Диссертация (Разработка технологических основ электрошлаковой сварки чистых корпусных сталей АЭС)

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»Волгодонский инженерно-технический институт – филиал НИЯУ МИФИ________________________________________________________________________________На правах рукописиУДК 621.791ПОДРЕЗОВ НИКОЛАЙ НИКОЛАЕВИЧРАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ СВАРКИЧИСТЫХ КОРПУСНЫХ СТАЛЕЙ АЭССпециальность 05.02.10 – Сварка, родственные процессы и технологииДИССЕРТАЦИЯна соискание учѐной степеникандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наук,профессор Ю.

В. ДОРОНИНМосква - 20172ОГЛАВЛЕНИЕСтр.ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................... 4Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ ............ 91.1. Изготовление оборудования АЭС с применением ЭШС .......................... 91.2. Технологическая свариваемость изделий из стали 10ГН2МФА ...........

121.3. Технологическая свариваемость изделий из стали 15Х2НМФА ........... 141.4. Образование трещин в зоне сплавления (обзор)...................................... 301.5. Влияние способа выплавки на свариваемость сталей (обзор) ............... 38Глава 2. МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ................................................. 492.1. Исследование термодеформационного цикла ЭШС ...............................

492.2. Нахождение критических точек корпусных сталей ................................ 522.3. Исследование деформационной способности металла приподликвидусных температурах................................................................... 552.4. Анализ фазового состава и свойств сварных соединений ..................... 592.4.1. Рентгеноспектральный анализ и электронная микроскопия ............... 592.4.2. Стандартные методы................................................................................ 612.5. Выводы главы 2 ..........................................................................................

62Глава 3. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАСТИЧНОСТЬ КОРПУСНЫХСТАЛЕЙ ................................................................................................ 633.1. Исследование температурного интервала хрупкости (ТИХ) .................. 633.1.1. Исследование трещиностойкости корпусных сталей в ТИХ ............... 633.1.2. Влияние легирования и способа выплавки стали .................................. 703.1.3. Фрактографический анализ перегретого в ТИХ металла ..................... 763.2.

Пластичность корпусных сталей в аустенитной области ........................ 793.2.1. Прочность и пластичность аустенита после перегрева ........................ 793.2.2. Влияние температуры перегрева на пластичность аустенита .............. 823.2.3. Влияние скорости нагружения и способа выплавки ............................

843.2.4. Изучение деформационного рельефа и утяжки образцов..................... 883Стр.3.3. Критерий трещиностойкости в аустенитном интервале хрупкости933.4. Критические точки и температурный гистерезис .................................... 943.5. Выводы главы 3 ......................................................................................... 102Глава 4. СТРУКТУРЫ И ФАЗЫ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ ............

1044.1. Макро- и микроструктурные исследования зоны сплавления ............. 1044.2. Влияние способа выплавки на микроструктуру стали 15Х2НМФА .. 1084.2.1. Микроструктуры после перекристаллизации ..................................... 1094.2.2. Микроструктуры после сварочного отпуска ....................................... 1104.3. Исследование неметаллических включений в подплавлениях ............ 1124.4. Выводы главы 4 .........................................................................................

115Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВТЕРМОДЕФОРМАЦИОННЫХ ЦИКЛОВ ЭШС ............................ 1175.1. Влияние регулируемого подогрева на формоизменение зазора .......... 1185.2. Экспериментальная сварка заготовки днища корпуса реактора .......... 1245.2.1. Термические циклы ЭШС ..................................................................... 1275.2.2. Определение напряжений при сварке .................................................. 1335.2.3. Определение геометрических параметров зоны ЭШС ...................... 1375.3.

Оценка свариваемости и меры борьбы с «тѐплыми» трещинами ........ 1435.4. Выводы главы 5 ......................................................................................... 145Общие выводы по работе ................................................................................ 146Литература ........................................................................................................ 1484ВВЕДЕНИЕК сварным соединениям ѐмкостного оборудования из сталей 15Х2НМФА и10ГН2МФА, применяемых в атомном реакторостроении, предъявляются высокиеэксплуатационные требования по комплексу механических свойств и полномуотсутствию в них трещин и трещиноподобных дефектовПо мере постепенного перехода отечественной металлургии на выплавкудополнительнорафинированнойивакуумированнойстали,взаменнеудовлетворяющего современным эксплуатационным требованиям мартеновскогои электродугового металла,возникли определѐнные проблемы с ЭШСтолстолистовых изделий.

Под воздействием термодеформационного циклаэлектрошлаковой сварки в околошовной зоне сварных соединений, выполненныхна основе дополнительно раскисленных сталей, возникали трещиноподобныедефекты.АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Анализ и систематизация выявленных дефектов,определение характера и причины образования, а так же разработка мероприятийпо предотвращению их образования и устранению является актуальной задачей.В настоящее время практически вся сталь для атомной энергетикивыплавляется с дополнительной обработкой, т.е.

