Современные материалы для сварки и наплавки корпусов АЭУ морского базирования

Россия имеет значительный опыт использования атомной энергии на судах и кораблях надводного и подводного флота. 

 

 

 

Авторы:

  • Георгий Карзов, д.т.н., профессор, дважды лауреат Государственной премии, заместитель генерального директора, начальник научно-производственного комплекса «Материалы и вопросы безопасности энергетических установок»
  • Сергей Галяткин, к.т.н., начальник лаборатории «Сварка энергетического оборудования» ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» (Санкт-Петербург)

 

ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» внесло основной вклад в создание конструкционных материалов и технологий изготовления всех поколений атомных энергетических реакторов, начиная от изготовленного 60 лет назад корпуса первого атомного реактора первой советской подводной лодки К-3 «Ленинский комсомол» до новейших реакторных установок «РИТМ-200», сданных в 2016 г. для строящегося универсального атомного ледокола «Арктика» проекта 22220.

С самого начала отечественного атомного реакторостроения «Прометей» осуществляет функции головного центра по созданию материалов и технологий изготовления корпусного оборудования реакторных установок для подводных и надводных кораблей, гражданских судов, атомных ледоколов, плавучих энергоблоков и атомных электростанций.

В настоящее время разрабатываются атомные энергетические установки нового поколения повышенной безопасности с увеличенным сроком службы. Приоритетной материаловедческой задачей для специалистов «Прометея» стало обеспечение повышенной стойкости к хрупкому разрушению основного металла, сварных соединений и наплавок корпуса реактора, поскольку именно они наиболее подвержены деградации свойств под действием нейтронного облучения и повышенных температур в процессе эксплуатации.

Усовершенствование стали для корпусов реакторных установок

Созданная в 1950-е гг., сталь Cr-Mo-V композиции успешно применялась при изготовлении корпусов реакторов транспортных атомных энергетических установок, а также установок ВВЭР-440 для АЭС благодаря высокой стойкости к эксплуатационным воздействиям. На протяжении последнего времени ученые «Прометея» активно проводили работы по усовершенствованию этой стали с целью повышения ее прочностных характеристик и сопротивления хрупкому разрушению. В результате созданы теплоустойчивые радиационно-стойкие стали нового поколения, обладающие прочностью на уровне КП45, с беспрецедентно высокой радиационной стойкостью и технологичностью. Освоено производство крупногабаритных заготовок новых сталей из слитков массой до 420 т, с толщиной стенки под термическую обработку до 670 мм. Эти стали обладают высоким сопротивлением хрупкому разрушению, в том числе в зоне термического влияния – на уровне свойств основного металла. Они позволяют создавать корпуса как транспортных, так и стационарных атомных реакторов с гарантированной безопасностью при эксплуатации со сроком службы до 100 лет. Заслуги «Прометея» в области создания этих сталей были отмечены Государственной премией России в 2012 г.

В то же время значения критической температуры хрупкости металла шва, выполненного традиционно применяемыми сварочными материалами, были выше, а его прочностные характеристики – ниже, чем у основного металла, что негативно сказывалось на работоспособности сварных соединений и, как следствие, – на прочности и долговечности конструкции в целом. По сути, сварные швы оказались «слабым звеном» корпуса реактора, что вызвало необходимость проведения комплекса научно-исследовательских работ, направленных на создание новых сварочных материалов и технологии сварки, обеспечивающих равнопрочность сварных соединений основному металлу. Параллельно решалась проблема повышения стойкости к охрупчиванию металла антикоррозионной наплавки, которая выполняется на внутренней поверхности корпусного оборудования АЭУ.

 Модернизация сварочных материалов

«Прометей» – признанный лидер в создании сварочных материалов для атомных реакторов. Сварка и наплавка – ведущие технологические процессы, применяемые при изготовлении оборудования для АЭУ. Поэтому для создания корпусов реакторов нового поколения из усовершенствованной стали потребовалось модернизировать сварочные материалы, а также технологию их изготовления и использования. Эта задача одинаково актуальна как для изготовления АЭУ морского применения, так и для стационарных установок типа ВВЭР.

Работы по модернизации материалов для сварки ученые «Прометея» проводили двумя путями:

  • оптимизация химического состава применяемых сварочных проволок и флюсов в рамках действующих химических композиций;
  • создание новых композиций материалов на основе тщательного анализа влияния химических элементов и вредных примесей на работоспособность металла шва, применение современных металлургических процессов при их изготовлении, а также разработка технологии сварки.

