Крепче стали


Текст: Андрей ВЕЛЕСЮК

Специальная сталь ценится уже давно — детали машин, изготовленные из нее, долговечны, устойчивы к коррозии и высоким температурам. В атомной энергетике требования к спецсталям еще серьезнее, чем в других отраслях, но производители отмечают: производства необходимо постоянно совершенствовать.


Фото: Росатом
В начале октября ЦНИИТМАШ сообщил, что разработал уникальную коррозионностойкую сталь 03Х23Н6М4Д3АБ-Ш. Этот материал с повышенными механическими свойствами не склонен к разрушению, вынослив в агрессивных средах и не имеет аналогов в мировой промышленности.

Сталь разработали для эксплуатации на газовых месторож­дениях с высоким содержанием Н2S и СО2, например, Астраханском. Для разработки этой стали специалистам потребовалось 2,5 года.

Главный научный сотрудник ЦНИИТМАШа Сергей Марков и его коллега, старший научный сотрудник Алан Баликоев, подробно рассказали о том, что такое спецстали и какова их роль в производстве ответственных объектов атомной энергетики.


История вопроса
Сталь — это сплав железа и углерода, причем последнего должно быть не больше 2,14%, иначе сплав будет слишком хрупким. Сегодня в нашей стране выпускается более 1000 марок сталей; те из них, в которые добавлены специальные смеси, называют легированными.

Среди легированных сталей выделяют спецстали; они используются для решения тех задач, с которыми не справятся материалы общего пользования. Сразу оговоримся: все специальные стали — легированные, но не все легированные стали можно отнести к специальным. Например, строительные стали относятся к низколегированным сталям общего назначения, но назвать их специальными нельзя.

Процесс легирования извес­тен давно; химический анализ стали, из которой делали японское оружие в XI веке, показал, что в ее составе уже был молибден. Благодаря этой добавке сталь одновременно становилась тверже и прочнее. Еще один давно известный способ повышения прочности сплава — увеличение содержания углерода до 0,8%, в результате получается так называемая инструментальная сталь повышенной прочности. Кстати, в зависимости от содержания легирующих элементов различаются низколегированные материалы — до 4%, среднелегированные — до 11% и высоколегированные — свыше 11%. Если добавок более 50%, то это уже специальный сплав.

Роль легирующих и примесных элементов для специальных сталей и технологии их производства можно проиллюстрировать на примере корпусных сталей для водо-водяных реакторов. В начале 1970-х годов для таких реакторов (ВВЭР‑440) применялась специальная сталь 15Х2МФ (48ТС‑3–40). Однако для нового проекта (ВВЭР‑1000) с большей мощностью и более высокими характеристиками прочности эта сталь оказалась непригодной — ее применение привело бы к неприемлемым при изготовлении размерным и весовым характеристикам. Пришлось срочно разрабатывать для ВВЭР‑1000 класс специальных сталей типа 15Х2НМФА.

Эти спецстали продолжают использовать для производства корпусов реакторов АЭС-2006 и ВВЭР-ТОИ (при изготовлении корпуса реактора с обечайками из стали 15Х2НМФА, класс 1, фактический радиационный ресурс реакторной установки обеспечивается в течение 100 лет). Но современная 15Х2НМФА — это уже принципиально другая сталь по сравнению с появившейся в 1970-х годах.

Она отличается более низкими уровнями примесных элементов, таких как фосфор, сера, медь, новыми технологиями выплавки, разливки, внепечной и термической обработки. Комплекс свойств специальной стали определяется структурой, на них влияют состав и технология производства. Проще говоря, это как борщ: компоненты одинаковые, а вкус у разных хозяек получается разный. Так и у специальных сталей с одинаковым содержанием легирующих элементов служебные свойства могут не совпадать из-за различия технологических приемов производства.

В специальных сталях можно в значительной степени повысить те или иные требуемые служебные характеристики: жаропрочность, коррозионную и радиационную стойкость, сопротивление износу. Для этого необходимо учитывать степень чистоты стали по ряду примесных элементов, степень и характер пластической деформации, все параметры термической обработки, структурный фактор.
Эксперты

Сергей МАРКОВ,
доктор технических наук, главный научный сотрудник лаборатории крупного слитка института металлургии и машиностроения АО НПО «ЦНИИТМАШ».

