核電站設(shè)備主要金屬材料

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，但在實(shí)現(xiàn)核裂變反應(yīng)和可控制的過(guò)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 包容他們的壓力容器或壓力管道等，因而需要各種各樣的材料來(lái)制作相關(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(chēng)其所用材料為核電關(guān)鍵材料。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、

2、焊材等等。核反應(yīng)堆的發(fā)展，從一開(kāi)始就包括了材料的開(kāi)發(fā)與優(yōu)化，材料的發(fā)展決定了其發(fā)展 情況。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于這些應(yīng)用條件；強(qiáng)調(diào)材料的另一個(gè)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)目前主要是建造第二代成熟的1000MW壓水堆核電站、通過(guò)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級(jí)壓水堆核電站。因此，本講義以壓水堆 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、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

3、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(lái)的組織、 性能、尺寸等變化，如晶間腐蝕，應(yīng)力腐蝕和低應(yīng)力脆斷、以及材料間的相容性、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、要求以及他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)物逸散和避免燃料受冷 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產(chǎn)物逸出。工

4、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(kāi)、停堆時(shí)）應(yīng)力和燃料腫脹 等作用。因而，包殼材料應(yīng)具有以下性能：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)晶間腐蝕應(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，且有良好的加工性能以及與U

5、O2較好的相容性，尤其對(duì)高溫水、高溫水蒸汽也 有良好的抗腐蝕性和熱強(qiáng)性。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：支撐燃料組件及其精確定位、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、合理分配冷卻劑流量和減少壓力容器內(nèi)表面的中子注量。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)具強(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、便于焊接和成本低。適合于壓

6、水堆內(nèi)構(gòu)件用材料主要為奧氏體不銹鋼以及部分鎳基合金。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)放射性冷卻劑，對(duì)反應(yīng)堆安全和正常運(yùn)行起保障作用?；芈饭艿烙貌膽?yīng)具備如下性能：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，鑄造和焊接性能好、生產(chǎn)工藝 成熟，成本低、有類(lèi)似的使用經(jīng)驗(yàn)，Co含量盡量低。適合于壓水堆內(nèi)構(gòu)件用材料主要為奧氏體不銹鋼。反應(yīng)堆壓力容器材料反應(yīng)堆壓力容器是裝載堆芯、支撐堆內(nèi)所有構(gòu)件和容納一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

7、卻劑壓力邊界；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)行冷熱加工（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)外廣泛采用的是A508III（Gr.3Cl.1）、16MND5，內(nèi)壁堆 焊不銹鋼。蒸汽發(fā)生器材料蒸汽發(fā)生器是壓水反應(yīng)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，它采用帶汽水分離器的飽和蒸汽。一般為管殼式，主要由筒體、管板、水室、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

8、中的核心部件，起著一、二回路的能量交換和一 回路壓力邊界完整性起著重要的作用。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(lèi)型的腐蝕損傷 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)生器的筒體與管板一般采用與反應(yīng)堆壓力容器相同或相近的材料，如A508 III（Gr.3Cl.1）、18MND5其它一些部件如分離器則采用碳（錳）鋼或低合金鋼等。1.2用材體系在國(guó)際上核電運(yùn)作建設(shè)上，有美國(guó)ASME

9、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、加拿大CANDU （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為不同主要核電國(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)家壓水堆用材體系國(guó)家部件與系統(tǒng)反應(yīng)堆壓力容器反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的其它部 件RPV堆內(nèi)構(gòu)件核輔助和外圍系統(tǒng)蒸汽發(fā)生器用管安全殼水-蒸氣循環(huán)耐磨部件和表面硬化德國(guó)20M

10、nMoNi5522NiMoCr37奧氏體堆焊層X(jué)6CrNiNb1810X6CrNiNb1810G-X5 CrNiNb189Alloy718Alloy X750Alloy800(mod)15MnNi6319MnAL6V15MnNi63WstE255/355C22.8,St35.8,15Mo3,GS-C25硬質(zhì)合金，無(wú)Co的替代物法國(guó)16MND518MND5奧氏體堆焊層308L/309LZ3CN20.09-MZ2CN19.10Z2CND18.12Alloy600Alloy690混凝土Tu42CTu48C硬質(zhì)合金美國(guó)SA-508Gr.2 SA-508Gr.3AISI304LAISI316NGAISI

