автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Повышение качества металла сварных соединений деталей из аустенитных сталей реакторных установок на быстрых нейтронах

На правах рукописи

4846867

ЗЕЛЕНИН Юрий Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА МЕТАЛЛА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ДЕТАЛЕЙ ИЗ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ РЕАКТОРНЫХ УСТАНОВОК НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ

Специальность: 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 МАЙ 2011

Санкт-Петербург - 2011

4846867

Работа выполнена в ГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный политехнический университет и ФГУП ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей»

Научный руководитель

доктор технических наук Кондратьев Сергей Юрьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Анастасиади Григорий Панеодович

кандидат физико-математических наук, доцент

Васильев Александр Александрович

Ведущая организация:

ОАО «Центр технологии судостроения и судоремонта»

(г. Санкт-Петербург)

Защита состоится «16» июня 2011г. в 16— часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.03 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29, химический корпус, ауд. 51.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный политехнический университет.

Автореферат разослан " " -¿¿Я ^ 2011г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.229.03 доктор технических наук

Кондратьев С.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интенсивное развитие атомной энергетики является основой Энергетической стратегии России на период до 2030 г., утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 28.08.2003 № 1234-р и предусматривающей увеличение производства электроэнергии на атомных электростанциях в 4 раза. В настоящее время проблемами электроэнергетики России, требующими неотложного решения, являются, во-первых, необходимость замещения отслуживших срок мощностей ТЭС за счет строительства и ввода в эксплуатацию новых АЭС; во-вторых, продление срока службы энергоблоков первого и второго поколений действующих АЭС, установленный расчетный срок службы которых составляет 30 лет. В качестве основных задач для решения этих проблем определены: продление установленного срока службы действующих энергоблоков на 10-20 лет и строительство новых энергоблоков третьего поколения.

Имеющиеся мировые запасы природного урана не могут обеспечить устойчивого долговременного развития атомной энергетики, используя реакторы на тепловых нейтронах. Применение технологии реакторов на быстрых нейтронах с замкнутым топливным циклом кардинально увеличивает потенциал по топливообеспечению АЭС. Россия обладает уникальным, не имеющим аналогов в мире, опытом разработки и эксплуатации энергоблоков АЭС с реакторами на быстрых нейтронах: 20 лет успешной эксплуатации энергоблока БН-350 и действующего энергоблока № 3 БН-600 Белоярской АЭС. Однако переход к серийному сооружению реакторных установок на быстрых нейтронах (РУ типа БЫ), в частности БН-800 и БЫ-1200, осложнен многими неотработанными в промышленном масштабе технологическими процессами и нерешенными вопросами, наиболее актуальным из которых является обеспечение надежности и безопасности эксплуатации.

Совершенствование современных энергоустановок с целью улучшения их технико-экономических показателей при одновременном повышении уровня безопасности неразрывно связано с использованием конструкционных металлических материалов. При этом основное внимание должно уделяться не увеличению металлоемкости, а повышению качества конструкций за счет повышения эксплуатационных свойств применяемых сталей и сплавов и обоснованного регламентирования рабочих параметров их эксплуатации. Важно также учитывать, что изготовление наиболее ответственных деталей и узлов установок БН-800, БН-1200 и др. невозможно в заводских условиях из-за размеров конструкции (О корпуса > 13 метров), массы деталей и, как следствие, значительных сложностей при сборке и монтаже оборудования, которые возможно выполнить только непосредственно на атомной станции. В связи с этим, учитывая, что надежная и безопасная работа энергетических объектов в значительной степени определяется именно крупногабаритными элементами конструкции, возникают дополнительные технологические сложности, связанные с необходимостью проведения при монтаже энергооборудования таких операций, как сварка и термическая обработка. Вследствие этого особое значение приобретают обеспечение и контроль качества сварных соединений изготавливаемого оборудования и требования к используемым материалам. В то же время, сварные соединения оборудования и трубопроводов АЭС, в первую очередь корпуса ядерного реактора и оборудования I контура, изготовленные из

аустенитных сталей, были и остаются одними из наиболее ответственных конструктивных элементов. Таким образом, обоснование выбора и регламентирование применения конструкционных и сварочных материалов для оборудования атомных реакторных установок на быстрых нейтронах, а также определение остаточного ресурса оборудования энергоблоков и продление срока их эксплуатации свыше 30 лет являются важными и актуальными задачами современного металловедения. Решение их являлось предметом исследований данной диссертационной работы.

Работа выполнена как часть научных исследований, проводимых в:

- ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» в рамках Федеральных целевых программ «Национальная технологическая база» на 2002-2006 годы и 2007-2011 годы, утвержденных постановлениями Правительства РФ № 779 от 08.11.2001г. (ред. от 13.11.2001г.) и № 54 от 29.01.2007г., раздел «Технологии новых материалов», а также на основании Государственного контракта №41.600.1.4.0014 от 31.01.2002г. с Министерством промышленности, науки и технологий РФ;

- Санкт-Петербургском государственном политехническом университете в рамках Федеральной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2010-2011 годы)», раздел 2.1.2. «Проведение фундаментальных исследований в области технических наук», проект №> 2.1.2 / 6955.

Целью работы является повышение качества металла шва и околошовной зоны сварных соединений деталей из аустенитных сталей на основе разработки и обоснования рекомендаций по выбору конструкционных и сварочных материалов и режимов термической обработки для обеспечения повышенной работоспособности реакторных установок на быстрых нейтронах. Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:

1. Исследование корреляции между количеством ферритной фазы в структуре сварочной проволоки и наплавленного металла при использовании проволоки марки Св-04Х17Н10М2 и наиболее перспективных способов сварки -аргонодуговой и автоматической под флюсом.

2. Исследование влияния химического состава и технологии выплавки на фазовый состав металла сварочной проволоки с выявлением определяющих технологических факторов.

3. Определение кратковременных механических свойств и длительной прочности сварных соединений, выполненных различными способами, применительно к деталям установок БН-800 и БН-1200.

4. Исследование влияния температурно-временного воздействия на структуру и склонность к тепловому охрупчиванию металла шва аустенитных сталей.

5. Разработка специального критерия разрушения, позволяющего более объективно и достоверно оценивать трещиностойкость сварных соединений из аустенитных сталей, отличающихся неоднородностью структуры, свойств и скорости ползучести основного металла, металла шва и околошовной зоны.

6. Изучение механизма образования трещин в околошовной зоне и оценка склонности к локальному разрушению в околошовной зоне (ЛРОЗ) сварных соединений деталей из аустенитных сталей в условиях работы I контура РУ БН-800 и БН-1200 с учетом влияния термической обработки.

7. Разработка и обоснование рекомендаций по выбору конструкционных и сварочных материалов для изготовления сварных соединений деталей из аустенитных сталей оборудования и трубопроводов АЭС с реакторами на быстрых нейтронах.

8. Разработка технической документации на промышленное изготовление сварочных материалов, обеспечивающих регламентируемое содержание а-фазы в структуре металла шва аустенитных сталей при различных способах сварки, и проведение термической обработки сварных конструкций при монтаже оборудования РУ типа БН.

9. Разработка и промышленное опробование технологии сварки наиболее ответственных конструктивных узлов I контура РУ типа БН и оценка возможности обеспечения ресурса до 60 лет установок БН-600, БН-800 и БН-1200 с использованием разработанных практических рекомендаций.

Научная новизна диссертационной работы:

- установлена корреляция между количеством феррита в структуре сварочной проволоки марки Св-04Х17Н10М2 и наплавленного металла при сварке аустенитных сталей, а также выявлено влияние химического состава и технологии выплавки на фазовый состав металла сварочной проволоки;

- различными методами выполнено прогнозирование длительной прочности металла шва аустенитных сталей, полученного аргонодуговым и автоматическим под флюсом способами сварки с использованием сварочной проволоки Св-04Х17Н10М2. Установлено, что при температуре эксплуатации 530°С Стд п. составляет 160 МПа, при 600°С - 90 МПа;

- изучено изменение структуры и свойств металла шва сварных соединений, выполненных с использованием проволоки Св-04Х17Н10М2, в температурно-временных условиях эксплуатации реакторных установок па быстрых нейтронах. Показано, что после эксплуатации длительностью до 60 лет в структуре металла шва образуется не более ~ 3,0 объемн.% сигма-фазы, что не оказывает существенного влияния на его эксплуатационные свойства;

- выявлен механизм хрупких разрушений в околошовной зоне сварных соединений деталей из аустенитных сталей различных марок, заключающийся в выделении хрупких вторичных карбидных фаз в теле аустенитных зерен и формировании сплошных прослоек по границам зерен, что блокирует внутризеренную деформацию и приводит к ослаблению границ;

- показана возможность повышения эксплуатационной надежности и срока службы сварных соединений аустенитных сталей оборудования РУ типа БН путем термической обработки за счет уменьшения концентрации напряжений, снижения уровня термических и остаточных напряжений, уменьшения склонности к образованию в структуре сталей вторичных охрупчивающих карбидных фаз, исключения опасности образования трещин и коробления конструкций;

- предложен и обоснован специальный критерий для количественной оценки сопротивляемости локальным разрушениям в околошовной зоне сварных соединений деталей из аустенитных сталей, учитывающий значительную неоднородность структуры, свойств и скорости ползучести основного металла, металла шва и околошовной зоны. Выполнена количественная оценка трещиностойкости сварных соединений деталей из аустенитных сталей в условиях эксплуатации реакторных установок типа БН.

Практическая значимость результатов работы:

- сформулированы практические рекомендации, разработана и утверждена техническая документация на изготовление сварочной проволоки Св-04Х17Н10М2 с нормируемым количеством ферритной фазы в структуре,

применение сталей марок 08Х16Н11МЗ, 10Х18Н9, 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т и проведение термической обработки сварных конструкций из них при монтаже оборудования реакторных установок типа БН;

- обоснована возможность продления срока службы до 60 лет сварных соединений реакторных установок на быстрых нейтронах по длительной прочности, склонности к старению и тепловому охрупчиванию и склонности к локальным разрушениям в околошовной зоне;

- сформулированы условия необходимости и требования к проведению термической обработки сварных соединений деталей из аустенитных сталей, обеспечивающие повышение работоспособности реакторных установок на быстрых нейтронах. Отработаны конкретные режимы термообработки сварных соединений деталей из сталей различных марок с учетом сложности и массы конструкции, технологии изготовления и параметров эксплуатации;

- результаты работы использованы при изготовлении наиболее ответственных конструктивных узлов I контура реакторной установки на быстрых нейтронах БН-800, в частности корпуса реактора и основного оборудования, а также используются при проектировании оборудования строящейся БН-1200 и ремонте существующих установок типа БН на АЭС и ряде заводов-изготовителей: ОАО «Уралхиммаш», ОАО «Машиностроительный завод «ЗиО-Подольск», ОАО «Балтийский завод», ОАО «Кировский завод» и других. В промышленном масштабе на российских заводах ОАО «ЧМК» и ОАО «МЗ «Электросталь» освоено производство заготовок для сварочной проволоки марки Св-04Х17Н10М2 с регламентированным содержанием феррита и производство тонкой - 0 от 1,0 до 1,6 мм сварочной проволоки.

Достоверность положений. выводов и рекомендаций диссертации подтверждена большим объемом экспериментальных исследований и расчетов и сравнением полученных данных с результатами других авторов; использованием современных методов испытаний, аналитического оборудования, математического аппарата; успешной проверкой предлагаемых технических решений в условиях промышленного изготовления и эксплуатации сварных конструкций из аустенитных сталей реакторных установок АЭС.

