Хладостойкая сталь для силовых элементов металлобетонных контейнеров атомной энергетики

Изобретение относится к конструкционным сталям для атомного энергомашиностроения при производстве контейнерной техники для хранения и транспортировки отработавшего ядерного топлива и радиоактивных отходов. Заявлена хладостойкая сталь для силовых элементов металлобетонных контейнеров, содержащая, в мас. %: углерод 0,03-0,10; кремний 0,3-0,7; марганец 1,0-1,7; хром 0,1-0,25; никель 0,1-0,25; медь 0,1-0,25; молибден 0,05-0,2; титан 0,01-0,1; азот 0,01-0,05; церий 0,01-0,08; сера 0,005-0,015; фосфор 0,005-0,015; железо - остальное. При этом суммарное содержание углерода и азота не более 0,12 мас.%, а серы и фосфора - не более 0,020 мас.%. Техническим результатом является повышение эксплуатационной надежности и экологической безопасности контейнерных сборок при транспортировке и длительном хранении до 100 лет отработавших ядерных материалов и радиоактивных отходов. 2 табл.

 

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 атомном энергомашиностроении при производстве современной высоконадежной контейнерной техники для транспортировки и хранения отработавшего ядерного топлива.

Известны металлические материалы, применяемые в машиностроительных отраслях промышленности (например, стали марок 16ГС, 10Г2С1, 09Г2С [1-3]), а также другие аналоги, указанные в научно-технической и патентной литературе [1-6]. Однако известные стали не обеспечивают требуемого уровня и стабильности основных физико-механических и служебных характеристик, что снижает работоспособность и эксплуатационную надежность создаваемого контейнерного оборудования.

Наиболее близкой к заявляемой композиции по назначению и составу компонентов является углеродистая сталь марки 09Г2С по ГОСТ 19281-89 [2], содержащая в своем составе легирующие элементы в следующем соотношении, в мас.%:

углерод	≤0,12
кремний	0,5-0,8
марганец	1,3-1,7
хром	≤0,3
никель	≤0,3
медь	0,3
сера	0,040
фосфор	≤0,035
железо	остальное

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 повышенной склонностью к тепловому охрупчиванию при температурах эксплуатации и хрупкому разрушению в условиях ударного нагружения, а также высоким уровнем наведенной радиоактивности при нейтронном облучении. Вместе с тем известной композиции свойственен широкий разброс и нестабильность основных физико-механических, технологических и служебных свойств, что не отвечает предъявляемым требованиям, определяющим заданную работоспособность материала в условиях длительной эксплуатации контейнерной техники при транспортировке и хранении радиоактивных отходов ядерной энергетики. Согласно требованиям действующих стандартов [1, 2], содержание в сталях-аналогах ряда легирующих и примесных элементов, образующих при нейтронном облучении долгоживущие изотопы с высокой энергией гамма-излучения, не контролируется и находится в весьма широких концентрационных пределах.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание высокотехнологичной контейнерной стали, обладающей улучшенным комплексом основных физико-механических и служебных свойств, меньшей склонностью к тепловому охрупчиванию и хрупкому разрушению, а также низким уровнем наведенной радиоактивности по сравнению с известным материалом, что обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и общего ресурса работы несущих конструкций металлобетонных контейнеров для транспортировки и длительного хранения отработавших тепловыделяющих сборок стационарных и транспортных реакторных установок типа РБМК и ВВЭР. Технический результат достигается за счет того, что в состав известной стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, серу, фосфор и железо, дополнительно введены молибден, титан, азот и церий при следующем соотношении компонентов, в мас.%

углерод	0,03-0,10
кремний	0,3-0,7
марганец	1,0-1,7
хром	0,1-0,25
никель	0,1-0,25
медь	0,1-0,25
молибден	0,05-0,2
титан	0,01-0,1
азот	0,01-0,05
церий	0,01-0,08
сера	0,005-0,015
фосфор	0,005-0,015
железо	остальное

При этом введено ограничение суммарного содержания элементов, наличие которых отрицательно влияет на формирование необходимого структурного состояния и в значительной мере снижает заданный уровень основных физико-механических, технологических и служебных свойств материала, в частности:

- суммарное содержание углерода и азота не должно превышать 0,12%;

- суммарное содержание серы и фосфора не должно превышать 0,020%.

Соотношение указанных легирующих и примесных элементов выбрано таким, чтобы заявляемая композиция обеспечивала заданный уровень и стабильность важнейших структурно-чувствительных характеристик, во многом определяющих высокую работоспособность и эксплуатационную надежность несущих конструкций контейнерных сборок в сложных условиях транспортировки ядерных материалов.

Введение в заявляемую сталь микролегирующих добавок молибдена и церия в указанном соотношении с другими легирующими элементами и в первую очередь с титаном, хромом и никелем улучшает ее структурную стабильность и как следствие весь комплекс основных физико-механических и служебных свойств, положительно влияющих на снижение чувствительности металла к тепловому и радиационному 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 [7-9], 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 становятся границы зерна, увеличивается прочность межкристаллитной связи, что в целом обеспечивает значительное повышение пластичности и вязкости стали. Снижается склонность стали к структурной анизотропии и существенно улучшается ее технологичность на стадии металлургического передела, что повышает выход годного при промышленном производстве листового и сортового проката, а также крупногабаритных поковок. Введение молибдена и церия вне указанных в формуле изобретения пределов снижает эффективность их положительного влияния и не приводит к заметному улучшению этих важных структурно-чувствительных характеристик материала.

