Сплав 10ГН2МФА

Сталь 10ГН2МФА — конструкционная среднелегированная сталь перлитного (ферритно-бейнитного) класса, разработанная специально для оборудования атомных электростанций с реакторами ВВЭР-1000. Марка создана взамен углеродистой котельной стали 22К с целью обеспечить более высокую прочность и сопротивление хрупкому разрушению в ответственных конструкциях энергетического машиностроения.

Основной нормативный документ — ТУ 0893-014-00212179-2004. Система легирования Mn–Ni–Mo–V обеспечивает оптимальное сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости в полуфабрикатах значительной толщины.

Расшифровка марки стали 10ГН2МФА

Обозначение марки 10ГН2МФА содержит полную информацию о её химическом составе:

Суммарное содержание легирующих элементов составляет около 5 %, что по общепринятой классификации (ГОСТ 5632) соответствует среднелегированным сталям (2,5–10 %). В ряде марочников марка может быть отнесена к категории жаропрочных высоколегированных — это связано с внутренней классификацией справочных изданий, а не с фактической суммой легирующих добавок.

Химический состав стали 10ГН2МФА по ТУ 0893-014-00212179-2004

Химический состав стали 10ГН2МФА строго нормирован для обеспечения стабильных свойств в крупногабаритных полуфабрикатах, работающих в условиях ответственных конструкций АЭС.

Дополнительные требования к ковшевой пробе

В ковшевой пробе нормируется содержание микролегирующих элементов: алюминий — 0,005–0,035 %, титан — не более 0,015 %. Суммарное содержание серы и фосфора в стали, обработанной на установке внепечного рафинирования и вакуумирования (УВРВ), не должно превышать 0,020 %.

Для поковок корпусов и фланцев коллекторов теплоносителей из сталей марок 10ГН2МФА-ВД и 10ГН2МФА-Ш установлены ужесточённые требования к вредным примесям: сера — не более 0,005 %, фосфор — не более 0,008 %.

Роль легирующих элементов в составе стали 10ГН2МФА

Никель (1,8–2,3 %) — основной легирующий элемент. В отличие от большинства легирующих добавок, никель повышает не только прочность, но и ударную вязкость феррита, что критически важно для сопротивления хрупкому разрушению. Никелевые стали при относительно низком содержании Ni (менее 5 %) малочувствительны к тепловой хрупкости.

Молибден (0,4–0,7 %) — оказывает существенное влияние на упрочнение феррита и стабильность свойств. Присутствие молибдена замедляет процессы теплового охрупчивания, что обеспечивает длительную работоспособность при повышенных температурах.

Марганец (0,8–1,1 %) — введён в повышенном количестве (по сравнению с исходной композицией 10НЗМФА, где Mn составлял 0,3–0,6 %) для частичной замены никеля с целью удешевления стали без потери свойств.

Ванадий (0,03–0,07 %) — сильный карбидообразующий элемент, обеспечивающий измельчение зерна и дополнительное дисперсионное упрочнение.

Углерод (0,08–0,12 %) — содержание ограничено низким уровнем для обеспечения удовлетворительной свариваемости крупногабаритных конструкций.

Механические свойства стали 10ГН2МФА при 20 °С

Гарантированные механические свойства заготовок из стали 10ГН2МФА определены в ТУ 0893-014-00212179-2004.

По сравнению с углеродистой котельной сталью 22К (категория прочности 180–220 МПа), сталь 10ГН2МФА обеспечивает существенно более высокий уровень прочности — предел текучести при 350 °С в промышленных полуфабрикатах составляет 330–450 МПа. Предел длительной прочности за 10⁵ часов при температуре 350 °С для основного металла после различных видов термической обработки составляет 420–450 МПа, что практически совпадает с пределом прочности при данной температуре.

Высокое значение ударной вязкости (KCU ≥ 390 кДж/м²) свидетельствует о том, что сталь обладает значительным запасом сопротивления хрупкому разрушению — это ключевое требование для конструкционных материалов атомных энергетических установок.

Термическая обработка стали 10ГН2МФА

Режимы термической обработки подбираются индивидуально с учётом фактической толщины, массы деталей и химического состава конкретной плавки.

Основные режимы термообработки

Структура после термической обработки

При закалке на верхнем уровне марочного состава однородная бейнитная структура с незначительным количеством продуктов распада аустенита в перлитной области обеспечивается даже при нормализации крупногабаритных узлов. При скорости охлаждения менее 150 °С/ч наблюдается частичный распад аустенита в перлитной и бейнитной областях (около 10 % — в перлитной, остальные 90 % — в промежуточной области). На нижнем уровне легирования полностью бейнитная структура достигается при более высоких скоростях охлаждения.

Сталь 10ГН2МФА обладает высокой структурной стабильностью после исходной термической обработки и практически не чувствительна к тепловой хрупкости при длительной эксплуатации в области рабочих температур ВВЭР, а также к отпускной хрупкости при охлаждении с печью.

