核電站設(shè)備主要金屬材料
核電站設(shè)備主要金屬材料
本文從材料的種類、材料制造所采用的體系、材料技術(shù)要求等方面對我國的壓水堆核電站設(shè)備制造中所采用的各種不同的金屬材料進行了介紹。由于篇幅所限，本篇(上篇)中主要包括概述、碳（錳）鋼兩個部分，下篇中將對錳鎳鉬類低合金鋼、奧氏體不銹鋼和鎳基合金進行介紹。
不同堆型，其結(jié)構(gòu)和用途雖有所不同，但實現(xiàn)可控制核裂變反應(yīng)的過程是相同的，都需要燃料元件、堆內(nèi)構(gòu)件、控制棒、反射層、冷卻劑和慢化劑（快堆除外)以及包容它們的壓力容器或壓力管道等，因而需要各種各樣的材料來制造相關(guān)部件，以實現(xiàn)核能向熱能、熱能向電能的安全、高效率的轉(zhuǎn)化。按照相關(guān)設(shè)備部件服役工況或使用功能的不同，核電設(shè)備可分為核一級、核二級、核三級和非核級。有核級要求的設(shè)備，一般即稱其所用材料為核電關(guān)鍵材料。
核電常用的關(guān)鍵材料大體可分為碳鋼、不銹鋼和特殊合金，若進一步細分，則有碳(錳)鋼、低合金鋼、不銹鋼、鋯合金、鈦鋁合金和鎳基合金等，按品種則有鑄鍛件、板、管、圓鋼、焊材等等。核反應(yīng)堆的發(fā)展，從開始就包括了材料的開發(fā)與優(yōu)化，材料的發(fā)展很大程度上決定了核反應(yīng)堆發(fā)展的成熟度。因為核電具有新的熱傳導(dǎo)條件及特殊的環(huán)境條件，如輻照或冷卻劑腐蝕等，要求所用材料必須能適合這些應(yīng)用條件；強調(diào)材料的另一原因是，核電站系統(tǒng)比常規(guī)電站有更高的安全要求。由于我國目前正在建造的主要是第二代成熟的1000MW壓水堆核電站，同時也在通過技術(shù)引進并吸收國外先進技術(shù)以發(fā)展先進的第三代1000MW堆核電站。因此，本文以壓水堆核電站為例，對其不同設(shè)備的用材做一簡單介紹。在壓水堆核島中，主要設(shè)備除反應(yīng)堆及壓力容器外，還有蒸汽發(fā)生器、反應(yīng)堆冷卻劑主泵機組、穩(wěn)壓器及主管道等。由于這些部件在核島內(nèi)的位置、作用和工況不同，故材料的使用要求和環(huán)境條件也不盡相同，不同程度地存在輻照或酸腐蝕等；不僅要考慮常規(guī)的一些要求(如強度、韌性、焊接性能和冷熱加工性能)，而且須考慮輻照帶來的組織、性能、尺寸等變化，如晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、低應(yīng)力脆斷、材料間的相容性、與介質(zhì)的相容性以及經(jīng)濟可行性等。為便于從它們的服役特點中理解每個部件的功能、選擇依據(jù)，下面將壓水反應(yīng)堆核島內(nèi)重要金屬部件的工況、要求以及它們的所用材料體系簡述如下。包殼是指裝載燃料芯體的密封外殼。其作用是防止裂變產(chǎn)物逸出和避免燃料受冷卻劑的腐蝕以及有效地導(dǎo)出熱能，在長期運行的條件下不使放射性裂變物逸出。工況最為苛刻：內(nèi)受裂變產(chǎn)物、外受冷卻劑腐蝕和溫度、壓力的作用，并受到強烈的中子輻射和冷卻劑的沖刷、振動以及內(nèi)應(yīng)力、熱循環(huán)(開、停堆時)應(yīng)力和燃料腫脹等作用。因而，包殼材料應(yīng)有以下性能：熱中子吸收截面小、感生放射性小、半衰期短、強度高、塑韌性好、抗腐蝕性強、對晶間應(yīng)力腐蝕和吸氫不敏感；熱強性能、熱穩(wěn)定性和抗輻照性能好；導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)小，與燃料和冷卻劑相容性好；易于加工、便于焊接和成本低。