CC BY
169
ГЛОБАЛЬНАЯ ЯДЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, 2014 №3(12), С. 49-53
ИЗЫСКАНИЕ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ,
__СТРОИТЕЛЬСТВО И МОНТАЖ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ АЭС
УДК 621.791.73.07
О СВАРИВАЕМОСТИ ТЕПЛОУСТОЙЧИВЫХ СТАЛЕЙ РАЗНОЙ ВЫПЛАВКИ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ
© 2014 г. Н.Н. Подрезов*, Ю.В. Доронин**, Л.С. Хегай*
* Волгодонский инженерно-технический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», Волгодонск, Ростовская обл.
** ООО «Аттестационный центр городского хозяйства», Москва
В статье даны результаты исследования свариваемости корпусных сталей бейнитного класса 15Х2НМФА и 10ГН2МФА, прошедших дополнительную обработку на УВРВ. Сделан вывод о влиянии способа выплавки основного металла на пластичность исследованных сталей в интервале температур существования аустенита.
Ключевые слова: свариваемость, теплоустойчивые корпусные стали, УВРВ (установка внепечного рафинирования и вакуумирования), аустенитный интервал, высокотемпературная пластичность.
Поступила в редакцию 24.07.2014 г.
Начиная с 1973 г. и по настоящее время в производстве сосудов давления АЭУ основными конструкционными материалами являются теплоустойчивые легированные стали бейнитного класса 15Х2НМФА и 10ГН2МФА. Установлено, что на свариваемость этих сталей оказывает сильное влияние технология выплавки основного металла.
Не смотря на низкое содержание углерода, данные материалы изначально относились к ограниченно свариваемым по результатам аттестационных испытаний [1]. В начальный период времени эффективные меры и приёмы для повышения их свариваемости были отработаны в НПО ЦНИИТМАШ и внедрены на заготовках основного металла, выплавляемого по традиционным технологиям в мартеновских, электродуговых печах.
Однако при промышленном изготовлении оборудования АЭУ на отраслевых предприятиях в 1975-1980 г.г. практически сразу была установлена следующая особенность получения основного металла мартеновским и электродуговым способом. Приходилось часто применять дорогостоящую дополнительную термообработку для обеспечения сдаточного комплекса механических свойств изделий на разных стадиях их изготовления, что касалось и сварных соединений.
По этой причине, а также для обеспечения конструкционной хрупкой прочности в ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» были выполнены успешные работы по переводу сталей 15Х2НМФА и 10ГН2МФА на передовые технологии выплавки [2]. В 80-х годах на Ижорских заводах для корпусных сталей начали применять выплавку в основных мартеновских и электродуговых печах с последующей обработкой металла на установке внепечного рафинирования и вакуумирования (УВРВ) производства шведской фирмы ASEA [3]. Из-за достигнутого заметного улучшения механических характеристик, практически вся корпусная сталь к 1995 г. поставлялась только после дополнительной обработки на УВРВ.
©Издательство Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», 2014
Возникает вопрос, какое влияние оказывает введение обязательной дополнительной обработки на УВРВ на свариваемость корпусных сталей.
Изучалась высокотемпературная пластичность сталей 15Х2НМФА и 10ГН2МФА, таблице 1, в аустенитном интервале температур.
Таблица 1. - Химический состав исследованных промышленных сталей
N п/п Химический состав, % вес Способ выплавки
С Б1 Сг N1 Мп Мо V Б Р
10ГН2МФА
1 0,10 0,26 0,19 2,24 0,85 0,46 0,03 0,015 0,010 УВРВ
2 0,10 0,26 0,26 2,25 0,95 0,47 0,04 0,013 0,009 ЭШП
3 0,11 0,27 0,13 2,05 0,90 0,54 0,02 0,016 0,012 ВДП
15Х2НМФА
4 0,16 0,20 2,07 1,38 0,38 0,56 0,12 0,016 0,008 УВРВ
5 0,16 0,24 2,05 1,16 0,47 0,52 0,11 0,014 0,007 ОМП
Обозначения: ВДП- вакуумно-дуговая плавка, ОМП- основная мартеновская плавка, УВРВ - ОМП + обработка на установке внепечного рафинирования и вакуумирования.
Образцы (рис. 1) перегревали в область аустенита вплоть до солидуса, далее подстуживали и механически испытывали выше и около АС3 на установке ИМАШ-20-75 («Ала-Тоо»).
