Технические новинки Vol.3

РАЗРАБОТКА ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ СВАРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ АТОМНЫХ РЕАКТОРОВ

Атомная энергетика считается более чистым источником энергии по сравнению с ископаемыми видами топлива, поэтому сейчас наблюдается стремительный рост строительства АЭС, особенно в странах Азии. В данной статье представлены особые виды стали и сварочных материалов, которые используюся при строительстве АЭС.

Системы выработки атомной электроэнергии

Таблица 1: Типы атомных реакторов

Реактор	Топливо	Замедлитель	Теплоноситель	Примечание
Легководный реактор	Обогащенный уран	Легкая вода	Легкая вода	▪ BWR ▪ ABWR ▪ PWR
Газоохлаждаемый реактор	Природный или обогащенный уран	Графит	Углекислый газ CO2	▪ AGR ▪ Калдер Холл AGR
Тяжеловодный реактор	Природный или обогащенный уран	Тяжелая вода	▪ Углекислый газ CO2 ▪Легкая вода ▪ Тяжелая вода
Реактор с горячим газом	Обогащенный уран	Графит	Гелий
Быстрый бридерный реактор	Обогащенный уран или плутоний	Нет	▪ Натрий ▪ Натрий- калиевые сплавы	FBR

Электроэнергия, выработанная на атомных электростанциях - это вид тепловой энегрии, полученной в результате цепной ядерной реакции обогащенного урана, идущей в корпусе реактора. Эта тепловая энергия передается в теплоноситель, который производит пар, вращающий турбину.

Существует несколько типов ядерных реакторов, в которых используются разные замедлители и теплоносители, как показано в Таблице 1. На Иллюстрации 1 слева показана схема типичного реактора кипящего типа (BWR), а сверху - реактора водо-водяного типа (PWR). Оба являются легководными реакторами (LWR). Это самые распространенные типы реакторов.

Коды корпусов ядерных реакторов

Таблица 2: критерии оценки RT NDT в ферритных материалах, таких как марганец-молибден-никелевые стали и сварочные металлы

Метод испытаний	Критерии оценки
Ударные испытания	Температура на 5 градусов ниже самой низкой температуры, при которой оба тестируемых образца при испытании на удар признаны свободными от разломов, определяется как TNDT.
Испытание на ударную вязкость по Шарпи	Когда все три образца при испытании на ударную вязкость по Шарпи тестируются при температуре равной или низшей TNDT +33°C отвечают следующим требованиям, TNDT определяется как RTNDT: (1) Минимальная поглощенная энергия составляет 68 Дж (2) Минимальное поперечное расширение составляет 0,90 мм

В каждой стране есть собственные нормы, установленные для атомных предприятий, и в то же время широко применяются коды Американского общества инженеров-механиков ASME. ASME Секция III Раздел 1 (Компоненты для АЭС) и ASME Секция XI (Правила проведения инспекций в ходе эксплуатации компонентов АЭС); эти коды детально описыват требования к дизайну, процессу производства, тестированию, инспекциям и обеспечению качества. В частности, ударная вязкость материала является одним из основных требований, так как этот показатель определяет устойчивость к хрупкому излому. Например, в Таблице 2 представлены критерии определения опорной температуры нулевой пластичности (RTNDT), полученные путем тестирования на ударную вязкость ферритных материалов, таких как марганец-молибден-никелевые стали и сварочные материалы.

Технические требования к сталям, применяемым в атомных реакторах

Таблица 3: Химические и механические свойства сталей, применяемых для корпусов реакторов

