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蒸發(fā)器傳熱管對(duì)核電站的安全運(yùn)行起著極其重要的作用。為了不斷提高核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性，蒸發(fā)器傳熱管用材料的優(yōu)化、抗腐蝕性能極為重要。經(jīng)過(guò)五十多年的發(fā)展，Inconel 690材料以其顯著的抗氧化和優(yōu)異的抗應(yīng)力腐蝕能力被認(rèn)為是最有前途的第三代核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管材。由于核電站蒸發(fā)器傳熱管技術(shù)含量高，生產(chǎn)難度大，目前我國(guó)的核電站蒸發(fā)器用傳熱管Inconel 690仍然全部依賴(lài)進(jìn)口，是亟待國(guó)產(chǎn)化的關(guān)鍵材料。國(guó)際上Inconel 690合金管的供給主要由法國(guó)Valinox、日本住友和瑞典Sandvik三大公司壟斷，其生產(chǎn)技術(shù)處于嚴(yán)格保密狀態(tài)。目前我國(guó)已有少數(shù)鋼鐵企業(yè)開(kāi)始進(jìn)行Inconel 690合金管的研究，隨著核電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，若能實(shí)現(xiàn)核電蒸發(fā)器傳熱管的國(guó)產(chǎn)化，對(duì)核電事業(yè)發(fā)展和鋼鐵工業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整都具有重要的促進(jìn)作用。
1 核電站蒸發(fā)器傳熱管用材料的選擇
核電站通常由一回路和二回路兩大系統(tǒng)組成，其中蒸發(fā)器是核電站的關(guān)鍵設(shè)備，是連接一、二回路的樞紐。蒸發(fā)器傳熱管內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)是高純水，通過(guò)高純水的循環(huán)流動(dòng)，把反應(yīng)堆中核裂變所產(chǎn)生的熱量載至蒸發(fā)器，再通過(guò)數(shù)以千計(jì)的傳熱管把熱量傳給二回路介質(zhì)水，使之沸騰產(chǎn)生高壓蒸汽，再由高壓蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。由于蒸發(fā)器U型傳熱管內(nèi)外表面分別在兩種不同介質(zhì)下工作，其使用條件也各不相同，所以對(duì)其要求十分苛刻。一座100萬(wàn)千瓦級(jí)的普通核電站需用各種鋼管1255t，其中，反應(yīng)堆蒸發(fā)器用U型傳熱管為200t。傳熱管的可靠性直接影響到核動(dòng)力裝置的技術(shù)性能和安全性。
蒸發(fā)器傳熱管的材料基本上經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：
第一階段是在20世紀(jì)50-60年代，核電發(fā)展的初期，主要選用18-8不銹鋼管。早期的壓水堆核電站所用的蒸發(fā)器傳熱管均采用18-8型鉻鎳不銹鋼。但這種鋼的抗氯離子腐蝕性能差，出現(xiàn)大量鋼管破裂事故。
第二階段是在20世紀(jì)70年代，根據(jù)石化工程經(jīng)驗(yàn)，選用耐應(yīng)力腐蝕的Inconel 600鎳基合金管；Inconel 600鎳基合金在l970-1972年間又發(fā)生了苛性堿應(yīng)力腐蝕破損事故。西歐一些國(guó)家從1972年開(kāi)始采用第三代耐應(yīng)力腐蝕材料Incoloy 800合金代替Inconel 600鎳基合金。Incoloy 800合金的Ni含量大大低于Inconel 600鎳基合金，所以節(jié)約了大量的鎳。在高溫高壓水中，由于這種合金的鎳含量處于一個(gè)既不產(chǎn)生穿晶又不產(chǎn)生晶間應(yīng)力腐蝕破裂的范圍，而且Incoloy 800合金的價(jià)格大大低于Inconel 600鎳基合金，所以Incoloy 800合金成為繼18-8型不銹鋼和Inconel 600鎳基合金之后，可用于壓水堆蒸發(fā)器的第三代合金。