Радиационный нагрев осуществлялся молибденовыми нагревателями шир иной 35 мм толщиной 0,25 мм в камере, где создавался вакуум порядка 10- „.10" атм. Среднюю часть образца размечали через семь мм на длине 20 мм и приваривали три термопары типа W - ^-Яе) толщиной 0,3 мм. Нагрев и подстуживание образца проводился по термопаре, показывающей максимальную температуру. На среднем участке образца длиной 20 мм достигалась сравнительно равномерная температура прогрева, расчётная длина Ь0 прогретого на заданную температуру участка
Незащемлённый в захватах машины образец нагревали до заданной температуры подстуживали до температур испытаний, изотермически выдерживали, растягивали.
Испытания проводили при скоростях растяжения 2; 0,16, 0,01 мм/мин, что
соответствовало скоростям деформации в 10-ти миллиметровом участке образца
" 3-10-4; ' '
3-103;
1,5- 10-5 с-1.
Результаты испытаний представлены на рисунке 2. Сталь 10ГН2МФА на ветви охлаждения после подстуживания от 1150 0С на разные температуры имеет минимум пластических свойств между 800.. .900 0С. Относительное сужение уменьшается от 95 до 40%, а относительное удлинение - от 115 до 55%. После выхода из минимума пластичности значения указанных характеристик возрастают до 80.85% и 75% соответственно.
б; Ц/,
%
80
60
10-
10ГН2МФА
1 л 5
Ч>
1
\ч у
5; Ц.I.
%
60
ш
700 800 900 1000 1100 1200 Т. С
15Х2НМФА
"г
1
\ /
и^о / >
700 800 900 1000 1100 1200 Т. С
Рис. 2. - Пластичность корпусных сталей (табл. 1: №1, №4) после подстуживания от 1150 0С до Тисп, УР = 2 мм/мин; 5 - относительное удлинение; у - относительное сужение
Аналогичный провал пластичности установлен у стали 15Х2НМФА. Важно отметить, что в ходе многочисленных экспериментов по средне-температурному интервалу хрупкости постоянно выявлялось большое сходство в результатах испытаний для обеих корпусных сталей. Как следует из анализа марочных полос по химическому составу [4] корпусные стали примерно одинаково сбалансированы по феррито- и аустенитообразующим легирующим элементам с учётом разницы по содержанию углерода.
Изучение влияния способа выплавки проводили на всех приведённых в таблице 1 сталях. Результаты испытаний образцов из промышленных плавок стали 15Х2НМФА приведены в таблице 2. Образцы последовательно перегревались в аустенитную область на температуры 1150, 1200, 1250, 1300, 1350 0С, гомогенизировались, подстуживались до Тисп. = 850 иС и после небольшой выдержки растягивались до разрушения. Скорость растяжения составляла 0,1.0,2 мм/мин, что соответствовало скорости деформации -3-10"4 с-1 в равномерно нагреваемой зоне образца.
По результатам испытаний впервые было установлено влияние технологии выплавки стали 15Х2НМФА на 850-градусную хрупкость. При Тп = 1350 0С наблюдали падение значений у до 15% ещё при сравнительно высокой скорости растяжения Ур = 0,1.0,2 мм/мин. При этом для «смягчения» имитационного термоцикла на ветви охлаждения под ТЦС электрошлаковой сварки металл до начала охлаждения выдерживался при ТП в течение 2 мин.
Таблица 2. - Влияние ТП на ¥ стали 15Х2НМФА разной выплавки при подстуживании до Тисп.= 850 0С, Vр = 0,1...0,2 мм/мин
№№ по табл. 1 Температура перегрева Тп, 0С
1150 1200 1250 1300 1350
% при Тисп. = 850 0С
УВРВ, №4 67 53 46 42 15
ОМП, №5 97 71 56 55 45
В целом из анализа данных таблицы 2 следует, что в аустенитной области перегретый мартеновский металл охрупчивается значительно меньше. Так, для мартеновской стали отношения уц50 / уп50 = 1,76, у1300 / У1350 = 1,08, для вакуумированной - уШо / У1250 = 1,46, уШо / У1350 = 2,80.
Можно предполагать усиление охрупчивания по мере дальнейшего уменьшения Vр вплоть до значений, соответствующих ползучести, т.е. при испытаниях образцов в условиях, приближенных к реальным процессам деформирования металла в сварном соединении. Эта тенденция прослеживается при испытаниях перегретой на 1350 0С
стали 10ГН2МФА (пл. №№1-3, табл.1) при Vр
0,01 мм/мин (рис.3). Для
электродугового металла у составило 20% (кривая 2), электрошлакового переплава (кривая 1) ~ в два с половиной раза меньше, УВРВ (кривая 3) - 10%.
