Государственный научный центр ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» является крупнейшим межотраслевым центром страны в области развития принципиально новых, имеющих общегосударственное значение перспективных материалов и технологий, обеспечивающих развитие промышленности России и сохранение обороноспособности страны. Создаваемые в институте специальные стали и прецизионные технологии их производства, многофункциональные композитные материалы, сварочные материалы и технологии сварки соответствуют лучшим мировым аналогам, а зачастую и превосходят их, обеспечивая производство современной морской техники, атомных реакторов, трубопроводов и другого оборудования.
Россия имеет значительный опыт использования атомной энергии на судах и кораблях надводного и подводного флота. Пионером в разработке сталей для корпусов реакторов атомного подводного флота был «Прометей». Разработчиком атомных энергетических установок морского базирования и старейшим партнёром ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» было и остаётся в настоящее время нижегородское «Опытное конструкторское бюро машиностроения им. И. И. Африкантова» (ОАО «ОКБМ Африкантов»).
Тогда, в 1960–1970-е годы, сложность возникающих проблем была связана с новыми для науки эксплуатационными факторами, в первую очередь интенсивными потоками радиации в сочетании с высокими рабочими параметрами – температурой и давлением рабочих сред. Требовалось в весьма сжатые сроки разработать и предложить промышленности такие материалы, которые были бы способны в таких условиях обеспечить работоспособность конструкций в течение заданного достаточно длительного времени эксплуатации. В результате совместных исследований с «Курчатовским институтом», ныне Российским научным центром, был создан материал для корпусов атомных реакторов, одна из наиболее радиационно-стойких сталей – сталь марки 15Х2МФА. Тогда была успешно решена сложнейшая задача технологического освоения производства судовых ядерных реакторов. Это позволило обеспечить серийное изготовление энергоустановок для ВМФ и ледоколов, которые успешно эксплуатируются и в настоящее время.
В нашей стране за четыре десятилетия было создано и эксплуатировалось более 360 реакторов, суммарная безаварийная наработка которых превысила к настоящему времени 6200 реакторо-лет1. Высокое качество и надёжность реакторных установок морского базирования подтверждены опытом эксплуатации 8 атомных ледоколов и атомного лихтеровоза «Севморпуть». Первый ледокол с атомной энергетической установкой «Ленин» продемонстрировал безаварийную работу в течение 30 лет в суровых условиях эксплуатации. Исключительно высокие характеристики надёжности и безопасности этих энергетических установок подтверждены их наработкой, превышающей 140 000 часов (атомный ледокол «Арктика», построенный в 1970 году). Всего на судах ледокольного флота эксплуатировалось 16 ядерных реакторов.
Многолетняя интенсивная эксплуатация атомных кораблей и судов убедительно подтвердила высокую надёжность, безопасность и «живучесть» данного типа реакторов, в том числе и в аварийных ситуациях со сверхпроектными внешними условиями на реакторную установку.
Роль материала корпуса реактора в обеспечении работоспособности и ресурса корпуса исключительно велика.
Созданная на начальной стадии освоения судового атомного реакторостроения сталь марки 15Х2МФА(А), применяемая также для изготовления корпусов реакторов ВВЭР-440, имеет к настоящему времени большой массив экспериментальных данных по её поведению под облучением, подтверждающих её беспрецедентно высокую стойкость к эксплуатационным воздействиям.
Именно поэтому на протяжении последнего времени ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» проводил работы по совершенствованию стали 15Х2МФА с целью повысить её прочностные характеристики и сопротивление хрупкому разрушению при одновременном увеличении толщины заготовок, требующихся для реакторных установок морского базирования современных проектов.
В настоящее время на базе стали 15Х2МФА создана усовершенствованная марка 15Х2МФА-А мод. А.
В рамках проводимых работ был откорректирован химический состав стали в пределах марочного:
– увеличены нижние пределы содержания углерода и хрома;
– никель нормирован не как допускаемая примесь, а как легирующая добавка для увеличения прокаливаемости в заготовках крупных сечений;
– снижен верхний уровень допускаемого содержания вредных примесей.