適宜作為包殼的材料主要有：鋁及鋁合金、鎂合金、鋯合金和奧氏體不銹鋼以及高密度熱解碳。在壓水堆中，主要采用了鋯合金。這是因為其熱中子吸收截面小、導(dǎo)熱率高、力學(xué)性能好，具有良好的加工性能以及與二氧化鈾有較好的相容性，尤其對高溫水及水蒸汽也有良好的抗腐蝕性和熱強性。在壓水堆中除了反應(yīng)堆壓力容器和燃料組件及相關(guān)的組件以外的均為堆內(nèi)構(gòu)件如壓緊板、導(dǎo)向筒、吊籃圍板、流量分配板、上下柵格組件等。
作用有：支撐燃料組件及精確定位、為控制棒及堆芯測量裝置和輻照監(jiān)督和提供支撐和導(dǎo)向、合理分配冷卻劑流和減少壓力容器內(nèi)表面的中子注量。
工作環(huán)境：面對活性區(qū)、受到冷卻劑沖刷和高溫、高壓作用。堆內(nèi)構(gòu)件用材應(yīng)度具有強度高、塑韌性好、高溫性能好、中子吸收截面和中子俘獲截面以及感生放射性小、抗腐蝕性、抗輻照性能好并與冷卻劑相容好，導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)小，易于加工、便于焊接和戚本低。適合于壓水堆內(nèi)構(gòu)件用材料要為奧氏體不銹鋼以及部分鎳基合金。壓水反應(yīng)堆的回路管道是維持和約束冷卻劑循環(huán)流動的通道。作用：封閉高溫、高壓和帶強放射性的冷卻劑、對反應(yīng)堆安全和正常運行起保障作用。回路管道用材料應(yīng)備具有如下性能：抗應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕和均勻腐蝕的能力強，基體組織穩(wěn)定、夾雜物少、具有足夠強度、塑性和熱強性能，鑄鍛造和焊接性能好、生產(chǎn)工藝成熟、成本低、有類似的使用經(jīng)驗，Co含量盡量低。反應(yīng)堆堆壓力容器是裝載堆芯、支撐堆內(nèi)所構(gòu)件和容納回路冷卻劑并維持其壓力的堆本體承壓殼體。它是由上、下封頭和筒體組成；它與一回路管道共同組成冷卻劑力邊界；還具有密封放射性、阻止裂變產(chǎn)物逸散的功能。對反應(yīng)堆壓力容器用材要求：強度高、塑韌性好、抗輻照性能和抗腐蝕性強、與冷卻劑相容性好；純凈度高、偏析和夾雜物少、晶粒細小、組織穩(wěn)定；易于進行冷熱加(包括焊接和淬透性好)；成本低、高溫高壓下使用經(jīng)驗豐富。反應(yīng)堆壓力容器，目前國內(nèi)外廣泛采用的A508III(Gr.3C1.1)、16MND5，內(nèi)壁堆焊不銹鋼。蒸汽發(fā)生器是將壓水堆一回路的熱能傳遞給二回路介質(zhì)以產(chǎn)生蒸汽的熱交換設(shè)備，一般采用帶汽水分器的飽和式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器。一般為管殼式，由簡體、管板、汽水分離器及外殼容器、傳熱管等部件組成。蒸汽發(fā)生器傳熱管為壓水堆核電站中的核心部件，起著一、二回路的能量交換的重要作用，并對一回路壓力邊界完整性有重大影響。傳熱管在特定結(jié)構(gòu)和介質(zhì)條件下，承受高溫、高壓和管子內(nèi)外的壓差以及腐蝕、水力振動等工況的作用，容易造成各種類型的腐蝕和應(yīng)力腐蝕破壞。