Способ увеличения коррозионной стойкости стали для контура с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем

Авторы патента:

C23C22/00 - Химическая поверхностная обработка металлического материала путем взаимодействия поверхности с реакционной жидкостью, причем продукты реакции остаются в покрытии, например конверсионные покрытия, пассивирование металлов (грунтовка C09D 5/12)

C21D1/70 - Изменение физической структуры черных металлов; устройства общего назначения для термообработки черных или цветных металлов или сплавов; придание ковкости металлам путем обезуглероживания, отпуска или других видов обработки (цементация диффузионными способами C23C; поверхностная обработка металлов, включающая по крайней мере один процесс, предусмотренный в классе C23, и по крайней мере другой процесс, охватываемый этим подклассом, C23F 17/00; однонаправленное отвердевание эвтектики или однонаправленное разделение эвтектик C30B)

Владельцы патента RU 2584361:

Открытое акционерное общество "АКМЭ-инжиниринг" (RU)

Изобретение относится к ядерной технике. Для обеспечения надежной работоспособности изделий контура с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем за счет повышения коррозионной стойкости стали и механической прочности осуществляют очистку поверхности изделия от внешних загрязнений и последующую механическую обработку поверхностей, контактирующих с теплоносителем. Поверхность изделия полируют до достижения шероховатости Ra<0,2 и глубины не менее 15 мкм. При этом поверхностный слой зерен ориентируют преимущественно в одном направлении и по одной линии, касательной к поверхности изделия, причем среднее количество ориентированных зерен поверхностного слоя должно быть не менее 50% от общего их количества. После полировки проводят пассивацию поверхности до получения толщины оксидной пленки не менее 1,5 мкм. Кроме того, контурную пассивацию проводят в среде тяжелого жидкометаллического теплоносителя с термодинамической активностью кислорода от 10^-6 до 10^-5, а внеконтурную - высокотемпературным паром воды в течение нескольких десятков минут или часов при температуре более 400°C. 2 з.п. ф-лы.

Область техники

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано для обеспечения коррозионной стойкости стальных поверхностей контура с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем: общие способы или устройства для термообработки, например отжига, закалки, отпуска. Ингибирование коррозии металлического материала путем обработки поверхности, подвергающейся опасности коррозии, ингибиторами или добавлением ингибиторов к корродирующим средам.

Предшествующий уровень техники

Проблема защиты от коррозии конструкционных материалов из различных металлов и сплавов, работающих в агрессивных жидких и газовлажных средах, например морских судов, железнодорожного и автомобильного транспорта, трубопроводов и оборудования газовой, химической, нефтехимической и других отраслей народного хозяйства, имеет существенное значение. В ядерно-энергетической отрасли одной из основных проблем является обеспечение надежной работоспособности компонентов тепловыделяющего элемента, его оболочки и контура теплоносителя. Именно к этим элементам предъявляются высокие требования по коррозионной стойкости, механической прочности в сочетании с хорошей пластичностью.

В металлургии известен «Способ защиты поверхности металла от окисления» по патенту SU 1157086 от 23.05.83, в котором для повышения защитной способности от окисления металл сначала предварительно подогревают до температуры 75-95°C, затем наносят состав, содержащий воду, марганцевую руду, серебристый графит и растворимый силикат натрия с модулем 2,2-2,5. Затвердевая, состав образует покрытие, которое преграждает доступ кислорода к металлу, затормаживая окисление и соответственно снижая образование окалины.

Недостатками способа являются необходимость предварительного нагрева металла перед его покрытием, низкие защитные свойства покрытия, т.к. образуется достаточно высокое количество окалины (40 г/кг), изъязвленная поверхность металла после его нагрева, низкое качество поверхности металла.