第三階段是20世紀(jì)80年代以后，為了解決Inconel 600合金管在蒸發(fā)器介質(zhì)中的應(yīng)力腐蝕問(wèn)題，法、美、日等國(guó)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了耐應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)良的第四代Inconel 690。Inconel 690是一種具有優(yōu)異抗多種水性介質(zhì)和高溫氣氛侵蝕能力的鎳基合金。該合金在純水和低濃度苛性堿溶液中具有比Inconel 600、Incoloy 800和18-8不銹鋼優(yōu)異的抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能，還具有高的強(qiáng)度、良好的冶金穩(wěn)定性和優(yōu)良的加工特性，因而成為核蒸發(fā)器壓水反應(yīng)堆的重要材料。20世紀(jì)90年代初開(kāi)始，高抗腐蝕的Inconel 690管材正式應(yīng)用于工程中。
我國(guó)發(fā)展核電以來(lái)，核蒸發(fā)器傳熱管材基本上是引進(jìn)國(guó)外管材。引進(jìn)管材的品種隨合作對(duì)象和當(dāng)時(shí)的技術(shù)狀態(tài)而變化，最初采用18-8型不銹鋼管，之后自行設(shè)計(jì)的秦山一期核電站與歐洲聯(lián)系較多，選用的是當(dāng)時(shí)德國(guó)人看好的Incoloy 800合金管，法國(guó)設(shè)計(jì)的大亞灣核電站選用了當(dāng)時(shí)開(kāi)發(fā)成功不久的Inconel 690管材，秦山二期和嶺澳核電站都選用了當(dāng)前最流行的Inconel 690管材。
目前幾乎所有新設(shè)計(jì)和在建核電站的蒸發(fā)器都選用了Inconel 690管材作為傳熱管，并且許多原來(lái)使用18-8不銹鋼管或Inconel 600合金管的蒸發(fā)器機(jī)組也紛紛更換為Inconel 690傳熱管。
2 Inonel 690材料的化學(xué)成分
Inonel 690合金（名義成分Ni-30Cr-9Fe）是一種含C量不大于0.03%、Cr含量大約30%的奧氏體型鎳基耐蝕合金。Inconel 690與Inconel 600合金化學(xué)成分的主要區(qū)別在于Inconel 690提高了Cr含量(28%-30%)，相應(yīng)降低了Ni含量(>58%)，Inconel 600合金含15.5%Cr。相對(duì)于Inconel 600合金而言，Inconel 690具有成分不復(fù)雜且性能優(yōu)異的特點(diǎn)。
3 Inconel 690材料的耐蝕性
Inconel 690材料雖然具有較好的耐均勻腐蝕性能，但是晶間腐蝕和晶間應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂仍是制約傳熱管壽命的關(guān)鍵問(wèn)題。國(guó)外核電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，大約30%-40%的壓水反應(yīng)堆因?yàn)檎舭l(fā)器傳熱管損傷而影響正常運(yùn)行、降低功率運(yùn)行或被迫停堆，甚至更換蒸發(fā)器。因此，減少腐蝕破損以保證蒸發(fā)器傳熱管的安全工作極為重要。
3.1 Inconel 690材料的合金成分腐蝕
Inconel 690材料中Cr含量的增加，有利于防止晶界處產(chǎn)生貧Cr區(qū)，從而對(duì)晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕的敏感性大大降低，而且還可以使合金表面膜中Cr濃度增加，形成致密、穩(wěn)定、粘結(jié)性和塑性均良好的表面膜。當(dāng)Cr含量達(dá)到28%以上時(shí)，在一般的核電廠水化學(xué)環(huán)境下，Inconel 690材料抗應(yīng)力腐蝕破壞能力較高。但是，在近中性及堿性條件下，即在壓水堆的一回路和二回路系統(tǒng)的范圍內(nèi)，Cr會(huì)優(yōu)先從Inconel 690合金中溶解，而合金中Cr含量的減少，會(huì)嚴(yán)重威脅鈍態(tài)膜對(duì)合金的保護(hù)作用，使其腐蝕敏感性增加。
