RU2273679C1 - Нержавеющая сталь для трубопроводов и трубных систем термоядерной и водородной энергетики - Google Patents
Нержавеющая сталь для трубопроводов и трубных систем термоядерной и водородной энергетики Download PDFInfo
- Publication number
- RU2273679C1 RU2273679C1 RU2004125315/02A RU2004125315A RU2273679C1 RU 2273679 C1 RU2273679 C1 RU 2273679C1 RU 2004125315/02 A RU2004125315/02 A RU 2004125315/02A RU 2004125315 A RU2004125315 A RU 2004125315A RU 2273679 C1 RU2273679 C1 RU 2273679C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pipelines
- hydrogen
- production
- pipe systems
- thermonuclear
- Prior art date
Links
Landscapes
- Rigid Pipes And Flexible Pipes (AREA)
- Heat Treatment Of Articles (AREA)
Abstract
Изобретение относится к металлургии конструкционных сталей и сплавов, содержащих в качестве основы железо с заданным соотношением легирующих и примесных элементов, и предназначено для использования в энергетическом машиностроении при производстве сварных конструкций трубопроводов и трубных систем, отвечающих требованиям эксплуатации и промышленной безопасности современного реакторного оборудования термоядерной и водородной энергетики. Предложена нержавеющая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, титан, медь, кобальт, иттрий, кальций, азот, сера, фосфор и железо, при этом суммарное содержание углерода и азота не должно превышать 0,08 мас.%, а суммарное содержание серы и фосфора не должно превышать 0,04 мас.%. Изобретение направлено на создание высокотехнологичной водородостойкой стали с улучшенным комплексом основных физико-механических и служебных свойств, меньшей склонностью к водородному охрупчиванию и хрупкому разрушению, а также низким уровнем водородопроницаемости по сравнению с известными материалами, что обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и общего ресурса работы трубопроводов и трубных систем реакторных установок перспективных ядерных технологий. 2 табл.
Description
Изобретение относится к металлургии конструкционных сталей и сплавов, содержащих в качестве основы железо с заданным соотношением легирующих и примесных элементов, и предназначено для использования в энергетическом машиностроении при производстве сварных трубопроводов и трубных систем, отвечающих требованиям эксплуатации и промышленной безопасности современного реакторного оборудования термоядерной и водородной энергетики.
Известны металлические конструкционные материалы, применяемые в машиностроительных отраслях промышленности (например, нержавеющие стали марок 04Х18Н10, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, а также другие аналоги, указанные в научно-технической и патентной литературе [1-5]). Однако известные стали не обеспечивают требуемого уровня и стабильности основных физико-механических и служебных характеристик, что снижает работоспособность и эксплуатационную надежность используемого трубопроводного и теплообменного энергетического оборудования и не отвечает современным требованиям ядерной безопасности.
Наиболее близкой к заявляемой композиции по назначению и составу компонентов является хромоникелевая сталь аустенитного класса марки 08Х18Н10Т по ГОСТ 5632-72 [2], содержащая в своем составе легирующие элементы в следующем соотношении, в мас.%:
углерод | ≤0,08 |
кремний | ≤0,8 |
марганец | ≤2,0 |
хром | 17,0-19,0 |
никель | 9,0-11,0 |
титан | 5,0-0,7 |
сера | ≤0,020 |
фосфор | ≤0,035 |
железо | остальное |
Данную марку стали в соответствии с требованиями действующих ГОСТов рекомендуется использовать в различных отраслях промышленности и народного хозяйства в качестве конструкционного материала при производстве серийного оборудования общетехнического назначения. При этом известная сталь характеризуется весьма низкой водородостойкостью при температурах эксплуатации реакторного оборудования и повышенной склонностью сварных соединений к водородному охрупчиванию. Вместе с тем известной композиции свойственен широкий разброс и нестабильность основных физико-механических, технологических и служебных свойств, что не отвечает предъявляемым требованиям, определяющих заданную работоспособность и эксплуатационную надежность материала в условиях длительной эксплуатации трубопроводного и теплообменного оборудования при воздействии коррозионно-активных водородосодержащих рабочих сред. Согласно требованиям действующих государственных и отраслевых стандартов [1-5] содержание в сталях-аналогах ряда легирующих и примесных элементов, во многом определяющих требуемое структурное состояние металла и уровень его важнейших служебных характеристик, не контролируется и находится в весьма широких концентрационных пределах.