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в постановке задач исследования, разработке методов испытаний материала сварных соединений деталей из аустенитных сталей, проведении экспериментов и выполнении расчетов, обработке полученных результатов и формулировании выводов, разработке и внедрении практических рекомендаций для изготовления и эксплуатации сварных конструкций реакторных установок типа БН.

Основные положения. выносимые на защиту:

1. Разработанные и обоснованные рекомендации для выбора и регламентирования применения конструкционных и сварочных аустенитных материалов при проектировании и изготовлении сварных конструкций оборудования и трубопроводов АЭУ и продления их ресурса до 60 лет.

2. Необходимые условия, обеспечивающие получение в структуре металла шва ферритной фазы в требуемом количестве (от 2,0 до 5,0 объемн.%) при использовании сварочной проволоки марки Св-04Х17Н10М2 и наиболее перспективных способов сварки - аргонодуговой и автоматической под флюсом.

3. Результаты экспериментальных исследований влияния химического состава и структуры аустенитных сталей на кратковременные и длительные свойства сварных соединений реакторных установок на быстрых нейтронах.

4. Результаты экспериментально-теоретических расчетов допустимого срока эксплуатации сварных соединений деталей из аустенитных сталей реакторных установок на быстрых нейтронах.

5. Результаты исследований структурных изменений и деградации свойств металла шва сварных соединений, выполненных с использованием сварочной проволоки Св-04Х17Н10М2, в температурно-временных условиях эксплуатации реакторных установок на быстрых нейтронах.

6. Механизм хрупких разрушений в околошовной зоне сварных соединений деталей из аустенитных сталей различных марок.

7. Методика и специальный критерий для количественной оценки сопротивляемости локальным разрушениям в околошовной зоне сварных соединений деталей из аустенитных сталей.

8. Условия необходимости и требования к проведению термической обработки сварных соединений деталей из аустенитных сталей, обеспечивающие повышение работоспособности реакторных установок на быстрых нейтронах.

Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Всероссийская конференция «Металлургия сварки и сварочные материалы», октябрь 19-20, 1998, Санкт-Петербург; Шестая Международная конференция «Проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС», июнь 19-23, 2000, Санкт-Петербург; Седьмая Международная конференция «Проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС», июнь 17-21, 2002, Санкт-Петербург; Десятый Всероссийский научно-практический семинар «Обеспечение безопасности и экономичности энергетического оборудования», ноябрь 17-19, 2004, Санкт-Петербург.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 13 работах, включая 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК России, 1 патент РФ и 1 авторское свидетельство РФ.

Структура и объем диссертаиии. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 200 страницах, содержит: 32 таблицы, 51 рисунок и 6 приложений. Библиографический список включает 78 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы и задачи исследований, показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, представлена структура диссертации. Приведены основные положения, выносимые на защиту, и указан личный вклад автора в исследования, проведенные по теме диссертации.

В первой главе по имеющимся литературным данным рассмотрены эксплуатационные и конструктивные особенности реакторных установок на быстрых нейтронах, предъявляющие особые требования к материалам, используемым для их изготовления. Проанализированы достоинства и недостатки аустенитных хромоникелевых сталей, применяемых в качестве корпусных и сварочных материалов оборудования и трубопроводов реакторных установок типа БН, и выявлены факторы, определяющие их работоспособность. Показано, что одним из наиболее важных факторов является прочность и

долговечность сварных конструкций. Проанализированы способы повышения качества сварных соединений реакторных установок на быстрых нейтронах. На основании рассмотренного сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе приведены используемые в работе корпусные и сварочные материалы, а также применяемые технологии сварки. Корпусные материалы использовали рекомендованные "Основными положениями" ПНАЭ Г-7-008-89 для изготовления оборудования установок БН-800 и БН-1200: стали марок 08Х16Н11МЗ, 10Х18Н9, 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т. Сварочные материалы использовали рекомендованные "Основными положениями" ПНАЭ Г-7-009-89: проволока марки Св-04Х17Н10М2 и флюсы марок ОФ-6 и 0ф-40.

Сварку производили по режимам, рекомендованным "Основными положениями" ПНАЭ Г-7-009-89, в основном, двумя способами: аргонодуговой - с присадочной проволокой Св-04Х17Н10М2 и автоматической - под флюсом.

Описаны инструменты и методики исследования структуры, фазового состава и свойств металла шва, зоны сплавления и зоны термического влияния основного металла сварных соединений. Приведены методы определения склонности сварных соединений к тепловому охрупчиванию, деформационно-термическому старению и локальным разрушениям в околошовной зоне (ЛРОЗ), методы прогнозирования длительной прочности металла шва.

Третья глава посвящена определению условий формирования необходимой структуры наплавленного металла при изготовлении сварных соединений деталей из аустенитных сталей.

В главе I было показано, что одним из важнейших требований к сварным соединениям в атомной энергетике является формирование в структуре наплавленного металла феррита в количестве от 2,0 до 5,0 объемн.%. Для определения условий выполнения этого требования необходимо было, во-первых, установить корреляцию между количеством феррита в структуре сварочной проволоки и наплавленного металла с учетом используемых способов и режимов сварки и, во-вторых, сформулировать требования к изготовлению сварочной проволоки с регламентированным количеством феррита в структуре, обеспечивающим нормативное количество ферритной фазы в структуре наплавленного металла при соответствующем способе сварки.

Исследования проводили для всех используемых диаметров сварочной проволоки Св-04Х17Н10М2 различных партий, изготовленной на разных предприятиях: ОАО «Мечел», ОАО «Днепроспецсталь», ОАО «ММЗ «Серп и Молот», ОАО «МЗ «Электросталь», ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей».

Для выявления корреляции между количеством ферритной фазы в структуре сварочной проволоки и наплавленного металла использовали проволоку, количество ферритной фазы в структуре которой варьировалось в широких пределах: ~ 2...10 объемн.%.

Результаты исследований для аргонодуговой сварки показали хорошую корреляцию по количеству феррита в структуре проволоки и наплавленного металла. Установлено, что для получения требуемых пределов количества феррита в структуре металла шва необходимо учитывать влияние особенностей партии проволоки, технологии переплава и точности замеров, что связано с колебаниями в соотношении содержания в стали основных легирующих элементов - хрома и никеля, качеством газовой защиты расплавленного металла и скоростью кристаллизации отдельных валиков при наплавке, влияющей на дендритную морфологию ферритной фазы. В связи с этим необходимо

дополнительно к сертификатным данным проводить входной контроль сварочной проволоки 04Х17Н10М2, в том числе переплавом в аргоне. При этом следует избегать минимального (2,0 объемн.%) и максимального (5,0 объемн.%) количества феррита в структуре проволоки, однако для средних значений (от 2,5 до 4,5 объемн.%) эта проблема при аргонодуговой сварке неактуальна.

Результаты, полученные при использовании автоматической сварки под флюсом, показали, что для всех партий сварочной проволоки характерным является снижение количества феррита на 1,3...5,4 объемн.% в структуре наплавленного металла по сравнению со структурой сварочной проволоки. Величина относительного уменьшения зависит от исходного количества феррита в структуре проволоки и составляет ~ 50 %. Установлено, что это связано с несколькими физико-химическими процессами: повышением содержания в стали сильных аустенитообразующих элементов - азота и углерода; выгоранием хрома в связи с повышением концентрации кислорода; кристаллизационными особенностями формирования металла шва - при автоматической сварке размеры дендритов существенно больше, чем при аргонодуговой.

Для выявления закономерностей влияния химического состава и технологии выплавки на фазовый состав металла сварочной проволоки, а также установления определяющих факторов были проанализированы промышленные плавки стали 04Х17Н10М2 различных заводов.

Согласно структурным диаграммам Шеффлера и Де-Лонга, учитывающим дополнительно влияние азота, при заданных максимальном и минимальном содержании химических элементов количество феррита в структуре сварочной проволоки Св-04Х17Н10М2 может изменяться от 0 до 14 объемн.% (рис. 1). При этом требуемое количество феррита от 2,0 до 5,0 объемн.% составляет (заштрихованная площадь на рис. 1) только часть (приблизительно одну восьмую) от заданного по техническим условиям химического состава.

14 16 18 20 22 24 16 17 18 19 20 21 22 23

Сг = Сг + Мо + № масс. % Сг - Сг + Мо + № масс. %

Рис. 1. Структурное состояние металла шва сварочной проволоки марки Св-04Х17Н10М2 по диаграммам Шеффлера (а) и Де-Лонга (б). Химический состав:- - заданный,---- скорректированный

Подробный анализ химического и фазового составов стали производства различных заводов позволил заключить, что средний химический состав проволоки Св-04Х17Н10М2 не обеспечивает гарантированное получение в структуре необходимого количества феррита и требует корректировки. В связи с этим химический состав стали был скорректирован в сторону повышения на 0,5 масс.% содержания хрома и понижения на 0,5 масс.% содержания никеля. Выбранные изменения пределов содержания компонентов соответствуют допускаемым отклонениям состава стали на эти элементы. С учетом внесенных изменений на диаграммах Шеффлера и Де-Лонга построен скорректированный квадрат структурного состояния проволоки марки Св-04Х17Н10М2 (рис. 1), который несколько сдвинут вправо, в результате чего количество ферритной фазы в структуре стали среднего состава увеличивается почти на 2,0 объемн.%. Дополнительную корректировку химического состава стали проводили по содержанию углерода, азота и кислорода с учетом особенностей технологии выплавки на различных промышленных предприятиях. Оценка этого фактора выполнялась также по структурным диаграммам Де-Лонга и Шеффлера.

По результатам проведенного исследования и на основе анализа технических возможностей существующих металлургических предприятий России было признано наиболее целесообразным освоение изготовления сварочной проволоки марки Св-04Х17Н10М2 на ОАО «Электросталь». В связи с этим для получения промышленной сварочной проволоки Св-04Х17Н10М2 с необходимым количеством ферритной фазы в структуре на основании результатов выполненных исследований и с учетом технологической специфики завода ОАО «Электросталь» в производство была рекомендована проволока со следующими ограничениями по химическому составу (табл. 1):

Таблица 1. Рекомендованные ограничения по химическому составу для изготовления сварочной проволоки Св-04Х17Н10М2 на ОАО «Электросталь» с необходимым количеством ферритной фазы в структуре, обеспечивающим получение требуемой структуры металла шва

Способ сварки Необходимые ограничения по содержанию компонентов, масс.% Получаемое количество феррита в структуре, объемн.%

сварочной проволоки металла шва

аргонодуговая Сг- 17,0- 18,0; №- 9,5-10,0 2,5-4,5 2,0 - 5,0

автоматическая под флюсом С - минимально возможное, но не более 0,05; Сг- 17,0- 18,0; Мо- 1,6-1,8; N1 - 9,0-9,5; Ы2 - не более 0,040; Т1-0,05-0,10; А1-0,05-0,10 4,0 - 7,0 2,0 - 5,0

Четвертая глава посвящена исследованию металла шва сварных соединений деталей из аустенитных сталей и обоснованию возможности продления ресурса оборудования РУ типа БН до 60 лет. Приведены результаты прогнозирования длительной прочности металла шва, оценки его склонности к старению и тепловому охрупчиванию в различных условиях эксплуатации, изучения механизма хрупких разрушений в околошовной зоне и оценки трещиностойкости аустенитных сталей различных марок.

Прогнозирование длительной прочности металла шва осуществляли методами линейной экстраполяции по модели межзеренного разрушения и параметрическим - по Ларсену-Миллеру-Холломону.