11、316LAlloy600Alloy690SACr170SA-516Gr.70SA-333Gr.6SA-352Gr.LCB硬質(zhì)合金，無(wú)Co的替代物日本SFV Q1ASUS304LSUS316LSFV Q1ASUS304LSUS316LSCS 16/SCS 19Alloy600Alloy690JIS SGV 49JIS spv 50SM 41SQV 1ASPC H2硬質(zhì)合金，無(wú)Co的替代物1.3核電用材標(biāo)準(zhǔn)體系目前在我國(guó)的壓水堆體系用材中，主要有美國(guó)ASME、法國(guó)RCC-M體系的材料。RCC-M 與 ASME 規(guī)范RCC-M借鑒了美國(guó)ASME規(guī)范第III卷中NB、NC、ND、NG和NF各分卷的有關(guān)

12、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(lèi)似結(jié)構(gòu)，章節(jié)下的內(nèi)容也 相近。而AP1000則采用ASME用材體系，下面表1.2給出了是RCC-M與ASME對(duì)比表。表1.2 RCC-M與ASME對(duì)比表RCC-M符號(hào)第I卷A分卷：概論AB分卷：1級(jí)設(shè)備BC分卷：2級(jí)設(shè)備CD分卷：3級(jí)設(shè)備DE分卷：小設(shè)備EG分卷：堆芯支撐結(jié)構(gòu)GASME符號(hào)第III卷第一冊(cè)：NCA分卷（第一、二冊(cè)總要求）NCANB分卷：1級(jí)設(shè)備N(xiāo)BNC分卷：2級(jí)設(shè)備N(xiāo)CND分卷：3級(jí)設(shè)備N(xiāo)D無(wú)對(duì)應(yīng)部分NG分卷：堆芯支撐結(jié)構(gòu)NGH分卷：支承HNF分卷：支承NFJ分卷：低壓或大氣壓儲(chǔ)罐J無(wú)相應(yīng)部分-Z分卷：技術(shù)性附錄Z技

13、術(shù)性附錄-第II卷材料（含RCC-M中的材料或及RCC-M引用的其它標(biāo)準(zhǔn)如EN中的材料）M第II卷材料（鍋爐壓力容器用材）SA第III卷檢驗(yàn)方法MC第V卷無(wú)損檢驗(yàn)T第IV卷焊接S第IX卷焊接及釬焊評(píng)定WQ第V卷制造F無(wú)相應(yīng)部分，在NB、NC、ND的4000章中有某些內(nèi)容歐洲標(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）、EN 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(lèi)表述。但最新的“EN10025-2： 2004”與我國(guó)目前正

14、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(jiàn)表1.3。表1.3新舊EN10025-2牌號(hào)表示對(duì)比EN10025-2： 2004EN10025-2： 1990+A1： 1993牌號(hào)備注：質(zhì)量組別牌號(hào)備注：質(zhì)量組別S185-S185-S235JR保證室溫沖擊功N27JS235JR、S235JRG1 注、S235JRG2注保證室溫沖擊功及焊接性能S235J0保證0C沖擊功N27JS235J0保證0C沖擊功及焊接性能S235J2保證-20C沖擊功N27JS235J2G3 注、S235J2G4注保證-20C沖擊功及焊接性能S275J0保證0

15、C沖擊功N27JS275J0保證0C沖擊功及焊接性能S275J2保證-20C沖擊功N27JS275J2G3 注、S275J2G4注保證-20C沖擊功及焊接性能S355JR保證室溫沖擊功N27JS355JR保證室溫沖擊功及焊接性能S355J0保證0C沖擊功N27JS355J0保證0C沖擊功及焊接性能S355J2保證-20C沖擊功N27JS355J2G3 注、S355J2G4注保證-20C沖擊功及焊接性能S355K2保證-20C沖擊功N40JS355K2G3 注、S355K2G4注保證-20C沖擊功40J以上及焊接性能注：G1是沸騰鋼、G2指不允許沸騰鋼、G3/G4完全鎮(zhèn)靜鋼本講義所涉及的鋼種有：

16、P355GH、P265GH、P280GH、S235J0/S275J0/S355J0，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X(jué)XX數(shù)字則是指（小尺寸材料的）最小屈服強(qiáng)度，J、K、 L分別指有沖擊功質(zhì)量要求。碳（錳）鋼這類(lèi)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、S235J0/S275J0/S355J0 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

17、的M篇中引用了這些材料，但強(qiáng)調(diào)了除了滿(mǎn)足EN標(biāo)準(zhǔn)的要求外，還須符 合RCC-M的M相應(yīng)規(guī)范中的補(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。P355GH系EN10028-2 （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)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、S有嚴(yán)格限制；3）根據(jù)技術(shù)規(guī)格書(shū)和設(shè)備級(jí)別不同，規(guī)定了短時(shí)高溫強(qiáng)度、-20C或-40

