本文從材料的種類、材料制造所采用的體系、材料技術要求等方面對我國的壓水堆核電站設備制造中所采用的各種不同的金屬材料進行了介紹。分為上下兩篇，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。

    核電站設備主要金屬材料（上）

    1 核島用金屬材料概述

    不同堆型，其結構和用途雖有所不同，但實現可控制核裂變反應的過程是相同的，都需要燃料元件、堆內構件、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部件，以實現核能向熱能、熱能向電能的安全、高效率的轉化。

    按照相關設備部件服役工況或使用功能的不同，核電設備可分為核一級、核二級、核三級和非核級。有核級要求的設備，一般即稱其所用材料為核電關鍵材料。

 

    蒸汽發生器下封頭低合金鋼鍛件

    核電常用的關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。

    核反應堆的發展，從開始就包括了材料的開發與優化，材料的發展很大程度上決定了核反應堆發展的成熟度。因為核電具有新的熱傳導條件及特殊的環境條件，如輻照或冷卻劑腐蝕等，要求所用材料必須能適合這些應用條件；強調材料的另一原因是，核電站系統比常規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，同時也在通過技術引進并吸收國外先進技術以發展先進的第三代1000MW堆核電站。因此，本文以壓水堆核電站為例，對其不同設備的用材做一簡單介紹。

    在壓水堆核島中，主要設備除反應堆及壓力容器外，還有蒸汽發生器、反應堆冷卻劑主泵機組、穩壓器及主管道等。由于這些部件在核島內的位置、作用和工況不同，故材料的使用要求和環境條件也不盡相同，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、應力腐蝕、低應力脆斷、材料間的相容性、與介質的相容性以及經濟可行性等。

    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，下面將壓水反應堆核島內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。

    1.1 壓水堆零/部件用金屬材料

    1.1.1 包殼材料

    包殼是指裝載燃料芯體的密封外殼。其作用是防止裂變產物逸出和避免燃料受冷卻劑的腐蝕以及有效地導出熱能，在長期運行的條件下不使放射性裂變物逸出。

 

    鋯合金燃料包殼

    工況最為苛刻：內受裂變產物、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、振動以及內應力、熱循環（開、停堆時）應力和燃料腫脹等作用。

    因而，包殼材料應有以下性能：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、對晶間應力腐蝕和吸氫不敏感；熱強性能、熱穩定性和抗輻照性能好；導熱率高、熱膨脹系數小，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、導熱率高、力學性能好，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。

    1.1.2 堆內構件材料

    在壓水堆中除了反應堆壓力容器和燃料組件及相關的組件以外的均為堆內構件如壓緊板、導向筒、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督和提供支撐和導向、合理分配冷卻劑流和減少壓力容器內表面的中子注量。

 

    鎳基合金堆內構件板材

    工作環境：面對活性區、受到冷卻劑沖刷和高溫、高壓作用。

    堆內構件用材應度具有強度高、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，導熱率高、熱膨脹系數小，易于加工、便于焊接和戚本低。

    適合于壓水堆內構件用材料要為奧氏體不銹鋼以及部分鎳基合金。

    1.1.3 反應堆回路材料

    壓水反應堆的回路管道是維持和約束冷卻劑循環流動的通道。

    作用：封閉高溫、高壓和帶強放射性的冷卻劑、對反應堆安全和正常運行起保障作用。

    回路管道用材料應備具有如下性能：抗應力腐蝕、晶間腐蝕和均勻腐蝕的能力強，基體組織穩定、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、生產工藝成熟、成本低、有類似的使用經驗，Co含量盡量低。

    適合于壓水堆回路管道的主要材料為奧氏體不銹鋼。

 

    不銹鋼主管道

    1.1.4 反應堆壓力容器材料

    反應堆堆壓力容器是裝載堆芯、支撐堆內所構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、阻止裂變產物逸散的功能。