傳熱管應(yīng)具有：熱強性、熱穩(wěn)定性和焊接性好；基體組織穩(wěn)定、導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)小；抗均勻腐蝕和局部腐蝕能力強；具有足夠的塑性和韌性以適應(yīng)彎管、脹管的加工和抗振動。蒸汽發(fā)器的筒體管板一般采用反應(yīng)堆壓力容器相同或相近的材料，如A508III(Gr.3C1.1)、18MND5，其它一些部件如分離器則采用碳(錳)鋼或低合金鋼等。在國際上的核電運作建設(shè)中，ASME體系(通用和西屋)、俄羅斯(石墨慢化反應(yīng)堆和俄羅斯壓水堆)體系、法國RCC-M（壓水堆)體系、加CAND（重水鈾反應(yīng)堆)體系和德國KTA體系等。不同體系的壓水堆中所用關(guān)鍵材料有所不同、但相對還是比較接近。下面表1.1為各主要核電國家體系用材情況。目前，我國的核電材料標(biāo)準(zhǔn)體系并未完全建立(正逐漸建立之中)，主要采用了引進技術(shù)中所列的一些國外牌號材料，如表1.1中所列的RCC-M、ASME等體系材料。目前在我國的壓水堆體系用材料中主要有美國ASME、法國RCC-M體系的材料。RCC-M借鑒了美國ASME規(guī)范第III卷中NB、NC、ND、NG、NF各分卷的有關(guān)內(nèi)容，在結(jié)構(gòu)上也做了巧妙對應(yīng)，在章節(jié)的數(shù)字標(biāo)識體系上采用了類似結(jié)構(gòu)，章節(jié)下的內(nèi)容也相近。而AP1000則采用ASME用材體體系，下面表1.2給出了RCC-M和ASME對比。1.3.2 歐洲標(biāo)準(zhǔn)用材表述RCC-M引用了不少歐洲標(biāo)準(zhǔn)的材料，如EN10025等。而歐洲標(biāo)準(zhǔn)體系中，EN 10020(鋼的等級定義及劃分)、10027-1(鋼的命名體系第一部分：鋼名，主要符號)、EN 10027-2(鋼的命名體系第二部分：鋼號)對各種鋼進行了分類表述。但最新的“EN10025-2：2004”與我國目前正在使用的“EN10025：1990+A1：1993"有一定差異，主要在于鋼的符號表述和保證性能描述上，見表1.3。本文中所涉及的鋼種有：P355GH、P265GH、P280GH、S235JO / S275JO / S355JO，分別列于EN10028-2、10222-2、10025-2等標(biāo)準(zhǔn)中。P指承壓件用鋼、后面XXX三個數(shù)字指(小尺寸材料的)最小屈服強度，GH指高溫用途。S則指結(jié)構(gòu)鋼，后面所接XXX數(shù)字是指（小尺寸材料的)最小屈服強度，J、K、L分別指有沖功質(zhì)量要求。本章所述材料為碳錳鋼種，主要采用了歐洲標(biāo)準(zhǔn)的一些材料，如P355GH、P265GH、P280GH、S235JO / S275JO / S355JO等。均為歐洲（EN）標(biāo)準(zhǔn)中的碳（錳）鋼，有不同的型式產(chǎn)品如板、管、鍛件、型材。RCC-M的M篇中引用了這些材料，但強調(diào)了除了滿足EN標(biāo)準(zhǔn)的要求外，還須符合RCC-M相應(yīng)章節(jié)中的補充要求。在我國的鍋爐、容器或用鋼標(biāo)準(zhǔn)GB713-2008和結(jié)構(gòu)件用鋼標(biāo)準(zhǔn)(GB700-2006、GB/T1591-2008)等標(biāo)準(zhǔn)中有對應(yīng)或相近的材料。系ENI0028-2（壓力用途用板第二部具有規(guī)定高溫特性合金鋼和非合金鋼）標(biāo)準(zhǔn)中的鋼號，RCC-M中的M1131（鋼板）、M1132（沖壓件）將其列入。3)根據(jù)技術(shù)規(guī)格書和設(shè)備級別不同，規(guī)定了短時高溫強度、-20℃或-44℃沖擊功；
該鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，其在500℃下的高溫力學(xué)性能優(yōu)于碳鋼，還具有良好的可焊性以及冷熱加工等工藝性能。
相近牌號有中國的GB713-2008中的Q345R（原GB71-1997中的19Mng、16Mng)美國SA299、日本的SB49和俄羅斯的16ГC等。
此鋼種也系ENI0028-2（壓力用途用鋼板 第二部分：具有規(guī)定高溫特性的合金鋼和非合金鋼）標(biāo)準(zhǔn)和EN10216-2（壓力用途用鋼管 第二部分：有規(guī)定高溫特性的合金鋼和非合金鋼）中的鋼號，但是Mn含量要比P355GH的要低一些。RCC-M中的M1131（鋼板）、M1132（沖壓件）將其列入。3）根據(jù)技術(shù)規(guī)格書和設(shè)備級別不同，規(guī)定了短時高溫強度、-20℃或-44℃沖擊功；該鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，具有良好的可焊性以及冷熱加工等工藝性能。此鋼種與GB713-2008中的Q245R相近，也與我國“核電站用無縫鋼管第1部分碳素鋼無縫鋼管”中的HD245、HD245Cr、HD265、HD265Cr類似。EN10222-2（壓力用途用鋼制鍛件第二部分：具有高溫特性的鐵素體和馬氏體鋼）標(biāo)準(zhǔn)中的鋼號，Mn含量介于P355GH和P265GH之間；RCC-M 1124（模鍛彎頭）、1125（軋/鍛件）、1144、1152（管）將其列入（對其成分和性能進行了一定調(diào)整）。4）明確規(guī)定了短時高溫屈服與抗拉強度、0℃的沖擊功；6）表面（目視)與內(nèi)部質(zhì)量檢查（UT）。與國內(nèi)JB4726（壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鍛件）標(biāo)準(zhǔn)中的16Mn類似，從成分性能上看，也與我國“核電站用無縫鋼管第1部分碳素鋼無縫鋼管”中的HD280、HD280Cr類似。2.1.4 S235JO / S275JO / S355JO系EN10025-2：2004（熱軋結(jié)構(gòu)鋼制品第二部分：非合金結(jié)構(gòu)鋼的交貨技術(shù)條件）標(biāo)準(zhǔn)中的鋼號，有各種產(chǎn)品型式（空心材除外）。1）須選用NFEN 10025標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的FN（鎮(zhèn)靜鋼）、FF（完全鎮(zhèn)靜鋼）脫氧型牌號，若用于吊桿則須選用質(zhì)級別為J2和K2；2）對J2、K2級別，應(yīng)進行特殊檢查，并提供3.1.B（EN 10204）的驗收證書,若是鋼板，應(yīng)正火態(tài)交貨；3）鋼板的表面(目視)與內(nèi)部質(zhì)量檢查（UT，與級別、厚度有關(guān))。S235JO/275JO分別與GB/T700-2006的Q235C和Q275C接近，而S355JO與GB 1591-2008中的Q345C接近。在常規(guī)產(chǎn)品上，它主要用于制作鍋爐、石油化工設(shè)備中的高壓容器和其它焊接結(jié)構(gòu)件，如反應(yīng)器、換熱器、分離器、球罐、油氣罐和汽罐等。