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание высокотехнологичной стали, обладающей улучшенным комплексом основных физико-механических и служебных свойств, меньшей склонностью к водородному охрупчиванию и хрупкому разрушению, а также низким уровнем водородопроницаемости по сравнению с известными материалами, что обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и общего ресурса работы трубопроводов и трубных систем реакторных установок термоядерной и водородной энергетики. Технический результат достигается за счет того, что в состав известной стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, никель, титан, серу, фосфор и железо, дополнительно введены медь, кобальт, иттрий, кальций и азот при следующем соотношении компонентов, в мас.%:
углерод | 0,02-0,06 |
кремний | 0,3-0,8 |
марганец | 0,8-1,5 |
хром | 17,0-19,0 |
никель | 9,0-11,0 |
титан | 0,1-0,5 |
медь | 0,05-0,1 |
кобальт | 0,005-0,05 |
иттрий | 0,01-0,05 |
кальций | 0,001-0,005 |
азот | 0,01-0,05 |
сера | 0,005-0,015 |
фосфор | 0,005-0,03 |
железо | остальное |
При этом введено ограничение суммарного содержания элементов, превышение которого отрицательно влияет на формирование наиболее оптимального структурного состояния и в значительной мере снижает заданный уровень основных служебных и эксплуатационных характеристик материала, в частности:
- суммарное содержание углерода и азота не должно превышать 0,08%;
- суммарное содержание серы и. фосфора не должно превышать 0,04%.
Соотношение указанных легирующих и примесных элементов выбрано таким, чтобы заявляемая композиция обеспечивала требуемый уровень и стабильность важнейших структурно-чувствительных характеристик материала, во многом определяющих высокую работоспособность и эксплуатационную надежность трубопроводного и теплообменного оборудования термоядерной и водородной энергетики.
Введение в заявляемую сталь микролегирующих и модифицирующих добавок меди, кобальта, иттрия и кальция в указанном соотношении с другими легирующими элементами, и в первую очередь - хромом, никелем и марганцем улучшает ее структурную стабильность и, как следствие, весь комплекс основных физико-механических и служебных свойств, положительно влияющих на снижение чувствительности металла шва и зоны термического влияния к водородному охрупчиванию в процессе длительной эксплуатации, а также повышает работу зарождения и развития межзеренной трещины в условиях статического и динамического нагружений. При этом, как показали наши исследования [6-8], происходит более равномерное распределение легирующих элементов и неметаллических включений по всему сечению слитка, крупных поковок и слябов, металл эффективнее очищается от вредных примесей и газов, тоньше и чище становится границы зерна, увеличивается прочность межкристаллитной связи, что в целом обеспечивает значительное повышение пластичности и вязкости как основного металла, так и сварных соединений. Снижается склонность стали к структурной анизотропии и существенно улучшается ее технологичность на стадии металлургического передела, что повышает выход годного при промышленном производстве листового и трубного проката, а также других тонкостенных полуфабрикатов сложного профиля. Введение меди, кобальта и иттрия вне указанных в формуле изобретения пределов снижает эффективность их положительного влияния и не приводит к заметному улучшению этих структурно-чувствительных характеристик работоспособности материала в составе трубопроводного и теплообменного оборудования энергетических установок.
Модифицирование стали азотом в указанном соотношении с углеродом и титаном улучшает структурную стабильность металла шва и ЗТВ, способствует формированию при соответствующей термообработке в достаточном количестве мелкодисперсных карбидных и нитридных фаз, термодинамически устойчивых при температурах технологических и сварочных нагревов, что обеспечивает снижение структурной неоднородности в приграничных областях и повышает сопротивление металла хрупкому разрушению в условиях сложного динамического нагружения и водородной коррозии. При этом обеспечение требуемого, более высокого, чем в прототипе, уровня пластических характеристик и деформационной способности стали достигается за счет формирования устойчивой дислокационной структуры, определяющей оптимальную плотность активных плоскостей скольжения в процессе пластической деформации и отражающей важный вклад дислокационной неупругости в процессы внутреннего трения. Как уже отмечалось, введение азота в указанном соотношении с углеродом и титаном способствует образованию высокодисперсных карбонитридов титана и повышению отпускоустойчивости металла шва и зоны термического влияния при сохранении необходимой прочности стали с высокой пластичностью и вязкостью.
