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。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。

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）。

 

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