在核電設(shè)備中，主要是1、2、3級設(shè)備用，而又未在專用零件采購技術(shù)規(guī)范上規(guī)定的碳鋼鋼板，以及制造某些2級設(shè)備體殼體及容器內(nèi)結(jié)構(gòu)件，如硼注射器中的上、下封頭，簡體等。
在常規(guī)產(chǎn)品上，鋼板主要用于制作鍋爐、石油化工設(shè)備中的高壓容器和其它焊接結(jié)構(gòu)件，如反應(yīng)器、換熱器、分離器、球罐、油罐和液化汽罐等。在核電設(shè)備中，也主要用于1、2、3級設(shè)備，而又未在專用件采購技術(shù)規(guī)范上規(guī)定的碳鋼鋼板，以及制造某些2級設(shè)備殼體及容器內(nèi)結(jié)構(gòu)件，如硼注射器中的裙座筒體、穩(wěn)壓器中電極板、蒸汽發(fā)生器的板式分離器。此鋼鍛件在國內(nèi)應(yīng)用不多，但根據(jù)其與16Mn鍛件相近的性能特點，其用途應(yīng)與其相同，如管殼式換熱器碳鋼管板、法蘭等。
在核電部件中主要用作為蒸汽發(fā)生器主蒸汽系統(tǒng)、給水控流系統(tǒng)、輔助給水系統(tǒng)的軋制管件或鍛制管件（M1124），或蒸汽發(fā)生器主蒸汽系統(tǒng)的鍛造或模鍛彎頭。
2.2.4 S235JO / 275JO / S355JO在常規(guī)產(chǎn)品上它主要用于重要程度并不高的一些結(jié)構(gòu)件。
在核電設(shè)備中，也要用于通用結(jié)構(gòu)用的、而又未在專用零件采購技術(shù)規(guī)范上規(guī)的、有一定量要求的S1、S2鋼板梁和商品級棒材等。如各種重型支撐錨固件、反應(yīng)堆壓力容器頂蓋總裝的附件，如法蘭、簡節(jié)、筋板等。
在熱軋或正火態(tài)均為鐵素體+珠光體；但在淬火態(tài)時，除鐵素體+珠光體外，有可能出現(xiàn)全部或部分馬氏體或貝氏體類的組織(與冷卻速度有關(guān))。典型金相組織見下圖。
鐵素體鋼的價格便宜，通過熱處理能夠得到需要的低溫和高溫力學(xué)性能，且物理性能較為理想，可加工制造特大、特厚型部件。為防止高溫冷卻劑腐蝕，在表面上可堆焊耐腐蝕的奧氏體不銹鋼。反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器冷卻泵泵殼即是用此這類鋼制造。主要鋼種有法國RCC-M 16MND5和18MND5,美國ASME中的SA-302GrC、SA-533、SA-508III(Gr.3C1.1)、SA-541Gr3，德國VDTUV384中的13MnNiMo5-4等。這類含Mn、Ni、Mo（Nb）的低合金鋼，分別列于美國的ASME規(guī)范中的SA-302M、SA-533M(鋼板)、SA-508M、SA-541M(鍛件)。與法國RCC-M中相關(guān)M規(guī)范有對應(yīng)或接近的材料。而德國技術(shù)監(jiān)督協(xié)會材料公報VDTUV384中的MnNiMo5-4系鍋爐及壓力容器專用鋼板。
除了德國的13MnNiMo5-4外，其余材料在我國壓力容器用鋼的標(biāo)準(zhǔn)系列中尚無直接對應(yīng)的牌號，僅GB/T1544-95標(biāo)準(zhǔn)(壓水堆壓力容器選材原則與基本要求)中引用了這些材料。