Фрактографический анализ поверхности изломов образцов методом сканирования на растровом электронном микроскопе показал [6], что в заявляемой стали доля вязкой составляющей в зоне разрушения после наводороживания металла заметно возрастает по сравнению с известным составом. Увеличение суммарного содержания углерода и азота свыше указанного в формуле изобретения пределов снижает дисперсность образующихся фаз внедрения и затрудняет равномерность их распределения по объему зерна, что ослабляет механизм закрепления дислокации в процессе последующих технологических нагревов трубного проката и отрицательно влияет на деформационную способность металла в процессе длительной эксплуатации.
Полученный более высокий уровень физико-механических, сварочно-технологических и служебных характеристик стали обеспечивается комплексным легированием заявляемой композиции в указанном соотношении с другими элементами, сбалансированным химическим и фазовым составом, нормированным содержанием вводимых микролегирующих и модифицирующих добавок, а также контролированием чистоты металла по остаточным вредным примесям - сере и фосфору.
В ЦНИИ КМ "Прометей" совместно с другими предприятиями отрасли в соответствии с планом проводимых научно-исследовательских разработок выполнен необходимый комплекс лабораторных, расчетных и опытно-промышленных работ по выплавке, пластической и термической обработкам создаваемой марки стали. Металл выплавлялся в вакуумной плазменно-дуговой печи емкостью 5 т с последующей обработкой давлением на промышленном кузнечно-прессовом и прокатном оборудовании с получением полуфабрикатов требуемого сортамента.
Химический состав исследованных материалов, а также результаты определения всего комплекса наиболее важных свойств и характеристик представлены в табл.1 и 2.
Ожидаемый технико-экономический эффект применения разработанной марки стали в народном хозяйстве выразится в повышении эксплуатационной надежности и экологической безопасности использования трубопроводов и трубных систем реакторных установок термоядерной и водородной энергетики.
Таблица 1 Химический состав исследованных материалов |
|||||||||||||||
Состав | Условный № состава | Содержание элементов, мас.% | |||||||||||||
С | Si | Mn | Cr | Ni | Ti | Cu | Со | Y | Са | N | S | Р | Fe | ||
Заявляемый | 1 | 0,02 | 0,3 | 0,8 | 17,0 | 9,0 | 0,1 | 0,05 | 0,005 | 0,01 | 0,001 | 0,05 | 0,005 | 0,03 | остальное |
2 | 0,04 | 0,5 | 1,2 | 18,0 | 10,0 | 0,3 | 0,08 | 0,03 | 0,03 | 0,003 | 0,01 | 0,010 | 0,02 | остальное | |
3 | 0,06 | 0,8 | 1,5 | 19,0 | 11,0 | 0,5 | 0,1 | 0,05 | 0,05 | 0,005 | 0,02 | 0,015 | 0,005 | остальное | |
Известный | 4 | 0,08 | 0,8 | 2,0 | 18,5 | 10,0 | 0,6 | - | - | - | - | - | 0,020 | 0,035 | остальное |
Таблица 2 Результаты определения основных физико-механических, технологических и служебных свойств исследованных материалов |
|||||||||
Состав | Условный № состава | Механические свойства при растяжении | Критический коэффициент интенсивности напряжений после наводораживания металла, Kic, МПа√м | Предел усталости σ-1 сварных соединений в среде водорода, МПа | Водородопроницаемость Р, см3·мм/см2·сек·атм0,5 | Выход годного при производстве трубной продукции, % | |||
σв | σ0,2 | δ | Ψ | ||||||
МПа | % | ||||||||
Заявляемый | 1 | 535 | 265 | 53 | 75 | 180 | 260 | 7·10-7 | 87 |
2 | 540 | 260 | 50 | 74 | 165 | 280 | 8·10-7 | 92 | |
3 | 550 | 270 | 48 | 70 | 170 | 275 | 7·10-7 | 85 | |
Известный | 4 | 510 | 220 | 40 | 65 | 110 | 230 | 2·10-6 | 80 |
Примечания: 1. Результаты механических испытаний усреднены по 3-м образцам на точку. 2. Вязкость разрушения KIC сварных образцов после наводораживания определялась при испытании компактных образцов на внецентренное растяжение по стандартной методике (ГОСТ 25.506-85); 3. Усталостная прочность образцов определялась в условиях циклического нагружения на базе 108 циклов; 4. Водородопроницаемость сварных образцов исследуемой стали определялась при температуре 350°С на газоанализирующей установке ВД-8 Физико-механического института АН Украины, работающей на принципе объемно-метрического метода измерения стационарного потока водорода. |
ЛИТЕРАТУРА
1. В.Н.Журавлев, О.И.Николаева "Машиностроительные стали". Справочник, Изд-во "Машиностроение", Москва, 1989.
