Статья: Развитие основных конструкционных материалов для изготовления реакторов ВВЭР

Развитие основных конструкционных материалов для изготовления реакторов ВВЭР

А.В. Дуб

Прогресс современного машиностроения во многом опирается на развитие материаловедения. В 70?е годы ХХ века НПО ЦНИИТМАШ совместно с конструкторами и предприятиями-производителями создана научная и технологическая конкурентоспособная база отечественного атомного машиностроения.

ОАО НПО " ЦНИИТМАШ" были разработаны составы, обоснованы и внедрены технологии производства сталей 15Х 2НМФА, 10ГН 2МФА, 06Х 12Н 3Д для изделий первого и второго контура АЭУ с реактором ВВЭР?1000.

Исходно заложенные в конструкционные материалы материаловедческие решения, накопленный опыт производства и результаты проведенных в ОАО "НПО ЦНИИТМАШ" исследований, явились основой эволюционного развития и совершенствования материалов и конструкций реактора, парогенератора, компенсатора давления, главного циркуляционного насоса, трубопроводов и другого оборудования в новых разработках, в том числе материаловедческого и технологического обоснования проектов ВВЭР?1000, АЭС?2006 и ВВЭР-ТОИ.

I. Корпус реактора.

Одной из основных характеристик, на которой базируется расчет на сопротивление хрупкому разрушению корпуса реактора, является критическая температура хрупкости ТК 0. Практическим шагом по управлению этой характеристикой явилась разработка материалов класса АА с особо низким содержанием удаляемых при выплавке (S, Р) и не удаляемых (Cu, Co, Sn, Sb, As, Bi, Pb) примесей, разработка комплексной технологии выплавки, внепечной обработки и разливки таких сталей, что стало принципиально новым этапом в развитии металлургии как для атомного машиностроения, так и металлургии в целом. Повышенные требования к чистоте металла, принятые для корпусов реакторов проекта АЭС-2006, позволили получить в процессе изготовления очень низкие значения фактической величины критической температуры хрупкости для всех элементов корпуса и крышки реактора (ниже -900С) (табл. 1).

Для обеспечения хрупкой прочности корпуса реактора проекта ВВЭР-ТОИ в ОАО НПО "ЦНИИТМАШ" проведено техническое обоснование и извещением №2 в технические условия ТУ 0893-013-00212179-2003 в 2011 году введены более жесткие требования по величине критической температуры хрупкости для всей номенклатуры заготовок:

- для обечайки активной зоны из стали марки 15Х 2НМФА класс 1

Тко < - 450С;

- для обечайки зоны патрубков из стали марки 15Х 2НМФА-А

Тко < - 350С;

- для днище, фланцев корпуса и крышки, эллипсоида крышки из

стали марки 15Х 2НМФА Тко < - 200С .

Уже данные ограничения позволяют обеспечить 60-летний гарантированный ресурс корпуса реактора проекта ВВЭР-ТОИ с возможностью продления ресурса до 100 лет с обеспечением требования EUR по величине Тка < 300С. На текущий момент ЦНИИТМАШ проводит работы по дальнейшему совершенствованию уровня достигаемых характеристик, существенному снижению дисперсии свойств изделий и их сдвиг в сторону еще более благоприятных значений.

Высокая технологичность основных корпусных материалов, практический опыт, фактически достигаемые результаты позволили обоснованно перейти в проекте ВВЭР-ТОИ на 4-х и 3-х шовные варианты изготовления.

АЭС 2006 ВВЭР-ТОИ (4) ВВЭР-ТОИ (3)

Рис.1. Варианты исполнения корпуса реактора.

Наиболее перспективной является трехшовная конструкция корпуса ВВЭР-ТОИ, поскольку обеспечивает:

- исключение и вынос сварных швов из зоны высокого флюенса;

- повышение безопасности и возможностей контроля корпуса реактора в процессе эксплуатации;

- обеспечение цикла изготовления корпуса реактора до 24 месяцев;

- снижение металлоемкости на 25 % (табл 2.);

- снижение трудоемкости изготовления на 15-20 %;

- снижение расхода сварочных материалов 35-40 %;

- снижение затрат на изготовление корпуса на 10-15% по сравнению с проектом АЭС 2006;

Для сохранения конкурентных преимуществ проекта ВВЭР-ТОИ, сокращения сроков внедрения передовых решений и новых технологических, обеспечивающих снижение рисков сокращения рынка стационарных реакторов, целесообразно эволюционно переходить от проекта АЭС-2006 к проекту ВВЭР-ТОИ в 3-х шовном исполнении конструкции корпуса.