    對反應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、高溫高壓下使用經驗豐富。

    反應堆壓力容器，目前國內外廣泛采用的A508III（Gr.3C1.1）、16MND5，內壁堆焊不銹鋼。

 

    低合金鋼壓力容器殼體

    1.1.5 蒸汽發生器材料

    蒸汽發生器是將壓水堆一回路的熱能傳遞給二回路介質以產生蒸汽的熱交換設備，一般采用帶汽水分器的飽和式自然循環蒸汽發生器。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。

    傳熱管在特定結構和介質條件下，承受高溫、高壓和管子內外的壓差以及腐蝕、水力振動等工況的作用，容易造成各種類型的腐蝕和應力腐蝕破壞。

    傳熱管應具有：熱強性、熱穩定性和焊接性好；基體組織穩定、導熱率高、熱膨脹系數小；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彎管、脹管的加工和抗振動。

    蒸汽發器的筒體管板一般采用反應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。

 

    蒸汽發生器傳熱管束及下部筒體

    1.2 材料體系

    在國際上的核電運作建設中，ASME體系（通用和西屋）、俄羅斯（石墨慢化反應堆和俄羅斯壓水堆）體系、法國RCC-M（壓水堆）體系、加CAND（重水鈾反應堆）體系和德國KTA體系等。不同體系的壓水堆中所用關鍵材料有所不同、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，我國的核電材料標準體系并未完全建立（正逐漸建立之中），主要采用了引進技術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。

    表1.1 各主要核電國家壓水堆用材體系

 

    1.3 核電材料標準體系

    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。

    1.3.1 RCC-M和ASME規范

    RCC-M借鑒了美國ASME規范第III卷中NB、NC、ND、NG、NF各分卷的有關內容，在結構上也做了巧妙對應，在章節的數字標識體系上采用了類似結構，章節下的內容也相近。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。

    表1.2 RCC-M和ASME對比表

 

    1.3.2 歐洲標準用材表述

    RCC-M引用了不少歐洲標準的材料，如EN10025等。而歐洲標準體系中，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。

    表1.3 新舊EN10025-2牌號對比表

 

 

    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等標準中。

    其中：

    P指承壓件用鋼、后面XXX三個數字指（小尺寸材料的）最小屈服強度，GH指高溫用途。

    S則指結構鋼，后面所接XXX數字是指（小尺寸材料的）最小屈服強度，J、K、L分別指有沖功質量要求。

    2 碳（錳）鋼

    本章所述材料為碳錳鋼種，主要采用了歐洲標準的一些材料，如P355GH、P265GH、P280GH、S235JO / S275JO / S355JO等。

    2.1 簡介

    均為歐洲（EN）標準中的碳（錳）鋼，有不同的型式產品如板、管、鍛件、型材。

    RCC-M的M篇中引用了這些材料，但強調了除了滿足EN標準的要求外，還須符合RCC-M相應章節中的補充要求。

    在我國的鍋爐、容器或用鋼標準GB713-2008和結構件用鋼標準（GB700-2006、GB/T1591-2008）等標準中有對應或相近的材料。

 

    余熱排出冷卻器

    2.1.1 P355GH

    系ENI0028-2（壓力用途用板第二部具有規定高溫特性合金鋼和非合金鋼）標準中的鋼號，RCC-M中的M1131（鋼板）、M1132（沖壓件）將其列入。

    RCC-M提出的補充技術要求主要有：

    1）熱處理規定為正火，或淬火+回火；

    2）對P和S元素含量有嚴格限制；

    3）根據技術規格書和設備級別不同，規定了短時高溫強度、-20℃或-44℃沖擊功；

    4）室溫彎曲試驗；

    5）超聲波檢查（3級設備用鋼板除外）。

    該鋼具有良好的綜合力學性能，其在500℃下的高溫力學性能優于碳鋼，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。