Известен «Способ защиты поверхности металла от окисления при нагреве» по патенту RU 2137862. Он включает нанесение состава, содержащего графит, диоксид кремния, ингибитор окисления и связующее, на окалину, причем количество ингибитора окисления при длительности нагрева до 5 ч определяют согласно зависимости Q=e^{0,35(4+t/1000)}, а в варианте способа при длительности нагрева от 5 до 18 ч Q=е^{2,6(-0,3+t/1000)}, где Q - количество ингибитора окисления, мас. %, е - основание натурального логарифма; t - температура нагрева, °C. Состав смеси для защиты поверхности металла от окисления при нагреве содержит следующие компоненты, мас. %: графит 2-5; диоксид кремния 1 -3; ингибитор окисления 3-20; связующее - остальное.

Недостатками этого способа являются необходимость предварительного нагрева металла перед его покрытием и низкие защитные свойства покрытия.

Известно средство к антикоррозионной защите в виде ИНГИБИТОРОВ КОРРОЗИИ по патентам RU 2160326 и RU 2160792. Они могут быть использованы для защиты от коррозии различных металлов и сплавов в широком диапазоне условий их эксплуатации. Они термоустойчивы (до 600°С в смеси с кремнийорганическими композициями), содержат мелкодисперсную двуокись кремния и антикоррозионные компоненты, в качестве которых предложено использовать смесь оксида магния, гидроксида и/или алюмосиликата кальция при соотношении в пересчете на элементы, вес. %: Si 70-80%; Mg 15-20%; Са 5-10%. Двуокись кремния предложено использовать с размером зерен до 300 мкм.

Недостатки рассматриваемых ингибиторов заключаются в невозможности их использования в реакторных установках с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем (ТЖМТ).

Известен «Способ поддержания коррозионной стойкости стального циркуляционного контура со свинецсодержащим теплоносителем» RU 2100480. Он включает создание на внутренней поверхности контура антикоррозионного покрытия из оксидов компонентов конструкционных сталей в процессе эксплуатации контура за счет поддержания концентрации растворенного в теплоносителе кислорода не ниже значения, определяемого по формуле lgC=-0,332790/Т+lgC_s+lgjC_Pb, где С - концентрация кислорода, растворенного в теплоносителе, lg - обозначение десятичного логарифма; Т - максимальная температура теплоносителя в контуре; C_s - концентрация растворенного в теплоносителе кислорода при насыщении, мас. % и при температуре Т; j - коэффициент термодинамической активации свинца в теплоносителе; C_Pb - концентрация свинца в теплоносителе, мас. %. При этом концентрацию растворенного в теплоносителе кислорода поддерживают путем введения в циркуляционный контур паров воды, а также путем введения в него кислорода. Причем кислород вводят в смеси с инертным газом путем эжекции в теплоноситель или на поверхность раздела теплоносителя и газовой фазы. Более того, концентрацию кислорода в теплоносителе поддерживают путем растворения оксидов, которые предварительно вводят в циркуляционный контур, а затем их выкристаллизовывают из теплоносителя и накапливают в фильтре.

Недостатки способа, основанного на термодинамическом контроле концентрации свинца и кислорода, обеспечивают грубую оценку коррозионной стойкости стального циркуляционного контура.

Прототипом предлагаемого изобретения являются отдельные предложения по обработке стальных поверхностей [Surface Treatment to Improve Corrosion Resistance in Lead-Alloy Coolants. DOE Agency №: DE-FG07-04ID14600. Final Report. The University Wisconsin, Madisov, in collaboration with Los Alamos National Laboratory, NM. August 2007]. В прототипе скорость понижения коррозии в свинцовом теплоносителе достигают путем полировки стальной поверхности абразивными шкурками до достижения шероховатости поверхности, контактирующей со свинецсодержащим теплоносителем, значения среднеквадратического отклонения профиля, Rq, примерно 0,02 мкм (Ra≈0,8Rq, где Ra - среднее арифметическое отклонение профиля).

Недостатками прототипа являются:

ограниченность исследований (исследования проводились при термодинамической активности кислорода (ТДА_[O])=1·10^-6 мас. %, температуре 535°C и скорости свинцового теплоносителя 1,2 м/с в течение 630 часов, что исключает возможность анализа результатов режима контурной пассивации стальных поверхностей при ТДА_[О]≥1·10^-6 мас. % в свинцовом теплоносителе;

отсутствие таких данных по технологическим режимам полировки, как сила прижатия и скорость движения абразива (шкурки) при полировке;

отсутствуют данные о других способах механической обработки как в целом стальной заготовки, так и поверхности, которая должна впоследствии контактировать со свинцовым теплоносителем;

не рассмотрены способы термообработки, термомеханической, химикотермической обработки, как в целом стальной заготовки, так и поверхности, которая должна впоследствии контактировать со свинцовым теплоносителем.