這是法國RCC-M體系中的材料，其中M2111-M2117、M2119、M2131涉及到的為16MND5鍛件，M2141、M2142為16MND5鋼板及鍛制封頭，M2121、M2122為16MND5鋼板及壓制封頭，M2125-M2128則為18MND5鋼板及壓制封頭，M2133-M2134為18MND5鍛件等。
這兩種材料化學(xué)成分要求基本相同，18MND5的強度上略高(這是對成分、熱處理淬火或回火參數(shù)進行控制而有意造成的)。由于Mn、Ni、Mo在鋼中的作用，具有較好的淬透性、高溫性能和低回火脆性特征。
在我國壓力容器用鋼的標(biāo)準(zhǔn)系列中未有明確對應(yīng)的牌號，只在GB/T15443-95標(biāo)準(zhǔn)附錄中引用了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的材料。
3.1.2 SA-302 Gr.C、SA-533B等
這幾種材料系A(chǔ)SME體系的材料，與上述的16MND5、18MND5接近，材料型式同樣有鋼板、鍛件，分列于美國的ASME標(biāo)準(zhǔn)中的SA-302 Gr.C、SA-533B(鋼板)或SA-508III（Gr.3C1.1)、SA-541Gr.3(鍛件)等規(guī)范。系德國六十年代研制成功的可焊貝氏體型耐熱結(jié)構(gòu)鋼，為非列標(biāo)鋼種，是一種添加有鎳、鉻、鉬和微量鈮(鈮起細化晶粒并強化的作用)的細晶粒低合金鋼。該鋼有較好的綜合力學(xué)性能，有較高的高溫屈服點和對裂紋不敏感的特性，良好的焊接性能和工藝性能。
國內(nèi)GB713-2008標(biāo)準(zhǔn)中的13MnNiMoR為對應(yīng)鋼種。
16MND5、18MND5是法式壓水堆核島設(shè)備中最為重要的受壓部件材料，應(yīng)用于反應(yīng)堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器等部件，如反應(yīng)堆壓力容器整體頂蓋（或頂蓋+頂蓋法蘭)、法蘭、簡體、過渡環(huán)、接管等；蒸汽發(fā)生器上封頭、下封頭、管板、筒節(jié)、一二次側(cè)人孔、穩(wěn)壓器筒節(jié)、冷卻泵主法蘭等。
ASME對應(yīng)材料的用途與16MND5和18MND5用途類似，13MnNiMo5-4則主要用于工作溫度不超過400℃的各種焊接件，如鍋筒、壓力容器或封頭等構(gòu)件。
表3.1給出示例規(guī)范數(shù)據(jù)。基體組織為全回火貝氏體(如下圖所示)，當(dāng)淬火的冷卻速度不足時，將會出現(xiàn)鐵素體+珠光體，對提高強度和韌性極為不利。在反應(yīng)堆中主要采用奧氏體不銹鋼，原因在于：（1）馬氏體不銹鋼雖強度高但因鉻含量低致使其耐蝕性較差；而高鉻鐵素體不銹鋼雖耐蝕性較馬氏體鋼強，但卻比奧氏體不銹鋼脆性大，且不能用熱處理方式進行強化；雙相不銹鋼綜合了鐵素體和馬氏體不銹鋼的特點，卻仍有鐵素體不銹鋼的三種脆性(475℃脆性、σ相脆性與高溫脆性)和耐熱性能、加工性能較差的特點。（2）馬氏體不銹鋼(不預(yù)熱而焊接、和不焊后熱處理可能產(chǎn)生冷裂與延遲裂紋)一般不用作焊接件；而高鉻鐵素體不銹鋼焊接易引起熱影響區(qū)晶粒長大使韌性降低，也須預(yù)熱與焊后熱處理，加之其三脆性對安全有威脅。（3）奧氏體不銹鋼雖進行去應(yīng)力處理，但為了防止敏化增加腐蝕傾向，一般不用預(yù)熱和焊后熱處理，因而主回路管道多采用奧氏體不銹鋼以便于現(xiàn)場焊接，且奧氏體不銹鋼的輻照敏感性較低。