    2.1.2 P265GH

    此鋼種也系ENI0028-2（壓力用途用鋼板 第二部分：具有規定高溫特性的合金鋼和非合金鋼）標準和EN10216-2（壓力用途用鋼管 第二部分：有規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。

    RCC 提出的補充技術要求主要有：

    1）熱處理規定為正火，或淬火+回火；

    2）有P和S元素有嚴格限制；

    3）根據技術規格書和設備級別不同，規定了短時高溫強度、-20℃或-44℃沖擊功；

    4）室溫彎曲試驗；

    5）超聲波檢查（3級設備用鋼板除外）。

    該鋼具有良好的綜合力學性能，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。

    2.1.3 P280GH

    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）標準中的鋼號，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整）。

    RCC-M調整的內容有：

    1）成分進行了小的調整；

    2）明確了鍛造比；

    3）細化了熱處理；

    4）明確規定了短時高溫屈服與抗拉強度、0℃的沖擊功；

    5）模擬熱處理后的性能試驗；

    6）表面（目視）與內部質量檢查（UT）。

    與國內JB4726（壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鍛件）標準中的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（熱軋結構鋼制品第二部分：非合金結構鋼的交貨技術條件）標準中的鋼號，有各種產品型式（空心材除外）。

    在法國RCC-M 1134中引用了這種材料。

    RCC-M 提出的補充技術要求主要有：

    1）須選用NFEN 10025標準中規定的FN（鎮靜鋼）、FF（完全鎮靜鋼）脫氧型牌號，若用于吊桿則須選用質級別為J2和K2；

    2）對J2、K2級別，應進行特殊檢查，并提供3.1.B（EN 10204）的驗收證書，若是鋼板，應正火態交貨；

    3）鋼板的表面（目視）與內部質量檢查（UT，與級別、厚度有關）。

    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。

    2.2 用途

    2.2.1 P355GH

    在常規產品上，它主要用于制作鍋爐、石油化工設備中的高壓容器和其它焊接結構件，如反應器、換熱器、分離器、球罐、油氣罐和汽罐等。

    在核電設備中，主要是1、2、3級設備用，而又未在專用零件采購技術規范上規定的碳鋼鋼板，以及制造某些2級設備體殼體及容器內結構件，如硼注射器中的上、下封頭，簡體等。

 

    硼注箱

    2.2.2 P265GH

    在常規產品上，鋼板主要用于制作鍋爐、石油化工設備中的高壓容器和其它焊接結構件，如反應器、換熱器、分離器、球罐、油罐和液化汽罐等。

    在核電設備中，也主要用于1、2、3級設備，而又未在專用件采購技術規范上規定的碳鋼鋼板，以及制造某些2級設備殼體及容器內結構件，如硼注射器中的裙座筒體、穩壓器中電極板、蒸汽發生器的板式分離器。

    2.2.3 P280GH

    此鋼鍛件在國內應用不多，但根據其與16Mn鍛件相近的性能特點，其用途應與其相同，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生器主蒸汽系統、給水控流系統、輔助給水系統的軋制管件或鍛制管件（M1124），或蒸汽發生器主蒸汽系統的鍛造或模鍛彎頭。

    2.2.4 S235JO / 275JO / S355JO

    在常規產品上它主要用于重要程度并不高的一些結構件。

    在核電設備中，也要用于通用結構用的、而又未在專用零件采購技術規范上規的、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、反應堆壓力容器頂蓋總裝的附件，如法蘭、簡節、筋板等。

    2.3 技術要求

    2.3.1 化學成分

    表2.1是這些鋼種的化學成分。

    表2.1 碳（錳）鋼的化學成分

    2.3.2 組織

    在熱軋或正火態均為鐵素體+珠光體；但在淬火態時，除鐵素體+珠光體外，有可能出現全部或部分馬氏體或貝氏體類的組織（與冷卻速度有關）。典型金相組織見下圖。

 