является чистой. Возникаетобщая проблема повышения технологической свариваемости таких сталей,используемых в производстве ѐмкостного оборудования АЭУ. В том числеявляетсяактуальнойсвариваемостиразработкаэлектрошлаковыхмерпосварныхповышениюсоединенийизтехнологическойчистыхсталей15Х2НМФА и 10ГН2МФА.ЦЕЛЬ РАБОТЫ - повышение качества изделий АЭС с применением ЭШС изчистых сталей 10ГН2МФА и 15Х2НМФА.Для достижения этой цели решались следующие задачи:1) изучение и анализ качества изделий АЭС в технологических процессах сприменением ЭШС в условиях ПО «Атоммаш»;2) экспериментальная оценка металлургической и тепловой свариваемости5корпусных сталей 10ГН2МФА и 15Х2НМФА в аустенитном интервалетемператур;3) разработка комплексной методики анализа неметаллических включенийдля детального изучения очагов повреждаемости в зоне сплавления сварныхсоединений;4) формализация и анализ влияния производственных факторов ЭШС натехнологическую свариваемость изделий;5) разработка оценочного критерия трещинообразования в электрошлаковых сварных соединениях на основе чистых корпусных сталей;6) исследование и анализ термодеформационных циклов ЭШС при сваркеопытно-штатного изделия из толстолистовой стали 15Х2НМФА натуральныхразмеров;7)разработка мер повышения технологической свариваемости изделийАЭС из чистых корпусных сталей электрошлаковым способом.СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ.

Диссертационная работа состоит из введения,пяти глав, заключения и списка литературы и приложений, изложена на 164страницах основного текста и на 4 страницах приложений, содержит 86 рисунков,15 таблиц и список литературы из 140 наименований.МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Для реализации поставленных задач применялисьимитационные методы исследования и натурные испытания. Для подтверждениядостоверности полученных результатов использовались стандартные методынеразрушающего и разрушающего контроля.Высокотемпературная пластичность корпусных сталей изучалась на установках ДСТ-2 и ИМАШ – 20 – 78 «Ала-Тоо» имитационными испытаниями.Критические точки исследованных сталей определены методами проникающегогамма - излучения, дифференциального термического и спектрального анализов.Структурный и фазовыйсоставы, фрактография исследовались с помощьюэлектронной и растровой микроскопии, микрорентгеноспектрального анализа.Термические и термодеформационные циклы ЭШС установили осциллогра-6фированием с помощью термопар и тензометрированием термостойкимидатчиками при сварке опытно-штатной заготовки днища корпуса реактора.ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ И ВЫВОДОВ.

Обеспечивается проверкойновых решений и идей экспериментальными метрологически поддержаннымиимитационными исследованиями. Теоретические выводы по критериальнымоценкам трещинообразования сварных соединенийподтверждены натурнымииспытаниями.Результатыработыположительнооцененынаконференцияхисимпозиумах, а также в публикациях по теме диссертационной работы.НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

Установлено, что технологическая свариваемость электрошлаковым способом сталей 10ГН2МФА и 15Х2НМФА зависит от способавыплавки.1) При перегреве на Т ≥ 1150 0С и последующего охлаждения в чистых(УВРВ, ЭШП, ВДП) сталях 10ГН2МФА и 15Х2НМФА экспериментальноустановлен аустенитный интервал хрупкости (АИХ), равный 800…900 0С.2) При анализе топологических и морфологических признаков установлено, что квазихрупкие трещины в ЭШС соединениях чистой реакторной стали15Х2НМФА, возникают вследствие перегрева и охрупчивания аустенита на ветвиохлаждения.

По температурному диапазону образования трещины являются«тѐплыми».3) Предложен количественный оценочный критерий стойкости сварныхсоединений против образования «тѐплых» трещин Т =  ʹ τ · τ < кр, изанализа которого следуют практические меры их предупреждения:- уменьшение τ в АИХ ужесточением термического цикла сварки;- увеличение скорости деформации  ʹ τ в АИХ для увеличения кр;- увеличение деформационной способности кр в АИХ за счѐт подготовкиосновного металла.4) Дилатометрическим и радиационным методами определены критическиетемпературные точки и температурные интервалы для корпусных сталей715Х2НМФА и 10ГН2МФА.

Колебания химического состава в пределах марочного оказывают незначительное влияние на положение равновесных критическихточек корпусных сталей независимо от способа выплавки.ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Показаны меры повышения технологическойсвариваемостиэлектрошлаковымспособомсовременныхчистыхсталей10ГН2МФА и 15Х2НМФА.Предложен оценочный количественный критерий стойкости сварныхсоединений против образования «тѐплых» трещин, позволяющий снизитьвероятность их возникновения при разработке и корректировке технологическихпроцессов сварки изделий АЭС.Разработанакомплекснаяметодика анализа дефектныхучастков сприменением рентгеноспектрального анализа и электронной микроскопии,повышающая точность дефектации изделий при разрушающем контроле.ПУБЛИКАЦИИ.

Материалы диссертации опубликованы в 10 печатных работах, втом числе шесть статей в журналах, рекомендованных в ВАК РФ, одна статья вматериалах тезисов VII Международной научно-практической конференции«Безопасность ядерной энергетики», г. Волгодонск.ЦЕННОСТЬ ВЫПОЛНЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. Разработана и внедрена наПО «Атоммаш» технология бездефектного изготовления днищ парогенератора иГЕ САОЗ из стали 10ГН2МФА с применением ЭШС.По результатам работы разработана и внедрена на ПО «Атоммаш»микропроцессорнаяустановкарегулируемоговводамощностивзонуэлектрошлаковой сварки.Разработана и внедрена технологическая инструкция ЭШС сталей 09Г2С и10ГН2МФА в условиях предприятия ОАО «ОКТБ «Энергомаш», г.