В методе линейной экстраполяции зависимости жаропрочности построены для температур 530 и 600°С (рис. 2), что соответствует рабочей температуре второго контура РУ типа БН и максимально допустимой температуре применения исследуемых материалов.

500 400 300

, 200

С

г

2

■ 100

Iю 60

я

30 20

Ы/ 3 4 5 6 ! 10' 2 3 4 5 6 8 1Й1 2 3 4 5 6 ! 101 2 3 4 5 6 I

Продолжительность всшдониз, ч.

Рис. 2. Длительная прочность при температурах 530 (1) и 600°С (2) металла шва, выполненного ручной аргонодуговой сваркой проволокой Св-04Х17Н10М2, в исходном (•) и аустенизированном (Д, о) состояниях: Д, ▲ - экспериментальные данные; о, • - литературные данные (значки со стрелкой - испытания досрочно прекращены или продолжаются)

На построенные графики наносили экспериментально полученные результаты испытаний при 530 и 600°С металла шва, выполненного проволокой Св-04Х17Н10М2 ручной аргонодуговой сваркой, сварных соединений в исходном (после сварки) состоянии и после аустенизации при 1050°С. Достаточная продолжительность испытаний (15...40 тыс. ч) позволила экстраполировать результаты в соответствии с общепринятыми требованиями до 300 тыс. ч. В результате экстраполяции установлено, что нормативные значения

условного предела длительной прочности яТ / за 200 тысяч часов эксплуатации

незначительно отличаются от прогнозируемых для 300 тысяч часов (табл. 2).

Построенная по методу Ларсена-Миллера-Холломона с учетом результатов высокотемпературных (650, 700, 800 и 900°С) испытаний металла шва, выполненного сварочной проволокой Св-04Х17Н10М2, параметрическая зависимость 1§0 -Т• (20 + ^-Ю3 показана на рис.3. Полученные значения длительной прочности металла шва составляют: при температуре эксплуатации 530°С - ст = 160 МПа, при 600°С - ст = 90 МПа.

-к -е- 530 °С

600 °с Г"

1 1

Таблица 2. Нормативная и расчетная длительная прочность металла шва, выполненного с использованием сварочной проволоки Св-04Х17Н10М2, _при температурах 530 и 600°С_

Температура испытания, °С Условный предел длительной прочности Ят 1 (МПа) металла шва

нормативный (200 тысяч часов) расчетный (300 тысяч часов)

530 160 155

600 100 95

500

0

°«Г 530

1

§. 550

650 350 300 250

§ 160 ц 140 Ь" 120

1(г*

А

Л"

к

Параметр жаропрочности Ларсена-Миллера-Холломона Р=Т(20+1$)10"5, К-ч

ные (минимальные) значения:

Рис. 3. Зависимость условного предела длительной прочности

металла шва, выполненного ручной аргонодуговой сваркой проволокой Св-04Х17Н10М2,

в исходном состоянии от параметра Ларсена-Миллера-Холломона Р=Т(20+1ё1)10"3, К-ч

Сравнение прогнозируемых значений длительной прочности, рассчитанных параметрическим методом (рис. 3), с величинами, рассчитанными методом линейной экстраполяции (табл. 2), свидетельствует о хорошей сопоставимости полученных результатов.

На основании проведенных исследований и расчетов, с учетом некоторого отличия уровня длительной прочности, полученного при прогнозировании двумя различными методами, можно принять следующие консерватив-

й

530°С т,3 ■ 105

150 МПа,

„600°С к 5 т,3 • 10

90 МПа.

Сопоставление полученных значений с литературными данными показываег, что значения условного предела длительной прочности металла шва стали 04Х17Н10М2 выше, чем свариваемой стали 09X18Н9 и соответствуют

стали 08Х16Н11МЗ, т.е. обеспечивают равнопрочность сварного соединения. Это позволяет обосновать жаропрочность металла шва стали 04Х17Н10М2 при рабочих температурах современных реакторных установок типа БН на заданный ресурс длительностью 60 лет.

Склонность металла шва к тепловому охрупчиванию оценивали на основании рассчитанных параметров старения за время 200, 300 и 400 тысяч часов при температурах 500, 550 и 600°С. Установлено, что в металле шва со структурой, содержащей максимальное количество ферритной фазы (наиболее неблагоприятное - 5,0 объемн.%), образуется менее 3,0 объемн.% сигма-фазы. Такое количество хрупкой составляющей в структуре металла шва не вызывает значительного снижения пластических свойств при рабочих температурах. Эксперимент подтвердил, что в этом случае при комнатной температуре пластичность металла шва снижается до 8-30 %, а ударная вязкость - до KCU ~ 6 Дж/см2. Это является вполне достаточным для выполнения ремонтных работ сварных соединений, в том числе с использованием ударных нагрузок.

Дополнительно к рассмотренным расчетам в работе проводили металлографические и рентгеноструктурные исследования металла шва после эксплуатации при температурах 447, 503...505 и 5Ю...515°С с наработкой ~ 132 тыс. час. в составе модуля промпароперегревателя парогенератора ПГВ-200М реакторной установки БН-600. В результате исследований экспериментально подтверждено образование сигма-фазы в структуре наплавленной стали 04Х17Н10М2 в широком интервале рабочих температур. Установлено, что при старении длительностью ~ 132 тысячи часов в металле шва с аустенитно-ферритной структурой, т. е. в исходном состоянии (после сварки), сигма-фаза образуется при температурах выше 505°С, а в металле шва с аустенитной структурой, т. с. после термообработки (аустенизации), - выше 515°С. При этом в структуре металла шва в исходном состоянии образуется в 4...5 раз большее количество сигма-фазы, чем после аустенизации. Важно отметить, что при повышении температуры старения изменяется характер расположения карбидов в аустенизированном металле шва. Так, при 505°С образуются, в основном, одиночные карбиды, а при 515 °С - сплошные цепочки по границам дендритов (рис. 4). Полученные результаты позволяют считать температуру 505°С пороговой для образования сигма-фазы в структуре металла шва, выполненного сварочной проволокой Св-04Х17Н10М2.

а б в

Рис. 4. Микроструктура металла шва стали Св-04Х17Н10М2 после эксплуатации длительностью ~ 132000 ч при температуре 503°С (а) и 515°С (б, в), а, в - тепловое травление при 550°С, б - электролитическое травление в 10 % щавелевой кислоте, х 1000

Результаты выполненных расчетов и экспериментов позволили заключить, что после эксплуатации длительностью 300...400 тысяч часов при температурах 500...550°С в структуре металла шва сварных соединений, выполненных с использованием сварочной проволоки Св-04Х17Н10М2, образовавшееся количество распределенной в виде отдельных карбидов сигма-фазы не превысит 2,5...3,0 объемн.%, причем даже в случае, когда в структуре металла шва в исходном состоянии присутствует 5 объемн.% феррита. Таким образом, учитывая, что для установок БН-800 и БН-1200 рабочая температура оборудования и трубопроводов второго контура составляет 505°С, по склонности к старению и тепловому охрупчиванию такого металла шва можно обоснованно прогнозировать возможность эксплуатации сварных соединений деталей из аустенитных сталей на заданный ресурс длительностью 60 лет.

Для изучения механизма локальных разрушений в околошовной зоне использовали стали склонные к ЛРОЗ: 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т; и стали малосклонные к ЛРОЗ: 10Х18Н9, 08Х16Н11МЗ.

Результаты исследований показали, что в процессе сварки и последующей выдержки при повышенных температурах происходит изменение структуры сталей в околошовной зоне, заключающееся в растворении и последующем выделении из твердого раствора вторичных фаз в теле зерен и по их границам. При этом установлены существенные различия в изменении структуры сталей разных марок близких по химическому составу, но значительно отличающихся по склонности к локальным разрушениям в околошовной зоне.

Особенностью структуры околошовной зоны сварных соединений деталей из сталей с титаном, склонных к ЛРОЗ, является выделение при повышенных температурах значительного количества хрупких фаз по границам и в теле зерен, причем, чем ближе к границе сплавления, тем в большей степени. После длительной эксплуатации эти фазы образуют сплошную оторочку по границам зерен (рис. 5 а, б).

Рис. 5. Микроструктура ОШЗ (а, в) и основного металла (б, г) сварного соединения деталей из сталей 12Х18Н10Т (а, б) и 10Х18Н9 (в, г) после старения при 550°С длительностью 3000 ч. х 1200

Микроструктура сталей не стабилизированных титаном, не склонных к локальным разрушениям, имеет совершенно иной характер. Так, в отличие от сталей 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т, в металле ОШЗ стали 10Х18Н9 в исходном после сварки состоянии наблюдается интенсивное растворение частиц карбидной фазы, вследствие чего околошовная зона выглядит как нетравящаяся полоса. После выдержки при повышенных температурах в теле и на границах зерен в районе околошовной зоны выделяется новая фаза, количество которой

(число частиц и их размеры) значительно меньше, чем в сталях 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т (рис. 5 в, г). Также в противоположность сталям с титаном, в структуре стали 10Х18Н9 количество выделений хрупких фаз в околошовной зоне меньше, чем в основном металле. Аналогичный характер имеет микроструктура металла околошовной зоны стали марки 08Х16Н11МЗ (рис. 6).

Установлено, что различный характер протекания процессов выделения вторичных фаз в структуре обусловливает различную склонность сталей разных марок к локальным разрушениям. Так, для стали 12Х18Н10Т по результатам испытаний микротвердости и непосредственного определения деформационной способности различных участков сварных соединений при растяжении обнаружено увеличение сопротивления пластической деформации металла околошовной зоны, причем не только при комнатной, но и при повышенных температурах. Для стали 10Х18Н9 упрочнение значительно меньше или вообще отсутствует.

Рис. 6. Микроструктура ОШЗ (а) и основного металла (б) сварного соединения деталей из стали 08X16Н11МЗ после старения при 700°С, 1000 ч.х 1200

Испытания сварных соединений на вакуумной металлографической установке «ИМАШ-5М» в режиме ползучести показали, что степень пластической деформации ОШЗ сварных соединений деталей из стали 12Х18Н10Т по сравнению с остальными его участками минимальная, тогда как в ОШЗ сварных соединений деталей из стали 10Х18Н9 деформация максимальная.

Механизм деформирования тела зерен в структуре исследованных сталей определяли анализом микрошлифа с помощью интерференционного, оптического и электронного микроскопов. Установлено, что сдвиговая деформация в сталях 12Х18Н10Т и 10Х18Н9 является результатом кристаллографического скольжения, связанного с движением дислокаций. Однако в стали, склонной к ПРОЗ, дислокации блокируются выделениями карбидных фаз, что вызывает появление трещин по границам зерен (смещение риски и интерференционных линий на рис. 7 а). В стали, малосклонной к ЛРОЗ, происходит плавное деформирование без смещения на границах зерен (искривление риски и интерференционных линий на рис. 7 б).

Таким образом, причиной хрупких разрушений в околошовной зоне сварных соединений из аустенитных сталей является выделение хрупких вторичных карбидных фаз в теле аустенитных зерен, что, как и наличие неметаллических включений, блокирует внутризеренную деформацию, а также формирование в структуре по границам зерен сплошных прослоек из этих включений (грубое множественное скольжение). Хрупкое разрушение реализуется в этом случае при ползучести на микроуровне по сдвиговому механизму и тем вероятнее, чем больше жесткость сварных стыков и уровень рабочих напряжений.

