揭秘核電材料——核電站一回路主管道材料及其制備工藝

供稿|王永強(qiáng)，楊濱，武煥春，韓軍，王西濤/ WANG Yong-qiang，YANG Bin，WU Huan-chun，HAN Jun，WANG Xi-tao

壓水堆核電站工作原理

核電因其巨大的優(yōu)勢(shì)得到了快速發(fā)展，目前已與火電、水電并稱為電力能源三大支柱，并且隨著煤炭、石油等化石能源的儲(chǔ)量日益減少，其重要地位不斷凸顯。核電經(jīng)過(guò)近 60 年的發(fā)展、運(yùn)行，其技術(shù)不斷完善，至今已經(jīng)發(fā)展到了第三代 (如圖1 所示)，現(xiàn)在一些國(guó)家正在建設(shè)三代核電站。第四代核電站概念也已于 21 世紀(jì)初提出，但距離商業(yè)應(yīng)用還很遠(yuǎn)。目前全世界范圍內(nèi)使用最多、運(yùn)行最成熟的是第二代和二代改進(jìn)型核電站。

核電站中，動(dòng)力堆主要有輕水堆 (包括壓水堆和沸水堆)、重水堆、石墨堆 (包括石墨氣冷堆和石墨水冷堆) 以及快中子增殖堆，這些堆型中壓水堆是應(yīng)用最廣泛、最主要的堆型。目前全世界運(yùn)行的商業(yè)核電站共有 439 座，這些核電站中輕水堆占 85.9%，其中壓水堆 61.3%，沸水堆 24.6%，如圖2 所示[1-2]。

圖1 核電站發(fā)展的幾個(gè)階段[1]

圖2 核電站數(shù)量、堆型分類及比例[1-2]

圖3 壓水堆工作原理[3]

壓水堆核電站的工作原理如圖3 所示。反應(yīng)堆堆芯核裂變產(chǎn)生巨大的熱能，主泵把水泵入，水既是慢化劑，又是冷卻劑，冷卻劑流經(jīng)堆芯進(jìn)行冷卻，同時(shí)水被加熱到 327℃、155 個(gè)大氣壓的高溫高壓水。高溫高壓水進(jìn)入蒸汽發(fā)生器的 U 型管內(nèi)，在 U 型管內(nèi)與二回路冷卻水進(jìn)行熱交換，釋放熱量后又被主泵送回堆芯重新加熱再進(jìn)入蒸汽發(fā)生器。這樣不斷地在密閉的回路內(nèi)循環(huán)，稱為一回路系統(tǒng)。蒸汽發(fā)生器管壁外的水被一回路系統(tǒng)的熱水加熱成蒸汽后進(jìn)入汽輪機(jī)，通過(guò)汽輪機(jī)做功，同軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，然后進(jìn)入冷凝器被海水冷卻，又凝結(jié)成水通回蒸汽發(fā)生器，重新加熱成蒸汽。這個(gè)汽水循環(huán)過(guò)程稱為二回路系統(tǒng)。壓水堆核電站中一回路主管道為核島七大關(guān)鍵部件之一，是系統(tǒng)承壓邊界的一部分，稱為核電站的“主動(dòng)脈”，它封閉著高溫、高壓和帶有放射性、腐蝕性的冷卻劑，維持和約束冷卻劑循環(huán)流動(dòng)，對(duì)反應(yīng)堆的安全和正常運(yùn)行起著重要的保障作用。由此可見(jiàn)一回路主管道在核電站中扮演著非常重要的角色。