18、C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500C以下的高溫力學(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GB713-1997中的19Mng、16Mng）、 美國(guó)的SA299、日本的SB49和俄羅斯的16rc等。P265GH此鋼種也系EN10028-2 （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：具有規(guī)定高溫特性的合 金鋼和非合金鋼）中的鋼號(hào)，但Mn含量要比P355GH的要低一些。RCC-M中的M1

19、131 （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、S有嚴(yán)格限制；3）根據(jù)技術(shù)規(guī)格書(shū)和設(shè)備級(jí)別不同，規(guī)定了短時(shí)高溫強(qiáng)度、-20C或-40C的沖擊功；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(lèi)似。P280GH系EN10222-2 （壓力用途用鋼制鍛件第二部分：具有高溫特性的鐵

20、素體和馬氏體 鋼）標(biāo)準(zhǔn)中的鋼號(hào)，Mn含量介于P355GH與P265GH之間；RCC-M中的M1124 （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、0C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(lèi)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(lèi)似。S2

21、35J0/275J0/S355J0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的M1134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NF EN 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)量級(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(shū)，若 是鋼板，應(yīng)以正火態(tài)供貨；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)）。S235J0/275J0 分別與

22、GB/T700-2006 的 Q235C、Q275C 接近，而 S355J0 與 GB/T1591-2008 中的 Q345C 接近。2.2用途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、液化汽罐等。在核電設(shè)備中，主要是1、2、3級(jí)設(shè)備用、而又未在專(zhuān)用零件采購(gòu)技術(shù)規(guī)范上規(guī)定 的碳鋼鋼板，以制造某些二級(jí)設(shè)備殼體及容器內(nèi)結(jié)構(gòu)件，如硼注射器中的上、下封頭， 筒體等。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、油氣罐、液化汽罐等。在核電設(shè)

23、備中，也主要用于1、2、3級(jí)設(shè)備用、而又未在專(zhuān)用零件采購(gòu)技術(shù)規(guī)范上 規(guī)定的碳鋼鋼板，以制造某些二級(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)壓器中的電極板、蒸汽發(fā)生器的板式分離器。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。S235J0/275J0/S355J0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，也主要用于通用結(jié)構(gòu)用的、而又未在

24、專(zhuān)用零件采購(gòu)技術(shù)規(guī)范上規(guī)定的、有一定質(zhì)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、筒節(jié)、筋板等。2.3技術(shù)要求化學(xué)成分表2.1是此這些鋼種的化學(xué)成分。表2.1碳（錳）鋼的化學(xué)成分規(guī)范材料CSiMnPSCrMoNiCuVNbNEN 10028-2*1P355GH0.600.0250.0150.300.080.300.300.02Nb0.02,Ti0.030.012P265GH0.200.400.0250.0150.300.080.300.300.02Nb0.02,Ti0.030.012RCC-MM1131/1132*2P355GH0.6

25、00.0250.0150.300.080.300.180.02Nb0.02,Ti0.030.012P265GH0.200.400.0250.0150.300.080.300.180.02Nb0.02,Ti0.030.012EN10222-2*3P280GH0.400.0250.0150.300.080.300.300.020.01Ceq0.45M1124/1125P280GH0.200.0200.000.25Sn0.03Al:Ceq0.48EN10025-2S235J00.171.400.0300.0300.550.012S275J00.181.500.0300.03

26、00.550.012S355J00.200.551.600.0300.0300.550.012*1： Cr+Cu+Mo+NiW0.70, AltN0.02; *2:Cu+SniW0.33; *3： Cr+Cu+MoW0.50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(lèi)的組織（與冷卻速度有關(guān)）。典型金相組織見(jiàn)圖1。P265GH典型組織，正火：F+P 500XP265GH典型組織，淬火：B+M+F 500X圖1碳錳鋼不同狀態(tài)的典型組織性能表2.2是材料的各種性能要求。表2.2碳（錳）鋼的的性能規(guī)范材料室溫力學(xué)性能300 C性能彎曲試驗(yàn)

27、Rp0.2(MPa)Rm(MPa)A(%)Akv (J)Rp0.2(MPa)Rm(MPa)EN 10028-2P355GHN355510-650N20334(0C)3232未提及P265GHN265410-530N22334(0C)3173未提及RCC-MM1131/1132P355GHN355510-650N20334(0C)32323459可附加，d=3aP265GHN265410-530N22334(0C)31733369可附加，d=1aEN10222-2P280GHN280460-580321327(0C)3185無(wú)要求M1124/1125P280GHN275470-570321360

