blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2021-7-498-509blackmet-2148Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEВлияние длительного высокотемпературного воздействия на ударную вязкость основного металла и металла шва сварного соединения стали 22КInfluence of long-term high-temperature action on impact toughness of base metal and weld metal of 22K steel welded jointНикулинС. А.NikulinS. A.

Сергей Анатольевич Никулин, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой металловедения и физики прочности

119049, Москва, Ленинский пр., 4

Sergei A. Nikulin, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Head of the Chair “Metallography and Physics of Strength”

4 Leninskii Ave., Moscow 119049

nikulin@misis.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7769-7748РогачевС. О.RogachevS. O.

Станислав Олегович Рогачев, кандидат технических наук, доцент кафедры металловедения и физики прочности

119049, Москва, Ленинский пр., 4

Stanislav O. Rogachev, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof. of the Chair “Metallography and Physics of Strength”

4 Leninskii Ave., Moscow 119049

csaap@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4183-9019БеловВ. А.BelovV. A.

Владислав Алексеевич Белов, кандидат технических наук, доцент кафедры металловедения и физики прочности

119049, Москва, Ленинский пр., 4

Vladislav A. Belov, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof. of the Chair “Metallography and Physics of Strength”

4 Leninskii Ave., Moscow 119049

vbelov@ymail.comhttps://orcid.org/0000-0001-5125-9870КомиссаровА. А.KomissarovA. A.

Александр Александрович Комиссаров, кандидат технических наук, доцент, заведующий лабораторией «Гибридные наноструктурные материалы»

119049, Москва, Ленинский пр., 4

Aleksandr A. Komissarov, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof., Head of the Laboratory “Hybrid Nanostructured Materials”

4 Leninskii Ave., Moscow 119049

komissarov@misis.ruТурилинаВ. Ю.TurilinaV. Yu.

Вероника Юрьевна Турилина, кандидат технических наук, доцент кафедры металловедения и физики прочности

119049, Москва, Ленинский пр., 4

Veronika Yu. Turilina, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof. of the Chair “Metallography and Physics of Strength”

4 Leninskii Ave., Moscow 119049

veronikat77@gmail.comШплисН. В.ShplisN. V.

Николай Валерьевич Шплис, инженер

119049, Москва, Ленинский пр., 4

Nikolai V. Shplis, Engineer

4 Leninskii Ave., Moscow 119049

shplisnikolay@mail.ruНиколаевЮ. А.NikolaevYu. A.

Юрий Анатольевич Николаев, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник

Россия, 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1

Yurii A. Nikolaev, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Leading Researcher

1 Akademika Kurchatova Sqr., Moscow 123182, Russian Federation

Nikolaev_YA@nrcki.ruНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology “MISIS”Russian FederationНИЦ «Курчатовский институт»РоссияNational Research Center “Kurchatov Institute“Russian Federation202127082021647498509Copyright © Никулин С.А., Рогачев С.О., Белов В.А., Комиссаров А.А., Турилина В.Ю., Шплис Н.В., Николаев Ю.А., 20212021Никулин С.А., Рогачев С.О., Белов В.А., Комиссаров А.А., Турилина В.Ю., Шплис Н.В., Николаев Ю.А.Nikulin S.A., Rogachev S.O., Belov V.A., Komissarov A.A., Turilina V.Y., Shplis N.V., Nikolaev Y.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2148

Одно из применений строительных низкоуглеродистых сталей типа 22К – в качестве материала корпуса устройства локализации расплава (УЛР) для атомных электростанций с водо-водяными энергетическими реакторами. При развитии тяжелой запроектной аварии корпус УЛР будет находиться в условиях длительных высокотемпературных воздействий, что может существенно изменить структурное состояние и привести к деградации механических свойств материала корпуса. Данные о влиянии таких воздействий на механические свойства и сопротивление разрушению сварных швов (свойства которых обычно отличаются от свойств основного металла) из низкоуглеродистых сталей очень ограничены в литературных источниках, что затрудняет гарантирование прогноза надежности и безопасности УЛР. Целью настоящей работы являлось проведение сравнительных испытаний на ударный изгиб образцов основного металла и металла шва сварного соединения стали 22К до и после длительной высокотемпературной термической обработки, имитирующей термическое воздействие в условиях тяжелой аварии на материал корпуса АЭС. Сварные соединения листов из стали 22К между собой получали методом автоматической аргонодуговой сварки плавящимся электродом (применялась сварочная проволока СВ-08Г2С) в соответствии с ПНАЭ Г-7-009–89. По результатам испытаний строились сериальные кривые и проводился анализ изломов образцов. Изучено влияние структурных факторов на ударную вязкость KCV. Показано, что длительное высокотемпературное воздействие приводит к повышению температур начала и конца вязко-хрупкого перехода на 30 – 50 °С и расширению на 15 – 25 °С интервала температур вязко-хрупкого перехода как основного металла, так и металла шва сварного соединения.