Табл.2. Материалоёмкость заготовок корпуса реактора

Важной задачей дальнейшего совершенствования технологии управления качеством корпусных изделий для АЭУ, в первую очередь заготовок ДЦИ, должна стать задача разработки специального раздела Программы оценки качества (ПОКАС) для заготовительного производства. Сейчас все операции сборочного цикла регламентированы в высокой степени детализации, а операции, на которых в решающей степени закладываются основы качества, ресурс и долговечность изделия (заготовительное производство), оцениваются только по результирующим показателям физико-механических характеристик и химического состава без оценки соответствия установленным технологическим регламентам.

Современные представления о природе охрупчивания сталей основываются на образовании сегрегаций P, Sn, Sb и усиливающем действии легирующих элементов - никель, марганец. Существенным вопросом в данном случае становится состояние и продолжительность границ зерен. Исследованию состояния границ в металле корпусного оборудования АЭУ всегда уделяли самое пристальное внимание. В последний период в связи с требованиями по увеличению ресурса и надежности этих изделий, а также с целью создания конкурентных преимуществ отечественного атомного энергетического оборудования в ОАО НПО "ЦНИИТМАШ" систематически проводятся работы по изучению механизмов формирования границ, по оценке их влияния на свойства изделий и разработке технологических методов управления качеством и свойствами границ.

С использованием накопленного экспериментального материала разработана методика моделирования, позволяющая оценить размер зерен первичной кристаллической структуры и их эволюцию при различных операциях деформации. Эта работа в таком объеме и с такой глубиной проводится в нашей стране впервые. выплавка сталь реактор

Одновременно проведена оценка влияния элементов наиболее сильно влияющих на состояние границ. Для оценки изучили поведение фосфора - элемента сильно влияющего на все процессы на всех этапах технологического маршрута и при эксплуатации. Как известно, фосфор является сильно ликвирующим элементом, равновесный коэффициент распределения которого при кристаллизации очень низок (Ко менее 0,1). В связи с этим при затвердении крупных слитков, используемых при производстве корпусного оборудования АЭУ, этот элемент распределяется не равномерно, накапливаясь в междендритных пространствах (микроликвация) и в зонах химической неоднородности (подприбыльной и зоне внецентренной ликвации). Известны термодинамические подходы, позволяющие проследить изменение концентрации фосфора. Рассчитанные значения показывают, какой уровень концентрации примеси можно ожидать на границах в изделии, полученном из относительно крупного слитка со средним радиусом более 400 мм. Следует обратить внимание еще на то, что, поскольку К 0 является термодинамической характеристикой, полагали, что она не зависит или мало зависит от концентрации ликвирующего элемента. Однако работами последних лет, в том числе и сотрудников ОАО НПО "ЦНИИТМАШ", показано, что в случае концентрации примеси в расплаве, приближающейся к пределу растворимости этого элемента в твердом железе, значения К 0 резко возрастают.

С учетом этих подходов и экспериментальных результатов по изучению дендритной структуры литой стали 15Х 2НМФ рассчитали концентрацию фосфора в пограничном слое, и на конечном этапе - степень заполнения пограничного слоя атомами фосфора в зависимости от величины

Исследования показали, что степень заполнения фосфором пригодных для адсорбции мест на 0,1 приводит к повышению критической температуры хрупкости на 27-28оС. В результате удалось получить зависимость Влияние содержания фосфора в металле перед затвердеванием и величины зерна готового изделия на повышение критической температуры хрупкости. Результаты изменения ДТк представлены на рисунке 2. Важно, что получение в готовом металле изделий из стали 15Х 2НМФ величины зерна ниже определенной (более 6-8 балла) обеспечивает высокую устойчивость против хрупких разрушений, а снижение содержания в исходном металле фосфора менее 0,005% при этих требованиях к микроструктуре делает сталь практически нечувствительной к деградирующим воздействиям.

