Новая сталь для контейнеров с ОЯТ

Экономно легированная свариваемая сталь, технология производства которой разработана ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей», может эффективно использоваться при производстве средств безопасной транспортировки, длительного хранения и утилизации отработавшего ядерного топлива и радиоактивных отходов.

Для сухого хранения и транспортирования отработавшего ядерного топлива реакторов АЭС и транспортных ЯЭУ в ОАО «КБСМ» разработаны конструкции металлобетонных контейнеров – ТУК 108/1, ТУК 109, ТУК 120, ТУК 123 и других. Внешний вид контейнеров показан на рисунке 1. Металлические элементы этих контейнеров состоят из листового проката толщиной до 25 мм для силовой и наружной обечаек, кольцевых поковок комингса толщиной 350 мм, поковок типа плит для крышек толщиной до 200 мм и других элементов из низколегированной стали. Внутренняя обечайка толщиной до 25 мм и узлы фиксации сборок с ОЯТ выполнены из коррозионностойкой стали марки 08Х18Н10Т.

Внешний вид контейнеров для хранения и транспортировки ОЯТ АЭС Внешний вид контейнеров для хранения и транспортировки ОЯТ транспортных ЯЭУ

Для обеспечения надежной защиты окружающей среды от радиационного воздействия к материалам и их сварным соединениям предъявляются следующие требования:

• высокое сопротивление хрупкому разрушению для сохранения герметичности конструкции при всех возможных ситуациях, включая аварийные, при эксплуатации в климатических условиях России, в том числе при температуре ниже -50°С;
• сопротивление коррозии во влажной атмосфере промышленных объектов, при нахождении на морском побережье и при дезактивации;
• наличие разрешения применения материалов в атомной энергетике;
• технологичность производства;
• экономичность.

Определение исходных требований к материалам

В результате расчета на хрупкую прочность, выполненного в соответствии с руководящим документом РД 95 10559-2000 («Методика расчета на сопротивление хрупкому разрушению силовых элементов металлобетонных контейнеров и определение требований к материалам», 2000 г.) установлено, что сохранение герметичности конструкции при всех возможных ситуациях, включая аварийные, обеспечивается получением на основном металле, в зоне термического влияния сварного соединения и в металле шва значений ударной вязкости KCV ≥ 29 Дж/см². С учетом возможного снижения ударной вязкости под воздействием термодеформационного цикла сварки, металлургические полуфабрикаты (поковки и листовой прокат) должны иметь в исходном состоянии KCV ≥ 98 Дж/см². Указанные значения ударной вязкости должны быть обеспечены при минимально возможной температуре эксплуатации. В настоящее время в конструкторской документации для такой температуры принято значение -50°С. С учетом возможного снижения температуры в местах хранения и транспортировки ОЯТ, при разработке технологических процессов изготовления металлургических полуфабрикатов и изготовления из них сварных соединений целесообразно ориентироваться на более низкие температуры (до -60°С).

Сопротивление коррозии во влажной атмосфере и при дезактивации обеспечивается нанесением на наружную поверхность комбинированного антикоррозионного покрытия, специально разработанного для металлобетонных контейнеров, предназначенных для отработавшего ядерного топлива.

Разработка технологий изготовления

Учитывая значительную потребность в металлургических полуфабрикатах при производстве необходимого количества контейнеров, было признано целесообразным проводить дальнейшие работы с использованием кремнемарганцевой стали марки 09Г2С, разрешенной к применению в атомной энергетике. Анализ опыта изготовления полуфабрикатов показал, что сталь марки 09Г2С обеспечивает получение KCV-50 ≥ 29 Дж/см² при изготовлении листового проката толщиной до 16 мм и поковок сечением под термическую обработку не более 110 мм. Получение требуемых значений вязко-пластических свойств стали данной композиции может быть достигнуто за счет:

• глубокой очистки от вредных примесей при выплавке металла;
• микролегирования ванадием и ниобием для получения равномерной мелкозернистой структуры, устойчивой к воздействию термодеформационных циклов сварки;
• оптимизации технологических параметров изготовления полуфабрикатов на всех стадиях металлургического передела поковок сечением до 350 мм и массой до 10 т, листового проката толщиной от 10 до 160 мм и шириной от 1400 до 2500 мм.

Листовой прокат

Выполненные исследования листового проката толщиной 25 мм, изготовленного в производственных условиях ОАО «Ижорские заводы» (в настоящее время  ООО «ОМЗ-Спецсталь»), показали, что применение термической обработки позволило улучшить показатели хладостойкости стали марки 09Г2С (рис. 2). Температура перехода в хрупкое состояние (Тк0) изменилась с 0°С для горячекатанного проката до -10°С после проведения нормализации с отпуском и до -40°С после проведения закалки с отпуском.

