Методические основы производства заготовок для высоконадежных элементов энергетических и трубопроводных систем

Актуальность проблемы.

В энергетическом и топливно-энергетическом комплексах среди технических объектов есть потенциально опасные, к которым следует отнести крупногабаритное оборудование атомных электростанций (корпуса реакторов, парогенераторов, гидроемкостей, компенсаторов давления), парои трубопроводы, емкости для хранения нефтепродуктов, контейнеры для отработавшего ядерного топлива и ряд других. Они обладают свойством в процессе эксплуатации при определенных обстоятельствах причинять ущерб человеку и окружающей среде.

Стали и технологии их производства для обеспечения высокой эксплуатационной надежности таких потенциально опасных объектов должны соответствовать широкому кругу требований: иметь высокую прочность, пластичность, ударную вязкость, сопротивление хрупкому разрушению и лавинообразному вязкому, высокие параметры циклической трещиностойкости, радиационной стойкости, обеспечивать стабильность при термическом старении и минимальную склонность к деформационному старению. Иными словами — обладать свойством безопасной эксплуатационной повреждаемости структуры на весь период их функционирования.

Кроме того, стали должны иметь хорошие технологические свойства на всех этапах производства, включая выплавку, разливку, обработку давлением, сварку, термическую обработку для эффективной минимизации технологической повреждаемости структуры в этих сталях. При этом важен учет не только таких факторов, как уровень содержания примесей (сера, фосфор и его аналоги, медь), газов (водород, кислород, азот), количество, состав и морфология неметаллических включений, но и степень химической, структурной неоднородности в отдельных зонах поковок, слябов, заготовок, листов, штрипсов, которая может проявляться в дальнейшем локальностью и избирательностью процесса повреждения.

Из сказанного следует, что стали и технологии их производства для обеспечения высокой эксплуатационной надежности потенциально опасных объектов должны разрабатываться не только комплексно, но и исходя из того положения, что они способны обеспечивать реализацию принципа резервирования, то есть повышать надежность избыточностью свойств по отношению к минимально необходимому их уровню. В этом случае такие технологические решения обеспечат возможность эволюционных усовершенствований в энергоблоках и магистральных трубопроводах последующих проектов, серий и, возможно, поколений, для которых будет обеспечена референтность по сталям и отработанным технологиям их производства.

Такой подход тем более актуален на этапах ускоренного развития технологий, динамичного процесса повышения требований к проектируемым объектам, когда организации, проектирующие, строящие и эксплуатирующие 4 потенциально опасные объекты сталкиваются с проблемами безопасности, с необходимостью переоценки экологических последствий сооружаемых объектов и внесения изменений в нормы расчета, проектные показатели и эксплуатационные нормативы.

В 60-х годах была поставлена задача создания более мощных реакторных установок с повышенной единичной нагрузкой отдельных агрегатов (корпусов реакторов и парогенераторов). С целью повышения технико-экономических показателей энергоблоков АЭС с ВВЭР-440 в 1969 году в Курчатовском институте было подготовлено техническое задание на проект энергоблока с ВВЭР-1000, к 1971 году проект был разработан ОКБ «Гидропресс».

В связи с утверждением в 1972 году новых норм расчета на прочность выяснилось, что в условиях Ижорского завода изготовить корпус реактора из стали 48ТС-3−40 невозможно. Возникла необходимость применения для корпуса реактора новой более прочной и технологичной стали. Аналогичная ситуация возникла и в отношении парогенераторов, трубопроводов и ряда других узлов установки В-1000. Повышение параметров и удельных нагрузок парогенераторов потребовало применения новых, более прочных материалов (взамен стали 22К).

Таким образом, стало ясно, что референтность по сталям для корпусов ВВЭР-1000 и ПВГ-1000, а значит и технологиям их изготовления по отношению к реакторам ВВЭР-440 и парогенераторам ПГВ-4 не обеспечивается. Поэтому эволюционным путем не удалось осуществить переход от действующих блоков с ВВЭР-440 к новым проектируемым блокам с ВВЭР-1000. Это обернулось неизбежным увеличением сроков строительства и финансовыми затратами, связанными с неосвоенным производством, отсутствием аттестации предлагаемых новых материалов.

Для эффективного решения проблемы по созданию новых труб главного циркуляционного трубопровода, магистральных нефтепроводов, также являющихся потенциально опасными объектами, необходим аналогичный подход, обеспечивающий технологическую возможность повышения их надежности в условиях деградации свойств за весь расчетный эксплуатационный ресурс.