Раскрытие изобретения

Задачей заявляемого технического решения является увеличение надежной работоспособности деталей реакторной установки: тепловыделяющего элемента, его оболочки и контура теплоносителя за счет повышения коррозионной стойкости деталей, механической прочности в сочетании с хорошей пластичностью.

Технический результат, получаемый от реализации предлагаемого технического решения, заключается в увеличении коррозионной стойкости стали в среде ТЖМТ (до 2-4 и более раз в отдельных режимах) в диапазоне температур от 300 до 670°С.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в способе, включающем освобождение изделия от внешних загрязнений и механическую обработку его поверхностей, контактирующих с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем. При этом поверхность полируют до шероховатости Ra<0,2. Во время полировки поверхностный слой зерен ориентируют преимущественно в одном направлении и по одной линии, касательной к поверхности изделия. После полировки среднее количество ориентированных зерен поверхностного слоя должно быть не менее 50% от общего их количества. Затем очищают поверхность изделия и проводят ее пассивацию до получения толщины оксидной пленки не менее 1,5 мкм. Контурную пассивацию проводят в среде тяжелого жидкометаллического теплоносителя с термодинамической активностью кислорода от 10^-6 до 10^-5. Внеконтурную ассивацию проводят высокотемпературным паром воды в течение нескольких десятков минут или часов при температуре более 400°С.

Осуществление изобретения

В соответствии с сущностью предлагаемого изобретения вначале обеспечивают доступ к необходимым поверхностям изделия и очищают их от внешних загрязнений. Затем проводят полировку поверхности изделия до шероховатости Ra<0,2 и структуризацию поверхностного слоя глубиной не менее 15 мкм таким образом, что зерна в нем пластически деформируются по одной линии, касательной к поверхности детали. При этом полировку детали ведут только в направлении движения теплоносителя. В результате полировки, полученный поверхностный слой зерен, глубиной не менее 15 мкм, приобретает ориентацию в одном направлении и по одной линии, касательной к поверхности детали. Сформировавшаяся структура существенно повышает защитные свойства оксидной пленки. Ее усиливают путем пассивации поверхности детали за счет формирования более прочной и сплошной структуры. Пассивацию проводят до получения оксидной пленки толщиной не менее 1,5 мкм. Среднее количество зерен, ориентированных изложенным выше способом в поверхностном слое, должно быть не менее 50% от общего количества. Их подсчет проводят способом, изложенным в ГОСТ 5639-82 или ему подобным требованиям.

Промышленная применимость изобретения

В качестве примера реализации изобретения рассмотрим трубу. Вначале ее обрабатывают полировальным кругом с тонким абразивом круговыми движениями по внешнему периметру поперечного сечения трубы до достижения Ra от 0,05 до 0,2 и получения по глубине поверхностного слоя не менее 15 мкм. Образующиеся зерна ориентируют преимущественно в одном направлении и по одной линии, касательной к поверхности детали. Среднее количество зерен поверхностного слоя должно быть не менее 50% от их общего количества в этом слое. После завершения полировки поверхность трубы очищают и проводят пассивацию поверхности трубы. Для этого она может быть установлена в контур со свинецсодержащим теплоносителем. Затем проводят внутриконтурную пассивацию поверхности трубы путем поддержания в нем необходимой ТДА кислорода при температуре выше 400°C до образования сплошной защитной оксидной пленки толщиной не менее 1,5 мкм на контактирующей со свинецсодержащим теплоносителем поверхности трубы, скорость теплоносителя более 0,01 м/с. В другом варианте трубу можно выдерживать в камере с паром воды в течение нескольких десятков минут или часов при температуре более 400°С до образования сплошной защитной оксидной пленки толщиной не менее 1,5 мкм на контактирующей с теплоносителем поверхности.