На основании выявленного механизма ПРОЗ сделано заключение, что стали, содержащие в составе горофильный молибден, препятствующий выделению хрупких карбидных фаз в структуре, не склонны к охрупчиванию и локальным разрушениям в околошовной зоне сварных соединений. К ним обоснованно можно отнести сталь марки 08Х16Н11МЗ, которая может применяться без ограничений по условиям эксплуатации сварных конструкций в реакторных установках типа БН.

б

Рис. 7. Микроструктура ОШЗ сварных соединений деталей из сталей 12Х18Н10Т (а) и 10Х18Н9 (б) после испытаний на ползучесть при 550°С. х 600

Сталь марки 10Х18Н9, не стабилизированная титаном, также не проявляет заметной склонности к ЛРОЗ, однако вследствие высоких остаточных напряжений после сварки и недостаточной технологичности может использоваться ограниченно в зависимости от величины внешней нагрузки, температуры эксплуатации и требуемого ресурса конструкции.

Использование сталей марок 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т, стабилизированных титаном, в сварных конструкциях реакторных установок БН-800 и БН-1200 возможно лишь выборочно, причем при обязательном условии - проведении термической обработки по режимам, позволяющим уменьшить склонность к ЛРОЗ за счет снятия наклепа.

Для определения конкретных граничных условий эксплуатации сварных соединений из сталей марок 10Х18Н9, 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т необходимо было оценить их трещиностойкость применительно к использованию в конструкциях реакторных установок БН-800 и БН-1200. На основании предварительных экспериментов для этого была использована тавровая проба, объективно имитирующая работу наиболее жестких сварных узлов высокотемпературных энергетических установок. На рис. 8 показаны построенные на основании полученных экспериментальных данных

температурные зависимости склонности аустенитных сталей различных марок к локальным разрушениям. Полученная зависимость позволяет производить экстраполяцию результатов на область и более низких температур и, соответственно, более длительного времени до момента появления трещин.

Построенные зависимости (рис. 8) могут использоваться для ориентировочной оценки (с некоторым запасом) времени до появления локальных разрушений в сварных соединениях деталей из аустенитных сталей, стабилизированных титаном, при различных температурах. Например, в сварных конструкциях из стали 12Х18Н10Т с рабочей температурой до 500°С можно ожидать появления ЛРОЗ не ранее, чем через 10000 часов эксплуатации.

Т(°С)

900

700

600

500

С 1*

о с Оч» N Ьч Л 1 1

г X N

Рис. 8. Температурно-временная зависимость стойкости против ЛРОЗ сварных соединений деталей из сталей 12Х18Н10Т (•, 0), 10Х18Н9 (х), 08Х16Н11МЗ("), «347» (ж, Д); действующие энергоблоки (Д, 0); о - трещин нет

ю'

10! X, час.

По экспериментальным данным, приведенным на рис. 8, было проведено сравнение стойкости к ЛРОЗ сварных соединений сталей 10X18Н9 и 08Х16Н11МЗ, т.е. малосклонной и не склонной к локальным разрушениям. Через точки, соответствующие результатам испытаний тавровых проб из сталей 10X18Н9 и 08Х16Н11МЗ, были проведены прямые, ограничивающие область времени до образования трещин (рис. 9). Из полученных результатов следует, что без проведения аустенизации длительность безопасной эксплуатации сварных соединений деталей из стали 10Х18Н9 при температуре 520°С составляет 25 лет, а из стали 08Х16Н11МЗ - превышает 60 лет.

800

700

600

ччч

Нет трещшГ^^. сч Есть трещщ ч ы

Температура эксплужт ИНН ч ч V

N

Рис. 9. Стойкость сварных соединений деталей из сталей 10X18Н9 (—) и 08Х16Н11МЗ (—) против образования трещин в околошовной зоне

1 7 25 60 Т, годы

17

Таким образом, исследования показали, что по критерию стойкости против JIP03 срок эксплуатации сварных соединений деталей из стали 10Х18Н9 без проведения аустенизации составляет менее 30 лет. Однако такая оценка консервативна, поскольку получена при испытаниях толстостенных сварных соединений при напряжении, достигающем предела текучести. В связи с этим в каждом конкретном случае необходимо выполнять уточненную количественную оценку стойкости против ЛРОЗ сварных соединений деталей из стали 10Х18Н9 с учетом величины напряжений, толщины стыка и других факторов.

Для этой цели в работе впервые был использован метод испытания кольцевых образцов с клиновой прорезью при нагрузке в условиях ползучести (релаксации напряжений). Эти испытания позволили описать временные зависимости с использованием величины пороговых значений коэффициента интенсивности напряжений Kth, отвечающих началу докритического медленного роста трещин. Испытания длительностью до 12000 часов проводили при температурах 500, 550, 600, 650, 750 и 800°С. Образцы для испытаний вырезали из сварных стыков толщиной 5, 10, 15, 25 и 40 мм. Результаты испытаний для стали марки 10Х18Н9 представлены параметрической зависимостью на рис. 4.10, где Т - температура эксплуатации (Кельвин); т - время эксплуатации

(ч); п - коэффициент ползучести; С - постоянная; — 1,25сг, где о -величина рабочего напряжения, £ - длина трещины равная 2 мм.

к,.

kt/MMw 60

то за

25

20

15

10

Рис. 10. Параметрическая зависимость трещиностойкости сварных соединений деталей различной толщины из аустенитной стали 10Х18Н9

Теперь, при наличии построенных зависимостей (рис. 10), можно выполнять практические инженерные оценки времени до образования ЛРОЗ для конкретных сварных конструкций из аустенитных сталей различных марок. Для этого необходимо располагать уровнем рабочих напряжений (с учетом остаточных сварочных) и параметрами эксплуатации. Такая оценка, в частности, позволяет определять необходимость аустенизации после сварки конструкций из нестабилизированной стали марки 10Х18Н9 для каждого конкретного случая.

Выполненные расчеты и проведенные исследования, результаты которых представлены в главе IV, показали и обосновали возможность продления срока службы до 60 лет сварных конструкций реакторных установок на быстрых нейтронах по длительной прочности, склонности к тепловому охрупчиванию и старению, а также по склонности к локальным разрушениям в околошовной зоне при правильном использовании в качестве конструкционных материалов -аустенитных сталей марок 08Х16Н11МЗ, 10Х18Н9,08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т.

В пятой главе показано промышленное использование результатов работы.

Для обеспечения современной атомной энергетики, основанной на технологии быстрых реакторов, сварочными материалами было освоено производство заготовок для сварочной проволоки марки Св-04Х17Н10М2 на отечественных металлургических заводах. Совместно с Челябинским металлургическим заводом ОАО «Мечел» разработаны и оформлены технические условия ТУ 14-134-359-97 «Заготовка кованая из стали марок Св-04Х17Н10М2, Св-04Х17Н10М2-ВИ». При этом в соответствии с рекомендациями работы при выплавке стали Св-04Х17Н10М2 для автоматической сварки была проведена корректировка заданного химического состава в сторону увеличения содержания хрома и снижения никеля (Изменение № 3 от 22.01.2007г. к ТУ 14-134-359-97).

В 2008 году освоено производство сварочной проволоки Св-04Х17Н10М2 на ОАО «МЗ «Электросталь». Учитывая технологические особенности производства на ОАО «МЗ «Электросталь» и рекомендации работы, содержание углерода в составе стали было ограничено до 0,05 масс.% и азота - до 0,04 масс.%, а также установлена минимальная монтажная норма 3,0 тонны при поставке («Протокол № 759 - 2009 согласования условий поставки проволоки стальной сварочной марки Св-04Х17Н10М2» и «Протокол согласования условий поставки проволоки стальной сварочной марки Св-04Х17Н10М2» от 26.04.2010г.). Для автоматической сварки под флюсом, в соответствии с рекомендациями работы, технические условия на изготовление сварочной проволоки были разработаны с учетом необходимости обеспечения в структуре повышенного количества феррита («Рекомендации С-08-09 от 09.02.2009»).

Выполненные технические мероприятия позволили разработать техническую документацию и организовать в промышленном масштабе производство сварочной проволоки марки Св-04Х17Н10М2 как для аргонодуговой сварки, так и, что особенно важно, для автоматической сварки под флюсом. Выпускаемая сварочная проволока обеспечивает получение требуемой структуры металла шва сварного соединения и успешно используется при изготовлении и ремонте реакторных установок на быстрых нейтронах, в том числе при изготовлении строящейся установки БН-800.

Второй важной задачей для практической реализации результатов работы являлась оценка необходимости проведения и выбор режимов термической обработки сварных конструкций реакторных установок типа БН из аустенитных хромоникелевых сталей с целью снижения напряжений и повышения стойкости соединений против ЛРОЗ, а также вязкости разрушения. Для этого в лабораторных и промышленных условиях исследовали влияние температуры и длительности аустенизации, величины предварительного наклепа, условий растрескивания при термообработке, технологии сварки и других факторов на структуру, механические свойства и стойкость против образования трещин в ОШЗ сварных соединений деталей из аустенитных сталей различных марок.

В результате исследований установлены основные закономерности, на основании которых разработаны следующие практические рекомендации:

• проведение термической обработки (аустенизации) является необходимым:

- во всех случаях - для сварных соединений из аустенитных хромоникелевых сталей марок 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т, стабилизированных титаном;

- в сложных условиях эксплуатации (по конструкции, нагрузке и температуре) - для стали марки 08Х18Н9, не стабилизированной титаном;

• при наличии ' наклепа металла сварных соединений более 6% аустенизация обязательна во всех случаях, независимо от марки стали и причин его возникновения до или после сварки;

• при выполнении термической обработки необходимо соблюдать следующие условия:

- использовать наиболее высокую скорость нагрева сварных изделий в интервале температур 600...850°С,

- использовать ступенчатую термообработку;

• с учетом вышеперечисленных условий термообработку (аустенизацию) следует проводить по режиму:

- температура аустенизации - 950 или 1050°С в зависимости от сложности конструкции и параметров эксплуатации,

- температура печи при загрузке сварных конструкций - не выше 300°С,

- скорость нагрева до 600°С - не выше 200 °С/ч,

- выдержка при 600°С - в течение 1 часа,

- дальнейшая скорость нагрева от 600°С - по мощности печи.

Выполнение сформулированных требований к термической обработке

сварных соединений деталей из аустенитных сталей РУ типа БН позволяет повысить эксплуатационную надежность и срок службы оборудования за счет: уменьшения концентрации напряжений, снижения уровня термических и остаточных сварочных напряжений, уменьшения вероятности выделения в структуре стали охрупчивающих вторичных фаз, исключения опасности образования трещин в процессе термообработки и коробления конструкций.

Разработанные практические рекомендации по термической обработке сварных конструкций из аустенитных сталей реакторных установок на быстрых нейтронах внесены в техническую документацию (Извещение РД-6-90.7498 от 01.09.2003г. об изменении РД 5.90.2509-87 «Термическая обработка заготовок, деталей и сварных узлов из аустенитных сталей для оборудован™ атомных энергетических установок с ректорами на быстрых нейтронах. Инструкция»),

Таким образом, в результате выполненных исследований и технических мероприятий сформулированы практические рекомендации, разработаны технические условия и реализовано в промышленном масштабе изготовление сварочной проволоки Св-04Х17Н10М2 с нормируемым количеством ферритной фазы в структуре, а также определены условия необходимости и отработаны конкретные режимы проведения термической обработки сварных конструкций из сталей 10Х18Н9, 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т и разработана техническая документация на ее проведение. Результаты работы используются при изготовлении строящейся реакторной установки БН-800, проектировании установки БН-1200 и ремонте существующих установок на быстрых нейтронах.

