RU2293788C2 - Коррозионно-стойкая сталь с низкой водородопроницаемостью для внутрикорпусных систем термоядерного реактора - Google Patents
Коррозионно-стойкая сталь с низкой водородопроницаемостью для внутрикорпусных систем термоядерного реактора Download PDFInfo
- Publication number
- RU2293788C2 RU2293788C2 RU2005114206/02A RU2005114206A RU2293788C2 RU 2293788 C2 RU2293788 C2 RU 2293788C2 RU 2005114206/02 A RU2005114206/02 A RU 2005114206/02A RU 2005114206 A RU2005114206 A RU 2005114206A RU 2293788 C2 RU2293788 C2 RU 2293788C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- exceed
- steel
- hydrogen
- nitrogen
- phosphorus
- Prior art date
Links
Landscapes
- Heat Treatment Of Steel (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (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 атомной, термоядерной и водородной энергетике при производстве оборудования, газовых емкостей и других элементов внутрикорпусных систем реакторных установок. Техническим результатом данного изобретения является создание новой высокотехнологичной водородостойкой стали с улучшенным комплексом основных физико-механических и служебных свойств по сравнению с известными материалами, что обеспечивает повышение работоспособности и эксплуатационной надежности реакторного оборудования термоядерной и водородной энергетики. Предложена сталь, содержащая, мас.%: углерод 0,005-0,02, кремний 0,2-0,5, марганец 0,1-0,5, хром 17,0-19,0, никель 12,0-14,0, титан 0,08-0,3, алюминий 0,1-0,5, иттрий 0,05-0,1, кальций 0,001-0,005, азот 0,005-0,01, сера 0,005-0,015, фосфор 0,005-0,03, железо остальное, при этом: суммарное содержание алюминия и кремния не должно превышать 0,8%; суммарное содержание углерода и азота не должно превышать 0,025%; суммарное содержание серы и фосфора не должно превышать 0,04%. 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 атомной, термоядерной и водородной энергетике при производстве оборудования, газовых емкостей и других элементов внутрикорпусных систем реакторных установок.
Известны металлические конструкционные материалы, применяемые в машиностроительных отраслях промышленности (например, нержавеющие стали марок 08Х18Н10Т, ОЗХ16Н15МЗ, ОЗХ18Н12), 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 внутрикорпусных элементов, трубопроводов и газовых емкостей технологических систем реакторного оборудования в условиях длительного взаимодействия с коррозионно-активными водородосодержащими рабочими средами.
Наиболее близкой к заявляемой композиции по назначению и составу компонентов является хромоникелевая сталь аустенитного класса марки ОЗХ18Н12 по ГОСТ 5632-72 [2], содержащая в своем составе легирующие элементы в следующем соотношении, мас.%:
углерод | ≤0,03 |
кремний | ≤0,04 |
марганец | ≤0,04 |
хром | 17,0-19,0 |
никель | 11,5-13,0 |
титан | ≤0,005 |
сера | ≤0,020 |
фосфор | ≤0,030 |
железо | остальное |
Данную марку стали в соответствии с требованиями действующей нормативно-технической документации 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 чувствительностью металла сварных соединений к коррозионному и водородному растрескиванию под напряжением. 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 внутрикорпусного оборудования при воздействии коррозионно-активных водородосодержащих сред. Согласно требованиям действующих государственных и отраслевых стандартов [1-3] 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 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 внутрикорпусного оборудования 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 алюминий, иттрий, кальций и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод | 0,005-0,02 |
кремний | 0,2-0,5 |
марганец | 0,1-0,5 |
хром | 17,0-19,0 |
никель | 12,0-14,0 |
титан | 0,08-0,3 |
алюминий | 0,1-0,5 |
иттрий | 0,05-0,1 |
кальций | 0,001-0,005 |
азот | 0,005-0,01 |
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 прочностных и деформационных характеристик материала, в частности:
- суммарное содержание алюминия и кремния не должно превышать 0,8%;
- суммарное содержание углерода и азота не должно превышать 0,025%;
- 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 внутрикорпусных систем реакторных установок термоядерной и водородной энергетики.