Заявленный способ увеличения коррозионной стойкости стали для контура с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем решает поставленную задачу и может быть использован для защиты металлов и сплавов от коррозии в широком диапазоне условий их эксплуатации. Более того, создаваемая сплошная защитная оксидная пленка на поверхности изделия существенно снижает проницаемость диффузионного потока компонентов стали в теплоноситель и атомов теплоносителя в сталь. При этом существенную роль играет получаемая ориентация зерен. Пленка обретает новое свойство и уменьшает межкристаллитную коррозию в поверхностном слое стали. Преимущество предложенного способа увеличения коррозионной стойкости стали, по сравнению с прототипом, заключается в обеспечении термической устойчивости работы изделия при температуре свыше 600°C.

1. Способ обработки поверхности стальных изделий, контактирующей с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем, включающий очищение от внешних загрязнений и полировку поверхности изделия, контактирующей с теплоносителем, отличающийся тем, что поверхность изделия полируют до достижения шероховатости Ra<0,2 и глубины не менее 15 мкм, причем поверхностный слой зерен ориентируют преимущественно в одном направлении и по одной линии, касательной к поверхности изделия, при этом среднее количество ориентированных зерен поверхностного слоя составляет не менее 50% от общего их количества, затем проводят пассивацию поверхности изделия до получения толщины оксидной пленки не менее 1,5 мкм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что контурную пассивацию поверхности изделия проводят в среде тяжелого жидкометаллического теплоносителя с термодинамической активностью кислорода от 10^-6 до 10^-5.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что проводят внеконтурную пассивацию поверхности стального изделия высокотемпературным паром воды в течение нескольких десятков минут или часов при температуре более 400°С.

Изобретение относится к области металлургии. Для увеличения на поверхности плоского изделия из электротехнической стали растягивающих напряжений и обеспечения оптимальных магнитных свойств способ изготовления плоского изделия из электротехнической стали с ориентированным зерном с минимальными величинами магнитных потерь состоит из этапов: а) подготовка плоского изделия из электротехнической стали, b) нанесение слоя, содержащего фосфат изоляционного раствора, по меньшей мере, на одну поверхность плоского изделия из электротехнической стали и обжиг нанесенного слоя, после первого проведения этапа b) этот этап b) повторяют, по меньшей мере, один раз, вследствие чего из нанесенных друг за другом друг на друга и обожженных слоев содержащего фосфат изоляционного раствора образуется изоляционное покрытие, при этом при толщине покрытия D до 3 мкм, удельная плотность r покрытия равна ≥ 5 г/м2, а при толщине D больше 3 мкм удельная плотность r покрытия равна r[г/м2]>3/5 г/мкм/м2·D [мкм].

Агрегат для нанесения защитного покрытия на поверхность патронной гильзы // 2576649

Изобретение относится к оборудованию для нанесения антикоррозионного защитного покрытия на поверхность патронных гильз. Агрегат содержит привод горизонтального вала, на котором последовательно расположены соединенные между собой шнеками барабаны.

Текстурированный лист электротехнической стали // 2576355

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к текстурированному листу электротехнической стали с пониженными потерями в железе. Текстурированный лист электротехнической стали содержит на обеих поверхностях стального листа форстеритовую пленку и покрытие, создающее растягивающее напряжение.

Установка для нанесения защитного покрытия на поверхность патронных гильз // 2574625

Изобретение относится к оборудованию для нанесения защитного покрытия на поверхность патронных гильз. Установка содержит станину, на которой установлены технологические ванны и опорные ролики, горизонтальный вал, установленный на опорных роликах, на котором для непрерывной последовательной обработки патронных гильз последовательно расположены и соединены между собой барабаны с перфорированными стенками.

Отжиговый сепаратор для текстурированной электротехнической листовой стали // 2569267

Предложен отжиговый сепаратор для текстурированной электротехнической листовой стали, который не ограничивает текучесть атмосферного газа во время окончательного отжига в форме конечного рулона и может предотвратить возникновение шероховатости поверхности.