Общие выводы

1. В результате проведенных комплексных экспериментальных исследований влияния химического состава и структуры аустенитных сталей на кратковременные и длительные свойства сварных соединений реакторных установок на быстрых нейтронах, а также выполненных экспериментально-теоретических расчетов допустимого срока их эксплуатации разработаны и научно обоснованы практические рекомендации для выбора и регламентирования применения конструкционных и сварочных материалов при проектировании и изготовлении сварных конструкций оборудования и трубопроводов АЭУ и продления их ресурса до 60 лет.

2. Установлена корреляция между количеством феррита в структуре сварочной проволоки и наплавленного металла и выявлены необходимые условия, обеспечивающие получение в структуре наплавленного металла ферритной фазы в требуемых пределах от 2,0 до 5,0 объемн.% при использовании проволоки марки Св-04Х17Н10М2 и наиболее перспективных способов сварки - аргонодуговой и автоматической под флюсом. Показано, что регламентированные пределы по количеству феррита в структуре проволоки должны составлять: от 2,5 до 4,5 объемн.% - для ручной аргонодуговой сварки и от 4,0 до 7,0 объемн.% - для автоматической сварки под флюсом. Исследовано влияние химического состава и технологии выплавки на фазовый состав металла сварочной проволоки и определены ограничения по содержанию химических компонентов необходимые для получения требуемого количества феррита в структуре проволоки.

3. Методами линейной экстраполяции по модели межзеренного разрушения и параметрическим - по Ларсену-Миллеру-Холломону выполнено прогнозирование длительной прочности металла шва различных аустенитных сталей применительно к аргонодуговому и автоматическому под флюсом способам сварки с использованием сварочного материала - проволоки марки Св-04Х17Н10М2. Получены значения длительной прочности металла шва: при температуре эксплуатации 530°С - стд п. = 160 МПа и при 600°С - ад п. = 90 МПа. Показано, что по жаропрочным свойствам металл шва соответствует конструкционной стали 08Х16Н11МЗ, что обеспечивает равнопрочность сварного соединения.

4. Экспериментально изучены структурные изменения и деградация свойств металла шва соединений, выполненных с использованием сварочной проволоки Св-04Х17И10М2, в температурно-временных условиях эксплуатации реакторных установок на быстрых нейтронах. Установлено, что после эксплуатации длительностью до 60 лет в структуре металла шва образуется не более ~ 3,0 объемн.% сигма-фазы, что не оказывает существенного влияния на его эксплуатационные свойства. Показано положительное влияние термообработки (аустенизации) на устойчивость металла шва к старению и тепловому охрупчиванию.

5. Разработана и обоснована методика и предложен специальный критерий для количественной оценки сопротивляемости локальным разрушениям в околошовной зоне сварных соединений деталей из аустенитных сталей, характеризующихся значительной неоднородностью структуры, свойств и скорости ползучести основного металла, металла шва и околошовной зоны. Показано, что разработанная методика, базирующаяся на основных положениях

механики разрушения и использующая в качестве количественного критерия пороговое значение предложенного коэффициента интенсивности напряжений К,ь, позволяет более объективно и достоверно оценивать трещиностойкость сварных соединений аустенитных сталей различных марок, что подтверждено сопоставлением расчетных данных с результатами, полученными при эксплуатации сварных соединений оборудования АЭС.

6. Выполнена количественная оценка трещиностойкости сварных соединений деталей из аустенитных сталей различных марок в температурно-временных условиях эксплуатации реакторных установок на быстрых нейтронах. Установлено, что причиной хрупких разрушений в околошовной зоне сварных соединений является выделение хрупких вторичных карбидных фаз в теле аустенитных зерен, что блокирует внутризеренную деформацию, а также формирование в структуре сталей по границам зерен сплошных прослоек из этих включений (грубое множественное скольжение). Хрупкое разрушение реализуется в этом случае при ползучести на микроуровне по сдвиговому механизму и тем вероятнее, чем больше жесткость сварных стыков и уровень рабочих напряжений.

7. Показана возможность повышения эксплуатационной надежности и срока службы сварных соединений оборудования из аустенитных сталей реакторных установок типа БН путем термической обработки за счет уменьшения концентрации напряжений, снижения уровня термических и остаточных напряжений, уменьшения склонности к образованию в структуре стали вторичных охрупчивающих карбидных фаз, исключения опасности образования трещин и коробления конструкций. Сформулированы условия необходимости проведения термообработки и требования к ней. Отработаны конкретные режимы термообработки сварных соединений деталей из сталей различных марок с учетом сложности и массы конструкции, технологии ее изготовления и параметров эксплуатации.

8. На основании проведенных исследований и выполненных расчетов обоснована возможность продления срока службы до 60 лет сварных конструкций реакторных установок на быстрых нейтронах по длительной прочности, склонности к старению и тепловому охрупчиванию и склонности к локальным разрушениям в околошовной зоне с использованием: разработанных практических рекомендаций, наиболее перспективных способов сварки -аргонодуговой и автоматической под флюсом, аустенитных сталей марок 08Х16Н11МЗ, 10Х18Н9, 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т - в качестве конструкционных материалов, проволоки марки Св-04Х17Н10М2 - в качестве сварочного материала.

9. Показано, что значительным преимуществом обладает хромоникельмолибденовая сталь 08Х16Н11МЗ, которая может применяться без ограничений по условиям эксплуатации и без проведения термической обработки. Сталь 10Х18Н9, не стабилизированная титаном, может применяться ограниченно в зависимости от условий эксплуатации, причем с обязательным рассмотрением в каждом конкретном случае необходимости термической обработки. Стабилизированные титаном стали марок 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т могут использоваться в сварных конструкциях РУ типа БН выборочно при наименее жестких эксплуатационных параметрах и с обязательным проведением термической обработки после сварки.

10. В результате выполненных исследований и технических мероприятий сформулированы практические рекомендации, разработана и утверждена техническая документация на изготовление сварочной проволоки Св-04Х17Ш0М2 с нормируемым количеством ферритной фазы в структуре, применение конструкционных сталей марок 08Х16Н11МЗ, 10Х18Н9Т, 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т и проведение термической обработки сварных конструкций из них при монтаже оборудования реакторных установок типа БН.

11. Результаты работы использованы при изготовлении наиболее ответственных конструктивных узлов I контура строящейся реакторной установки на быстрых нейтронах БН-800, в частности корпуса реактора и основного оборудования, а также используются при изготовлении оборудования новой и ремонте существующих установок типа БН на АЭС и ряде заводов-изготовителей: ОАО «Машиностроительный завод «ЗиО-Подольск», ОАО «Уралхиммаш», ОАО «Балтийский завод», ОАО «Кировский завод» и других. В промышленном масштабе на российских заводах ОАО «ЧМК» и ОАО «МЗ «Электросталь» освоено производство заготовок для сварочной проволоки марки Св-04Х17Н10М2 с регламентированным содержанием феррита и производство тонкой - 0 от 1,0 до 1,6 мм сварочной проволоки.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Николаев Ю.К., Зеленин Ю.В., Кондратьев С.Ю. Влияние структуры металла шва на характер разрушения сварных соединений аустеннтных сталей//Научно-технические ведомости СПбГПУ. Серия «Наука и образование». - 2011. - № 2 (122). - С. 120-128.

2. Ланин A.A., Ананьева М.А., Галяткин С.Н., Зеленин Ю.В. Природа и методы определения стойкости против хрупких разрушений сварных соединений // Вопросы материаловедения. - 2007. - № 3 (51). - С. 230-236.

3. Ананьева М.А., Карзов Г.П., Зеленин Ю.В. Локальные разрушения в околошовной зоне сварных соединений // Вопросы материаловедения. -2004. - № 3 (39). - С. 62-70.

4. Карзов Г.П., Николаев Ю.К., Зеленин Ю.В. Влияние содержания кремния и углерода на тепловое охрупчивание хромоникелевого аустенито-ферритного металла шва // Вопросы материаловедения. - 2000. - № 4 (26). -С. 58-62.

5. Левченко A.M., Зеленин Ю.В. Расчетно-экспериментальный метод ускоренного определения диффузионного водорода в наплавленном металле // Электротехническая промышленность. - 1983. - Вып. 5 (80). - С. 7-9.

6. Ананьева М.А., Дубровин Е.З., Зеленин Ю.В. Хрупкие повреждения при высоких температурах разнородных сварных соединений трубопроводов острого пара и промперегрева оборудования АЭС // Сб. тр. НПО ЦКТИ им. И.И. Ползунова «Ресурс и надёжность материалов и сварных соединений энергетических установок.» - 2002. - Вып. 286. - С. 118-127.

7. Ананьева М.А., Зеленин Ю.В. Обоснование безаварийного ресурса сварных соединений аустенитной стали с учётом технологи сварки и напряжённого состояния конструкции // Сб. тр. СПбГТУ «Металлургия сварки и сварочные материалы». - 1998. - С. 231-238.

8. Петрушин И.В., Зеленин Ю.В. Применение электронно-лучевой технологии сварки для соединения труб с трубными решетками из сплава

23

ЭП 864. / В сб. материалов науч.-практ. конф. 24-25 апр. «Достижения ленинградских учёных и производственных коллективов в области сварки за 1983 год» / Под ред. В.В. Башенко и A.M. Левченко. - Л.: Б. и., 1984. - 107 с.

9. Николаев Ю.К., Зеленин Ю.В., Орлов Д.П. Хрупкие разрушения сварных соединений стали 20Х10Н14С2 при высокотемпературной эксплуатации // Труды 6-ой международной конференции «Проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС» 17-21 июня 2002г. ЦНИИ КМ «Прометей». - 2002. - Сб. №2.-С. 387-400.

10. Николаев Ю.К., Зеленин Ю.В., Тимофеев Б.Т., Кулаженков П.А. Влияние технологических факторов на склонность к межкристаллитному коррозионному растрескиванию сварных соединений трубопроводов АЭС из аустенитной стали марки 08X18Н10Т // Труды 7-ой международной конференции «Проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС» 19-23 июня 2000г. ЦНИИ КМ «Прометей». - 2000. - Сб. №3,-С. 40-58.

11. Ананьева М.А., Галяткин С.Н., ЛанинА.А., Зеленин Ю.В. Трещиностойкость сварных соединений работающих в режиме ползучести высокотемпературных энергетических установок//Тр. 10-ого Всероссийского научно-практического семинара «Обеспечение безопасности и экономичности энергетического оборудования» ноябрь 2004г. НПО ЦКТИ им. И.И. Ползунова. -2004.-С. 195-209.

12. Карзов Г.П., Бережко Б.И., Зеленин Ю.В. Пят-RU 2261161 С1 В 23 К 35/30, С 22 С 38/50. Состав сварочной проволоки.