Актуальность проблемы разработки сталей и технологий их производства с реализацией принципа резервирования, обеспечивающего референтность для таких потенциально опасных объектов как ядерные энергетические блоки с ВВЭР-1000, трубы для магистральных трубопроводов, не вызывает сомнений.

Цель работы.

Цель работы — разработать и внедрить стали, технологию производства заготовок из этих сталей для потенциально опасных объектов энергетических и трубопроводных систем (на примере корпусного оборудования для энергоблоков с ВВЭР-1 ООО и магистральных нефтепроводов), обеспечивающих возможность эволюционных усовершенствований и референтность.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решались следующие задачи:

— определение параметров, по отношению к которым необходимо обеспечение избыточности (температура хрупко-вязкого перехода, прочностные характеристики, статическая и циклическая трещиностойкость, радиационная стойкость, термическое старение, отпускная хрупкость, коррозионная стойкость, полосчатость, осевая ликвация, балльности структуры и неметаллических включений, уровень содержания примесей, газов);

— обоснование выбора сталей и технологий, которые обеспечивают реализацию принципа резервирования, то есть повышение надежности систем путем применения избыточности по отношению к минимально необходимому и достаточному для выполнения системой заданных функций уровню свойств, определяющих надежность потенциально опасных объектов в условиях структурной деградации за весь расчетный эксплуатационный ресурсразработка технологий предварительной, антифлокенной и окончательной термической обработки сталей 15Х2НМФА, 15Х2НМФА-А, 10ГН2МФА различных способов выплавкиустановление корреляционных связей между сдаточными характеристиками для сталей корпусного оборудования, труб и их эксплуатационной надежностью и ресурсом;

— металловедческие обоснования требований к уровню примесей, содержанию никеля, кремния, марганца, количеству, типу и морфологии неметаллических включенийрасчетно-экспериментальное обоснование требований к характеристикам качества металла труб большого диаметра из сталей нового поколения типа 06ГФБА-А с повышенными эксплуатационными характеристикамипромышленное освоение и внедрение сталей 15Х2НМФА, 15Х2НМФА-А, 10ГН2МФА, 09Н2МФА-А, 06ГФБА-А и технологий производства заготовок из них для потенциально опасных объектов энергетических и трубопроводных систем.

Научная новизна работы.

1. Впервые получены количественные оценки совместного влияния фосфора и никеля на развитие обратимой отпускной хрупкости низколегированных Сг-№-Мо-У конструкционных сталей с бейнитной структурой. Показано, что существует статистически значимое взаимодействие между ними, проявляющееся в усилении влияния одного из элементов при повышении концентрации другого.

2. Модель равновесной сегрегации может быть использована для объяснения роли фосфора в охрупчивании корпусных сталей при нейтронном облучении. Показано, что благодаря радиационно-стимулированной диффузии значительное обогащение границ зерен фосфором может происходить при температурах более низких (250−300°С), чем интервал развития обратимой отпускной хрупкости в обычных условиях.

3. Изучена природа процессов термического старения сталей 15Х2НМФА и 15Х2НМФА-А. Исследование кинетики изменения прочностных, пластических и вязких свойств корпусной стали в процессе термического старения при 350 °C длительностью до 10 000 часов показало, что изменение механических свойств, протекающее в две стадии, имеет экстремальный характер. На первой стадии прочностные свойства повышаются с одновременным охрупчиванием и снижением пластичности. Для второй стадии характерен возврат механических свойств, который для промышленных режимов термической обработки заканчивается при длительностях старения до 10 000 часов.

4. Исследованы закономерности кинетики фазовых превращений в сталях 15Х2НМФА, 15Х2НМФА-А, 10ГН2МФА, определены конкретные температурно-временные параметры и основные пути, позволяющие разрабатывать эффективные режимы предварительной термической обработки. Показано, что для сталей с явно выраженной и устойчивой структурной наследственностью необходимы специально разработанные режимы предварительной термической обработки, которые бы учитывали в полной мере это свойство корпусных сталей. К таковым технологическим режимам относятся: впервые в мировой практике разработанные, опробованные и внедренные технология изотермического отжига для обечаек, заготовок днищ и эллипсоидов из сталей 15Х2НМФА и 15Х2НМФА-А и технология, совмещающая изотермический отжиг с окончательным режимом термической обработки — одинарной закалкой в воде и отпуском при 650 °C, для обечаек корпуса реактора.