Введение в заявляемую сталь микролегирующих и модифицирующих добавок алюминия, иттрия и кальция, как элементов с высокими термодинамическими и особыми физико-химическими свойствами, в указанном соотношении с другими легирующими элементами, и в первую очередь, хромом, никелем и кремнием улучшает ее структурную стабильность при рабочих температурах и, как следствие, весь комплекс основных физико-механических и служебных свойств, положительно влияющих на снижение диффузионной подвижности атомов водорода в кристаллической решетке аустенитной стали, а также повышает работу зарождения и развития дислокационных и межзеренных хрупких трещин при коррозионном и водородном растрескивании в условиях статического и динамического нагружений. При этом, как показали наши исследования [4, 5], 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 становятся границы зерен, увеличивается прочность межкристаллитной связи, что в целом обеспечивает значительное снижение водородопроницаемости 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 тонколистового и трубного проката, а также других полуфабрикатов для изготовления сложнопрофильных газовых емкостей и сосудов. Введение алюминия, иттрия и кальция в сочетании с другими элементами вне указанных в формуле изобретения пределов снижает эффективность их положительного влияния и не приводит к заметному улучшению этих структурно-чувствительных характеристик работоспособности материала в условиях одновременного воздействия растягивающих напряжений и коррозионной среды.
Модифицирование стали азотом в указанном соотношении с углеродом и титаном существенно 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 металле и повышает энергию активации диффузионных процессов атомов водорода, т.е. уменьшает его термодинамическую активность в γ-железе. При этом обеспечение требуемого уровня водородопроницаемости и основных физико-механических характеристик стали в условиях длительного воздействия рабочих температур и коррозионно-активных водородосодержащих сред достигается за счет формирования устойчивой дислокационной структуры, определяющей оптимальную плотность активных плотностей скольжения под действием эксплуатационных нагрузок и отражающей важный вклад дислокационной неупругости в процессы внутреннего трения. Вместе с тем следует отметить, что введение азота в указанном соотношении с углеродом и титаном способствует образованию высокодисперсных карбонитридов титана и повышению отпускоустойчивости металла сварного шва и зоны термического влияния при сохранении необходимой коррозионно-механической прочности стали с высокой пластичностью и вязкостью.
Фрактографический анализ поверхности изломов образцов методом сканирования на растровом электронном микроскопе показал [4], 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 предела снижает дисперсность образующихся фаз внедрения и затрудняет равномерность их распределения по объему зерна, что ослабляет механизм закрепления дислокаций в процессе последующих технологических нагревов и отрицательно влияет на деформационную способность и водородопроницаемость 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 работ и заданий Правительства [6-8] 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 промышленности и народном хозяйстве выразится в повышении работоспособности и эксплуатационных характеристик, а также экологической безопасности использования внутрикорпусных систем, тонкостенных трубопроводов и газовых емкостей реакторных установок термоядерной и водородной энергетики.
Таблица 1 | |||||||||||||||||
Химический состав исследованных материалов | |||||||||||||||||
Состав | Условный № состава | Содержание элементов, масс.% | |||||||||||||||
С | Si | Mn | Cr | Ni | Ti | Al | Y | Ca | N | S | P | Al+Si | C+N | S+P | Fe | ||