    碳錳鋼不同狀態的典型組織

    2.3.3 性能

    表2.2為材料的各種性能要求。

    表2.2 碳（錳）鋼的性能要求

  
    核電站設備主要金屬材料（下）

    3 錳鎳鉬類低合金鋼

    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。反應堆壓力容器、蒸汽發生器、穩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。

 

    蒸汽發生器下封頭低合金鋼鍛件

    3.1 簡介

    這類含Mn、Ni、Mo（Nb）的低合金鋼，分別列于美國的ASME規范中的SA-302M、SA-533M（鋼板）、SA-508M、SA-541M（鍛件）。與法國RCC-M中相關M規范有對應或接近的材料。而德國技術監督協會材料公報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準系列中尚無直接對應的牌號，僅GB/T1544-95標準（壓水堆壓力容器選材原則與基本要求）中引用了這些材料。

    3.1.1 16MND5、18MND5

    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準系列中未有明確對應的牌號，只在GB/T15443-95標準附錄中引用了相關標準的材料。

    3.1.2 SA-302 Gr.C、SA-533B等

    這幾種材料系ASME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標準中的SA-302 Gr.C、SA-533B（鋼板）或SA-508III（Gr.3C1.1）、SA-541Gr.3（鍛件）等規范。

    3.1.3 13MnNiMo5-4

    系德國六十年代研制成功的可焊貝氏體型耐熱結構鋼，為非列標鋼種，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GB713-2008標準中的13MnNiMoR為對應鋼種。

    3.2 用途

    16MND5、18MND5是法式壓水堆核島設備中最為重要的受壓部件材料，應用于反應堆壓力容器和蒸汽發生器等部件，如反應堆壓力容器整體頂蓋（或頂蓋+頂蓋法蘭）、法蘭、簡體、過渡環、接管等；蒸汽發生器上封頭、下封頭、管板、筒節、一二次側人孔、穩壓器筒節、冷卻泵主法蘭等。

    ASME對應材料的用途與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件。

    3.3 技術要求

    3.3.1 化學成分

    表3.1給出示例規范數據。

    表3.1 低合金鋼的化學成分

    3.3.2 組織

    基體組織為全回火貝氏體（如下圖所示），當淬火的冷卻速度不足時，將會出現鐵素體+珠光體，對提高強度和韌性極為不利。

    16MND5鋼的典型組織

    3.3.3 性能

    表3.2是材料的各種性能要求。

    表3.2 低合金鋼的性能要求

    3.4 熱處理

    表3.3是各材料的基本熱處理情況。

    表3.3 低合金鋼的交貨狀態

    4 奧氏體不銹鋼

    在反應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（不預熱而焊接、和不焊后熱處理可能產生冷裂與延遲裂紋）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晶粒長大使韌性降低，也須預熱與焊后熱處理，加之其三脆性對安全有威脅。

    3奧氏體不銹鋼雖進行去應力處理，但為了防止敏化增加腐蝕傾向，一般不用預熱和焊后熱處理，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。

    因而在反應堆系統中優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。

    4.1 簡介

    這類鋼材含Cr、Ni、Mo的奧氏體不銹鋼，在不同的標準中有各種類型的型式產品，有管、板、圓鋼、鍛件等。我國GB/T20878-2007標準中有相近材料。

    4.1.1 316L/304L

    316L/304L為ASME牌號，分別列于美國的ASME標準中的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系列規范中控氮的Z2CND18-12/Z2CN19-10接近。中國的GB/T20878-2007中的022Cr19Ni10（對應于304L舊牌，舊牌號00Cr19Ni10），022Cr17Ni12Mo2（對應于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。產品型式同樣有管、板、圓鋼、鍛件等。

    4.2 用途

    常規用途為，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，不銹鋼為堆芯結構、堆內構件、回路冷卻循環系統的主要材料品種，如反應堆壓力容器中的CRDM管座法蘭、蒸汽發生器一次側管嘴安全端、安注箱的上封頭、穩壓器中的波動管接管嘴安全端等。