Особенности сварки стали 10ГН2МФА

Сталь 10ГН2МФА относится к ограниченно свариваемым маркам. Низкое содержание углерода (0,08–0,12 %) благоприятно сказывается на свариваемости, однако наличие легирующих элементов (Ni, Mo, Mn) требует соблюдения ряда технологических условий.

Технологические требования при сварке

При выполнении сварочных соединений необходимы следующие мероприятия:

Предварительный и сопутствующий подогрев — температура подогрева до 250 °С. Подогрев необходим для снижения скорости охлаждения зоны термического влияния (ЗТВ) и предотвращения образования холодных трещин, вызванных водородным охрупчиванием и закалочными структурами.

Жёсткий контроль режимов сварки — погонная энергия, скорость сварки и межпроходная температура должны строго соответствовать требованиям технологической документации.

Послесварочная термическая обработка — высокий отпуск при 630–650 °С для снятия остаточных напряжений. Технологические отпуски выполняются после сварки, наплавки и ремонтных заварок дефектов. Сталь сохраняет заданный уровень механических свойств как после основной термической обработки, так и после дополнительных технологических отпусков.

Марки стали 10ГН2МФА: модификации -ВД и -Ш

Для ответственных деталей оборудования АЭС применяются модификации стали 10ГН2МФА, прошедшие дополнительную металлургическую обработку.

Модификации -ВД и -Ш характеризуются пониженным содержанием вредных примесей (S ≤ 0,005 %, P ≤ 0,008 %), повышенной однородностью химического состава и улучшенной чистотой по неметаллическим включениям. Это обеспечивает более стабильные механические свойства и повышенную надёжность ответственных элементов оборудования АЭС.

Форма выпуска полуфабрикатов из стали 10ГН2МФА

Сталь 10ГН2МФА выпускается преимущественно в виде крупногабаритных полуфабрикатов для энергетического машиностроения. Промышленностью освоена выплавка стали в слитках массой до 147 т.

Виды продукции

Поковки — основной вид полуфабрикатов. Максимальная толщина поковок перед окончательной термической обработкой — до 300 мм (по отдельным данным — до 600–950 мм для стали родственного состава 10НЗМФА). Поковки изготавливаются из слитков массой от 9 до 50 т (для 10НЗМФА) и более. Для стали 10ГН2МФА размер поковок определяется конкретной конструкцией изделия.

Листовой прокат — толстолистовая сталь, типичная толщина листов 110–130 мм и более.

Биметаллические трубы — комбинированные трубные заготовки.

Штамповки — штампованные заготовки для элементов оборудования.

Сварочная проволока — для выполнения сварных соединений оборудования из сталей того же класса.

Применение стали 10ГН2МФА в атомной энергетике

Основная область применения стали 10ГН2МФА — изготовление оборудования атомных электростанций с водо-водяными энергетическими реакторами ВВЭР-1000.

Изделия из стали 10ГН2МФА для АЭС

Парогенераторы — корпуса парогенераторов, один из наиболее ответственных элементов первого контура АЭС. Требуют высокой прочности и трещиностойкости при длительной работе в условиях давления и повышенных температур.

Компенсаторы давления (объёма) — устройства, компенсирующие температурное расширение теплоносителя в первом контуре. Работают при переменных нагрузках и требуют высокого сопротивления усталостному и хрупкому разрушению.

Коллекторы теплоносителей — для корпусов и фланцев коллекторов применяются модификации 10ГН2МФА-ВД и 10ГН2МФА-Ш с ужесточёнными требованиями по чистоте.

Главные циркуляционные трубопроводы — трубопроводы внутренним диаметром 850 мм, соединяющие реактор с парогенератором.

Ёмкости системы аварийного охлаждения и защиты (САОЗ) — элементы системы безопасности АЭС.

Технологические особенности обработки стали 10ГН2МФА

Ковка

Технологические свойства стали проходят испытания ковкой при температурах ориентировочно от 850 до 1200 °С. Конкретный температурный режим ковки определяется размерами заготовки и составом конкретной плавки. Ковка крупных слитков выполняется на мощном прессовом оборудовании с контролем степени деформации и скорости охлаждения.

Обработка давлением

Пониженное содержание углерода (0,08–0,12 %) обеспечивает удовлетворительную пластичность стали для горячей обработки давлением. Сталь пригодна для изготовления штамповок и листовых заготовок крупного формата.

Отпускоустойчивость

Важная технологическая особенность стали 10ГН2МФА — высокая отпускоустойчивость. Механические свойства полуфабрикатов стабильны как после основной термической обработки, так и после многократных технологических отпусков, которые неизбежны при изготовлении крупногабаритного оборудования (отпуск после сварки, наплавки, ремонтной заварки дефектов).

Условия поставки стали 10ГН2МФА

Поставка стали 10ГН2МФА и её модификаций осуществляется в виде поковок, листов, штамповок и сварочной проволоки по согласованным техническим условиям. Конкретные параметры продукции — размеры, допуски, объём контроля и приёмочные нормы — определяются техническим заданием заказчика в соответствии с требованиями нормативной документации для оборудования атомных станций.

Для получения информации о наличии, сроках и условиях поставки полуфабрикатов из стали 10ГН2МФА оставьте заявку через форму обратной связи на сайте.