01-0,06
Сера - 0,001-0,006
Фосфор - 0,001-0,006
Мышьяк - 0,001-0,010
Сурьма - 0,001-0,008
Кобальт - 0,005-0,020
Олово - 0,0001-0,0100
Азот - 0,003-0,012
Алюминий - 0,005-0,050
Титан - 0,01-0,15
Кальций - 0,005-0,030
Кислород - 0,001-0,005
Свинец - 0,001-0,010
Железо - Остальное
Легирование кальцием и натрием в указанных пределах способствует очищению границ зерен и повышению пластичности. Дальнейшее повышение содержания кальция и натрия приводит к увеличению неметаллических включений по границам зерен и, как следствие, снижению значений пластичности и ударной вязкости.

Увеличение прочности металла шва, работающего при повышенных температурах, получают за счет повышения содержания в стали хрома, углерода (в процессе длительных технологических отпусков при изготовлении корпуса как за счет повышения прочности α-твердого раствора, так и за счет дисперсного выпадения упрочняющих фаз) и никеля (упрочняет α-твердый раствор). Кроме того, повышенное содержание никеля позволяет добиться требуемого увеличения вязкости, пластичности стали и снижения ее температуры хрупко-вязкого перехода (Тк₀). Однако совместное влияние никеля с марганцем приводит к резкому снижению стойкости стали к радиационному охрупчиванию. С целью уменьшения их негативного совместного влияния на радиационную стойкость стали было снижено содержание марганца до 0,8%.

Нормирование содержания легирующих элементов выполнено таким образом, чтобы металл сварного шва после соответствующих технологических отпусков обеспечивал требуемый уровень стабильности важнейших физико-механических свойств, определяющих работоспособность материала в условиях работы корпуса атомного реактора.

Кроме того, для достижения необходимых прочностных характеристик при температуре 350^oС должно соблюдаться следующее условие:
C+(Cr+V+Mo)/5+Ni/15≥72•10^-2
Но поскольку с введением элементов-упрочнителей одновременно ухудшается свариваемость сталей, для обеспечения необходимой технологичности содержание указанных элементов в сварочной проволоке должно удовлетворять следующему условию:
C+(Cr+V+Mo)/5+Ni/15≤102•10^-2
На основании экспериментальных исследований было установлено, что на радиационное охрупчивание металла сварного шва в наибольшей степени оказывают влияние такие элементы, как никель, марганец, медь, фосфор, сурьма и олово, поэтому было регламентировано их содержание и для условий облучения: F= 1•l0²⁰ нейтр/см²; Т=290^oС, установлена следующая эмпирическая зависимость:
F=(Ni+Mn+1,5Cu)(P+0,25Sb+0,25Sn)≤97•10^-4
Таким образом, задача создания нового состава сварочной проволоки заключается в оптимизации содержания легирующих элементов с целью обеспечения требуемых характеристик прочности и пластичности, с учетом технологичности, а также высокой стойкостью к охрупчиванию под воздействием нейтронного облучения и высокотемпературного воздействия на металл сварных швов.

При легировании сварочной проволоки вне заданных пределов, в соответствии с заявленными, состав сварочной проволоки становится неоптимальным, что проявляется в усилении склонности к радиационному и тепловому охрупчиванию, снижению характеристик пластичности и вязкости.

ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей" совместно с ОАО "Ижорские заводы" проведен комплекс лабораторных и опытно-промышленных работ по выплавке, пластической обработке и изготовлении опытной партии сварочной проволоки, изготовлены сварные пробы в натурном сечении и проведены их испытания.

Химический состав исследованных материалов, а также результаты определения необходимых механических и служебных свойств представлены в табл. 1-3. Термическая обработка (отпуск) была выполнена по стандартным режимам, соответствующим свариваемой стали и применительно к режимам отпуска элементов корпусов реакторов типа ВВЭР.

Ожидаемый технико-экономический эффект от использования нового состава сварочной проволоки для изготовления корпусов реакторов АЭУ перспективных проектов выразится в повышении эксплуатационной надежности и ресурса изделий при обеспечении повышенной безопасности.

Формула изобретения

Сварочная проволока для сварки корпусов атомных реакторов и других сосудов давления для энергетического машиностроения, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, титан, железо, азот, алюминий, мышьяк, сурьму, кобальт, олово, фосфор, серу, свинец, медь и кислород, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кальций и натрий при следующем содержании компонентов, мас.%:

Углерод 0,08-0,14

Кремний 0,15-0,40

Марганец 0,2-0,8

Хром 2,5-3,5

Никель 0,3-0,7

Молибден 0,4-1,2

Натрий 0,001-0,005

Ванадий 0,05-0,25

Медь 0,01-0,06

Сера 0,001-0,006

Фосфор 0,001-0,006

Мышьяк 0,001-0,010

Сурьма 0,001-0,008

Кобальт 0,005-0,02

Олово 0,0001-0,0100

Азот 0,003-0,012

Алюминий 0,005-0,050

Титан 0,01-0,15

Кальций 0,005-0,030

Кислород 0,001-0,005

Свинец 0,001-0,010

Железо Остальное

при следующих ограничениях по соотношению элементов в сварочной проволоке:

C+(Cr+V+Mo)/5+Ni/15=72·10^-2÷102·10^-2_,

(Ni+Mn+1,5Cu) (P+0,25Sb+0,25Sn)≤97·10^-4_.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2