2. ГОСТ 5632-72 "Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные" (марки и технические требования), Москва, Изд-во "Стандарт", 1977 - прототип.
3. ГОСТ 9940-81 "Трубы бесшовные горячедеформированные из коррозионно-стойкой стали", Москва, Изд-во "Стандарт", 1981.
4. ГОСТ 9941-81 "Трубы бесшовные холодно и теплодеформированные из коррозионно-стойкой стали", Москва, Изд-во "Стандарт", 1982.
5. ГОСТ 24030-80 "Трубы бесшовные из коррозионно-стойкой стали для энергомашиностроения", Москва, Изд-во "Стандарт", 1987.
6. В.В.Рыбин, И.А.Повышев "Физико-химические основы создания водородостойких сталей". - Материалы XVI Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, том 2, Москва, 1998, с.461.
7. В.В.Васильев, Ю.И.Звездин, И.А.Повышев "Проникновение водорода сквозь аустенитные коррозионно-стойкие материалы". - Сборник научных статей "Вопросы судостроения", сер. "Металловедение", №26, Ленинград, 1978, с.55-56.
8. Т.Д.Возный, Ю.И.Звездин, И.А.Повышев и др. "Длительная прочность нержавеющих хромоникелевых сталей в среде водорода высокого давления". - Журнал "Физико-химическая механика материалов", том 14, №6, Львов, Изд-во "Наукова Думка", 1978.
Claims (1)
- Нержавеющая сталь для трубопроводов и трубных систем термоядерной и водородной энергетики, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, титан, серу, фосфор, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит медь, кобальт, иттрий, кальций и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 0,02-0,06 Кремний 0,3-0,8 Марганец 0,8-1,5 Хром 17,0-19,0 Никель 9,0-11,0 Титан 0,1-0,5 Медь 0,05-0,1 Кобальт 0,005-0,05 Иттрий 0,01-0,05 Кальций 0,001-0,005 Азот 0,01-0,05 Сера 0,005-0,015 Фосфор 0,005-0,03 Железо Остальное при этом суммарное содержание углерода и азота не должно превышать 0,08 мас.%, а суммарное содержание серы и фосфора не должно превышать 0,04 мас.%.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004125315/02A RU2273679C1 (ru) | 2004-08-18 | 2004-08-18 | Нержавеющая сталь для трубопроводов и трубных систем термоядерной и водородной энергетики |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004125315/02A RU2273679C1 (ru) | 2004-08-18 | 2004-08-18 | Нержавеющая сталь для трубопроводов и трубных систем термоядерной и водородной энергетики |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2004125315A RU2004125315A (ru) | 2006-02-10 |
RU2273679C1 true RU2273679C1 (ru) | 2006-04-10 |
Family
ID=36049512
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2004125315/02A RU2273679C1 (ru) | 2004-08-18 | 2004-08-18 | Нержавеющая сталь для трубопроводов и трубных систем термоядерной и водородной энергетики |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2273679C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2553112C1 (ru) * | 2011-06-28 | 2015-06-10 | Ниппон Стил Энд Сумитомо Метал Корпорейшн | Труба из аустенитной нержавеющей стали |
US10157690B2 (en) | 2014-04-17 | 2018-12-18 | Ihi Corporation | High-pressure fluid discharge device |
-
2004
- 2004-08-18 RU RU2004125315/02A patent/RU2273679C1/ru not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ГОСТ 5632-72 «Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные». - М.: Стандарт, 1977, сталь 08X18Н10Т. * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2553112C1 (ru) * | 2011-06-28 | 2015-06-10 | Ниппон Стил Энд Сумитомо Метал Корпорейшн | Труба из аустенитной нержавеющей стали |