Технические требования ASME	SA-533		SA-508
Тип или сорт	Тип В		Сорт 2	Сорт 3
Класс	1	2	1	1
УглеродC (%)	≤ 0.25	≤ 0.25	≤ 0.35	≤ 0.75
Кремний Si	0.15-0.40	0.15-0.40	0.15-0.35	0.15-0.35
Марганец Mn	1.15-1.50	1.15-1.50	0.40-0.90	0.50-0.90
Фосфор P	≤ 0.035	≤ 0.035	≤ 0.025	≤ 0.025
Сера S	≤ 0.04	≤ 0.04	≤ 0.025	≤ 0.025
Никель Ni	0.40-0.70	0.40-0.70	≤ 0.4	0.50-1.00
Хром Cr	-	-	≤ 0.25	0.25-0.45
Молибден Mo	0.45-0.60	0.45-0.60	≤ 0.1	0.55-0.70
Ванадий V	-	-	≤ 0.05	≤ 0.05
0.2%YS (MPa)	≥ 345	≥ 485	≥ 345	≥ 345
TS (MPa)	550-690	620-795	550-725	550-725
El (%)	≥ 18	≥ 16	≥ 18	≥ 18
RA (%)	-	-	≥ 38	≥ 38
IV при +4.4°C (J)	-	-	Каждый ≥ 34 Среднее ≥ 41*1	Каждый ≥ 34 Среднее≥ 41*1
Соответствующий стандарт JIS	JIS G 3120 SQV 2 A	JIS G 3120 SQV 2 B	JIS G 3204 SFVQ 2 A	JIS G 3120 SFVQ 1 B
*1: Рассчитанное среднее для трех образцов.

Атомные реакторы состоят из корпуса реактора (RPV); парогенератора (SG) и компенсатора давления, которые используются только в водо-водяных реакторах, трубопровода первого контура и защитной оболочки. Корпус реактора эксплуатируется при высокой температуре и высоком давлении, поэтому его компоненты выполнены из жаропрочной стали, в частности, марганец-молибден-никелевой стали, в соответствии с ASME Секцией II, часть А (Технические требования к черным металлам). В корпусах реакторов, а также в компенсаторах давления обычно используются SA-533 и SA-508, а в реакторах водо-водяного типа - 3G. В Таблице 3 представлены их химические и механические свойства, а также соответствующие стандарты JIS для справки.

Для трубопровода первого контура используются в основном нержавеющая сталь марки 304L и сплавы на основе никеля, благодаря их антикоррозийным свойствам, высокой ударной вязкости и хорошей свариваемости.

Технические требования к сварочным материалам

Таблица 4: Сварочные материалы TRUSTARC^TM распределяются по категорям по уровню ударной вязкости для марганец-молибден-никелевых сталей

Сварочные материалы по классам ударной вязкости
	Класс 620 Мра		Класс 690 Мра
Соответствующие стали (ASME)	SA-533 Тип B Класс1 SA-508 Сорт 2 Класс 1 SA-508 Сорт 3 Класс 1		SA-533 Тип B Класс 2
Сварочный процесс	Торговая марка	Классификация AWS	Торговая марка	Классификация AWS
SMAW	BL-96	A5.5 E9016-G	BL-106	A5.5 E10016-G
SAW	MF-27X/ US-56B	A5.23 F9P4-EG-G	MF-29AX/ US-63S	A5.23 F10P2-EG-G
	PF-200/ US-56B	A5.23 F9P4-EG-G	PF-200/ US-63S	A5.23 F10P2-EG-G
GTAW	TG-S56	A5.28 ER80S-G	TG-S63S	A5.28 ER90S-G
Примечание: MF-27X - это плавленый флюс, а PF-200 - керамический флюс.

При строительстве АЭС в соответствии с требованиями ASME Секция III, сварочные материалы должны выбираться согласно требованиям АSME Cекции II, Части С (Технические требования к сварочным пруткам, электродам и присадочным металлам), а сварочные процессы должны соответствовать требованиям ASME Cекции IX (Требования к сварке и пайке). Все сварочные материалы, указанные в ASME Секции II, Части С, идентичны указанным в стандарте AWS, поэтому в данной статье речь идет о сварочных материалах по стандарту AWS.

Безопасность - это самое главное требование в атомной энергетике, поэтому сварочные материалы должны быть надежными и обладать достаточной прочностью, чтобы выдерживать повышенные температуры в ходе эксплуатации, противостоять низкотемпературному охрупчиванию в случае аварийной остановки, а также обладать высокой сопротивляемостью нейтронно-радиационному повреждению и хорошей свариваемостью.