5. Впервые для стали 15Х2НМФА-А изучена кинетика перестройки дислокационной структуры закалки в процессе отпуска, установлено развитие предрекристаллизационной полигонизации и частичной рекристаллизации феррита в области субкритических температур. Получены результаты, показавшие возможность исправления крупнозернистой структуры перегрева сталей 15Х2НМФА, 15Х2НМФА-А путем использования высокого отпуска перед повторным нагревом до аустенитного состояния.

6. На опытно-промышленных обечайках впервые в мировой практике термометрирования выполнены работы по снятию температурных полей при закалке с одновременным проведением дифференциального термического анализа. Установлено значимое влияние тепловых эффектов фазовых превращений на скорость охлаждения. Результаты исследований позволили обосновать необходимость проведения закалки не в масле либо через воду в масло, а в воде с использованием барботажа и принудительным интенсивным водообменном в закалочном баке.

7. Для сталей 10ГН2МФА, 09Н2МФБА-А впервые разработаны режимы термической обработки из межкритического интервала температур. Показано, что охлаждение из межкритического интервала температур низкоуглеродистых, легированных марганцем, никелем, молибденом и ванадием сталей приводит к измельчению зерна, снижению температурного интервала бейнитного превращения и получению в структуре значительного количества нижнего бейнита.

8. Теоретически обоснованы принципиально новые режимы антифлокенной обработки крупных поковок из конструкционных сталей, используемых в энергетическом и тяжелом машиностроении.

9. Экспериментально установлена значимая корреляция параметров статической и циклической трещиностойкости с характеристиками микроструктуры трубных сталей, содержанием в них углерода, марганца и фосфора. Выявлен эффект, состоящий в том, что статическая и циклическая трещиностойкость металла труб повышенного уровня надежности превосходят аналогичные показатели для металла труб в обычном и хладостойком исполнениях.

Практическая ценность и реализация в промышленности.

Выполненные автором комплексные исследования, полученные результаты, предложенные принципы и методики исследования, рекомендации по выбору сталей и технологии их производства использованы при совместных разработках и внедрении. Основные из них:

1. Радиационностойкая сталь 15Х2НМФА-А (совместно с ЦНИИ КМ «Прометей», ПО «Ижорский завод»):

Авторское свидетельство СССР № 649 230 «Сталь». Баландин Ю. Ф., Баданин В. И., ., Марков С. И. и др. Приоритет изобретения 16.01.1975 г.

2. Сталь 10ГН2МФА, не склонная к охрупчиванию в процессе длительных выдержек при 300−450°С (совместно с ПО «Ижорский завод»):

Авторское свидетельство СССР № 943 317 «Сталь». Долбенко Е. Т., Астафьев A.A., ., Марков С. И. и др. Опубликовано 15.07.1982 г.

3. Сталь 09Н2МФБА-А и технология ее производства для контейнеров ТУК-13 для перевозки отработавшего ядерного топлива (совместно с ПО «Ижорский завод»):

Авторское свидетельство СССР № 1 669 206 «Сталь». Марков С. И., Звездин Ю. И. и др. Опубликовано 28.06.1989 г.

4. Сталь 06ГФБА-А для труб повышенной эксплуатационной надежности (совместно с ОАО АК «Транснефть», ПО «Ижорский завод», ОАО «НЛМК», ОАО «ММК», ОАО «ВНИИСТ», ОАО «ЧТПЗ», ОАО «Северсталь»):

Патент РФ на изобретение № 2 141 002 «Сталь». Дуб B.C., Лобода A.C., Марков С. И. и др. Опубликовано 10.11.1999 г.;

Патент РФ на изобретение № 2 241 780 «Сталь». Дуб B.C., Марков С. И. и др. Опубликовано 10.12.2004 г.

5. Технология предварительной и окончательной термической обработки обечаек, днищ, эллипсоидов из сталей 15Х2НМФА, 15Х2НМФА-А, 15Х2НМФА-А класс 1, 10ГН2МФА (совместно с ПО «Ижорский завод», ПО «Энергомашспецсталь», ПО «Атоммаш»):

Авторское свидетельство СССР № 1 272 713 «Способ предварительной термической обработки поковки». Марков С. И., Астафьев A.A. и др. Приоритет изобретения 06.02.1985 г.;

Авторское свидетельство СССР № 1 257 924 «Способ изготовления стальных поковок». Онищенко А. К., Марков С. И. и др. Приоритет изобретения 27.01.1985 г.