Модифицирование стали титаном и азотом в указанном соотношении с углеродом улучшает ее структурную стабильность и способствует формированию при соответствующей термообработке в достаточном количестве мелкодисперсных карбидных и нитридных фаз, термодинамически устойчивых в широком интервале температур технологических и сварочных нагревов, что обеспечивает снижение структурной неоднородности в приграничных областях и повышает сопротивление металла хрупкому разрушению в условиях статического и динамического нагружений. 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. Введение титана и азота в указанном соотношении с углеродом способствует образованию высокодисперсных карбонитридов титана и повышению отпускоустойчивости при сохранении необходимой прочности стали с высокой пластичностью и вязкостью. 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 дислокаций в процессе последующей термообработки листового проката и отрицательно влияет на деформационную способность металла.

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 хрома, никеля и меди, 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 работ [7-13] выполнен комплекс лабораторных и опытно-промышленных работ по выплавке, пластической и термической обработкам разработанной марки стали. Металл выплавлялся в шахтной электропечи с последующими внепечным легированием, вакуумированием и разливкой на установке УНРС-1. Слитки массой до 30 т обрабатывались давлением на промышленном кузнечно-прессовом и прокатном оборудовании с получением полуфабрикатов требуемого сортамента.

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

Ожидаемый технико-экономический эффект применения освоенной марки стали выразится в повышении эксплуатационной надежности и экологической безопасности использования металлобетонных контейнерных сборок для транспортировки и длительного хранения (до 100 лет) отработавших ядерных материалов и радиоактивных отходов атомной энергетики.

Таблица 1 Химический состав исследованных материалов
Состав	Условный № состава	Содержание элементов, мас.%
С	Si	Mn	Cr	Ni	Cu	Мо	Ti	N	Се	S	Р	Fe
Заявляемый	1	0,03	0,3	1,0	0,1	0,1	0,1	0,05	0,01	0,05	0,01	0,005	0,015	остальное
	2	0,06	0,5	1,4	0.2	0,2	0,2	0,1	0,05	0,01	0,05	0,01	0,01	остальное
3	0,10	0,7	1,7	0,25	0,25	0,25	0,2	0,1	0,02	0,08	0,015	0,005	остальное
Известный	4	0,12	0,6	1,7	0,3	0,3	0,3	-	-	-	-	0,040	0,035	остальное

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 5520-79 «Сталь листовая углеродистая низколегированная и легированная для котлов и сосудов, работающих под давлением». М., Госстандарт, 1987.

2. ГОСТ 19281-89 «Прокат из стали повышенной прочности» (Общие технические условия). М., Госстандарт, 1991 - прототип.

3. Журавлев В.Н., Николаева О.И. Машиностроительные стали. Справочник. М., Машиностроение, 1981.

4. Материалы Международного семинара Россия - НАТО «Научные проблемы и нерешенные задачи утилизации кораблей с ЯЭУ и экологической реабилитации обслуживающей инфраструктуры», Москва, 22-24 апреля 2002 г., Изд-е ИБРАЭ РАН (институт проблем безопасного развития атомной энергетики), 2002.

5. Материалы 5-й Международной конференции «Радиационная безопасность:

обращение с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом», Санкт-Петербург, 24-27 сентября 2002 г., Изд-е Минатома и ВНИИПИЭТ, 2002.

6. Материалы 4-й Международной конференции «Радиационная безопасность: Экология - Атомная энергия», Санкт-Петербург, 24-28 сентября 2001 г. Изд-е Минатома и Всероссийского проектного и научно-исследовательского института комплексной энергетической технологии (ВНИИПИЭТ), 2001.

7. Технический отчет ЦНИИ КМ «Прометей» по теме №35.663.11.0001 «Создание контейнеров для отработавшего ядерного топлива транспортных и стационарных атомных энергетических установок с использованием экономнолегированных и малоактивируемых радиационностойких основных и сварочных материалов нового поколения», инв. №94140, Санкт-Петербург, 2003г.

8. Технический отчет ЦНИИ КМ «Прометей» по теме «Контейнер». Инв. №9369°, Санкт-Петербург, 2002.

9. Н.Г.Быковский, Г.П.Карзов, И.А.Повышев и др. «Материаловедческая концепция обеспечения радиационно-экологической безопасности современной контейнерной техники для хранения и транспортировки ОЯТ». Труды 7-й Российской научно-технической конференции по реакторному материаловедению, г. Димитровград, 2003.

10. Федеральная целевая программа «Об обеспечении работ по комплексной утилизации АПЛ, выводимых из состава ВМФ и судов с ядерными энергетическими установками Минтранса России» (в июле 1995 г. Указом Президента РФ программе придан статус Президентской программы).

11. Федеральная целевая программа «Обращение с радиоактивными отходами и отработавшими ядерными материалами, их утилизация и захоронение на 1996-2005 гг.».

12. «Под контролем каждый атом» - статья министра РФ по атомной энергии А.Ю.Румянцева в газете «Красная Звезда» №151 от 21 августа 2002 г.

13. И.В.Горынин «Радиоактивные отходы - плата за энергию». - Научно-технический еженедельник «Промышленность сегодня», Санкт-Петербург, дек. 1996, стр. 3.

Хладостойкая сталь для силовых элементов металлобетонных контейнеров атомной энергетики, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, серу, фосфор, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит молибден, титан, церий, азот при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Углерод	0,03-0,10
Кремний	0,3-0,7
Марганец	1,0-1,7
Хром	0,1-0,25
Никель	0,1-0,25
Медь	0,1-0,25
Молибден	0,05-0,2
Титан	0,01-0,1
Азот	0,01-0,05
Церий	0,01-0,08
Сера	0,005-0,015
Фосфор	0,005-0,015
Железо	Остальное

при этом суммарное содержание углерода и азота не должно превышать 0,12%, суммарное содержание серы и фосфора не должно превышать 0,020%.