Работает на предприятии с 1966 года. Область научных интересов — металловедение и термическая обработка специальных сталей. В данный момент работает над изготовлением корпусного оборудования для АЭС «Ханхикиви» (Финляндия) и проектом ВВЭР-ТОИ для Турции.

Алан БАЛИКОЕВ,
аспирант АО НПО «ЦНИИТМАШ» (научный руководитель — С. Марков), старший научный сотрудник лаборатории крупного слитка института металлургии и машиностроения.

Работает в ЦНИИТМАШе с 2012 года. Область научных интересов — металловедение и термическая обработка специальных сталей. В данный момент работает над обеспечением новыми материалами перспективных проектов и улучшением комплекса свойств имеющихся материалов.
Принцип избыточности
Из-за радиации металл, из которого сделан реактор, деградирует — сложные процессы приводят к его охрупчиванию. Но главное даже не в этом. В свое время при разработке 15Х2НМФА по причине отсутствия референтности прежней стали 15Х2МФ специалисты столкнулись с увеличением финансовых затрат и сроков внедрения новой стали, связанными с отсутствием ее аттестации и технологии производства. Стало понятно, что стандартный подход, применяемый при создании специальных сталей, себя исчерпал, во всяком случае в атомном машиностроении.

Тогда ученые сделали вывод: необходимо в разработку специальных сталей для реакторов заложить принцип обеспечения избыточности свойств по отношению к минимально необходимому уровню. Когда 40 лет назад в ЦНИИТМАШе разрабатывали первые реакторы, их проектный срок эксплуатации составлял 25 лет. Сейчас новые проекты гарантируют срок эксплуатации 60 лет. Реакторы, строящиеся сегодня из стали марок 15Х2НМФА, будут иметь безопасный срок эксплуатации 80–100 лет.

Этому способствует и то, что постоянное совершенствование технологии производства и ужесточение требований технических условий обеспечили снижение нормируемой температуры хрупко-вязкого перехода: для обечаек активной зоны первых реакторов она была –10 °C, потом –25 °C,—35 °C; сейчас эта температура –55 °C, во многих случаях фактическая температура хрупко-вязкого перехода составляет от –70 °C до –90 °C.

Заложенная при создании сталей марки 15Х2НМФА избыточность свойств позволила проводить относительно малозатратные эволюционные усовершенствования в энергоблоках последующих проектов, серий и поколений, для которых тем самым обеспечена референтность по этим сталям и отработанным технологиям их производства.

«Такой подход актуален на этапах ускоренного развития технологий, — уточняет С. Марков, — когда организации, проектирующие, строящие и эксплуатирующие потенциально опасные объекты, сталкиваются с проблемами безопасности, с необходимостью внесения изменений в нормы расчета, проектные показатели и эксплуатационные нормативы». К тому же, по его словам, этот задел избыточности по важнейшим характеристикам, обеспечивающим эксплуатационную надежность, гарантирует спрос на внешнем рынке: в ближайшие 20 лет там будут активно покупать уже разработанные референтные реакторы ВВЭР.
Задачи для производителей
Если раньше атомная энергетика требовала от производителей спецсталей в первую очередь надежности, то теперь реакторы с длительным сроком службы не актуальны — как минимум за 100 лет морально устареет все остальное оборудование, и «долгожители» будут только мешать обновлению.

Сейчас во главу угла ставится экономия, снижение издержек производства. Например, уменьшение числа горизонтальных швов реактора. Реактор изготавливают из нескольких обечаек, ставя их одну на другую и сваривая. Если раньше швов было семь, то сейчас предлагают делать три или четыре — за счет укрупнения обечаек.

Таким образом меньше времени и денег будет уходить на сварку, оценку свойств и контроль качества швов, то есть удастся избавиться от трудоемких и дорогостоящих операций. Еще один способ сэкономить — уменьшить общий вес реактора: это упростит его транспортировку, на производство уйдет меньше металла, за счет увеличения внутреннего диаметра снизится радиационная нагрузка.