Усовершенствование применявшейся ранее сварочной проволоки Cr-Mo-V композиции проводили за счет оптимизации содержания основных легирующих элементов в ее составе и введения жестких ограничений по содержанию серы, фосфора и вредных примесей цветных металлов, способствующих тепловому и радиационному охрупчиванию. Наряду с модернизацией состава сварочной проволоки проводили работы по усовершенствованию сварочного флюса. Модернизация существующих материалов позволила повысить характеристики прочности и стойкости к хрупкому разрушению металла шва и применить их при изготовлении плавучих атомных энергоблоков морского базирования, а также РУ «РИТМ-200» для универсального атомного ледокола. Тем не менее, указанные характеристики металла шва не обеспечивали равнопрочность основному металлу.

Прометей_Реакторная установка РИТМ-200

Реакторная установка «РИТМ-200» для универсального атомного ледокола

Проблема равнопрочности была решена за счет создания новой сварочной проволоки Cr-Mo композиции с повышенным углеродом в сочетании с новым высокоосновным агломерированным флюсом. Разработанная технология сварки в узкую разделку обеспечивает высокое качество сварных соединений в толщинах до 390 мм. При этом прочность металла шва обеспечивается на уровне основного металла, а критическая температура хрупкости – не выше –35 °С, что позволило увеличить срок службы реактора в целом.

 Ленты для наплавки антикоррозионного покрытия

Для защиты от коррозии при контакте с водным теплоносителем на внутреннюю поверхность корпусов реакторных установок наплавляется антикоррозионное покрытие с применением сварочных лент из коррозионно-стойкой хромоникелевой стали. Для новых проектов реакторных установок повышенной безопасности важно, чтобы это покрытие обеспечивало не только коррозионную стойкость, но и отсутствие склонности к хрупкому разрушению в течение всего срока службы.

Специалисты «Прометея» решили эту задачу путем модернизации сварочных материалов для антикоррозионной наплавки. Благодаря усовершенствованию удалось добиться повышения стойкости к охрупчиванию наплавленного металла, сохранив при этом требуемый уровень прочности и коррозионной стойкости. Как и для сварочной проволоки, усовершенствование лент шло в двух направлениях.

Во-первых, ограничено содержание вредных примесей в сочетании с применением прогрессивных методов выплавки и разливки стали для изготовления ленты. Это обеспечило повышение уровня ударной вязкости наплавленного металла до начала эксплуатации, а также радиационную стойкость в условиях нейтронного облучения.

При участии специалистов «Прометея» в 2015 г. было освоено крупнотоннажное производство усовершенствованных лент на Челябинском металлургическом комбинате, что обеспечило полное импортозамещение по данным материалам. Первые плавки лент были использованы при изготовлении корпусов РУ «РИТМ-200» при авторском надзоре «Прометея». За освоение технологии производства этих лент коллектив «Прометея» совместно с ЧМК был награжден Золотой медалью международной выставки «Металл-Экспо’2015» (Москва).

Во-вторых, разработаны новые низкоуглеродистые марки лент для антикоррозионной наплавки и освоено их промышленное производство. В результате широкого комплекса исследований подтверждены требуемое качество и высокая стойкость к охрупчиванию наплавленного металла с учетом воздействия основных технологических и эксплуатационных факторов.

Перспективное направление повышения работоспособности металла наплавки – разработка и применение высокоосновных агломерированных флюсов, а также технологии электрошлаковой наплавки однослойного антикоррозионного покрытия, которая позволит уменьшить трудоемкость наплавочных работ.

Основной принцип создания новых материалов в «Прометее» – не только разработка нового химического состава и технических условий на их изготовление. Это освоенные в промышленности технологии. Это высококвалифицированные специалисты, которые осуществляют их исследование и внедрение в производство, а также анализ работоспособности созданного с их применением оборудования на протяжении всего срока эксплуатации.

Прометей_Изготовление масштабной кольцевой пробы с применением новых материалов

Изготовление масштабной кольцевой пробы с применением новых материалов

Созданные в «Прометее» материалы и технологии позволяют проектировать и изготавливать корпуса реакторных установок различного типа, мощности и назначения. Сегодня они используются в реализации проектов государственного оборонного заказа, а также в деле освоения Арктики. Эти разработки являются весомым вкладом в обеспечение обороноспособности и экономической безопасности нашей страны.

ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»
г. Санкт-Петербург
телефон: +7 (812) 274-37-96
факс: +7 (812) 274-29-24
e-mail: mail@crism.ru, oknir@crism.ru
www.crism-prometey.ru

Комментариев еще нет.

Оставить комментарий

Вы должны войти Авторизованы чтобы оставить комментарий.

Партнеры