6. Технология термической обработки из межкритического интервала температур стали 10ГН2МФА (совместно с ПО «Ижорский завод»):

Авторское свидетельство СССР № 722 255 «Способ термической обработки изделий из малоуглеродистой низколегированной стали». Астафьев A.A., Марков С. И., Салькова С. С. Приоритет изобретения 03.03.1976 г.

7. Технологии производства штрипса, рулонного проката из стали 06ГФБА-А и труб большого диаметра из этой стали (совместно с комбинатами ОАО «HJIMK», ОАО «Ижорский завод», ОАО «Северсталь», ОАО «ММК», Выксунским металлургическим, Челябинским трубопрокатным, Волжским трубным заводами):

Патент РФ на изобретение № 2 180 691 «Труба для нефтегазопродуктопроводов и способ ее производства». Дуб B.C., Лобода A.C.,., Марков С. И. и др. Опубликовано 20.03.2002 г. Бюллетень № 8.

Разработанные стали и технологии термической обработки заготовок включены в соответствующие отраслевые и заводские технические условия и технологические инструкции:

1. ТУ 198.765−78 «Заготовки из стали марок 15Х2НМФА и 15Х2НМФА-А для корпусов и крышек и других узлов реакторных установок», 1978 год введения.

2. ТУ 108.776−86 «Заготовки из стали марок 10ГН2МФА, 10ГН2МФА-ВД, 10ГН2МФА-Ш для оборудования АЭС», 1986 год введения.

3. Инструкция 358−86 на термическую обработку деталей и сварных конструкций энергооборудования АЭС из сталей марок 15Х2НМФА, 15Х2НМФА-А и 10ГН2МФА, 10ГН2МФАЛ, 1986 год введения.

4. Технологическая инструкция «Предварительная термическая обработка (изотермический отжиг) заготовок энергооборудования АЭС из сталей марок 15Х2НМФА, 15Х2НМФА-А, 10ГН2МФА», 1988 год введения.

5. ТУ 24.11.027−91 «Поковки из стали марки 09Н2МФБА-А», 1991 год введения.

6. ТУ 14-ЗР-28−99 «Трубы стальные электросварные прямошовные с повышенными эксплуатационными характеристиками диаметром 530−1020 мм из стали марки 06ГФБА-А для магистральных нефтепроводов, газопроводов и нефтепродуктопроводов», 1999 год введения.

7. ТУ 14−101−458−2001 «Прокат рулонный из низколегированной стали марки 06ГФБА-А для электросварных труб», 2001 год введения.

8. ТУ 14-ЗР-52−2001 «Трубы стальные электросварные спиральношовные из низколегированной стали марки 06ГФБА-А для сооружения магистральных нефтепроводов», 2001 год введения.

9. ТУ 08 93−013−212 179−2003 «Заготовки из стали марок 15Х2НМФА и 15Х2НМФА-А для корпусов и крышек и других узлов реакторных установок» (Взамен ТУ 198.765−78), 2003 год введения.

10. ОТТ-08.00−60.30-КТН-013−1-04 «Общие технические требования на нефтепроводные трубы большого диаметра», 2004 год введения.

11. ТУ 08 93−014−212 179−2004 «Заготовки из стали марок 10ГН2МФА, 10ГН2МФА-ВД, 10ГН2МФА-Ш для оборудования АЭС» (Взамен ТУ 108.77 686), 2005 год введения.

12. Методика оценки структурной полосчатости низколегированных трубных сталей с помощью эталонных шкал, 2006 год введения.

13. Технологическая инструкция ТИ 467−2011 по выполнению режимов предварительной термической обработки после ковки и после штамповки заготовок энергооборудования АЭС, 2012 год введения.

14. Технологическая инструкция ТИ 468−2011 по выполнению режимов основной термической обработки заготовок энергооборудования АЭС, 2012 год введения.

15. ОТТ-23.040.00-КТН-05−11 «Трубы нефтепроводные большого диаметра. Общие технические требования», 2012 год введения.

Основные решения, выносимые на защиту.

1. Закономерности и природа совместного влияния фосфора и никеля на развитие обратимой отпускной хрупкости в низколегированных Сг-№-Мо-У корпусных сталях с бейнитной структурой.

2. Исследование процессов, протекающих при термическом старении сталей 15Х2НМФА и 15Х2НМФА-А.

3. Новые подходы в теоретической и промышленной разработке эффективной технологии антифлокенной обработки крупногабаритных поковок из конструкционных сталей.

