13 мая 2011

Новая сталь для контейнеров с ОЯТ

Atomic-Energy.ru
Внешний вид контейнеров для хранения и транспортировки ОЯТ АЭС

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

0 - прокатка, Тк0=0°С
■ - нормализация с отпуском, Тк0 = -10°С
►- закалка с отпуском, Тк0 = -40°С
Δ - сталь 09Г2СА-А Δ – комплексная технология, Тк0 ≤ -80°С

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