壓水堆核電站一回路主管道材料

一回路主管道屬于核安全一級(jí)部件，尺寸大、運(yùn)行條件苛刻 (約 300℃、16 MPa 的含磷酸、硼酸高溫高壓水)，對(duì)材料性能要求極高[4-5]，除要求有良好的綜合力學(xué)性能 (足夠的強(qiáng)度、高的塑性和韌性) 外，還要求耐高溫高壓水腐蝕，具有良好的抗疲勞性能、易加工性和焊接性能等[1]。擁有 α-γ 雙相組織的鑄造奧氏體不銹鋼 (約 5%～20% 鐵素體相以島狀分布在奧氏體基體上—CASS)[6-8]能很好的滿足上述性能，廣泛用于核電站一回路主管道。國(guó)外早期核電站一回路管道大多采用 18-8 型 (美國(guó) ASME304) 奧氏體不銹鋼 (相應(yīng)鑄鋼為 CF-8)。后來(lái)，為了提高 304 不銹鋼抗高溫高壓水晶間應(yīng)力腐蝕性能，逐漸改用含 2%～3% Mo 的 ASME316 型不銹鋼及相應(yīng)的鑄鋼 CF-8M。

為了進(jìn)一步延長(zhǎng)核電站運(yùn)行壽命，近幾十年國(guó)際上對(duì)一回路管道材料進(jìn)行了深入的研究。美國(guó)、日本開(kāi)發(fā)了核級(jí)控氮 316L 不銹鋼，法國(guó)投入巨資開(kāi)展了一系列奧氏體不銹鋼材料的研究，開(kāi)發(fā)了 Z2CND18.12 和 Z3CN20.09M 主管道材料[8-10]。一些國(guó)家核電站一回路主管道材料如表1 所示。

目前世界上半數(shù)以上的核電站是按法國(guó)核島設(shè)備設(shè)計(jì)和建造委員會(huì) (AFCEN) 制定的 RCC-M《壓水堆機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》制造的，我國(guó)正在建造的和今后相當(dāng)一部分核電站也都按這個(gè)規(guī)范建造。RCC-M《壓水堆機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》是一部國(guó)際上公認(rèn)的最為安全的核電設(shè)備制造規(guī)范，按 RCC-M 制造的核電設(shè)備迄今為止沒(méi)有發(fā)生過(guò)重大的安全事故，且設(shè)備故障率最低。RCC-M 規(guī)范中的牌號(hào) Z3CN20.09M 不銹鋼屬于低碳奧氏體–鐵素體型不銹鋼，其化學(xué)成分和力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)如表2 和表3所示[11]。RCC-M 規(guī)范要求 Z3CN20.09M 鐵素體含量范圍 12%～20%，最理想值為 15%～18%，其值可依據(jù) Shaef fl er 圖通過(guò)改變材料成分實(shí)現(xiàn)調(diào)控。

表1 一些國(guó)家主管道用材

表2 主管道直管和彎頭成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)[11]

表3 主管道直管和彎頭力學(xué)性能[11]

圖4 一回路主管道材料 Z3CN20.09M 微觀組織

Z3CN20.09M 的微觀組織如圖4 所示，它由奧氏體基體和島狀鐵素體相組成。鐵素體含量一般規(guī)定為 12%～20%，最佳值為 15%～18% (以上均為體積分?jǐn)?shù))。

奧氏體不銹鋼中鐵素體起著極其重要的作用。1) 由于鐵素體是以分散并均布成小坑狀存在于奧氏體晶粒之間，削弱奧氏體柱狀晶和樹(shù)枝晶的方向性，隔斷奧氏體晶界連續(xù)網(wǎng)狀碳化鉻析出，從而防止晶間腐蝕，因此鐵素體對(duì)提高耐晶間腐蝕的作用有好處。通過(guò)試驗(yàn)證明，由于鐵素體對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂不敏感，因此含有鐵素體的奧氏體鋼焊縫的耐應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)于同成分但含有很少鐵素體的奧氏體鋼焊縫。2) 奧氏體不銹鋼中的鐵素體對(duì)材料的力學(xué)性能有顯著影響。鐵素體含量增加時(shí)強(qiáng)度增加，同時(shí)，延展性和沖擊強(qiáng)度減低。利用此特性，可采用調(diào)控鐵素體的含量來(lái)達(dá)到所需要的材料力學(xué)性能和加工性能。3) 但是奧氏體不銹鋼中鐵素體含量過(guò)高會(huì)損害奧氏體不銹鋼的可鍛性和熱穩(wěn)定性，特別是用于大鍛造比的鍛件，鑄坯限制鐵素體的含量是合理而必要的 (通常限制在3%～8%)。同樣道理用于冷變形的奧氏體鋼，如冷伸壓、深沖壓，冷拔和冷擠壓的奧氏體鋼，鐵素體含量應(yīng)進(jìn)一步限制(通常限制在 5% 以下)；同時(shí)，高鉻鐵素體長(zhǎng)期處于較高溫度環(huán)境 (≤550℃) 會(huì)發(fā)生 475℃ 脆化現(xiàn)象，增加材料脆性斷裂傾向。

