ЛЕКЦИЯ 4. СВАРКА ТЕПЛОУСТОЙЧИВЫХ СТАЛЕЙ

Что такое теплоустойчивая сталь? Основные марки теплоустойчивых сталей и их свариваемость. Основные методы сварки и сварочные материалы для сварки реакторных сталей 15Х2МФА и 15Х2НМФА. Трудности при сварке и чем они вызваны. Холодные трещины. Требования к сварочным материалам и металлу швов реакторных сталей. Радиационное охрупчивание швов и методы его снижения на стадии изготовления сварных узлов и при эксплуатации оборудования.

 

С начала создания атомных электростанций в США и других странах для корпусов реакторов с водой под давлением применялись простые по составу стали, которые широко использовались в теплоэнергетике. Все эти стали имели сравнительно низкую прочность и радиационную стойкость, но обладали достаточной технологичностью и хорошей свариваемостью[2, 3]. В середине 50-х прошлого века для корпусов реакторов в США использовалась листовая сталь марки SА212В легированная небольшим содержанием Mn и Si и содержанием углерода 0,30-0,35% (см. таблицу). Невысокая прочность и ударная вязкость привели к быстрой замене ее на сталь SA302В более легированную марганцем и дополнительно молибденом. Эта марка стали была более прочной и с начала 60-х годов стала основным конструкционным материалом при производстве реакторов за рубежом. Однако содержание примесных элементов в ней сохранялось высоким, как и в стали SА212В. Для поковок С и Mn были заменены Ni и Mo. Так, появилась сталь SA336 с добавкой небольшого количества Cr. В дальнейшем эта сталь (с 1989 г.) стала обозначаться SA508. В связи с увеличением толщины полуфабрикатов сталь SA302В была модифицирована никелем. Этот материал впоследствии получил обозначение SA533 и нашел широкое применение для корпусов реакторов под давлением. В Германии наибольшее распространение получила сталь 22NiMoCr37, близкая по составу SA508, а во Франции - SA508. Листы из этих марок стали с различным уровнем прочности поставляются после нормализации и отпуска в улучшенном состоянии. Это относится и для металла поковок, предназначенных для изготовления обечаек. Для этих сталей по всему сечению полуфабриката имеет место более оптимальная структура отпущенного бейнита по сравнению с ферритно-перлитной структурой стали SA212В. Радиационная стойкость этих сталей достаточно подробно представлена в обзоре [4].

Таблица. Химический состав реакторных сталей

Марка	Годы прим	С	Mn	Cr	Mo	Ni	Др. эл.	P	S	Cu
Зарубежные стали
SA212B	1 950	£0,31	0,85-1,20	-	-		0,15-0,30Si	£0,035	£0,040
SA302B		£0,25	1,15-1,50	£0,35	0,45-0,60	-	-	£0,035	£0,035	-
SA336		0,19-0.25	1,10-1,30	0,25-0.45	0,50-0,60	0,40-0,50	-	£0,025	£0,025	-
SA533		£0,27	1,15-1,55	-	0,45-0,60	0,40-0,70	-	£0,035	£0,040	£0,10
SA508		£0,25	1,20-1,50	£0,25	0,55-0,70	0,40-1,00	-	£0,015	£0,015	0,10-0,15
Российские стали
15X2МФА		0,13-0,18	0,30-0,60	2,50-3,00	0,60-0,80	£0,40	0,10-0,12V-	£0,020	£0,020	£0,30
15Х2НМФА		0,12-0,20	0,40-0,90	1,6-2,7	0,40-0,75	1,0-1,5	0,25-0,35V	£0,025	£0,020	£0,20
15Х2В2ФА		0,13-0,18	0,30-0,60	2,5-3,5	£0,025	£0,04	1,2-1,6	£0,006	£0,006	£0,06

 

В нашей стране работы по созданию энергетических атомных реакторов для первых энергоблоков АЭС были начаты в 1956 году. Разработка концепции создания первых крупных атомных энергоблоков осуществлялось Институтом атомной энергии под руководством академика А.П. Александрова. В рамках этой большой общей проблемы на наш институт была возложена задача создания корпусов реакторов диаметром 3,5-4,2 м, высотой 11-12 м [5]. Поскольку изготовление таких габаритов корпусов без применения сварки было невозможно, то для решения поставленной задачи потребовалась разработка свариваемой теплоустойчивой стали. По существу необходимо было разработать не только сталь, но и технологию всего ее металлургического передела – выплавки, ковки из отливок большой массы и термической обработки основных заготовок.

Основной научно-технической задачей, которая решалась при выполнении этого большого комплекса работ, было обеспечение высокой стойкости основного металла и металла сварных швов против теплового и радиационного охрупчивания. Для обеспечения транспортировки изготовленных на заводе реакторов по железной дороге было необходимо ограничить диаметр корпуса, что приводило к более высоким интегральным потокам нейтронов на стенку корпуса реактора по сравнению с зарубежными аналогами. Кроме того, были выдвинуты более высокие требования к материалу по уровню прочности. Работы по созданию стали осуществлялось коллективом института в период с 1956 по 1960 года под руководством И.В. Горынина. Была разработана сталь Cr-Mo-V композиции как для цилиндрической части корпуса реактора, где на металл воздействует максимальный поток нейтронов, так и для более толстостенных элементов реактора - крышки и фланца. Созданная композиция более чем на 20 лет опередила мировые разработки. За рубежом стали такого типа под названием «суперхролой» стали появляться лишь в 80-е годы. В настоящее время предпринимаются попытки использовать сталь такой композиции и для новых европейских реакторов мощностью свыше 1000 МВт.

Сталь марки 15Х2МФА постоянно совершенствовалась и в настоящее время является лучшим конструкционным материалом по радиационной стойкости. Эволюция химического состава сталей для корпусов атомных реакторов детально описана в работе [6] и представлена на рис.1.