One of the applications of construction low-carbon 22K steel (AISI 1022 type) is as a material for the vessel of a core catcher (CC) for nuclear power plants with VVER reactors. In the event of severe beyond design basis accident, the CC-vessel will be under conditions of prolonged hightemperature impacts, which can significantly change the structural state and lead to degradation of mechanical properties of the vessel material. Data on the effect of such actions on the mechanical properties and fracture resistance of welds (the properties of which usually differ from those of the base metal) from low-carbon steels are very limited in the literature. This makes it difficult to guarantee the reliability and safety prediction of CC. The purpose of this work was to carry out the comparative Charpy V-notch impact tests of the samples of base metal and weld metal of the 22K steel welded joint before and after long-term high-temperature heat treatment, simulating the thermal effect on the reactor vessel material of nuclear power plants during severe accidents. Welded joints of 22K steel sheets were obtained by the method of automatic argon-arc welding with a consumable electrode (welding wire SV-08G2S was used) in accordance with PNAE G-7-009–89. Based on the test results, the ductile–brittle transition curves were plotted and analysis of fracture surfaces after tests was carried out. The influence of structural factors on the impact toughness has been studied. It is shown that prolonged high-temperature exposure leads to an increase in the temperatures of beginning and end of the ductile-brittle transition by 30 – 50 °C and to the expansion of range of the ductile-brittle transition temperature by 15 – 25 °C of both base metal and weld metal of the welded joint.

