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課堂|核電站設(shè)備主要金屬材料

2019-03-06 12:47:09 作者：中廣核集團(tuán)蘇州熱工研究院來源：SNPI講義分享至：

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(duì)我國(guó)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(jìn)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(gè)部分，下篇中將對(duì)錳鎳鉬類低合金鋼、奧氏體不銹鋼和鎳基合金進(jìn)行介紹。

1 核島用金屬材料概述

不同堆型，其結(jié)構(gòu)和用途雖有所不同，但實(shí)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(shí)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(jí)、核二級(jí)、核三級(jí)和非核級(jí)。有核級(jí)要求的設(shè)備，一般即稱其所用材料為核電關(guān)鍵材料。

蒸汽發(fā)生器下封頭低合金鋼鍛件

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(jìn)一步細(xì)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?yàn)楹穗娋哂行碌臒醾鲗?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(qiáng)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(guó)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(shí)也在通過技術(shù)引進(jìn)并吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)以發(fā)展先進(jìn)的第三代1000MW堆核電站。因此，本文以壓水堆核電站為例，對(duì)其不同設(shè)備的用材做一簡(jiǎn)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(jī)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(qiáng)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(jì)可行性等。

為便于從它們的服役特點(diǎn)中理解每個(gè)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(jiǎn)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(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(zhǎng)期運(yùn)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(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(qiáng)烈的中子輻射和冷卻劑的沖刷、振動(dòng)以及內(nèi)應(yīng)力、熱循環(huán)（開、停堆時(shí)）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(qiáng)度高、塑韌性好、抗腐蝕性強(qiáng)、對(duì)晶間應(yīng)力腐蝕和吸氫不敏感；熱強(qiáng)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?yàn)槠錈嶂凶游战孛嫘　?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(duì)高溫水及水蒸汽也有良好的抗腐蝕性和熱強(qiáng)性。

1.1.2 堆內(nèi)構(gòu)件材料

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(cè)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。

鎳基合金堆內(nèi)構(gòu)件板材

工作環(huán)境：面對(duì)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(qiáng)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。

1.1.3 反應(yīng)堆回路材料

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(dòng)的通道。

作用：封閉高溫、高壓和帶強(qiáng)放射性的冷卻劑、對(duì)反應(yīng)堆安全和正常運(yùn)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(qiáng)，基體組織穩(wěn)定、夾雜物少、具有足夠強(qiáng)度、塑性和熱強(qiáng)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(yàn)，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(yīng)堆壓力容器材料

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(duì)反應(yīng)堆壓力容器用材要求：強(qiáng)度高、塑韌性好、抗輻照性能和抗腐蝕性強(qiáng)、與冷卻劑相容性好；純凈度高、偏析和夾雜物少、晶粒細(xì)小、組織穩(wěn)定；易于進(jìn)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(yàn)豐富。

反應(yīng)堆壓力容器，目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用的A508III（Gr.3C1.1）、16MND5，內(nèi)壁堆焊不銹鋼。

低合金鋼壓力容器殼體

1.1.5 蒸汽發(fā)生器材料

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(jiǎn)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(duì)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(dòng)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(qiáng)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(qiáng)；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(dòng)。

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。

蒸汽發(fā)生器傳熱管束及下部筒體

1.2 材料體系

在國(guó)際上的核電運(yùn)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(guó)RCC-M（壓水堆）體系、加CAND（重水鈾反應(yīng)堆）體系和德國(guó)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(duì)還是比較接近。下面表

1.1為各主要核電國(guó)家體系用材情況。

目前，我國(guó)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(jìn)技術(shù)中所列的一些國(guó)外牌號(hào)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(guó)家壓水堆用材體系

1.3 核電材料標(biāo)準(zhǔn)體系

目前在我國(guó)的壓水堆體系用材料中主要有美國(guó)ASME、法國(guó)RCC-M體系的材料。

1.3.1 RCC-M和ASME規(guī)范

RCC-M借鑒了美國(guó)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(duì)應(yīng)，在章節(jié)的數(shù)字標(biāo)識(shí)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(duì)比。

表1.2 RCC-M和ASME對(duì)比表

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(jí)定義及劃分）、10027-1（鋼的命名體系第一部分：鋼名，主要符號(hào)）、EN 10027-2（鋼的命名體系第二部分：鋼號(hào)）對(duì)各種鋼進(jìn)行了分類表述。

但最新的“EN10025-2：2004”與我國(guó)目前正在使用的“EN10025：1990+A1：1993”有一定差異，主要在于鋼的符號(hào)表述和保證性能描述上，見表1.3。

表1.3 新舊EN10025-2牌號(hào)對(duì)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(biāo)準(zhǔn)中。

其中：

P指承壓件用鋼、后面XXX三個(gè)數(shù)字指（小尺寸材料的）最小屈服強(qiáng)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(qiáng)度，J、K、L分別指有沖功質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)的一些材料，如P355GH、P265GH、P280GH、S235JO / S275JO / S355JO等。

2.1 簡(jiǎn)介

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(qiáng)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(bǔ)充要求。