Рис. 3. - Пластичность стали 10Г2НМФА различной выплавки в аустенитной области после перегрева на 1350 0С. VР =0,01 мм/мин; 1 - ЭШП; 2 - ВДП; 3 - УВРВ
Ранее интервал пониженной пластичности аустенита при 700-850 0С был обнаружен Х. Сузуки с соавторами [5] применительно к процессам непрерывной разливки слябовых заготовок из обычных углеродистых хорошо раскисленных и рафинированных сталей.
В настоящей работе исследовались корпусные легированные стали, применяемые для сварки изделий АЭУ. Для температурного интервала 800...900 0С получен аналогичный результат: впервые установлен минимум пластичности, кроме того установлена его зависимость по критерию у от технологии выплавки основного металла при снижении скорости деформации растяжения до значений, возникающих при термодеформационных циклах сварки. Например, скорость деформации металла шва и ОШЗ электрошлаковых сварных соединений находится в пределах ~ 10-4... 10-5 с-1 [1].
ВЫВОДЫ
1) Легированные корпусные стали 10ГН2МФА и 15Х2НМФА с дополнительной обработкой в УВРВ имеют минимум пластичности в аустенитной области в диапазоне температур 800...900 0С.
2) Пластичность в обнаруженном снижении по критерию у зависит от:
- технологии выплавки основного металла. Чем более дегазированная и рафинированная сталь применяется, тем ниже её пластичность при 800.. ,900°С;
- температуры перегрева. Чем выше перегрев в аустенитной области, тем ниже пластичность;
- скорости деформации. Максимальное охрупчивание наблюдалось при ~ 10-4... 10-5 с-1.
3) При исчерпании деформационной способности сварных соединений из сталей 10ГН2МФА и 15Х2НМФА в диапазоне 800.900 0С на ветви охлаждения ТЦС возможна потеря технологической прочности с образованием «тёплых» трещин.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Разработка, исследование и комплексная оценка свойств технологичных сталей перлитного класса, соответствующих требованиям международных стандартов, и разработка технологии производства с оформлением для применения в реакторостроении (отчёт по комплексной теме А-62) [Текст] / рук. Зорев Н.Н., Астафьев А.А., Тимофеев М.М., Дуб В.С. - М.: НПО ЦНИИТМаш, 1973. - С. 358.
2. Дуб, А.В. Развитие основных конструкционных материалов для изготовления реакторов ВВЭР [Электронный ресурс] / А.В Дуб // Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР: материалы VIII междунар. научно-технической конф., Подольск, 28-31 мая 2013 г. / ОКБ «Гидропресс». -Режим доступа: URL: http://www.gidropress.podolsk.ru/files/proceedings/mntk2013/autorun/index-ru.htm. - 15.07.2014.
3. Горынин, И.В. и др. Вероятностный анализ механических свойств материалов корпусов реакторов ВВЭР-1000 [Текст] / И.В. Горынин, Б.Т. Тимофеев, А.А. Сорокин // Проблемы прочности. - 2006. - №2. - С. 15-28.
4. Марочник сталей и сплавов [Текст] / А.С. Зубченко, М.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др. Под общей ред. А.С. Зубченко . - М.: Машиностроение, 2003. - С. 784.
5. Сузуки, Х. и др. Зависимость между хрупкостью стали при высокой температуре и растрескивании непрерывнолитых заготовок [Текст] / Х. Сузуки // Тэцу то хаганэ.- 1981. - 67. - №4. - С. 171.
About Weldability of Heat-Resistant Steels of Different Smelting Used in
the Nuclear Power Industry
N.N. Podrezov*, Y.V. Doronin**, L.S. Hegaj*
* Volgodonsk Engineering Technical Institute the branch of National Research Nuclear University «MEPhI», 73/94 Lenin St., Volgodonsk, Rostov region, Russia 347360, e-mail: p1n2f@rambler.ru;
LTD «Certification Center of municipal services», 47A Izmajlovskoe St.(schosse), Moscow, Russia 105187,
e-mail: bekkenbauer@yandex.ru
Abstract - The paper presents results of investigation of weldability of the reactor and steam steel bainite class 15Х2НМФА and 10ГН2МФА held for more processing in installation of secondary refining and vacuum. The conclusion about influence of metallurgical background base metal on plastic deformation is investigated in austenitic steels temperature range.
Keywords: welding, heat-resistant steel hull, installation of secondary refining and vacuum, austenitic interval, high-temperature ductility.