При этом эксперты предупреждают: если производитель будет думать только об экономии, возникнет риск невыполнения нормативных требований. А это грозит потерей заказчиков. В общем, как и везде, в этих вопросах важно соблюдать баланс. И конечно же, необходимо постоянно совершенствовать технологии производства, периодически ужесточая требования к техническим условиям.
Справка
В зависимости от служебных характеристик, выделяют следующие виды специальных сталей:
  • коррозионностойкие, или нержавеющие;
  • жаростойкие (способные не разрушаться при высоких температурах в течение определенного времени). Среди них выделяют также теплостойкие (выдерживают до 500 °C) и жаропрочные (работают под напряжением в условиях повышенных температур без заметной деформации);
  • трубные (используются для магистральных газо- и нефтепроводов);
  • инструментальные (отличаются высокими твердостью и прочностью; применяются для изготовления инструментов).

В России легирующие элементы по степени дефицитности делятся на недефицитные (Mn, Si, Cr, Al, Ti, V, B), дефицитные (Nb, Mo, Cu, Pb, Ta) и особо дефицитные (W, Ni, Co).

На 5% вырос мировой экспорт плоского металлопроката из коррозионностойкой стали в 2015 году, достигнув показателя 12,9 млн тонн. Прочие легированные стали тогда же «просели» на 5% — до 30,4 млн тонн.
Новые спецстали для атомной энергетики
Атомная промышленность по понятным причинам очень консервативна, поэтому новый материал для отрасли в среднем разрабатывается порядка 10 лет, включая этапы освоения производства новой стали и широкого внедрения.

Солидную часть времени занимают опытно-промышленные испытания — например, для перспективного проекта ВВЭР-СКД специальную сталь разработали за три года. Но это время ушло только на лабораторные исследования, сейчас необходимо изготовить на заводе несколько опытно-штатных заготовок, комплексно оценить все необходимые характеристики, провести облучение в Курчатовском институте. И в лучшем случае вся эта работа займет шесть лет.

Разработка не всегда идет по одному сценарию, но, если упростить схему, мы получим шесть основных этапов.

1. Постановка задачи. В первую очередь необходимо понять, в каких условиях изделие будет эксплуатироваться. Иначе можно сделать качественную спецсталь, которая либо будет очень дорогой, либо не удовлетворит требованиям заказчика.

2. Осмысление опыта. Разработчики изучают отечественные и зарубежные кейсы, дабы понять, ставилась ли уже в истории аналогичная задача и какие пути решения находили их коллеги. Активно используется научно-техническая литература.

3. Планирование работ. Выбираются направления исследования. Сначала рассматривают довольно широкую группу направлений, по ходу работ она сужается: оптимизируется химический состав, разрабатывается технология производства (для атомной энергетики она может включать сотни операций), проводится компьютерное моделирование (если это возможно); параллельно идут первые плавки опытных составов. Обычно, чем сложнее задача, тем больше опытных составов исследуют в лабораторных условиях. Для ВВЭР-СКД — реактора четвертого поколения, охлаждаемого водой сверхкритического давления, — испробовали более 30 составов, прежде чем нашли оптимальный.

4. Опытно-промышленные испытания. В условиях завода моделируют реальные параметры, в которых будет использоваться спецсталь. Этот этап самый затратный и по деньгам, и по времени.

5. Корректировка. Конструкторскую и технологическую документацию корректируют в соответствии с результатами испытаний. После доработки опытные образцы отправляют на повторные испытания.

6. Готовая сталь. Готовится аттестационный отчет, иногда на несколько тысяч страниц. Его необходимо представить в Ростехнадзор, который добавит полученную спецсталь в соответствующий реестр.


Перспективные материалы
Для трубопроводов и оборудования первых радиоактивных контуров АЭС в основном используют высоколегированные хромоникелевые стали из-за их антикоррозионных свойств. Также активно используют низколегированные конструкционные и теплоустойчивые стали.