В Таблице 4 представлено, какие сварочные материалы соответвуют марганец-молибден-никелевым сталям. Сварочные материалы разделены на два класса по ударной вязкости - 620 и 690 МРa, в зависимости от соответствующих сталей. Типичные химические и механические свойства сварочных металлов для сварочных материалов классов 620 и 690 MРa показаны в Таблицах 5 и 6 соответственно.

Таблица 5: Типичные химические и механические свойства сварочных металлов (сварочные материалы класса 620 Мра)

Сварочный процесс	SMAW		SAW				GTAW
Торговая марка	BL-96		MF-27X/ US-56B		PF-200/ US-56B		TG-S56
Полярность	Переменный ток*1		Переменный ток*1		Переменный ток*1		DCEN
Углерод C (%)	0.06		0.08		0.08		0.05
Кремний Si	0.54		0.28		0.11		0.41
Марганец Mn	1.30		1.05		1.23		1.54
Фосфор P	0.005		0.009		0.007		0.008
Сера S	0.004		0.004		0.003		0.006
Cu	0.02		0.08*2		0.08*2		0.15*2
Никель Ni	0.37		0.87		0.83		0.66
Хром Cr	0.02		0.06		0.02		0.03
Молибден Mo	0.53		0.50		0.43		0.52
Кобальт Со	0.005		0.005		0.005		0.005
PWHT (°C×час)	620× 1	600× 16	595× 3	635× 26	590× 3	620× 11	620× 1	650× 15
0.2%YS (MPa)	620	575	528	480	580	490	520	499
TS (MPa)	700	667	618	560	669	580	590	564
El (%)	26	25	33	32	28	30	31	33
IV при 0°C (J)	150	149	-	-	-	-	-	-
IV при – 10°C (J)	-	-	-	-	-	-	-	171
IV при – 12°C (J)	-	-	174	180	-	-	290	-
IV при – 18°C (J)	-	89	-	-	-	-	-	-
IV при – 20°C (J)	-	-	-	-	189	210	-	-
IV при – 40°C (J)	-	-	137	-	142	-	-	204
RTNDT (°C)	-	–35	–55	-	-	-	-	–70
*1 Только для переменного тока (AC). Не рекомендуется для постоянного тока (DC). *2 Включая медное покрытие

Таблица 6: Типичные химические и механические свойства сварочных металлов (сварочные материалы класса 690 МPа)

Сварочный процесс	SMAW		SAW				GTAW
Торговая марка	BL-106		MF-29AX/ US-63S		PF-200/ US-63S		TG-S63S
Полярность	Переменный ток*1		Переменный ток*1		Переменный ток*1		DCEN
Углерод C (%)	0.10		0.10		0.08		0.09
Кремний Si	0.53		0.21		0.10		0.32
Марганец Mn	1.41		1.49		1.51		1.23
Фосфор P	0.009		0.006		0.007		0.006
Сера S	0.005		0.005		0.004		0.006
Cu	0.02		0.07*2		0.06*2		0.18*2
Никель Ni	0.76		1.35		1.31		1.58
Хром Cr	0.04		0.17		0.14		0.04
Молибден Mo	0.50		0.51		0.47		0.40
Кобальт Со	0.005		0.005		0.005		0.003
PWHT (°C×час)	595× 3	613× 15	595× 3	612× 15	590× 3	600× 16	620× 1	635× 16
0.2%YS (MPa)	670	561	640	589	620	552	570	563
TS (MPa)	770	657	740	691	700	641	620	636
El (%)	28	26	28	22	28	28	28	29
IV при 0°C (J)	110	170	-	-	-	-	-	-
IV при – 10°C (J)	-	-	-	-	-	-	-	166
IV при – 12°C (J)	-	-	120	105	-	-	-	-
IV при – 15°C (J)	-	-	-	-	-	235	-	-
IV при – 20°C (J)	-	-	-	-	170	-	-	-
IV при – 30°C (J)	-	111	-	52	-	-	-	-
IV при – 40°C (J)	-	-	89	-	124	-	-	195
IV при – 47°C (J)	-	-	-	-	-	-	200	-
RTNDT (°C)	-	–45	-	–45	-	–18	-	–70
*1 Только для переменного тока (AC). Не рекомендуется для постоянного тока (DC). *2 Включая медное покрытие