4. Научное и экспериментальное обоснование разработки, выбора сталей 15Х2НМФА-А, 10ГН2МФА, 09Н2МФБА-А, 06ГФБА-А и технологий производства заготовок из этих сталей, которые реализуют принцип повышения надежности избыточностью свойств по отношению к минимально необходимому их уровню.

5. Металловедческие принципы, положенные в основу при разработке и внедрении стали 06ГФБА-А для магистральных нефтепроводов повышенной эксплуатационной надежности и освоении технологии производства штрипса и рулонного проката из этой стали.

Апробация работы.

Доклады по материалам диссертации были доложены и обсуждены на следующих конференциях, всесоюзных и республиканских совещаниях, семинарах:

1. Всесоюзный научный семинар по радиационной физике металлов и сплавов, Бакуриани, февраль, 1976 г.

2. 11-е Всесоюзное совещание по вопросам рассеяния энергии при колебаниях механических систем, Киев, 1976 г.

3. 3-е Всесоюзное совещание по взаимодействию между дислокациями и атомами примесей и свойствам сплавов", Тула, 1976 г.

4. V Уральская школа металловедов-термистов «Вопросы металловедения и термической обработки стали и титановых сплавов», Пермь, 13−18 марта 1977 г.

5. Республиканский семинар «Излом и хрупкость стали и сплавов», Киев,.

1977 г.

6. Всесоюзная научная конференция «Современные проблемы повышения качества металла», Донецк, 1978 г.

7. Республиканский семинар «Основы термической обработки», Киев,.

1978 г.

8. Республиканский семинар «Структура и свойства металлов и сплавов», Киев, 1979 г.

9. IX Всесоюзная конференция по физике прочности и пластичности металлов и сплавов, Куйбышев, 1979 г.

10. Всесоюзная научно-техническая конференция «Прогрессивные технологические процессы в атомном машиностроении», Волгодонск, ПО Атоммаш, 1981 г.

11. III Всесоюзная научно-техническая конференция «Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий», Запорожье, 26−28 ноября 1986 г.

12. X Украинская республиканская научно-техническая конференция «Повышение качества аналитического контроля материалов металлургического производства в 12-ой пятилетке», Днепропетровск, 14−16 октября 1986 г.

13. Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы металлургического производства», Волгоград, 1 -3 октября 2002 г.

14. XII межотраслевая научно-техническая конференция «Современное состояние и перспективы развития трубной промышленности Российской Федерации», Челябинск, 21−23 сентября 2004 г.

15. XIII Международная научно-практическая конференция «ТРУБЫ-2005», Челябинск, 27−29 сентября 2005 г.

16. XV Международная научно-техническая конференция «Трубы 2007», Челябинск, 18−20 сентября 2007 г.

17. Международная научно-техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии», С-Петербург, 24−26 июня 2009 г.

18. XVII Международная научно-техническая конференция «Создание современных комплексных технологий для производства высокотехнологичных бесшовных и сварных труб на базе нового поколения высокоэффективных сталей и сплавов», Челябинск, 22−23 сентября 2009 г.

19. II Международная конференция «Современные требования и металлургические аспекты повышения коррозионной стойкости и других служебных свойств углеродистых и низколегированных сталей», Москва, 29−30 июня 2010 г.

20. XVIII Международная научно-техническая конференция «Трубы-2010», Челябинск, 13−15 сентября 2010 г.

21. Всероссийская научно-техническая конференция «5-летие научно и научно-технической деятельности ЦФМК», Москва, ФГУП «ЦНИИчермет им. Бардина», апрель 2011 г.

22. У1-я Евразийская Международная научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур», Москва, НИТУ «МИСиС», 17−19 апреля 2012 г.

23. XII Международная конференция «Проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС», Санкт-Петербург, ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей», 5 — 8 июня 2012 г.

Публикации по теме диссертации.

Основное содержание диссертации опубликовано в 106 работах, в том числе, в 56 научных статьях, 20 авторских свидетельствах и патентах СССР и РФ, 2 Европейских патентах и 28 патентах Австрии, Великобритании, Германии, Голландии, Италии, Канады, Китая, Польши, США, Украины, Франции, Чехословакии, Швеции, Японии. В изданиях, рекомендованных ВАК для публикации материалов по докторским диссертациям, опубликовано 17 работ. Результаты выполненных научно-исследовательских работ, в которых автор был руководителем, изложены в 30 отчетах ОАО НПО «ЦНИИТМАШ».