US9612008B2 (en) | 2011-06-28 | 2017-04-04 | Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation | Austenitic stainless steel tube |
US10157690B2 (en) | 2014-04-17 | 2018-12-18 | Ihi Corporation | High-pressure fluid discharge device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2004125315A (ru) | 2006-02-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR102145898B1 (ko) | 수소 유기 균열 저항 압력 용기 철판 및 그 제조방법 | |
RU2205245C2 (ru) | Сталь с высоким сопротивлением на разрыв и способ ее производства | |
WO2018101447A1 (ja) | 低温用ニッケル含有鋼及び低温用タンク | |
Zhu et al. | Influence of heat input on microstructure and toughness properties in simulated CGHAZ of X80 steel manufactured using high-temperature processing | |
JP6394835B1 (ja) | 低温用ニッケル含有鋼板およびそれを用いた低温用タンク | |
Saini et al. | Effect of normalizing temperature on fracture characteristic of tensile and impact tested creep strength-enhanced ferritic P92 steel | |
Takasawa et al. | Effects of grain size on hydrogen environment embrittlement of high strength low alloy steel in 45 MPa gaseous hydrogen | |
Nguyen et al. | On the changes in the low-cycle-fatigue life and cracking mechanism of P91 cross-weld specimens at elevated temperatures | |
JP7272438B2 (ja) | 鋼材およびその製造方法、ならびにタンク | |
JP4677883B2 (ja) | バウシンガー効果による降伏応力低下が小さい高強度ラインパイプ用鋼板およびその製造方法 | |
Huang et al. | Comparative study on microstructure and mechanical properties of a novel nano-composite strengthening heat-resistant steel and two typical heat-resistant steels | |
Husby et al. | Effect of nickel on the hydrogen stress cracking resistance of ferritic/pearlitic low alloy steels | |
RU2273679C1 (ru) | Нержавеющая сталь для трубопроводов и трубных систем термоядерной и водородной энергетики | |
Stalheim et al. | Cross-Sectional Grain Size Homogeneity Effect on Structural Steel Fatigue Performance in Air and Hydrogen Environments | |
Wang et al. | Effect of tempering temperature on the microstructure and properties of Fe-2Cr-Mo-0.12 C pressure vessel steel | |
Yu et al. | Effect of deep tempering on microstructure and mechanical properties of G13Cr4Mo4Ni4V steel | |
Liang et al. | Development of low-alloy steels with high strength and good ductility with the aid of nanoscale troostite | |
Žužek et al. | Effect of segregations on mechanical properties and crack propagation in spring steel | |
RU2293788C2 (ru) | Коррозионно-стойкая сталь с низкой водородопроницаемостью для внутрикорпусных систем термоядерного реактора | |
Liu et al. | Effect of Tempering Temperature on the Microstructural Evolution and Properties of 800 MPa Grade Low-Carbon Bainite-Deposited Metals | |
Zhang et al. | Effect of Final Cooling Temperature on Microstructure and Mechanical Properties of a Cr-Ni-Mo-V Bainite Steel | |
RU2414522C1 (ru) | Жаропрочная сталь для паросиловых установок и энергоблоков со сверхкритическими параметрами пара | |
Viereckl et al. | High-Strength Nickel Low Alloy Steels for Oil and Gas Equipment: ASTM A508 Grade 4N Under Cathodic Charging | |
WO2023189563A1 (ja) | 高圧水素部品用マルテンサイト系ステンレス鋼、これを用いた高圧水素部品及びその製造方法 | |
JP7338792B2 (ja) | 鋼材およびその製造方法、タンクおよびその製造方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110819 |