Прогресс при производстве ВВЭР-ТОИ связан и с дальнейшим продвижением по снижению Тк 0 металла сварных швов. .ЦНИИТМАШ разработал программу технологических и организационных мер, к числу которых относится, например, модернизация производства плавленых флюсов. Известно, что металл сварных швов обладает рядом особенностей по сравнению с основным металлом, так как эксплуатируется в литом состоянии. Склонность к охрупчиванию может быть ослаблена или полностью устранена путем управления их содержанием в сварочной ванне. Охрупчивание Cr-Ni-Mo швов (Ni1,5%, Р0,012%) при замедленном охлаждении при отпуске обусловлено содержанием кремния, марганца и азота выше определенного уровня. В значительной мере технологические средства решения задачи применительно к корпусу ВВЭР-1000 в настоящее время известны и достижимы:

ограничение содержания азота достигается вакуумированием при выплавке стали для сварочной проволоки.

ограничение содержание кремния и марганца в стали для проволоки.

контроль перехода кремния и марганца в процессе сварки в зоне "шлак - сварочная ванна" путем регламентации электрических параметров режима сварки.

целевое создание сочетания "плавка проволоки - партия флюса" (взамен селективного применения случайных партий флюса).

Значение критической температуры хрупкости определяется совместной равновесной концентрацией этих элементов (рис. 4).

Требования к содержанию кремния, марганца и азота в стали марок Св-12Х 2Н 2МАА, Св-12Х 2Н 2МАА-ВИ, Св-12Х 2Н 2МАА-ВД установлены в технических условиях ТУ 2730.09.033.-2012 на поставку сварочной проволоки

В результате этих мероприятий обеспечивается величина критической температуры хрупкости металла шва кольцевых сварных соединений корпусов ВВЭР-1000 и АЭС-2006 и ВВЭР-ТОИ не выше минус 15 °C.

Необходимо также отметить, что в настоящее время в НПО "ЦНИИТМАШ" для понижения критической температуры хрупкости и стабилизации свойств металла сварного шва планируются дальнейшие исследования по определению механизма влияния комплексных модификаторов, вводимых в металл сварного шва через керамический флюс, на механические характеристики металла сварного шва. Испытания механических свойств металла сварных швов, полученных при сварке опытных образцов из стали марки 15Х 2НМФА с использованием опытных составов керамических флюсов марки ФЦК-16 в сочетании с проволокой марки СВ-12Х 2Н 2МАА, свидетельствуют о высоком уровне механических характеристик металла шва, превышающих требования нормативной документации. Испытания при сварке под флюсом КВ-4 показали, что критическая температура хрупкости составляет Тк 0= -30

II. Корпус парогенератора.

Для повышения экономических показателей проекта и, соответственно, обоснования возможности изготовления коллекторов парогенераторов проекта АЭС-2006 из стали 10ГН 2МФА без применения электрошлакового переплава была разработана особо чистая модификация стали марки 10ГН 2МФА-А, в которой существенно снижено содержание серы и фосфора, сужены пределы содержания основных легирующих элементов, введено определение содержания мышьяка, олова и сурьмы с регламентацией Х-фактора (Х=(10Р+5Sb+4Sn+As)х 100) (табл.3).

Извещением № 2 сталь марки 10ГН 2МФА-А введена в ТУ 0893-014-00212179-2004 в качестве альтернативного материала для изготовления коллекторов парогенераторов типа ПГВ-1000МКП проекта АЭС-2006 без применения метода электрошлакового переплава. Для проекта ВВЭР-ТОИ разработаны рекомендации материаловедческого и технологического характера, направленные на повышение прочностных характеристик стали 10ГН 2МФА.

Для проекта ВВЭР-ТОИ по заданию генерального конструктора разработаны рекомендации материаловедческого и технологического характера, направленные на повышение прочностных характеристик стали 10ГН 2МФА.

Табл.3. Химический состав стали для коллекторов парогенераторов типа ПГВ-1000МКП