一回路主管道制備工藝

壓水堆一回路主管道可以采用鍛造或鑄造制造工藝。采用鍛造奧氏體不銹鋼時(shí)，主管道組織均勻，力學(xué)性能較好；但由于制造工藝的限制，直管段制造長(zhǎng)度受限，使主管道焊縫數(shù)量增多，焊接工作量增大，而且由于材料本身特點(diǎn)，在焊接時(shí)容易產(chǎn)生焊接缺陷。鑄造工藝可以克服鍛造主管道的缺點(diǎn)在保證主管道力學(xué)性能不降低的前期下，采用鑄造奧氏素體－鐵體不銹鋼來(lái)替代鍛造奧氏體不銹鋼。鑄造奧氏素體－鐵體不銹鋼具有較好的焊接性能，焊接時(shí)不易產(chǎn)生焊接缺陷，且采用離心鑄造可以制造出長(zhǎng)度較大的直管，使焊縫數(shù)量減少，這一技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到主管道的生產(chǎn)中。

圖5 一回路主管生產(chǎn)工藝流程

二代核電站一回路主管道包括直管和彎頭部分，直管和彎頭通過(guò)焊接組合成完整管道。一回路主管道直管由離心鑄造而成，彎頭通過(guò)靜態(tài)模鑄而成，具體工藝路線如圖5 所示。

原料經(jīng)過(guò)電弧爐+氬氧爐雙聯(lián)冶煉，調(diào)控微合金元素及雜質(zhì)含量得到成分合格的鋼液，成分調(diào)控時(shí)要嚴(yán)格將 C 含量降低到 0.03% 以下，然后進(jìn)行澆注。彎頭通過(guò)砂型靜態(tài)鑄造成型，直管經(jīng)臥式離心鑄造機(jī)成型，成型后的毛坯管件脫模后進(jìn)行固溶熱處理，目的是減少缺陷、均勻成分及調(diào)控鐵素體含量從而提高性能，熱處理工序完成后進(jìn)行機(jī)械加工。直管和彎頭的加工包括內(nèi)圓和外圓的加工，機(jī)加工設(shè)備主要包括大型的車(chē)床、鏜床及工裝。對(duì)直管和彎頭的機(jī)加工關(guān)鍵在于制定合理的加工工藝，并配套相應(yīng)的設(shè)備。

結(jié)束語(yǔ)

一回路主管道在核電站安全運(yùn)行中扮演著非常重要的角色，其選材、加工都有極嚴(yán)格的規(guī)范。含有一定量鐵素體相的奧氏體不銹鋼因其性能優(yōu)異 (包括力學(xué)性能、物理性能、加工性能等)，廣泛用于二代和二代改進(jìn)型核電站一回路主管道，但是此種材料也存在一些缺陷，例如長(zhǎng)期服役會(huì)發(fā)生熱老化脆化，其性能下降。為了解決二代核電站一回路主管道熱老化脆化問(wèn)題，延長(zhǎng)核電站使用壽命，提高安全性，正在發(fā)展和建設(shè)中的第三代核電站主管道材料選用控氮奧氏體不銹鋼，經(jīng)整體鍛造而成。

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