Способ нанесения защитного покрытия на стальную поверхность // 2551748

Изобретение относится к нанесению полимерного покрытия на стальную поверхность. Способ включает подготовку стальной поверхности, нанесение полимерного слоя путем окунания поверхности в ванну с водным раствором олигомера и отверждение нанесенного полимерного слоя.

Способ изготовления листа из текстурированной электротехнической стали // 2550675

Изобретение относится к области металлургии. Для повышения магнитных свойств и качества покрытия листа из текстурированной электротехнической стали способ включает горячую прокатку стального сляба, содержащего, в мас.%: C 0,001-0,10, Si 1,0-5,0, Mn 0,01-1,0, по меньшей мере, один элемент из S и Se 0,01-0,05 в сумме, раств.

Электротехническая листовая сталь с изоляционным покрытием // 2550441

Изобретение относится к электротехнической листовой стали, имеющей изоляционное покрытие, характеризующееся превосходными штампуемостью, адгезионной способностью покрытия, свойством пленки покрытия после отжига, свариваемостью при проведении газовольфрамовой сварки, коррозионной стойкостью и сопротивлением прижимным полозьям даже без содержания в изоляционном покрытии какого-либо соединения хрома.

Способ получения полимерного покрытия на поверхности металла // 2547070

Изобретение относится к получению на поверхности металла полимерных покрытий. Способ включает предварительную обработку поверхности металла для получения на ней гидроксильных групп и последующую ее обработку раствором инициатора полимеризации в среде растворителя в присутствии триэтиламина, и модификацию в растворе, содержащем мономер, путем его привитой полимеризации на поверхности в присутствии каталитического комплекса, состоящего из бромида меди (I) и органического лиганда, в качестве которого используют бипиридин, динонилбипиридин или пентаметилдиэтилентриамин.

Линия химической обработки деталей и барабан для нее // 2544723

Изобретение относится к химической жидкостной обработке деталей, помещенных в барабаны, и конструкции барабана. Линия включает расположенные в технологической последовательности ванны с барабанами, имеющими форму цилиндра или призмы, установленные соосно с возможностью вращения от общего привода в одну сторону с одинаковой угловой скоростью.

Способ изготовления деталей без окалины из легированных сталей с применением термической обработки // 2583232

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в радиотехнической, электротехнической отраслях промышленности, в приборостроении и в машиностроении.

Высокопрочная многофазная сталь для холодно-или горячекатаной стальной полосы и способ изготовления холодно- и горячекатаной стальной полосы // 2581940

Изобретение относится к области металлургии для получения полос высокопрочной многофазной стали, используемых в автомобилестроении. Для обеспечения равномерных механических свойств по длине полосы и повышения формовочных свойств холоднокатаную или горячекатаную полосу получают из стали, содержащей, вес.%: C 0,060 до ≤0,115, Al 0,020 до ≤0,060, Si 0,100 до ≤0,500, Mn 1,300 до ≤2,500, P ≤0,025, S ≤0,0100, Cr 0,280 до ≤0,480, Mo ≤0,150, Ti ≥0,005 до ≤0,050, Nb ≥0,005 до ≤0,050, B ≥0,0005 до ≤0,0060, N ≤0,0100, остальное - железо и неизбежные примеси.

Способ поверхностного упрочнения и стабилизации маложестких изделий // 2581691

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для поверхностного упрочнения и стабилизации торсионных валов при обработке источниками с высокой концентрацией энергии.

Способ термической обработки холоднодеформируемых труб // 2580772

Изобретение относится к технологии термической обработки холоднодеформированных труб из углеродистых, низколегированных и среднелегированных сталей при проведении нормализации садок в роликовых печах.

Способ повышения стойкости металлорежущего инструмента из быстрорежущей стали // 2580767

Изобретение относится к области обработки черных металлов, а более конкретно к обработке металлорежущего инструмента из быстрорежущей стали. Для повышения стойкости инструмента рабочую часть стандартно термоупрочненного инструмента из быстрорежущей стали подвергают воздействию пульсирующего дозвукового воздушного потока, имеющего частоту 1130-2100 Гц и звуковое давление 120-140 дБ при комнатной температуре в течение 10-20 мин.