（4）雖然奧氏體不銹鋼并不能通過熱處理強化，但其塑性高、屈強比小、加工硬化率大，通過冷加工也可提高其強度。因而在反應(yīng)堆系統(tǒng)中優(yōu)先選用奧氏體不銹鋼種，這里主要有美國ASME中的316L/304L，法國RCC-M中控氮Z2CND18-12、Z2CN19-10，德國的X6CrNiNb1810、G-X5CrNiNb189等。本篇僅介紹前面兩種。這類鋼材含Cr、Ni、Mo的奧氏體不銹鋼，在不同的標(biāo)準(zhǔn)中有各種類型的型式產(chǎn)品，有管、板、圓鋼、鍛件等。我國GB/T20878-2007標(biāo)準(zhǔn)中有相近材料。316L/304L為ASME牌號，分別列于美國的ASME標(biāo)準(zhǔn)中的SA-213(鋼管)、SA-24(鋼板)、SA-479(圓鋼)、SA-182(鍛件)等。
與法國RCC-M中的M3300系列規(guī)范中控氮的Z2CND18-12/Z2CN19-10接近。中國的GB/T20878-2007中的022Cr19Ni10(對應(yīng)于304L舊牌，舊牌號00Cr19Ni10)，022Cr17Ni12Mo2(對應(yīng)于316L，舊牌號為00C17Ni14Mo2)。
4.1.2 控氮Z2CND18-12/Z2CN19-10系法國RCC-M中的M3300系列規(guī)范中的控氮Z2CN19-1O、控氮Z2CND18-12牌號，分別列于M3301(鍛件沖壓件)、M3303/3304/330S(鋼管)、M3306(鍛軋件、半成品棒材)、M3307/3312/3314/3315（鋼板、沖壓件、焊接管)、M3313(鍛造模壓彎頭)等。產(chǎn)品型式同樣有管、板、圓鋼、鍛件等。常規(guī)用途為，主要用于石油化工或容器用的板、管件、管道等。在壓水堆核電站中，不銹鋼為堆芯結(jié)構(gòu)、堆內(nèi)構(gòu)件、回路冷卻循環(huán)系統(tǒng)的主要材料品種，如反應(yīng)堆壓力容器中的CRDM管座法蘭、蒸汽發(fā)生器一次側(cè)管嘴安全端、安注箱的上封頭、穩(wěn)壓器中的波動管接管嘴安全端等。表4.1是這些鋼種的化學(xué)成分。因涉及的相關(guān)規(guī)范較多，僅給出示例規(guī)范數(shù)據(jù)。由于這些鋼種均為奧氏體不銹鋼，一般說來其基體均為奧氏體組織，當(dāng)然也存在少的第二相，如下圖所示。高溫下能承受一定應(yīng)力并具有一定抗氧化性、耐腐蝕且合金含超過50%的金屬材料即稱為高溫合金。其中以高溫強度為主兼具耐蝕性的稱為耐熱高溫合金；而以耐蝕為主而兼有一定高溫強度的，則稱為耐蝕合金。雖然奧氏體不銹鋼具有較高的熱強性、良好的抗氧化、抗腐蝕能力，而且焊接性能和冷、熱加工性能也比較好，但因其對應(yīng)力腐蝕比較敏感所以堆內(nèi)承受載荷的構(gòu)件和蒸汽發(fā)生器傳熱管現(xiàn)在一般都避免采用18-8不銹鋼，而選用各種性能均優(yōu)于不銹鋼、且對應(yīng)力腐蝕不敏感的鎳基合金或鐵鎳基高溫合金。這類合金材料，Inconl-600(NC15Fe)、Inconl-690（NC30Fe）、改良Incoloy-800，下面就對這幾種鎳基合金做一簡單介紹。三種均為高溫合金，有管、桿、棒、絲、板等類，列于美國的ASME SB-163、166、167、168，RCC-M的M4100系列以及德國的KTA3201.1規(guī)范。