在我國(guó)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(duì)應(yīng)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(guī)定高溫特性合金鋼和非合金鋼）標(biāo)準(zhǔn)中的鋼號(hào)，RCC-M中的M1131（鋼板）、M1132（沖壓件）將其列入。

RCC-M提出的補(bǔ)充技術(shù)要求主要有：

1）熱處理規(guī)定為正火，或淬火+回火；2）對(duì)P和S元素含量有嚴(yán)格限制；3）根據(jù)技術(shù)規(guī)格書和設(shè)備級(jí)別不同，規(guī)定了短時(shí)高溫強(qiáng)度、-20℃或-44℃沖擊功；4）室溫彎曲試驗(yàn)；5）超聲波檢查（3級(jí)設(shè)備用鋼板除外）。

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(hào)有中國(guó)的GB713-2008中的Q345R（原GB71-1997中的19Mng、16Mng）美國(guó)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(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(hào)，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(bǔ)充技術(shù)要求主要有：

1）熱處理規(guī)定為正火，或淬火+回火；2）有P和S元素有嚴(yán)格限制；3）根據(jù)技術(shù)規(guī)格書和設(shè)備級(jí)別不同，規(guī)定了短時(shí)高溫強(qiáng)度、-20℃或-44℃沖擊功；4）室溫彎曲試驗(yàn)；5）超聲波檢查（3級(jí)設(shè)備用鋼板除外）。

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(guó)“核電站用無(wú)縫鋼管第1部分碳素鋼無(wú)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(biāo)準(zhǔn)中的鋼號(hào)，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(duì)其成分和性能進(jìn)行了一定調(diào)整）。

RCC-M調(diào)整的內(nèi)容有：

1）成分進(jìn)行了小的調(diào)整；2）明確了鍛造比；3）細(xì)化了熱處理；4）明確規(guī)定了短時(shí)高溫屈服與抗拉強(qiáng)度、0℃的沖擊功；5）模擬熱處理后的性能試驗(yàn)；6）表面（目視）與內(nèi)部質(zhì)量檢查（UT）。

與國(guó)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(guó)“核電站用無(wú)縫鋼管第1部分碳素鋼無(wú)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(hào)，有各種產(chǎn)品型式（空心材除外）。

在法國(guó)RCC-M 1134中引用了這種材料。

RCC-M 提出的補(bǔ)充技術(shù)要求主要有：

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(hào)，若用于吊桿則須選用質(zhì)級(jí)別為J2和K2；2）對(duì)J2、K2級(jí)別，應(yīng)進(jìn)行特殊檢查，并提供3.1.B（EN 10204）的驗(yàn)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(jí)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。

2.2 用途

2.2.1 P355GH

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(jí)設(shè)備用，而又未在專用零件采購(gòu)技術(shù)規(guī)范上規(guī)定的碳鋼鋼板，以及制造某些2級(jí)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(jiǎn)體等。

硼注箱

2.2.2 P265GH

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(jí)設(shè)備，而又未在專用件采購(gòu)技術(shù)規(guī)范上規(guī)定的碳鋼鋼板，以及制造某些2級(jí)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。

2.2.3 P280GH

此鋼鍛件在國(guó)內(nèi)應(yīng)用不多，但根據(jù)其與16Mn鍛件相近的性能特點(diǎn)，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(gòu)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(jí)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(jiǎn)節(jié)、筋板等。

2.3 技術(shù)要求

2.3.1 化學(xué)成分

表2.1是這些鋼種的化學(xué)成分。

表2.1 碳（錳）鋼的化學(xué)成分

2.3.2 組織

在熱軋或正火態(tài)均為鐵素體+珠光體；但在淬火態(tài)時(shí)，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)）。

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

2.4 熱處理

表2.3為各材料的基本熱處理情況。

表2.3 碳（錳）鋼的的交貨狀態(tài)

3 錳鎳鉬類低合金鋼

鐵素體鋼的價(jià)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(guó)RCC-M 16MND5和18MND5,美國(guó)ASME中的SA-302GrC、SA-533、SA-508III（Gr.3C1.1）、SA-541Gr3，德國(guó)VDTUV384中的13MnNiMo5-4等。

蒸汽發(fā)生器下封頭低合金鋼鍛件3.1 簡(jiǎn)介這類含Mn、Ni、Mo（Nb）的低合金鋼，分別列于美國(guó)的ASME規(guī)范中的SA-302M、SA-533M（鋼板）、SA-508M、SA-541M（鍛件）。與法國(guó)RCC-M中相關(guān)M規(guī)范有對(duì)應(yīng)或接近的材料。而德國(guó)技術(shù)監(jiān)督協(xié)會(huì)材料公報(bào)VDTUV384中的MnNiMo5-4系鍋爐及壓力容器專用鋼板。

除了德國(guó)的13MnNiMo5-4外，其余材料在我國(guó)壓力容器用鋼的標(biāo)準(zhǔn)系列中尚無(wú)直接對(duì)應(yīng)的牌號(hào)，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。