Существует несколько базовых концепций создания сварочных материалов для марганец-молибден-никелевой стали. Одна из них - добавление кремния, марганца, накеля и молибдена к сварочному металлу, так же, как они содержатся в стали, чтобы повысить прокаливаемость и получить феррито-бейнитную, бейнитную или бейнит-мартенситную микроструктуру. Еще одна концепция - добавление углерода. Углерод повышает прокаливаемость и снижает содержание кислорода в сварочном металле, что дает более высокую ударную вязкость. Однако слишком высокое содержание водорода может также повысить хрупкость через выделение карбидов (цементит) во время PHWT, а также снизить сопротивляемость растрескиванию. Поэтому содержание углерода в сварочном металле должно быть немного ниже, чем в основным металле. Третья концепция заключается в минимизации таких примесей как фосфор и олово, чтобы избежать охрупчивания сварочного металла, индуцированного PHWT. Повышение основности шлака, в особенности SAW - еще одна концепция создания проволоки, при этом содержание кислорода в сварочном металле снижается, что приводит к повышению ударной вязкости. Например, использование керамического флюса TRUSTARC™ PF-200 вместо плавленого флюса TRUSTARC™ MF-27X дает более высокую основность, а значит, лучшую ударную вязкость, как показано на Иллюстрации 3.

Повышение сопротивляемости сварочных материалов растрескиванию важно для противодействия остаточным напряжениям, вызванным сваркой толстостенных корпусов реакторов. Управление контентом C и S предотвращает образование горячих трещин, а сведение к минимуму содержания диффузного водорода повышает сопротивляемость холодному растрескиванию. В частности, покрытие электродов SMAW осуществляется для снижения поглощения влаги, которая является одним из основных источников диффузного водорода. Как показано на Иллюстрации 4, влагонепроницаемый электрод SMAW медленно вбирает влагу, что снижает содержание диффузного водорода в сварочном металле.

Еще одна базовая концепция заключается в том, чтобы учитывать нейтронное радиационное охрупчивание и сопротивляемость индуцированной радиоактивности в отношении как сварочного металла, так и основного металла. Поскольку нейтронное радиационое охрупчивание возникает в районе окружной линии корпусов реакторов в ходе операций, это важный фактор не только для стали, но и для сварочного металла. Содержание меди и фосфора, которые усиливают нейтронное радиационное охрупчивание, а также таких элементов с высокой индуцированной радиоактивностью, как кобальт и ниобий, снижаются, насколько это возможно. В настоящее время появились сварочные проволоки SAW без медного покрытия.

Внутренняя поверхность корпусов реакторов, парогенератор и трубопровод первого контура являются высококоррозийной средой из-за циркуляции охлаждающей воды, загрязненной радиоактивными элементами. Внутренняя поверхность, входящая в непосредственный контакт с теплоносителем, подвергается наплавке с примением сварочных материалов для нержавеющей стали, или сплавов на никелевой основе, чтобы уберечь ее от коррозии.

На внутренней поверхности оболочки и днища больших корпусов реакторов применяется наплавка эффективными методами SAW или ESW с применением ленточного электрода. На внутренней стороне труб и форсунок применяется сварка GTAW и GMAW. Схемы и процессы наплавки с применением ленточного электрода показаны на Иллюстрациях 5 и 6 соответственно. Режим ESW характеризуется неглубоким проплавлением, которое снижает разбавление основным металлом, и дает малоуглеродистый сварной шов с лучшим сопротивлением коррозии. Режим SAW дает малую погонную энергию благодаря более высокой скорости сварки, а значит, этот процесс более предпочтителен для основного металла, который склонен к образованию трещин под плакирующим покрытием (UCC).

В Таблице 7 представлены флюсы и ленточные электроды для сварочного металла 304L при наплавлении в режиме SAW и ESW, а также типичные химические составы и ферритные числа (Обозначены FN в диаграмме) наплавленных сварочных металлов.

В Таблице 8 представлены сварочные материалы SMAW и GTAW для наплавленного сварочного металла 304L, а также химический состав цельного наплавленного металла. В Таблице 9 представлены сварочные материалы SMAW и GRAW для никелевых сплавов, а также химический состав и ферритные числа цельных наплавленных металлов.