Способ изготовления из сверхпрочной мартенситной стали и полученные таким образом лист или деталь // 2580578

Изобретение относится к изготовлению листа. Для получения стального листа с мартенситной структурой, в которой средний размер реек меньше 1 микрометра, средний коэффициент удлинения реек составляет от 2 до 5, предел упругости - более 1300 МПа, предел прочности превышает (3220(C)+958) мегапаскалей, где (С) содержание углерода в мас.%, поставляют полуфабрикат из стали, содержащей, мас.%: 0,15≤С≤0,40; 1,5%≤Mn≤3%; 0,005≤Si≤2; 0,005≤Al≤0,1; 1,8≤Cr≤4; 0≤Mo≤2, при этом 2,7≤0,5(Mn)+(Cr)+3(Mo)≤5,7; S≤0,05; Р≤0,1, и необязательно: 0≤Nb≤0,050; 0,01≤Ti≤0,1; 0,0005≤В≤0,005; 0,0005≤Са≤0,005, остальное железо и неизбежные примеси.

Устройство для упрочнения поверхности детали // 2580350

Изобретение относится к области машиностроения и металлообработки деталей из железоуглеродистых сплавов. Для обеспечения равномерной структуры, твердости и глубины упрочненного слоя детали используют лазерный излучатель с излучающими трубками, скомпонованными в виде пакета, состоящего из четырех рядов трубок, в виде вложенных один внутри другого вокруг центральной оси четырех восьмигранников, причем восьмигранник второго ряда повернут вокруг центральной оси относительно внешнего восьмигранника первого ряда с расположением его вершин напротив центров граней внешнего восьмигранника, а восьмигранник третьего ряда повернут вокруг центральной оси относительно восьмигранника второго ряда с расположением его вершин напротив центров граней второго восьмигранника и, соответственно, напротив вершин внешнего восьмигранника, а четвертый восьмигранник повернут вокруг центральной оси с расположением его вершин между вершинами второго и третьего восьмигранников.

Способ повышения коррозионной стойкости труб из малоуглеродистых сталей // 2580256

Изобретение относится к области металлургии. Для повышения стойкости труб к коррозии и увеличения срока эксплуатации тепловоспринимающих элементов при применении таких труб в теплоэнергетике способ повышения коррозионной стойкости труб из малоуглеродистой стали марки ст.20 включает загрузку трубы-заготовки с исходной температурой 20-40°C в печь, нагретую до температуры 910-930°C, выдержку в течение 120 сек на каждый мм толщины стенки трубы, охлаждение на воздухе до исходной температуры 20-40°C, повторную загрузку в печь, нагретую до температуры 910-930°C, и выдержку в течение 120 сек на каждый мм толщины стенки трубы и окончательное охлаждение на воздухе до конечной температуры 20-40°C.

Холоднокатаный стальной лист с покрытием из цинка или цинкового сплава, способ его производства и применение такого стального листа // 2579320

Изобретение может быть использовано, в частности, в автомобильной промышленности и касается изготовления холоднокатаного и отожженного стального листа с «ТРИП-эффектом».

Способ импульсного электронно-ионно-плазменного упрочнения твердосплавного инструмента или изделия // 2584366

Изобретение относится к области упрочняющей обработки изделий из твердых сплавов. Техническим результатом изобретения является повышение ресурса работы инструментов, деталей машин и механизмов, работающих в условиях резания, трения и абразивного износа. Для достижения технического результата рабочую поверхность инструмента или изделия из твердого сплава облучают импульсным сильноточным электронным пучком с энергией 10-30 кэВ при длительности импульсов облучения 150-200 мкс и количеством импульсов 10-30, при давлении плазмообразующих газов в рабочей камере облучения 0,02-0,03 Па и плотности энергии в электронном пучке 40-60 Дж/см2, при этом в качестве плазмообразующего газа для получения электронного пучка используются инертные газы криптон или ксенон. 6 ил., 3 табл.