3.1.1 16MND5、18MND5

這是法國(guó)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(qiáng)度上略高（這是對(duì)成分、熱處理淬火或回火參數(shù)進(jìn)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(guó)壓力容器用鋼的標(biāo)準(zhǔn)系列中未有明確對(duì)應(yīng)的牌號(hào)，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(guó)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。

3.1.3 13MnNiMo5-4

系德國(guó)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(xì)化晶粒并強(qiáng)化的作用）的細(xì)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(diǎn)和對(duì)裂紋不敏感的特性，良好的焊接性能和工藝性能。

國(guó)內(nèi)GB713-2008標(biāo)準(zhǔn)中的13MnNiMoR為對(duì)應(yīng)鋼種。

3.2 用途

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(jiǎn)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(duì)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。

穩(wěn)壓器下封頭

3.3 技術(shù)要求

3.3.1 化學(xué)成分

表3.1給出示例規(guī)范數(shù)據(jù)。

表3.1 低合金鋼的化學(xué)成分

3.3.2 組織

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(shí)，將會(huì)出現(xiàn)鐵素體+珠光體，對(duì)提高強(qiáng)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(tài)

4 奧氏體不銹鋼

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(qiáng)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(qiáng)，但卻比奧氏體不銹鋼脆性大，且不能用熱處理方式進(jìn)行強(qiáng)化；雙相不銹鋼綜合了鐵素體和馬氏體不銹鋼的特點(diǎn)，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(diǎn)。

（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(zhǎng)大使韌性降低，也須預(yù)熱與焊后熱處理，加之其三脆性對(duì)安全有威脅。

（3）奧氏體不銹鋼雖進(jìn)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(chǎng)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(qiáng)化，但其塑性高、屈強(qiáng)比小、加工硬化率大，通過冷加工也可提高其強(qiáng)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(guó)ASME中的316L/304L，法國(guó)RCC-M中控氮Z2CND18-12、Z2CN19-10，德國(guó)的X6CrNiNb1810、G-X5CrNiNb189等。本篇僅介紹前面兩種。

4.1 簡(jiǎn)介

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(guó)GB/T20878-2007標(biāo)準(zhǔn)中有相近材料。

4.1.1 316L/304L316L/304L

為ASME牌號(hào)，分別列于美國(guó)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(guó)RCC-M中的M3300系列規(guī)范中控氮的Z2CND18-12/Z2CN19-10接近。中國(guó)的GB/T20878-2007中的022Cr19Ni10（對(duì)應(yīng)于304L舊牌，舊牌號(hào)00Cr19Ni10），022Cr17Ni12Mo2（對(duì)應(yīng)于316L，舊牌號(hào)為00C17Ni14Mo2）。

4.1.2 控氮Z2CND18-12/Z2CN19-10

系法國(guó)RCC-M中的M3300系列規(guī)范中的控氮Z2CN19-1O、控氮Z2CND18-12牌號(hào)，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。

4.2 用途

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(dòng)管接管嘴安全端等。

穩(wěn)壓器卸壓箱（主要材料為奧氏體不銹鋼）

4.3 技術(shù)要求

4.3.1 化學(xué)成分

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)。

表4.1 核電用不銹鋼化學(xué)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(dāng)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(xué)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(tài)

5 鎳（鐵）基合金

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(qiáng)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(qiáng)度的，則稱為耐蝕合金。

雖然奧氏體不銹鋼具有較高的熱強(qiáng)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(duì)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(duì)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(duì)這幾種鎳基合金做一簡(jiǎn)單介紹。

5.1 簡(jiǎn)介

三種均為高溫合金，有管、桿、棒、絲、板等類，列于美國(guó)的ASME SB-163、166、167、168，RCC-M的M4100系列以及德國(guó)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(guó)的SB-163的冷凝器和熱交換器管，與法國(guó)RCC-M中的M41O1（名稱為NC15Fe 1993年版）、4105（名稱為NC30Fe）分別對(duì)應(yīng)。

5.1.1 Inconel-600

Inconel-600（NC15Fe/OCr15Ni75Fe10）是最早發(fā)展起來的鎳基高溫合金，是燃汽輪機(jī)葉片和渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室早期使用的材料，其特點(diǎn)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(qiáng)度，對(duì)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(dá)75%），使碳在固溶體的溶解度減小，從而對(duì)晶間應(yīng)力腐蝕比較敏感。在715℃經(jīng)過12小時(shí)進(jìn)行特殊的時(shí)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(guó)際上仍進(jìn)一步開發(fā)了800（mod）和690合金。

5.1.2 Inconel-690

Inconel-690（NC30Fe/OCr30Ni60Fe10）是在600合金基礎(chǔ)上改良而成的。主要針對(duì)600合金中的鎳含量太高（達(dá)75%）、使碳在固溶體的溶解度減小，從而對(duì)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(dá)到改善上述缺點(diǎn)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。

5.1.3 改良的Incoloy-800

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(qiáng)；B）其Ni為30%左右，正好處于對(duì)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(huì)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。

5.2 用途

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。