13. Ананьева М.А., Зимин Г.Г., Зеленин Ю.В. и др. Авт. Св. RU1690413 А1В 23 К 35/30, С 22 С 38/50. Сплав на основе железа.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 28.04.2011. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 7560Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Введение

ГЛАВА I. Анализ современного состояния технологии изготовления крупногабаритных сварных конструкций реакторных установок на быстрых нейтронах

1.1. Эксплуатационные и конструктивные особенности реакторных установок на быстрых нейтронах

1.2. Корпусные материалы, используемые для изготовления реакторных установок на быстрых нейтронах

1.3. Сварочные материалы и особенности технологии сварки при изготовлении реакторных установок на быстрых нейтронах

1.3.1. Технологическая прочность металла шва

1.3.2. Механические свойства металла шва

1.3.3. Тепловое охрупчивание металла шва

1.3.4. Длительная прочность металла шва

1.4. Характер эксплуатационных повреждений и долговечность сварных соединений оборудования реакторных установок на быстрых нейтронах

1.5. Способы повышения качества сварных соединений узлов реакторных установок типа БН

1.5.1. Технологическая прочность металла шва при сварке

1.5.2. Равнопрочность сварных соединений

1.5.3. Стабильность механических свойств металла шва в процессе высокотемпературной эксплуатации

1.5.4. Длительная прочность металла шва

1.6. Цель работы и постановка задач исследования

ГЛАВА II. Материалы и методика исследования

2.1. Материалы исследования

2.2. Изготовление сварочных проб и схема вырезки образцов

2.3. Исследование микроструктуры и фазового состава сталей 68 2.3.1. Определение количества ферритной фазы в структуре сварочной проволоки и наплавленного металла

2.4. Определение механических свойств металла шва и сварных Соединений

2.5. Определение склонности металла шва к тепловому охрупчиванию и термическому старению

2.6. Определение длительной прочности металла шва и сварных соединений

2.7. Определение трещиностойкости

ГЛАВА III. Выбор сварочных материалов и исследование металла шва

3.1. Сравнительный анализ и выбор сварочных материалов для оборудования установок БН-800 и БН

3.2. Корреляция между количеством феррита в структуре сварочной проволоки и наплавленного металла с учетом способа сварки

3.2.1. Аргонодуговая сварка

3.2.2. Автоматическая сварка под флюсом

3.3. Влияние технологии выплавки на количество ферритной фазы в структуре металла сварочной проволоки

Развитие современного цивилизованного общества указывает на то, что крупномасштабная атомная энергетика может быть востребована гораздо раньше, чем прогнозировалось ещё совсем недавно. В соответствии с этим, интенсивное развитие атомной энергетики является основой Энергетической стратегии России на период до 2030 г., утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 28.08.2003 № 1234-р и предусматривающей увеличение производства электроэнергии на атомных электростанциях в 4 раза. В настоящее время доля производства электроэнергии на АЭС в России составляет 16. 17 % (для сравнения: в Западной Европе 43 %, Франции 76 %, Японии 36 %, Северной Америке 19 %). Действующие мощности АЭС являются системообразующими в европейской части России с долей поставки электроэнергии на Федеральный оптовый рынок энергии и мощности 41 %. Рост потребления электроэнергии в стране с 1999 г. обеспечивается на 90 % за счет ее выработки на АЭС.

В настоящее время проблемами электроэнергетики России, требующими неотложного решения, являются, во-первых, необходимость замещения отслуживших срок мощностей ТЭС за счет строительства и ввода в эксплуатацию новых АЭС; во-вторых, продление срока службы энергоблоков первого и второго поколений* действующих АЭС, установленный расчетный срок службы которых составляет 30 лет. В качестве основных задач для решения этих проблем определены: продление установленного срока службы действующих энергоблоков на 10-20 лет и строительство новых энергоблоков третьего поколения.

Имеющиеся мировые запасы природного урана не могут обеспечить устойчивого долговременного развития атомной энергетики, используя реакторы на тепловых нейтронах. Однако применение технологии реакторов на быстрых нейтронах с замкнутым топливным циклом кардинально увеличивает потенциал по топливообеспечению АЭС. Поэтому атомную энергетику будущего предусматривается развивать на основе технологии реакторных установок на быстрых нейтронах (РУ типа БН), использующих для поддержания цепной ядерной реакции нейтроны с энергией > 105 эВ.

Россия- обладает уникальным, не имеющим аналогов в мире, опытом разработки и эксплуатации энергоблоков АЭС с реакторами на быстрых нейтронах: 20 лет успешной эксплуатации энергоблока БН-350 и действующего энергоблока № З БН-600 Белоярской АЭС. За время эксплуатации этих энергоблоков была решена поставленная при их сооружении задача: проверка длительной, эффективной и безопасной работы энергоблока с реактором на быстрых нейтронах и натриевым теплоносителем. Особенности натриевой технологии, повышенные меры безопасности, консервативный выбор проектных решений первых реакторов типа БН - БН-350 и БН-600 - стали причинами более высокой их стоимости по сравнению с реакторами, охлаждаемыми водой. При создании следующих реакторных установок на быстрых нейтронах - БН-800 и БН-1200, предназначенных для массового использования в атомной энергетике, значительно больше внимания уделяется их технико-экономическим характеристикам- для того, чтобы по удельным капитальным затратам приблизиться к ВВЭР-1000 — основному типу отечественных энергетических реакторов на медленных нейтронах.

Однако переход к серийному сооружению атомных энергетических установок с реакторами на быстрых нейтронах (АЭУ типа БН) осложнен многими неотработанными в промышленном масштабе технологическими процессами и нерешенными вопросами. Прежде всего, возрастание сложности, масштабности и потенциальной опасности энергетических объектов резко обостряют проблему обеспечения их надежности и безопасности, высокий уровень которых является главным условием функционирования атомной энергетики. Решение вопроса обеспечения надежности и безопасной эксплуатации АЭУ является приоритетным при строительстве новых и эксплуатации действующих энергоблоков. Наиболее актуален этот вопрос для установок типа БН,. работающих на сверхвысоких параметрах (Ттах = 550°С) с использованием жидкометаллического теплоносителя. Это требует от ученых, инженеров, специалистов поиска принципиально новых подходов к решению проблем надёжности и безопасности АЭС, причем использование традиционных конструкторских методов при таких условиях эксплуатации становится неэффективным.

Совершенствование современных энергоустановок с целью улучшения их технико-экономических показателей при одновременном повышении уровня безопасности неразрывно связано с использованием конструкционных металлических материалов. При этом основное внимание со стороны промышленных предприятий, научных и проектных организаций должно уделяться не увеличению металлоемкости, а повышению качества конструкций за счет повышения эксплуатационных свойств применяемых сталей и сплавов и обоснованного регламентирования рабочих параметров их эксплуатации. Такой подход необходимо применять на всех стадиях жизни энергетического оборудования, а именно: на стадии проектирования, изготовления, монтажа и эксплуатации. Важно также учитывать, что изготовление наиболее ответственных деталей и узлов установок БН-800, БН-1200 и др. невозможно в заводских условиях из-за размеров конструкции (О корпуса > 13 метров), массы деталей и, как следствие, значительных сложностей при сборке и монтаже оборудования, которые возможно выполнить только непосредственно на атомной станции. В связи с этим, учитывая, что надежная и безопасная работа энергетических объектов в значительной степени определяется именно крупногабаритными элементами конструкции, возникают дополнительные технологические сложности, связанные с необходимостью проведения при монтаже энергооборудования таких операций, как сварка и термическая обработка. Вследствие этого особое значение приобретают обеспечение и контроль качества сварных соединений изготавливаемого оборудования и требования к используемым материалам. В то же время, сварные соединения оборудования и трубопроводов АЭУ, в первую очередь корпуса ядерного реактора и оборудования I контура, изготовленные из аустенитных сталей, были и остаются одними из наиболее ответственных конструктивных элементов. Таким образом, обоснование выбора и регламентирование применения конструкционных и сварочных материалов для оборудования атомных реакторных установок на быстрых нейтронах, а также определение остаточного ресурса оборудования энергоблоков и продление срока их эксплуатации свыше 30 лет являются важными и актуальными задачами современного металловедения. Решение их являлось предметом исследований данной диссертационной работы.

Работа выполнена как часть научных исследований, проводимых в:

- ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» в рамках Федеральных целевых программ «Национальная технологическая база» на 2002-2006 годы и 2007-2011 годы, утвержденных постановлениями Правительства РФ № 779 от 08.11.2001г. (ред. от 13.11.2001г.) и № 54 от 29.01.2007г., раздел «Технологии новых материалов», а также на основании Государственного контракта №41.600.1.4.0014 от 31.01.2002г. с Министерством промышленности, науки и технологий РФ;

Санкт-Петербургском государственном политехническом университете в рамках Федеральной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2010-2011 годы)», мероприятия по разделу 2.1.2. «Проведение фундаментальных исследований в области технических наук» по проекту №2.1.2/6955.

Целью работы является повышение качества металла шва и околошовной зоны сварных соединений деталей из аустенитных сталей на основе разработки и обоснования рекомендаций по выбору конструкционных и сварочных материалов и режимов термической обработки для обеспечения повышенной работоспособности реакторных установок на быстрых нейтронах.

Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:

1. Исследование корреляции между количеством ферритной фазы в структуре сварочной проволоки и наплавленного металла при использовании проволоки марки Св-04Х17Н10М2 и наиболее перспективных способов сварки - аргонодуговой и автоматической под флюсом.

2. Исследование влияния химического состава и технологии выплавки на фазовый состав металла сварочной проволоки с выявлением определяющих технологических факторов.

3. Определение кратковременных механических свойств и длительной прочности сварных соединений, выполненных различными способами, применительно к деталям установок БН-800 и БН-1200.

4. Исследование влияния температурно-временного воздействия на структуру и склонность к старению и тепловому охрупчиванию металла шва аустенитных сталей.

5. Разработка на основе результатов испытаний с учетом анализа существующих методик специального критерия разрушения, позволяющего более объективно и достоверно оценивать трещиностойкость сварных соединений из аустенитных сталей, отличающихся значительной неоднородностью структуры, свойств и скорости ползучести основного металла, металла шва и околошовной зоны.

6. Изучение механизма образования трещин в околошовной зоне и оценка склонности к локальному разрушению в околошовной зоне (ПРОЗ) сварных соединений деталей из аустенитных сталей в условиях работы I контура реакторных установок (РУ) БН-800 и БН-1200 с учетом влияния термической обработки.

7. Разработка и обоснование рекомендаций по выбору конструкционных и сварочных материалов для изготовления сварных соединений деталей из аустенитных сталей оборудования и трубопроводов АЭС с реакторами на быстрых нейтронах.

8. Разработка технической документации на промышленное изготовление сварочных материалов, обеспечивающих регламентируемое содержание а-фазы в структуре металла шва аустенитных сталей при различных спо собах сварки, и проведение термической обработки сварных конструкций при монтаже оборудования РУ типа БН.

9. Разработка и промышленное опробование технологии сварки наиболее ответственных конструктивных узлов I контура реакторных установок типа БН и оценка возможности обеспечения ресурса до 60 лет реакторных установок БН-600, БН-800 и БН-1200 с использованием разработанных и обоснованных в работе практических рекомендаций.

Научная новизна диссертационной работы:

- установлена корреляция между количеством феррита в структуре сварочной проволоки марки Св-04Х17Н10М2 и наплавленного металла при сварке аустенитных сталей, а также выявлено влияние химического состава и технологии выплавки на фазовый состав металла сварочной проволоки;

- различными методами выполнено прогнозирование длительной прочности металла шва аустенитных сталей, полученного аргонодуговым и автоматическим под флюсом способами сварки с использованием сварочной проволоки Св-04Х17Н10М2. Установлено, что при температуре эксплуатации 530°С ад.п. составляет 160 МПа, при 600°С - 90 МПа;

- изучено изменение структуры и свойств металла шва сварных соединений, выполненных с использованием проволоки- Св-04Х17Н10М2, в температурно-временных условиях эксплуатации реакторных установок на быстрых нейтронах. Показано, что после эксплуатации длительностью до 60 лет в структуре металла шва образуется не более —3,0 объемн.% сигма-фазы, что не оказывает существенного влияния на его эксплуатационные свойства;

- выявлен механизм хрупких разрушений в околошовной зоне сварных соединений деталей из аустенитных сталей различных марок, заключающийся в выделении хрупких вторичных карбидных фаз в теле аустенитных зерен и формировании сплошных прослоек по границам зерен, что блокирует внутризеренную деформацию и приводит к ослаблению границ;

- показана возможность повышения эксплуатационной надежности и срока службы сварных соединений аустенитных сталей оборудования РУ типа БН путем термической обработки за счет уменьшения концентрации напряжений, снижения уровня термических и остаточных напряжений, уменьшения склонности к образованию в структуре сталей вторичных охрупчивающих карбидных фаз, исключения опасности образования трещин и коробления конструкций;

- предложен и обоснован специальный критерий для количественной оценки сопротивляемости локальным разрушениям в околошовной зоне сварных соединений деталей из аустенитных сталей, учитывающий значительную неоднородность структуры, свойств и скорости ползучести основного металла, металла шва и околошовной зоны. Выполнена количественная оценка трещиностойкости сварных соединений деталей из аустенитных сталей в условиях эксплуатации реакторных установок типа БН.