    穩壓器卸壓箱（主要材料為奧氏體不銹鋼）

    4.3 技術要求

    4.3.1 化學成分

    表4.1是這些鋼種的化學成分。因涉及的相關規范較多，僅給出示例規范數據。

    表4.1 核電用不銹鋼化學成分表

    4.3.2 組織

    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，當然也存在少的第二相，如下圖所示。

 

    316L奧氏體不銹鋼的典型組織

    4.3.3 性能

    表4.2是材料的各種性能要求。

    表4.2 核電用不銹鋼力學性能

    4.4 熱處理

    表4.3是各材料的基本熱處理情況。

    表4.3 核電用不銹鋼交貨狀態

 

    5 鎳（鐵）基合金

    高溫下能承受一定應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，但因其對應力腐蝕比較敏感所以堆內承受載荷的構件和蒸汽發生器傳熱管現在一般都避免采用18-8不銹鋼，而選用各種性能均優于不銹鋼、且對應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。

    5.1 簡介

    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規范。

    在ASME規范中，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。

    5.1.1 Inconel-600

    Inconel-600（NC15Fe/OCr15Ni75Fe10）是最早發展起來的鎳基高溫合金，是燃汽輪機葉片和渦輪噴氣發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定；有較好的抗氧化性能，較高強度，對應力腐蝕不敏感，因而廣泛用于壓水堆傳熱管代替早期應用的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，從而對晶間應力腐蝕比較敏感。在715℃經過12小時進行特殊的時效熱處理，并改用全揮發處理二回路水后，應用性能得到定改善。但國際上仍進一步開發了800（mod）和690合金。

    5.1.2 Inconel-690

    Inconel-690（NC30Fe/OCr30Ni60Fe10）是在600合金基礎上改良而成的。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、氯化物應力腐蝕和苛性堿應力腐蝕的能力。

    5.1.3 改良的Incoloy-800

    Incoloy-800（OCr20Ni32FeA1Ti）是作為高溫應用的耐蝕合金發展而成的，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力腐蝕并不敏感的區域。

    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力腐蝕能力優于后者，但鎳含量低會導致抗苛性鈉的應力腐蝕能力下降，因而800合金的抗苛性鈉的應力腐蝕能力低于600和690合金。

    5.2 用途

    現同為現役壓水堆核電站的蒸汽發生器傳熱管的主要材料。

  
    5.2.1 Inconel-600

    但現在有減少使用的趨勢，包括水堆核電站蒸汽發生器用管的更換已不再采用。如過去15年，美國B&W公司已經用690合金管更換了42臺蒸汽發生器的傳熱管。

    5.2.2 Inconel-690

    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的現代壓水堆核電站蒸汽發生器“U”型管束材料的優先選擇，當然在其它部件中也有使用。

    在反應堆壓力容器中使用690材料有CRDM套管、M支撐、穿透管、排放管套管、導向管，蒸汽發生器中使用的則有鎖緊板、螺母、限制器、分隔板、分隔板短節、管束、管束賽頭、管箱封頭排污套管、一次側人孔排污套管等。

    5.2.3 Incoloy-800

    德國西門子/KWU反應堆使用改良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蒸發器中的傳熱管。

    5.3 技術要求

    5.3.1 化學成分

    表5.1是這三種材料的化學成分。

    表5.1 蒸汽發生器用鎳基合金化學成分

    5.3.2 組織

    這些材料的基體均為奧氏體組織，當然也存在少量的第二相，示例如下圖所示。

 

    690合金的典型組織

    5.3.3 性能

    表5.2是600和690合金兩種材料的性能。

    表5.2是600和690合金兩種材料的性能。

    5.4 熱處理

    表5.3是各材料的基本熱處理情況。

    表5.3 核電用鎳基合金交貨狀態

 

 

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責任編輯：王元

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