3.2 Inconel 690材料在一回路介質(zhì)中的腐蝕產(chǎn)物釋放
減少反應(yīng)堆外放射性劑量對(duì)核反應(yīng)堆而言極其重要。而堆外大部分劑量的來(lái)源是一回路系統(tǒng)材料腐蝕釋放到冷卻劑中的放射性腐蝕產(chǎn)物，在一回路系統(tǒng)中與冷卻劑接觸面積最大的結(jié)構(gòu)材料是蒸發(fā)器傳熱管。四種核蒸發(fā)器傳熱管材在模擬核電站一回路介質(zhì)靜態(tài)條件下的均勻腐蝕速率和金屬釋放速率。
Inconel 690管的腐蝕產(chǎn)物釋放速率遠(yuǎn)低于Inconel 600合金管。Inconel 690(2)合金管的均勻腐蝕速率和金屬釋放速率明顯高于Inconel 690(1)合金管，從材料狀態(tài)上看，兩種Inconel 690管都經(jīng)過(guò)了固溶特殊熱處理，而不同的是Inconel 690(1)合金管經(jīng)過(guò)了表面拋光處理，Inconel 690(2)合金管未進(jìn)行拋光處理。顯然，表面質(zhì)量的差別直接影響了管材的均勻腐蝕性能，因此，提高傳熱管材料的表面質(zhì)量，能夠顯著降低合金管在一回路介質(zhì)中的均勻腐蝕速率和金屬釋放速率。法國(guó)對(duì)壓水堆(PWR)核電站中蒸發(fā)器管在各種腐蝕工況下進(jìn)行了比較試驗(yàn)情況如
3.3鉛致應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂
壓水堆管道堵塞原因主要是脹接處或滾軋過(guò)渡區(qū)域以及小半徑U型彎管部位的一次側(cè)腐蝕。所有蒸汽發(fā)生器的管子全部脹接在管板上。大多數(shù)的腐蝕缺陷主要出現(xiàn)在滾軋過(guò)渡區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，缺陷通常表現(xiàn)為短的縱向裂紋。當(dāng)鎳含量增加到60%時(shí)，應(yīng)力腐蝕的趨勢(shì)大大降低。另外，在700℃施以10h以上的熱處理將不易發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂。
但是，在特定的腐蝕環(huán)境中，Inconel 690材料經(jīng)足夠長(zhǎng)時(shí)間的腐蝕后，腐蝕失效不可避免。專(zhuān)家認(rèn)為，Inconel 690中含有較高的鉻含量使此合金固有的反應(yīng)活性更強(qiáng)，材料在其鈍態(tài)膜遭破壞的環(huán)境中，如含鉛或還原性硫的苛性環(huán)境下，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂有可能發(fā)生。很多核電站蒸發(fā)器破裂時(shí)都發(fā)現(xiàn)有鉛，因此應(yīng)對(duì)這些潛在的腐蝕問(wèn)題給予足夠的重視。
在末添加PbO的強(qiáng)堿溶液中，Inconel 690材料的耐蝕性比Inconel 600合金及Incoloy 800合金的耐蝕性都好，但在含0.01mol/L的PbO的10%NaOH溶液中，Inconel 690材料比Inconel 600材料的開(kāi)裂敏感性大。
4 結(jié)語(yǔ)
核電蒸發(fā)器傳熱管用材料經(jīng)過(guò)了Inconel 600、Incoloy 800和Inconel 690的演變過(guò)程。Inconel 690材料以其顯著的抗氧化能力和優(yōu)異的抗應(yīng)力腐蝕能力等性能被廣泛應(yīng)用于核電蒸發(fā)器傳熱管中。由于核電蒸發(fā)器傳熱管技術(shù)要求高，生產(chǎn)難度大，目前世界上只有法國(guó)Valinox、瑞典Sandvik、日本的住友等少數(shù)幾家公司生產(chǎn)Inconel 690合金管材，幾乎壟斷了蒸發(fā)器高性能傳熱管材供給市場(chǎng)。
目前，我國(guó)核電蒸發(fā)器傳熱管的研究剛剛起步，Inconel 690材料的化學(xué)成分控制在現(xiàn)有的工業(yè)生產(chǎn)條件下能夠得到有效的控制，對(duì)Inconel 690材料性能的控制，特別是對(duì)其腐蝕性能的控制是提高材料綜合性能的關(guān)鍵。 . |