Практическая значимость результатов работы:

- сформулированы практические рекомендации, разработана и утверждена техническая документация на изготовление сварочной проволоки Св-04Х17Н10М2 с нормируемым количеством ферритной фазы в структуре, применение сталей марок 08Х16Н11МЗ, 10Х18Н9, 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т и проведение термической обработки сварных конструкций из них при монтаже оборудования реакторных установок типа БН;

- обоснована возможность продления срока службы до 60 лет сварных соединений реакторных установок на быстрых нейтронах по длительной прочности, склонности к старению и »тепловому охрупчиванию и склонности к локальным разрушениям в околошовной зоне;

- сформулированы условия необходимости и требования к проведению термической обработки сварных соединений деталей из аустенитных сталей, обеспечивающие повышение работоспособности реакторных установок на быстрых нейтронах. Отработаны конкретные режимы термообработки сварных соединений деталей из сталей различных марок с учетом сложности и массы конструкции, технологии изготовления и параметров эксплуатации;

- разработана методика, базирующаяся на основных положениях механики разрушения и использующая в качестве количественного критерия пороговое значение предложенного коэффициента интенсивности напряжений Кц,, позволяющая более объективно и достоверно оценивать трещино-стойкость сварных соединений деталей из аустенитных сталей;

- результаты работы использованы при изготовлении наиболее ответственных конструктивных узлов I контура реакторной установки на быстрых нейтронах БН-800, в частности корпуса реактора и основного оборудования, а также используются при проектировании оборудования строящейся БН-1200 и ремонте существующих установок типа БН на АЭС и ряде заводов-изготовителей: ОАО «Машиностроительный завод «ЗиО-Подольск», ОАО «Уралхиммаш», ОАО «Балтийский завод», ОАО «Кировский завод» и других. В промышленном масштабе на российских заводах ОАО «ЧМК» и ОАО «МЗ «Электросталь» освоено производство заготовок для сварочной проволоки марки Св-04Х17Н10М2 с регламентированным содержанием феррита и производство тонкой - 0 от 1,0 до 1,6 мм сварочной проволоки.

Основные положения, выносимые на защиту;

1. Разработанные и обоснованные рекомендации для выбора и регламентирования применения конструкционных и сварочных аустенитных материалов при проектировании и изготовлении сварных конструкций оборудования и трубопроводов АЭУ и продления их ресурса до 60 лет.

2. Необходимые условия, обеспечивающие получение в структуре наплавленного металла ферритной фазы в требуемом количестве (от 2,0 до 5,0 объемн.%) при использовании сварочной проволоки марки Св-04Х17Н10М2 и наиболее перспективных способов сварки - аргонодуговой и автоматической под флюсом.

3. Результаты экспериментальных исследований влияния химического состава и структуры аустенитных сталей на кратковременные и длительные свойства сварных соединений реакторных установок на быстрых нейтронах.

4. Результаты экспериментально-теоретических расчетов допустимого срока эксплуатации сварных соединений деталей из аустенитных сталей реакторных установок на быстрых нейтронах.

5. Результаты исследований структурных изменений и деградации свойств металла шва сварных соединений, выполненных с использованием сварочной проволоки Св-04Х17Н10М2, в температурно-временных условиях эксплуатации реакторных установок на быстрых нейтронах.

6. Механизм хрупких разрушений в околошовной зоне сварных соединений деталей из аустенитных сталей различных марок.

7. Методика и специальный критерий- для количественной оценки сопротивляемости локальным разрушениям в околошовной зоне сварных соединений деталей из аустенитных сталей.

8. Условия необходимости и требования к проведению термической обработки сварных соединений деталей из аустенитных сталей, обеспечивающие повышение работоспособности реакторных установок на быстрых нейтронах.

Достоверность положений, выводов и рекомендаций диссертации подтверждена большим объемом экспериментальных исследований и расчетов и сравнением полученных данных с результатами других авторов; использованием современных методов испытаний, аналитического оборудования, математического аппарата; успешной проверкой предлагаемых технических решений в условиях промышленного изготовления и эксплуатации сварных конструкций из аустенитных сталей реакторных установок АЭС.

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в постановке задач исследования, разработке методов испытаний материала сварных соединений деталей из аустенитных сталей, проведении экспериментов и выполнении расчетов, обработке полученных результатов и формулировании выводов, разработке и внедрении практических рекомендаций для изготовления и эксплуатации сварных конструкций реакторных установок на быстрых нейтронах.

Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Всероссийская конференция «Металлургия сварки и сварочные материалы», октябрь 19-20, 1998, Санкт-Петербург; Шестая Международная конференция «Проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС», июнь 19-23, 2000, Санкт-Петербург; Седьмая Международная конференция «Проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС», июнь 17-21, 2002, Санкт-Петербург; Десятый Всероссийский научно-практический семинар «Обеспечение безопасности и экономичности энергетического оборудования», ноябрь 17-19, 2004, Санкт-Петербург.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 13 работах, включая 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК России, 1 патент РФ и 1 авторское свидетельство РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 200 страницах, содержит: 32 таблицы, 51 рисунок и 6 приложений. Библиографический список включает 78 наименований.

11. Результаты работы использованы при изготовлении наиболее ответственных конструктивных узлов I контура строящейся реакторной установки на быстрых нейтронах БН-800, в частности корпуса реактора и основного оборудования, а также используются при изготовлении оборудования новой и ремонте существующих установок типа БН на АЭС и ряде заводов-изготовителей: ОАО «Машиностроительный завод «ЗиО-Подольск», ОАО «Уралхиммаш», ОАО «Балтийский завод», ОАО «Кировский завод» и других. В промышленном масштабе на российских заводах ОАО «ЧМК» и ОАО «МЗ «Электросталь» освоено производство заготовок для сварочной проволоки марки Св-04Х17Н10М2 с регламентированным содержанием феррита и производство тонкой - 0 от 1,0 до 1,6 мм сварочной проволоки.

5.3. Заключение

Таким образом, в результате выполненных исследований и технических мероприятий сформулированы практические рекомендации, разработаны технические условия и реализовано в промышленном масштабе изготовление сварочной проволоки Св-04Х17Н10М2 с нормируемым количеством ферритной фазы в структуре, а также определены условия необходимости и отработаны конкретные режимы проведения термической обработки сварных конструкций из сталей 10Х18Н9, 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т и разработана техническая документация на ее проведение. Результаты работы используются при изготовлении строящейся реакторной установки на быстрых нейтронах БН-800, проектировании установки БН-1200 и ремонте существующих установок типа БН.

1. Ядерные реакторы на быстрых нейтронах: Рос. научн.-техн. форум, 8-12 дек. 2003 г.: Тез. докл. конф. «Ядер, энерг. технологии с реакторами на быстрых нейтронах», 9-10 дек. 2003г. / Отв. Ред. Багдасаров Ю.Е. Обнинск: ГНЦ РФ ФЭИ, 2003. - 79 с.

2. Орлов В.В. Быстрые реакторы как основа большой ядерной энергетики. М.: НИКИЭТ, 2002. 13 с.7 I

3. AlanE. Walter, Albert В. Reynolds. Fast breeds reactors. New York etc., 1986.-578 p.

4. Чечина O.A. Промышленная АЭС SUPERPHENIX-1: Обзор по зару-беж. источникам 1978-1985 г.г. М.: ЦНИИатоминформ, 1985. — Вып. 8. - 24 е., 3 л. схем.

5. Атомная электростанция с реактором БН-600: Альбом схем/М-во энергетики и электрификации СССР, ГлавНИИпроект, Всесоюзный гос. проект, ин-т «Теплоэлектропроект». — М.: Теплопроект, 1980. — 9 л. схем.

6. Расчетный анализ вариантов активной зоны БН-800 с нитридным топливом / A.B. Васильев, П.А. Фоменко, В.А. Невиница и др. (Курчат, ин-т).-М.:Б.и., 2003.-22 с.

7. Казачковский О.Д. Реакторы на быстрых нейтронах: Научно-технические мемуары. Обнинск: ИАЭТ, 1995. - 135 с.

8. Баландин Ю.Ф. Конструкционные материалы для корпусов водоохла-ждаемых реакторов атомных электростанций: Аналитич. Обзор / ЦНИИ информ. и техн.-эконом. исслед. по атомн. науке и технике; АИНФ 327.-М.: Б.и., 1977. 52 с.

9. ЗемзинВ.Н. Жаропрочность сварных соединений. Л.: Машиностроение, 1972.-272 с.

10. Баландин Ю.Ф., ГорынинИ.В., Звездин Ю.И., Марков В.Г. Конструкционные материалы АЭС. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 280 с.

11. Высокопрочные аустенитные стали: Сб. статей / АН СССР, Ин-т металлургии им. А.А. Байкова. М.: Наука, 1987. - 142 с.

12. Механические свойства облученных аустенитных хромоникелевых сталей применительно к условиям работы корпусов и внутрикорпус-ных устройств реакторов СН-2 и БОР-бО. М.: ЦНИИатоминформ, 1986.- 15 с.

13. Singh Roghuuir, Ravikumar В., Kumar A., Deley P.K., Chattoraj I. The effects of cold working on sensitization and integranular corrosion behavior of AISI304 stainless steel // Metallurgical and Materials Transactions. -May 2003. V. 34A. - P. 1097-1105.

14. Оборудование и трубопроводы атомных энергетических установок. Сварка и наплавка. Основные положения: ПН АЭ Г-7-009-89. Сварные соединения и наплавки. Правила контроля: ПН АЭ Г-7-010-89. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 316 с.

15. Петров Г.Л., Земзин В.Н., Гонсеровский Ф.Г. Сварка жаропрочных нержавеющих сталей. М. - Л.: Машиностроение, 1963. — 248 с.

16. Медовар Б.И. Сварка жаропрочных аустенитных сталей и сплавов. — Изд. 3 перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1966. — 430 с.

17. Багрянский К.В., Добротина З.А., Хренов К.К. Теория сварочных процессов. Изд. 2 перераб. и доп. - Киев.: Вища школа, 1976. — 423 с.

18. J.V. Vitek, Y.S. Iskander, E.M. Oblow. Improved ferrite number prediction in stainless steel Arc welds using artificial neural networks // Welding Journal. Februar 2000. - V.79. - № 2. - P. 33-50.

19. Земзин B.H., Петров Г.Л. Влияние ферритной фазы на свойства аусте-нитного наплавленного металла//Сварочное производство. 1967. — №5.-С. 6-8.

20. Сварка и резка металлов: Справочник / Под ред. Е.В. Соколова. т. 1. -М.: Машиностроение, 1960. -406 с.