Заявляемый | 1 | 0,005 | 0,2 | 0,1 | 17,0 | 12,0 | 0,08 | 0,5 | 0,05 | 0,001 | 0,01 | 0,005 | 0,02 | 0,7 | 0,015 | 0,025 | ост. |
2 | 0,01 | 0,4 | 0,3 | 18,0 | 13,0 | 0,2 | 0,1 | 0,08 | 0,003 | 0,008 | 0,010 | 0,03 | 0,5 | 0,018 | 0,04 | ост. | |
3 | 0,02 | 0,5 | 0,5 | 19,0 | 14,0 | 0,3 | 0,3 | 0,1 | 0,005 | 0,005 | 0,015 | 0,005 | 0,8 | 0,025 | 0,02 | ост. | |
Известный | 4 | 0,03 | 0,35 | 0,4 | 17,5 | 13,0 | 0,005 | - | - | - | - | 0,020 | 0,030 | - | - | 0,05 | ост. |
Таблица 2 | |||||||||||
Основные физико-механические, технологические и служебные свойства исследованных сталей | |||||||||||
Состав | Условный №состава | Механические свойства при растяжении | Свойства стали после наводороживания | Водородопроницаемость Р, см3·мм/см2·сек·атм0,5 | Выход годного при производстве тонколистового рулонного проката, % | ||||||
σв | σ0,2 | δ | ψ | σв | δ | Предел усталости σ-1 | логарифмический декремент колебаний | ||||
МПа | % | МПа | % | МПа | % | ||||||
Заявляемый | 1 | 510 | 190 | 50 | 75 | 480 | 30 | 230 | 8 | 3·107 | 85 |
2 | 530 | 200 | 45 | 75 | 490 | 25 | 235 | 6 | 2·107 | 85 | |
3 | 550 | 220 | 46 | 70 | 500 | 23 | 250 | 5 | 2·107 | 90 | |
Известный | 4 | 450 | 180 | 40 | 65 | 360 | 15 | 210 | 3 | 6·107 | 78 |
Примечание. 1. Результаты механических испытаний усреднены по 3-м образцам на точку. 2. Наводороживание образцов производилось в автоклавах при давлении водорода 10 атм, температуре 350°С и длительностью 500 час. 3. Усталостная прочность образцов определялась в условиях знакопеременного циклического нагружения на базе 5·107 циклов. 4. Измерение внутреннего трения, характеризующего структурное состояние металла, проводилось на установке Д-6М Института проблем прочности АН Украины. 5. Водородопроницаемость образцов исследуемых сталей определялась на газоанализирующей установке ВД-8, работающей на принципе объемно-метрического метода измерения стационарного потока водорода (Тисп.=350°С). |
ЛИТЕРАТУРА
1. В.Н.Журавлев, О.И.Николаева "Машиностроительные стали" - справочник, изд-во "Машиностроение", Москва, 1989, с.254-257.
2. ГОСТ 5632-72 "Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные" (марки и технические требования), Москва, изд-во "Стандарт", 1977, с.13-20, 30-40 - прототип.
3. A.M.Паршин, И.А.Повышев и др. Современное состояние и перспективы развития коррозионностойких сталей с особыми физическими свойствами. - Материалы VII-й научно-технической конференции стран СНГ по проблеме "Радиационная повреждаемость и работоспособность конструкционных материалов", Белгород, 1997, с.68-70.
4. В.В.Рыбин, И.А.Повышев "Физико-химические основы создания водородостойких сталей" - Материалы XVI Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, т.2, Москва, 1998, с.461.
5. В.В.Васильев, Ю.И.Звездин, И.А.Повышев "Проникновение водорода сквозь аустенитные коррозионностойкие материалы". - Сборник научных трудов "Вопросы судостроения", сер. "Металловедение", №26, Ленинград, 1978, С.55-56.
6. Федеральная целевая научно-техническая программа "Разработка и исследование конструкционных материалов термоядерных реакторов (ИТЭР, экспериментальные модули ИТЭР, ДЕМО и др.), а также тритийвоспроизводящих материалов и тритиевой технологии ТЯР (1997-2006 гг.)".
7. Постановление Правительства РФ от 18 марта 1992 г. №178 "О соглашении между Европейским сообществом по атомной энергии, Правительством Российской Федерации, Правительством Соединенных Штатов Америки и Правительством Японии о сотрудничестве в разработке технического проекта Международного термоядерного экспериментального реактора".
8. Постановление Правительства РФ от 19 сентября 1996 г. №1119 об утверждении федеральной целевой научно-технической программы "Международный термоядерный реактор ИТЭР и научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в его поддержку на 1996-1998 гг.".