Рис. 2. Хладостойкость листового проката толщиной 25 мм

Сталь 09Г2С

Однако достигнутые показатели не полностью удовлетворяют сформулированным выше требованиям. Только реализация всего комплекса мероприятий по улучшению качества металла при выплавке, оптимизация режимов прокатки и применение закалки с высоким отпуском позволила создать сталь (марка 09Г2СА-А), Тк0 листового проката которой ниже -80°С. В дальнейшем эта технология была использована при изготовлении листового проката на стане «2800» ОАО «Северсталь».

Особенностью технологии выплавки стали марки 09Г2СА-А состояла в том, что углеродный эквивалент, рассчитанный по формуле

Сэкв. =С+(Cr+Mo+V)/5+Mn/6 +(Ni+Cu)/15,

варьировался от 0,32% до 0,39%, что является одним из факторов, необходимых для обеспечения технологичности при сварке.

По результатам промышленного изготовления проведена статистическая обработка сертификатных испытаний около 1500 т листового проката из стали марки 09Г2СА-А, изготовленного на ОАО «Северсталь» и ООО «ОМЗ-Спецсталь». Установлена зависимость ударной вязкости от толщины листового проката, при этом минимальные значения ударной вязкости при температуре -50°С превышают 150 Дж/см², что свидетельствует о высокой хладостойкости изготовленного листового проката.

Поковки

При разработке промышленной технологии изготовления крупногабаритных поковок были оптимизированы технологические параметры выплавки стали марки 09Г2СА-А, модифицированной ванадием и ниобием, в промышленных агрегатах объемом до 100 т, разливки металла в слитки массой до 25 т, а также режимы термопластической и термической обработки поковок, обеспечивающие формирование мелкозернистой структуры, устойчивой к воздействию термодеформационного цикла сварки.

Результаты статистической обработки сертификатных испытаний на ударную вязкость при температуре -50°С партии крупногабаритных поковок для 42 комингсов ТУК 109 подтверждают, что минимальное значение ударной вязкости при -50°С соответствует 140 Дж/см². Результаты испытаний образцов на ударную вязкость при различных температурах (рис. 3) подтверждают, что значение Тк0 металла поковок комингса значительно ниже -60°С.

Рис. 3. Результаты испытаний образцов металла поковки комингса из стали марки 09Г2СА-А

Сварные соединения

Разработаны экономно легированные сварочные материалы и технология сварки, обеспечивающие уменьшение объема литой дендритной структуры металла шва и увеличение объема мелкозернистой перекристаллизованной структуры при многопроходной сварке на оптимальной погонной энергии, уменьшение протяженности зоны термического влияния (минимизирование размеров участков перегрева и синеломкости металла сварного соединения) и сокращение времени пребывания металла в интервале критических температур для предотвращения роста зерна и старения. Для снятия остаточных напряжений разработан режим послесварочного отпуска, регламентирующий скорости нагрева и охлаждения в различных температурных интервалах.

Результаты испытаний образцов, вырезанных из различных участков производственных контрольных сварных соединений, на ударную вязкость при температуре -60°С, приведенные на рисунке 4 в виде эмпирической функции распределения всех полученных результатов испытаний (полигон накопленных частостей), подтверждают, что минимальные значения ударной вязкости превышают 36 Дж/см². При этом необходимо отметить, что сварные соединения, изготовленные по традиционным технологиям, обеспечивают аналогичные показатели при температуре -20°С.

Рис. 4. Результаты испытаний производственного контрольного сварного соединения поковки и листового проката из стали марки 09Г2СА-А

Металл шва
ЗТВ в сторону поковки
ЗТВ в сторону листового проката

Таким образом, разработанные экономно легированные основные и сварочные материалы, технологии изготовления крупногабаритных поковок и листового проката, сварки и термической обработки сварных соединений явились основой создания высоконадежных и конкурентоспособных отечественных контейнеров для длительного хранения и транспортировки отработавшего ядерного топлива. Они также обеспечили возможность изготовления на российских предприятиях серийных партий изделий, предназначенных для улучшения экологической обстановки и повышения уровня ядерной безопасности на объектах атомной энергетики.

Данная разработка отмечена золотой медалью ВВЦ на VII Московском международном салоне инноваций и инвестиций и дипломом лауреата конкурса «Перспективные технологии для реального сектора экономики» на II Международной выставке и конгрессе «Перспективные технологии XXI века».

Авторы: И.В. Горынин, д.т.н., академик РАН,  Г.П. Карзов, д.т.н., Б.И. Бережко, к.т.н., Н.Г. Быковский, к.т.н., М.И. ОЛЕНИН, к.т.н., Н.В. Калиничева, В.С. Скутин,  Н.В. Евдокимова (ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей»)

Дата публикации: IV квартал 2008