21. Шоршоров М.Х., Седых B.C., Земзин В.Н. и др. Влияние ферритной фазы на сопротивляемость аустенитных швов образованию горячих трещин // Сварочное производство. № 1. - 1960. - С. 1-4.

22. Акулов А.И. Технология сварки высоколегированных аустенитных сталей и сплавов: Учебное пособие / М-во образования РФ, Мое. гос. индустр. ун-т. М.: МГИУ, 2002. - 39 с.

23. Акулов А.И. Сварка в машиностроении: Справочник в 4-х т. — М.: Машиностроение, 1978. 462 с.

24. Ресурс и надёжность материалов сварных соединений энергетических установок // Тр. ЦКТИ им. И.И. Ползунова; под ред. Ю.К. Петрени. СПб.: НПО ЦКТИ, 2002. Вып. 286. - 12 с.

25. Chastell D J., Flewitt P.E.J The Formation of the a Phase during Long Term High Temperature Creep of Type 316 Austenitic Stainless Steel // Materials Science and Engineering. 1979. -V. 38. -№ 2. - P. 153-162.

26. Hall E.O., AlgieS.H. The sigma Phase // Journal of the Metals. -April 1966. V. 11. - Metallurgical Reviews. - P. 61-87.

27. Николаев Ю.К., Карзов Г.П. Тепловое охрупчивание хромоникелевого аустенитно-ферритного металла шва в связи с образованием сигма-фазы // Сб. «Прогрессивные материалы и технологии». СПб.: ЦНИИ КМ «Прометей», 1999. - № 3. - С. 18-22.

28. ГуроВ.Г., Иванова Т.И. Исследование пластичности металла околошовной зоны стали марок 08Х18Н10Т и Х18Н9 различной толщины // Вопросы судостроения. Сер. Сварка. 1974. - С. 78-80.

29. Иванова Т.И., Николаев Ю.К. Механические свойства металла околошовной зоны аустенитной стали марок Х18Н10Т и Х16Н9М2//С6. статей «Сварка». 1970. - № 13. - С. 52-57.

30. РД 5.90.2509-87. Термическая обработка заготовок деталей и сварных узлов из аустенитных сталей для оборудования атомных энергетических установок с реакторами на быстрых нейтронах.

31. Карзов Г.П., Николаев Ю.К., Зеленин Ю.В. Влияние содержания кремния и углерода на тепловое охрупчивание хромоникелевого аустенитно-ферритного металла шва // Вопросы материаловедения. 2000. -№4 (24).-С. 58-62.

32. Николаев Ю.К. Оценка экспериментальных температурных условий эксплуатации хромоникелевого аустенитно-ферритного металла шва // Автоматическая сварка. 1985. - № 1 (382). - С. 20-23.

33. Валовельский Д.Э., Малыгин А.Ф., Николаев Ю.К. Малоцикловая усталость хромоникелевой стали в связи с высокотемпературным охруп-чиванием // Вопросы судостроения. Сер. «Металловедение». 1982. -Вып. 35.-С. 3-10.

34. Иванова Т.И., Николаев Ю.К. Количественные характеристики теплового охрупчивания при старении аустенитного металла шва // Вопросы судостроения. Сер. «Сварка». 1978. - Вып. 26. - С. 3-7.

35. Hirishi Abe, Yutaka Watanabe. Low-temperature aging characteristic of type 316 L stainless steel welds: dependens on solidification mode // Metallurgical and Materials Transactions. June 2008. - V. 39A. -№6.-P. 1393-1398.

36. Singh P.K., Chattiras J. Low-temperature sensitization behavior of base, heat-affected zone and weld pool in AISI 304 LN // Metallurgical and Materials Transactions. May 2009. - V. 40A. - № 5. - P. 1219-1234.

37. Правила устройства и безопасности эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок, ПН АЭ Г-7-008-89г — М.: Энергоатомиздат, 1990. 168 с.

38. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок: ПН АЭ Г-7-002-86.-М.: Энергоатомиздат, 1989.-527 с.

39. Экспериментальное исследование причин повреждения верхней трубной доски 5 ПТО РУ БН-600. Технический отчёт по этапам 1, 2, 3 договора №381/623 от 11.01.2009г. СПб.: ЦНИИ КМ «Прометей», 2009. -62 с.

40. Konosu S., Hashimoto A., Meshiba М., Takesyima М., Ohtsuki Т. Greep Crack Growth of type 308 austenitic stainless steel weld metals // Welding Journal. August 1998. - V. 77. - № 8. - P. 322-327.

41. KuskoC.S., DupontJ.N., MarderA.R. Influence of stress ratio on fatigue crack propagation behavior of stainless steel welds//Welding Journal. -Februar 2004. V. 83. - № 2. - P. 59-64.

42. Xue Q., Gray G.T., Henrie B.L., Maloy S.A., Chen S.P. Influence of shock prestraining on the formation of shear localization in 304 stainless steel//Metallurgical and Materials Transactions. June 2005. - V. 36A.-№6.-P. 1471-1486.

43. Методика расчёта прочности основных элементов реакторных установок на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем. РД Э 01.1.1.09.0714-2007. М.: Энергоатомиздат, 2008. 186 с.

44. Ланин А.А., Ананьева М.А., Галяткин С.Н., Зеленин Ю.В. Природа и методы определения стойкости против хрупких разрушений сварных соединений//Вопросы материаловедения. 2007. - № 3 (51). - С. 320326.

45. Ананьева М.А., Зеленин Ю.В., Карзов Г.П. и др. Локальные разрушения в околошовной зоне сварных соединений разнородных стыков трубопроводов АЭС // Вопросы материаловедения. 2004. — № 3 (39). -С. 62-70.

46. Ананьева М.А., Ухабова З.Т. Изменение структуры и свойств околошовной зоны стали марок Х18Н9 и Х18Н10Т в процессе ползучести // Сб. статей «Сварка». 1971. - № 14. - С. 74-80.

47. Нормы расчёта на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара горячей воды: РД 10-249-98. СПб. - 2002. - 384 с.

48. Николаев Ю.К., Образцова М.Н. Прогнозирование структурного состояния хромоникелевого аустенитно-ферритного металла шва типа 06Х17Н10М2 после высокотемпературного старения//Вопросы судостроения. Сер. «Сварка». 1985. - Вып. 3 (39-40). - С. 12-16.

49. Николаев Ю.К., Образцова М.Н. Кинетика старения аустенитно-ферритного металла шва типа 08X2 ОН 11МЗФ // Сварочное производство. 1980.-№ 10.-С. 8-9.

50. Николаев Ю.К., Ардентов В.В., Иванова Т.И. Прогнозирование склонности к длительному тепловому охрупчиванию аустенито-ферритного металла шва // Сварочное производство. 1979. - № 2. - С. 3-5.

51. Ананьева М.А., Бозина JI.A., Иванова Т.И., Кондратьева Н.С., Николаев Ю.К. Склонность аустенитного хромоникелевого металла шва к высокотемпературному тепловому охрупчиванию // Вопросы судостроения. Сер «Сварка». 1978. - Вып. 26. - С. 8-14.

52. Иванов K.M., Петров Г.Л. Влияние легирования аустенитно-ферритного металла шва на его тепловое охрупчивание // Сварочное производство. 1968. - № 2. у С. 1-3.

53. Гальперин М.А. О структурных и фазовых изменениях в аустенитно-ферритном металле шва // Сб. статей «Сварка». 1970. - № 13. - С. 2532.

54. Беккерт М., Клемм X. Способы металлографического травления: Справочник / Пер. с нем. Н.И. Туркиной, У.Я. Капуткина; под ред. И.Н. Фридляндера и др. М.: Металлургия, 1988. - 398 с.

55. Практическое руководство по металлографии судостроительных материалов / Под ред. Горынина И.В. JL: Судостроение, 1982. - 136,с.

56. ОСТ 108.901.102-78. Котлы, турбины и трубопроводы. Методы определения жаропрочности металлов. М.: ИПК Изд-во стандартов, 1979.- 105 с.

57. JonnerR.N., Baker R.G. Heat affected zone craking in welded austenitie steel during heat treatment//British Welding Journal. 1961. - V.8.-№2.-P. 575-578.

58. Nakamuta H., Naiti Т., Okabayashi. Stress-relief ckracking in heat-affected zone. Document 1.1. WIX 648 - 69.

59. Thomson E.G., Numer S, DragerM. Practical solutions to strain-age cracking of Pene // Welding Journal. 1968. -V. 47. -№ 7. - P. 299-312.

60. Ананьева M.A. Исследование склонности сварных соединений аусте-нитных сталей к локальным разрушениям в околошовной зоне.: Дисс. канд. техн. наук. / ЦНИИ КМ «Прометей». Л.: 1973. - 136 с.

61. Ананьева М.А., Бережко Б.И., Копельман Л.А. Хрупкие разрушения сварных соединений из аустенитной стали. Сб. статей «Сварка». -1970.-№ 13.-С. 19-24.

62. Любавский К.В., Тимофеев М.М. Дуговая сварка аустенитных жаропрочных сталей. М.: Машиностроение, 1968. — 148 с.

63. Murray G.D. Stress-relief cracking in carbon and low alloy steel // British Welding Journal. 1967. - V. 14. - № '8. - P. 447-456.

64. Ананьева M.A., Бозина Л.А., Иванова Т.И. и др. Исследование теплового охрупчивания сварных соединений из стали марки Х18Н9 при 500650°С. // Сб. статей «Сварка». 1970. -№ 13. - С. 33-43.

65. Захаров А.А., Зверьков Б.В., Платонов И.Г. Приспособление для испытания образцов на длительную прочность при изгибе в машинах на растяжение // Заводская лаборатория. — 1962. — № 8. — С. 874-876.

66. Ланин А.А. Новые критерии оценки работоспособности сварных соединений при ползучести // Материалы семинара «Стратегия продления и восстановления ресурса энергооборудования». СПб.: НПО ЦКТИ им И.И. Ползунова. - 1996. - С. 49-54.

67. ОдингИ.А., Алешкин Ф.Н. Релаксационные свойства стали марки Х18Н9 в зависимости от температуры // Металловедение и термическая обработка металлов. 1967. - № 1. - С. 5-7.

68. Жаропрочные металлы и сплавы. Справочные материалы. Сер. «Вопросы энергетики» / Под ред. Ланина А.А., БалинаВ.С. М.: Энерготех, 2006. Вып. 8. - 224 с.

69. Woei-Shyan Lee, Chi-Feng Lin. Comparative study of the impackt response and microstructure of 304 L stainless steel with and without pre-strain // Metallurgical and Materials Transaction. September 2002. -V. 33A. - № 9. - P. 2801-2810.

70. Wilshire В., Willis M. Mechanisms of strain accumulation and damage development during creep of prestrainded 316 stainless steel // Metallurgical and metals transactions. February 2004. - V. 35A. - № 2. - P. 563-571.

71. Ананьева M.A., Баландин Ю.Ф., Иванова Т.И. Шураков С.С. Оценка склонности сварных соединений из аустенитной нестабилизированной стали к локальным разрушениям в околошовной зоне // Вопросы судостроения. Сер. «Сварка». 1975. - Вып. 20. - С. 41-45.

72. Гуро В.Т., Иванова Т.И., Заболотский В.М., Шкатов Ю.И. Пластичность хромникельмолибденового аустенитного металла шва в интервале температур 900-1200°С при сварке стали марки Х18Н9 // Сб. статей «Сварка». 1970. -№ 13. - С. 44-51.