Claims (1)
- Коррозионно-стойкая сталь с низкой водородопроницаемостью для внутрикорпусных систем термоядерного реактора, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, титан, серу, фосфор, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит алюминий, иттрий, кальций и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 0,005-0,02 Кремний 0,2-0,5 Марганец 0,1-0,5 Хром 17,0-19,0 Никель 12,0-14,0 Титан 0,08-0,3 Алюминий 0,1-0,5 Иттрий 0,05-0,1 Кальций 0,001-0,005 Азот 0,005-0,01 Сера 0,005-0,015 Фосфор 0,005-0,03 Железо Остальное при этом суммарное содержание алюминия и кремния не должно превышать 0,8%; суммарное содержание углерода, азота не должно превышать 0,025%; суммарное содержание серы и фосфора не должно превышать 0,04%.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005114206/02A RU2293788C2 (ru) | 2005-05-11 | 2005-05-11 | Коррозионно-стойкая сталь с низкой водородопроницаемостью для внутрикорпусных систем термоядерного реактора |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005114206/02A RU2293788C2 (ru) | 2005-05-11 | 2005-05-11 | Коррозионно-стойкая сталь с низкой водородопроницаемостью для внутрикорпусных систем термоядерного реактора |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2005114206A RU2005114206A (ru) | 2006-11-20 |
RU2293788C2 true RU2293788C2 (ru) | 2007-02-20 |
Family
ID=37501715
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2005114206/02A RU2293788C2 (ru) | 2005-05-11 | 2005-05-11 | Коррозионно-стойкая сталь с низкой водородопроницаемостью для внутрикорпусных систем термоядерного реактора |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2293788C2 (ru) |
Cited By (1)
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 |
-
2005
- 2005-05-11 RU RU2005114206/02A patent/RU2293788C2/ru not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ЖУРАВЛЕВ В.Н. и др. Машиностроительные стали. - М.: Машиностроение, 1981, с.254-256. * |
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 |
US9612008B2 (en) | 2011-06-28 | 2017-04-04 | Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation | Austenitic stainless steel tube |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2005114206A (ru) | 2006-11-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Louthan | Hydrogen embrittlement of metals: a primer for the failure analyst | |
WO2018101447A1 (ja) | 低温用ニッケル含有鋼及び低温用タンク | |
Saini et al. | Effect of normalizing temperature on fracture characteristic of tensile and impact tested creep strength-enhanced ferritic P92 steel | |
Ogawa et al. | The weldability of nitrogen-containing austenitic stainless steel: Part II—Porosity, cracking and creep properties | |
Xia et al. | Mechanical properties and corrosion resistance of SA508-4 low carbon alloy steel | |
Zhang et al. | Effects of phosphorus impurity on the microstructure and impact toughness of weld joint for the 12Cr2Mo1R heat resistant steel | |
RU2293788C2 (ru) | Коррозионно-стойкая сталь с низкой водородопроницаемостью для внутрикорпусных систем термоядерного реактора | |
JP5326339B2 (ja) | 溶接熱影響部のクリープ特性に優れたフェライト系耐熱鋼材及び耐熱構造体 | |
Dieck et al. | Improvement of the martensitic stainless steel X46Cr13 by Q&P heat treatment | |
Kass et al. | Stress corrosion cracking of welded type 304 and 304L stainless steel under cyclic loading | |
RU2273679C1 (ru) | Нержавеющая сталь для трубопроводов и трубных систем термоядерной и водородной энергетики | |
CN109504826B (zh) | 一种含铜钒高强度高耐蚀不锈钢及其制备方法 | |
Liang et al. | Development of low-alloy steels with high strength and good ductility with the aid of nanoscale troostite | |
Fletcher et al. | The Effects of High Pressure, High Temperature Hydrogen on Steel | |
RU2414522C1 (ru) | Жаропрочная сталь для паросиловых установок и энергоблоков со сверхкритическими параметрами пара | |
Yokogawa et al. | Effect of hydrogen attack on tensile and creep properties of low carbon steel | |
RU2391426C1 (ru) | Титановый сплав для силовых крепежных элементов | |
Hurst et al. | The effect of high temperature carburization upon the ambient temperature ductility of Alloy 800H | |
RU2385360C1 (ru) | Жаропрочный сплав для конструкций высокотемпературных установок | |
RU2821402C2 (ru) | Стальная труба для водорода высокого давления, сосуд для водорода высокого давления и способ изготовления стальной трубы | |
RU2351671C2 (ru) | Титановый сплав для трубопроводов и трубных систем теплообменного оборудования атомной энергетики | |
RU2700347C1 (ru) | Жаропрочный сплав | |
Zhao et al. | Effect of Normalizing on Impact and Corrosion Resistance of Low-temperature Service Seamless Steel Pipe | |
RU2259419C1 (ru) | Хладостойкая сталь для силовых элементов металлобетонных контейнеров атомной энергетики | |
Sáez-Maderuelo et al. | Study of the influence of microstructure and intergranular carbides on the oxidation behavior of a nickel base alloy 690 TT in supercritical water nuclear reactor conditions |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110512 |