Таблица 7: Флюсы SAW и ESW и ленточные электроды для сварочного металла 304L, а также химический состав и ферритные числа наплавленных сварочных металлов.

Процесс	SAW		Электрошлаковая сварка
	Один слой *1	Второй слой	Один слой *1	Второй слой
Торговая марка*2	PF-B1/US- BQN309L	PF-B1/US- BQN308L	PF-B7FK/US- BQN309L	PF-B7FK/US- BQN308L
Классификация AWS	A5.9 EQ309L	A5.9 EQ308L	A5.9 EQ309L	A5.9 EQ308L
Полярность	Электрод для сварки на постоянном токе обратной полярности	Электрод для сварки на постоянном токе обратной полярности	Электрод для сварки на постоянном токе обратной полярности	Электрод для сварки на постоянном токе обратной полярности
УглеродC (%)	0.030	0.028	0.018	0.015
Кремний Si	0.67	0.65	0.53	0.54
Марганец Mn	1.14	1.05	1.36	1.14
Фосфор P	0.018	0.019	0.017	0.020
Сера S	0.004	0.005	0.002	0.004
Cu	0.04	0.05	0.05	0.03
Никель Ni	12.65	10.21	12.80	10.35
Хром Cr	23.05	19.75	23.65	19.87
Ванадий V	0.05	0.04	0.05	0.04
Кобальт Со	0.04	0.04	0.04	0.04
N	0.041	0.019	0.048	0.020
FN*3	12	9	15	11
*1 Для однослойной сварки или для нижнего слоя при многослойной сварке. *2 Размер имеющихся ленточных электродов: толщина 0,4 мм × ширина 25, 50 и 75 мм. *3 Согласно диаграмме WRC

Таблица 8: Сварочные материалы SMAW и GRAW для наплавки сварочного металла марки 304L, а также химический состав и ферритные числа цельных наплавленных металлов.

Процесс	SMAW		GTAW
Торговая марка	NC-39L	NC-38L	TG-S309L	TG-S308L
Классификация AWS	A5.4 E309L-16	A5.4 E308L-16	A5.9 EQ309L	A5.9 EQ308L
Полярность	DCEP или AC	DCEP или AC	DCEP	DCEP
УглеродC (%)	0.023	0.029	0.012	0.007
Кремний Si	0.51	0.20	0.41	0.36
Марганец Mn	1.56	1.44	1.74	1.91
Фосфор P	0.021	0.019	0.009	0.016
Сера S	0.003	0.004	0.003	0.003
Cu	0.03	0.03	0.02	0.02
Никель Ni	12.46	10.24	12.29	10.26
Хром Cr	23.92	20.31	23.76	19.86
Ванадий V	0.05	0.05	0.05	0.05
Кобальт Со	0.04	0.04	0.05	0.02
N	0.053	0.050	0.048	0.043
FN*1	16	8	14	9
*1 Согласно диаграмме WRC

Таблица 9: Сварочные материалы SMAW и GRAW для никелевых сплавов, а также химический состав и ферритные числа цельных наплавленных металлов.

Процесс	SMAW	GTAW
Торговая марка	NI-C703D	TG-S70NCb
Классификация AWS	A5.11 ENiCrFe-3	A5.14 ERNiCr-3
Полярность	DCEP	DCEP
УглеродC (%)	0.06	0.02
Кремний Si	0.34	0.18
Марганец Mn	6.55	2.93
Фосфор P	0.004	0.001
Сера S	0.003	0.002
Никель Ni	69.40	71.64
Хром Cr	13.21	20.20
Nb+Ta Ниобий и Тантал	2.00	2.33
Fe Железо	7.90	1.50
Ti Титан	0.01	0.55
Co Кобальт	0.03	0.02
0.2%YS (MPa)	360	370
TS (MPa)	620	680
El (%)	45	40
IV при –196°C (J)	110	150

Источники:
[1] Kobe Steel: Технический отчет о сварке, Том 49 2009-4.
[2] Kobe Steel: Сварка оборудования для АЭС, 1990.

Верх страницы