низкоуглеродистая стальустройство локализации расплавасварной шовударная вязкостьсериальные кривыемикро- структуратермическая обработкаразрушениеlow-carbon steelcore catcherweldimpact toughnessductile–brittle transition curvesmicrostructureheat treatmentfractureReferencesЛившиц Л.С., Хакимов А.Н. Металловедение сварки и термическая обработка сварных соединений. М.: Машиностроение, 1989. 336 с.Livshits L.S., Khakimov A.N. Metallurgy of Welding and Heat Treatment of Welded Joints. Moscow: Mashinostroenie, 1989, 336 p. (In Russ.).Фетисов Г.П., Карпман М.Г., Матюнин В.М. Материаловедение и технология металлов. М.: Оникс, 2009. 624 с.Fetisov G.P., Karpman M.G., Matyunin V.M. Materials Science and Technology of Metals. Moscow: Oniks, 2009, 624 p. (In Russ.).Budynas R.G., Nisbett J.K. Shigley’s Mechanical Engineering Design. New York: McGraw-Hill, 2019. 1120 p.Budynas R.G., Nisbett J.K. Shigley’s Mechanical Engineering Design. New York: McGraw-Hill, 2019, 1120 p.Полетаев Ю.В., Полетаев В.Ю., Хубиев А.Э. Однопроходная электродуговая сварка под тонким слоем шлака толстолистовых конструкций из стали 22К // Сварочное производство. 2017. № 5. С. 3‒8.Poletaev Yu.V., Poletaev V.Yu., Khubiev A.E. Single-pass arc welding of thick plate structures of 22K steel under a thin slag layer. Welding International. 2018, vol. 32, no. 3, pp. 200–205. https://doi.org/10.1080/09507116.2017.1388045Rempe J.L., Knudson D.L. High temperature thermal and structural material properties for metals used in LWR vessels // Proceedings of ICAPP ’08 Anaheim, CA USA, 2008. Vol. 4. P. 2127‒2134.Rempe J.L., Knudson D.L. High temperature thermal and structural material properties for metals used in LWR vessels. In: Proceedings of ICAPP ’08 Anaheim, CA USA, 2008, vol. 4, pp. 2127–2134.Thinnes G.L., Korth G.E., Chavez S.A. High-temperature creep and tensile data for pressure vessel steels SA533B1 and SA508-CL2 // Nuclear Engineering and Design. 1994. Vol. 148. P. 343‒350. http://doi.org/10.1016/0029-5493(94)90119-8Thinnes G.L., Korth G.E., Chavez S.A. High-temperature creep and tensile data for pressure vessel steels SA533B1 and SA508-CL2. Nuclear Engineering and Design. 1994, vol. 148, pp. 343–350. http://doi.org/10.1016/0029-5493(94)90119-8Yang C.-C., Liu C.-L. Improvement of the mechanical properties of 1022 carbon steel coil by using the Taguchi method to optimize spheroidized annealing conditions // Materials. 2016. Vol. 9. Article 693. http://doi.org/10.3390/ma9080693Yang C.-C., Liu C.-L. Improvement of the mechanical properties of 1022 carbon steel coil by using the Taguchi method to optimize spheroidized annealing conditions. Materials. 2016, vol. 9, article 693. http://doi.org/10.3390/ma9080693Hsu H.-H. Effects of Nbaddition on carburizing treatment for low carbon steel // China Steel Technical Report. 2016. No. 29. P. 30‒36.Hsu H.-H. Effects of Nb-addition on carburizing treatment for low carbon steel. China Steel Technical Report. 2016, no. 29, pp. 30–36.Козырев Н.А., Игушев В.Ф., Крюков Р.Е., Роор А.В. Исследование влияния введения углеродфторсодержащей добавки во флюс АН-67 на свойства металла сварных швов стали 09Г2С // Известия вузов. Черная металлургия. 2013. Т. 56. № 8. С. 33‒36. http://doi.org/10.17073/0368-0797-2013-8-33-36Kozyrev N.A., Igushev V.F., Kryukov R.E., Roor A.V. Influence of introduction of carbon-fluorine containing additives in AN-67 flux on properties of metal welds in 09G2S steel. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2013, vol. 56, no. 8, pp. 33–36. (In Russ.). http://doi.org/10.17073/0368-0797-2013-8-33-36Козырев Н.А., Крюков Р.Е., Роор А.В., Старовацкая С.Н., Игушев В.Ф. Исследование влияния введения углеродфторсодержащей добавки во флюс OK FLUX 10.71 на свойства металла сварных швов стали 10ХСНД // Известия вузов. Черная металлургия. 2014. Т. 57. № 2. С. 44‒47. http://doi.org/10.17073/0368-0797-2014-2-44-47Kozyrev N.A., Kryukov R.E., Roor A.V., Starovatskaya S.N., Igushev V.F. The influence investigation of the introduction of carbonfluorine containing additives in FLUX OK 10.71 on the properties of 10HSND steel welds. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2014, vol. 57, no. 2, pp. 44–47. (In Russ.). http://doi.org/10.17073/0368-0797-2014-2-44-47Rempe J.L., Knudson D.L., Condie K.G., Suh K.Y., Cheung F.-B., Kim S.-B. Conceptual design of an in-vessel core catcher // Nuclear Engineering and Design. 2004. Vol. 230. No. 1‒2. P. 311‒325. http://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2003.11.030Rempe J.L., Knudson D.L., Condie K.G., Suh K.Y., Cheung F.-B., Kim S.-B. Conceptual design of an in-vessel core catcher. Nuclear Engineering and Design. 