В результате проведённых исследований была разработана усовершенствованная марка стали на базе Cr-Mо-V композиции с гарантированным обеспечением уровня механических характеристик, соответствующих КП45, и исходной критической температурой хрупкости ТКО ≤ –35 °С
при сохранении исключительно высокого уровня радиационной стойкости в заготовках большой толщины (15Х2МФА-А мод. А).
Использование усовершенствованных технологий на всех стадиях металлургического передела, а также прецизионное легирование позволили получить высокий уровень прочности при значениях исходной критической температуры хрупкости не выше –35 °С в промышленных полуфабрикатах из стали 15Х2МФА-А мод. А толщиной до 490 мм.
Рациональное легирование и прецизионные режимы термической обработки обеспечивают устойчивость твёрдого раствора к распаду с образованием радиационно-стимулированных преципитатов, обогащенных Ni, Mn и Si, стабильность состава и размеров упрочняющих фаз при эксплуатационных воздействиях в стали.
При этом сталь обладает хорошей отпускоустойчивостью: снижение прочностных характеристик после дополнительных отпусков составляет максимум 50 МПа, различия в прочностных характеристиках после минимума и максимума технологических отпусков составляют 10–20 МПа, что находится в пределах ошибки определения или разброса свойств. Это обеспечивает возможность проведения дополнительных технологических отпусков (например, при усложнении конструкции или ремонте).
Одним из перспективных направлений технологий создания судовых реакторов является разработка реакторов интегрального типа. Данные энергетические установки могут быть использованы для создания энергоисточников различного назначения. Автономность и компактность установки позволяют организовать ее поставку для наземных АЭС и ледоколов, а также для монтажа на плавучих атомных станциях в виде модуля полной заводской готовности, причём доставка может осуществляться любым видом транспорта – автомобильным, водным или железнодорожным.
В настоящий момент на базе ОАО «ОКБМ Африкантов» разрабатываются проекты новых реакторов интегрального типа различного назначения. Особенности интегральной компоновки приводят к значительному усложнению конструкции фланцевой зоны аппарата, где необходимо обеспечить выход из корпуса значительного числа паропроводов. В результате размеры и толщина стенки фланцевой зоны корпуса реактора интегрального типа значительно увеличиваются, а требования к механическим характеристикам возрастают.
Так, в одном из проектов, для заготовки фланцевой части корпуса реактора интегрального типа было выдвинуто требование обеспечения механических характеристик материала в толщине до 660 мм на уровне КП45 на глубину до 200 мм от поверхности и КП40 в середине сечения при значении исходной критической температуры хрупкости ТКО не выше 0 °С.
Для решения поставленных задач во ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» на базе легирующей композиции стали 15Х2МФА была создана сталь этого же класса, но с ограниченным содержанием никеля до 0,6–0,8 %, не оказывающим существенного влияния на служебные свойства стали, такие как стойкость к радиационному и тепловому охрупчиванию. Результаты исследований качества и механических свойств опытно-промышленных поковок из созданной стали 15Х2МФА-А мод. Б показали возможность обеспечения механических характеристик в заготовках толщиной под термическую обработку до 660 мм на уровне КП45 при значениях исходной критической температуры хрупкости ТКО не выше –35 °С по всему сечению заготовки.
Следует отметить, что создание данного класса реакторных материалов (стали 15Х2МФА-А мод. А и 15Х2МФА-А мод. Б), а также инновационных технологий производства поковок, обеспечит создание АЭУ морского базирования, в том числе интегрального типа, плавучих и подземных АЭС, АЭУ ледоколов нового поколения, так как они обладают исключительно высоким сопротивлением радиационному охрупчиванию при беспрецедентно больших интегральных флюенсах нейтронов (до 3x1020 н/см2), что недостижимо ни для одного из существующих зарубежных и отечественных материалов.
Алексей Орыщенко, Георгий Карзов
ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» (Санкт-Петербург)