在ASME規(guī)范中，Inconl-600、Inconl-690名稱分別為Alloy N06600、Alloy N06690，其中管子列于美國的SB-163的冷凝器和熱交換器管，與法國RCC-M中的M41O1（名稱為NC15Fe 1993年版）、4105（名稱為NC30Fe）分別對應(yīng)。
Inconel-600(NC15Fe/OCr15Ni75Fe10)是最早發(fā)展起來的鎳基高溫合金，是燃汽輪機葉片和渦輪噴氣發(fā)動機燃燒室早期使用的材料，其特點是鎳基奧氏體基體組織在高溫下比較穩(wěn)定；有較好的抗氧化性能，較高強度，對應(yīng)力腐蝕不敏感，因而廣泛用于壓水堆傳熱管代替早期應(yīng)用的18-8奧氏體型不銹鋼。
但此合金的鎳含量太高（達75%），使碳在固溶體的溶解度減小，從而對晶間應(yīng)力腐蝕比較敏感。在715℃經(jīng)過12小時進行特殊的時效熱處理，并改用全揮發(fā)處理二回路水后，應(yīng)用性能得到定改善。但國際上仍進一步開發(fā)了800（mod）和690合金。
Inconel-690(NC30Fe/OCr30Ni60Fe10)是在600合金基礎(chǔ)上改良而成的。主要針對600合金中的鎳含量太高（達75%)、使碳在固溶體的溶解度減小，從而對晶間應(yīng)力腐蝕比較敏感的不足，而將其鎳和碳含量分別降低到60%和0.04%，并將鉻升高到30%，以達到改善上述缺點的目的。這種成分配比，大大提高了其耐晶間腐蝕、氯化物應(yīng)力腐蝕和苛性堿應(yīng)力腐蝕的能力。Incoloy-800(OCr20Ni32FeA1Ti)是作為高溫應(yīng)用的耐蝕合金發(fā)展而成的，但與前兩種鎳基合金有所不同，其為鐵鎳合金：
A）含Cr量為23%，高于600合金的的14-17%，抗氧化能力更強；
B）其Ni為30%左右，正好處于對晶間和穿晶應(yīng)力腐蝕并不敏感的區(qū)域。
其成分配比較為理想。由于鎳、碳分別為30%和0.05%，低于600合金的75%和0.08%。因此，前者的抗晶間腐蝕和抗晶間應(yīng)力腐蝕能力優(yōu)于后者，但鎳含量低會導(dǎo)致抗苛性鈉的應(yīng)力腐蝕能力下降，因而800合金的抗苛性鈉的應(yīng)力腐蝕能力低于600和690合金。
現(xiàn)同為現(xiàn)役壓水堆核電站的蒸汽發(fā)生器傳熱管的主要材料。但現(xiàn)在有減少使用的趨勢，包括水堆核電站蒸汽發(fā)生器用管的更換已不再采用。如過去15年，美國B&W公司已經(jīng)用690合金管更換了42臺蒸汽發(fā)生器的傳熱管。自上世紀九十年代以來，由于690合金是繼600和800合金之后發(fā)展起來的合金，成分配比更為合理，因此美國、法國已將其作為新建設(shè)的現(xiàn)代壓水堆核電站蒸汽發(fā)生器“U”型管束材料的優(yōu)先選擇，當(dāng)然在其它部件中也有使用。
在反應(yīng)堆壓力容器中使用690材料有CRDM套管、M支撐、穿透管、排放管套管、導(dǎo)向管，蒸汽發(fā)生器中使用的則有鎖緊板、螺母、限制器、分隔板、分隔板短節(jié)、管束、管束賽頭、管箱封頭排污套管、一次側(cè)人孔排污套管等。
德國西門子/KWU反應(yīng)堆使用改良800合金。其它的也有使用，加拿大安大略省Bruce動力公司的BruceA核電站就將使用800合金管更換早期24臺120t蒸發(fā)器中的傳熱管。表5.1 蒸汽發(fā)生器用鎳基合金化學(xué)成分這些材料的基體均為奧氏體組織，當(dāng)然也存在少量的第二相，示例如下圖所示。
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