2004, vol. 230, no. 1–2, pp. 311–325. http://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2003.11.030Fischer M. The severe accident mitigation concept and the design measures for core melt retention of the European Pressurized Reactor (EPR) // Nuclear Engineering and Design. 2004. Vol. 230. No. 1‒3. P. 169‒180. http://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2003.11.034Fischer M. The severe accident mitigation concept and the design measures for core melt retention of the European Pressurized Reactor (EPR). Nuclear Engineering and Design. 2004, vol. 230, no. 1–3, pp. 169–180. http://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2003.11.034Sultan T., Sapra M.K., Kundu S., Kadam A.V., Kulkarni P.P., Rao A.R. Experimental & analytical study of passive thermal sensing system developed for cooling water injection into AHWR core catcher // Nuclear Engineering and Design. 2017. Vol. 322. P. 81‒91. http://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2017.06.021Sultan T., Sapra M.K., Kundu S., Kadam A.V., Kulkarni P.P., Rao A.R. Experimental & analytical study of passive thermal sensing system developed for cooling water injection into AHWR core catcher. Nuclear Engineering and Design. 2017, vol. 322, pp. 81–91. http://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2017.06.021Odesskii P.D., Egorova A.A. Strength of steel for unique engineering structures // Russian Metallurgy (Metally). 2012. Vol. 2012. No. 10. P. 911‒918. http://doi.org/10.1134/S0036029512100151Odesskii P.D., Egorova A.A. Strength of steel for unique engineering structures. Russian Metallurgy (Metally). 2012, vol. 2012, no. 10, pp. 911–918. http://doi.org/10.1134/S0036029512100151Никулин С.А., Рогачев С.О., Белов В.А., Турилина В.Ю., Шплис Н.В. Влияние высоких температур на механические свойства шва сварного соединения малоуглеродистой низколегированной стали // Деформация и разрушение материалов. 2021. № 4. С. 33‒38. http://doi.org/10.31044/1814-4632-2021-4-33-38Nikulin S.A., Rogachev S.O., Belov V.A., Turilina V.Yu., Shplis N.V. Effect of high temperatures on mechanical properties of weld metal of low-carbon low-alloy steel welded joint. Deformatsiya i razrushenie materialov. 2021, no. 4, pp. 33–38. (In Russ.). http://doi.org/10.31044/1814-4632-2021-4-33-38Никулин С.А., Рогачев С.О., Васильев С.Г., Белов В.А., Турилина В.Ю., Николаев Ю.А. Влияние высоких температур на механические свойства стали 22К // Деформация и разрушение материалов. 2020. № 5. C. 22‒26. http://doi.org/10.31044/1814-4632-2020-5-22-26Nikulin S.A., Rogachev S.O., Vasil’ev S.G., Belov V.A., Turilina V.Yu., Nikolaev Yu.A. Effect of high temperatures on the mechanical properties of grade 22K steel. Russian Metallurgy (Metally). 2020, vol. 2020, no. 10, pp. 1157–1161. http://doi.org/10.1134/S0036029520100195Loktionov V., Lyubashevskaya I., Sosnin O., Terentyev E. Shortterm strength properties and features of high-temperature deformation of VVER reactor pressure vessel steel 15Kh2NMFA-A within the temperature range 20–1200 °C // Nuclear Engineering and Design. 2019. Vol. 352. Article 110188. http://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2019.110188Loktionov V., Lyubashevskaya I., Sosnin O., Terentyev E. Shortterm strength properties and features of high-temperature deformation of VVER reactor pressure vessel steel 15Kh2NMFA-A within the temperature range 20–1200 °C. Nuclear Engineering and Design. 2019, vol. 352, article 110188. http://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2019.110188Локтионов В.Д., Соснин О.В., Любашевская И.В. Прочностные свойства и особенности деформационного поведения стали 15Х2НМФА-А в температурном диапазоне 20–1000 °С // Атомная энергия. 2005. Т. 99. № 3. С. 229‒232.Loktionov V.D., Sosnin O.V., Lyubashevskaya I.V. Strength properties and idiosyncrasies of the deformational behavior of 15Kh2NMFA-A steel at temperatures 20–1100°C. Atomic Energy. 2005, vol. 99, no. 3, pp. 665–669. http://doi.org/10.1007/s10512-005-0263-xНикулин С.А., Рогачев С.О., Васильев С.Г., Белов В.А., Комиссаров А.А. Влияние длительного отжига на ударную вязкость стали 22К // Деформация и разрушение материалов. 2020. № 11. С. 36‒40. http://doi.org/10.31044/1814-4632-2020-11-36-40Nikulin S.A., Rogachev S.O., Vasil’ev S.G., Belov V.A., Komissarov A.A. Effect of long-term annealing on the impact toughness of 22K steel. Russian Metallurgy (Metally). 2021, vol. 2021, no. 4, pp. 149–153. http://doi.org/10.1134/S0036029521040248Stepanov G., Mamuzic I., Babutsky A. An increase of impact toughness of low-carbon steel caused by impulse electric current treatment // Metalurgija. 2007. Vol. 46. No. 4. P. 251‒253.Stepanov G., Mamuzic I., Babutsky A. An increase of impact toughness of low-carbon steel caused by impulse electric current treatment. Metalurgija. 2007, vol. 46, no. 4, pp. 251–253.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.