Доктор технических наук Валерий Половинкин в своей статье «Перспективные конструкционные материалы» рекомендует для атомной энергетики сплавы на основе ванадия, которые отлично подойдут для реакторов термоядерного синтеза. Ученый подчеркивает, что широкое применение конструкционных материалов, созданных на базе железа, титана, вольфрама, тантала и кремния, позволит «существенно улучшить нейтронику активной зоны реакторов».

Также для атомной энергетики важны редкие металлы, такие как цирконий, гафний и ниобий — устойчивые в условиях мощных излучений, повышенных температур и давлений. К примеру, ценность циркония в том, что он теплостойкий, имеет хорошую теплопроводность и устойчив к коррозии. Однако создание новых циркониевых сплавов для активной зоны реакторов требует больших финансовых затрат и длительного времени на комплексные исследования и испытания изделий. Поэтому чаще всего в атомной энергетике идут по пути совершенствования уже имеющихся промышленных решений на основе циркония.
Справка
Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения — ­ЦНИИТМАШ (входит в машиностроительный дивизион Росатома — Атомэнергомаш), основанный в 1929 году, разрабатывает материалы, технологические процессы и оборудование для ядерной и тепловой энергетики, нефтехимической, металлургической, добывающей и еще ряда стратегических отраслей промышленности.

В активе института несколько сотен разработанных марок специальных сталей и технологических процессов их изготовления. Одним из перспективных направлений в ­ЦНИИТМАШе называют разработку хладостойких спецсталей для условий Арктики. Материалы будут эксплуатироваться производителями сжиженного газа в условиях криогенных температур, то есть в диапазоне от ‒90 °C до ‒196 °C.
Стоимость разработки
Не все компании раскрывают цену разработки новой стали. Однако на независимой площадке для взаимодействия науки и бизнеса 4science есть проект «Конструкционные стали с ультрадисперсной и наноструктурой, методы их получения и обработки», который стоил 25 млн руб., а за разработку методов синтеза нанокристаллических магнитотвердых сплавов, легированных тугоплавкими металлами, для атомной промышленности заплатили 20,8 млн руб. Анализ схожих заявок портала показывает, что случаи, в которых разработка легированной стали стоит дешевле 20 млн руб., — редкость.

Конечная цена зависит от требований конкретной отрасли; разработка спецстали для атомной энергетики стоит куда дороже. К примеру, на лабораторные разработки спецстали для указанного выше ВВЭР-СКД уже потрачено 40 млн руб., а для опытно-промышленного освоения и аттестации необходимо еще около 200 млн руб. И по меркам отрасли это средний ценник.


Ситуация на рынке
В последние годы металлургический рынок проседает — из-за финансового кризиса, падения цен на металлопродукцию и снижения внутреннего спроса уменьшились спрос на сталь и объемы ее выпуска. В 2016 году производство стали в России, по данным аудиторской компании Deloitte, увеличилось всего на 0,3% — до 69,6 млн тонн.

Специальные стали — не исключение, так что есть все основания переживать за их востребованность.

К тому же можно вспомнить мнение авторов статьи «Роль черной металлургии в развитии национальной и региональной экономики», которые отмечают, что сейчас отечественная подотрасль спецсталей оказалась в ловушке: серьезный рост производства, экспортных поставок предполагает коренную модернизацию производственного аппарата, но для этого не всегда хватает инвестиций. В результате степень износа оборудования заметно выше, чем в «большой металлургии».

С другой стороны, в «Обзоре рынка черной металлургии» все та же Deloitte отмечает уверенный рост потребления стали с начала этого года. За первые три месяца мировое производство стали достигло 410,5 млн тонн, что на 5,7% больше, чем в аналогичном периоде 2016 года. К тому же в России нет ни одного эксперта из металлургической отрасли, который бы прогнозировал ухудшение положения дел в компании в 2017 году.

Так что состояние рынка стали сейчас проще всего описать термином «осторожный оптимизм». Если будет расти весь рынок, то, скорее всего, вырастет и потребность в специальных сталях.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ НОМЕРА