28、(0C)31863423無(wú)要求EN10025-2S235J0N235360-510325327(0C)可附加，d=1a-1.5a，與試樣厚度有關(guān)S275J0N275430-580323327(0C)S355J0N355510-680322327(0C)2.4熱處理表2.3是各材料的基本熱處理情況。表2.3碳（錳）鋼的的交貨狀態(tài)規(guī)范材料熱處理EN 10028-2P355GH890-950C正火或控軋P265GHRCC-MM1131/1132P355GH正火處理、或淬火+回火P265GHEN10222-2P280GH880-920C正火+600-640C回火，或880-920C淬火+600-640

29、C回火，與工件尺寸有關(guān)M1124/1125P280GH890-940C 正火，或 890-940C 正火 +3620C 回火(380mm)EN10025-2S235J0熱軋、正火或熱機(jī)械軋制S275J0S355J0錳鎳鉬類(lèi)低合金鋼鐵素體鋼的價(jià)格便宜、通過(guò)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；為防止高溫冷卻劑的腐蝕，在表面上可以 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、主冷卻泵泵殼等 即是用此這類(lèi)鋼制造。主要鋼種有：法國(guó) RCC-M 中的 16MND5、18MND5，美國(guó) ASME 中的 SA-302GrC、SA-533B

30、、 SA-508III（Gr.3Cl.1）、SA-541Gr.3,德國(guó) VDTUV384 中的 13MnNiMo5-4 等。3.1簡(jiǎn)介這類(lèi)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中的相關(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13MnNiMo5-4系鍋爐 及壓力容器專(zhuān)用鋼板。除了德國(guó)的13MnNiMo5-4夕卜，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/T 15443-95標(biāo)準(zhǔn)（壓水堆壓力容器選材原則與基

31、本要求）中引用 了這些材料。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 厚鋼板及鍛制封頭，M2121-M2122 為 16MND5 厚鋼板及壓制封頭，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 如淬火或回火參數(shù)進(jìn)行控制而有意造成）。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

32、鋼的標(biāo)準(zhǔn)系列中未有明確對(duì)應(yīng)的牌號(hào)，只在GB/T 15443-95標(biāo)準(zhǔn) 的附錄中引用了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的材料。SA-302 Gr.C、SA-533 B、SA-508B（ Gr.3Cl.1X SA-541 Gr.3這幾種材料系美國(guó)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，分別列于美國(guó)的ASME中的SA-302 Gr.C、SA-533B （鋼板）或 SA-508III()、SA-541 Gr.3 (鍛件)等規(guī)范。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、銘、鉬和微量鈮（鈮起細(xì)化晶粒并強(qiáng)化的作用）的細(xì)晶粒

33、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)備的最為重要受壓部件材料，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、筒體、過(guò)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、18MND5用途類(lèi)似。13MnNiMo5-4則主要用于工作溫度不超過(guò)400C的各種焊接件，如鍋筒、壓力容器 或封頭

34、等構(gòu)件。3.3技術(shù)要求化學(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)成分規(guī)范材料CSiMnPSNiMoCrVAlCuRCC-MM211518MND50.200.10-0.301.15-1.500.0080.0080.50-0.800.45-0.550.250.010.040.20RCC-MM212518MND50.200.10-0.301.15-1.500.0120.0120.50-0.800.45-0.550.250.030.040.20SA-302Gr.C0.250.15-0.401.15-1.500.0350.0350.40-0.700.45-0.600.300.03-0.40

35、SA-533B Cl.10.250.15-0.401.15-1.500.0350.0350.40-0.700.45-0.600.300.03-0.40SA-508Gr.30.250.401.20-1.500.0250.0250.40-1.000.45-0.60Cr0.25Nb0.01V0.05Ti0.015Al0.025B0.003Cu0.20Ca0.015SA-541Gr.3 Cl.10.250.15-0.351.20-1.500.0250.0250.40-1.000.45-0.600.250.05-CuW0.35VDTUV38413MnNiMo5-40.080.101.000.0250.0

36、250.600.200.20Nb 0.0040.015-0.15-0.50-1.60-1.00-0.40-0.40-0.015組織基體組織應(yīng)為全回火貝氏體（見(jiàn)圖2）；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。淬火+回火：回火B(yǎng)圖2 16MND5鋼的典型組織性能表3.2是材料的各種性能要求。表3.2低合金鋼的力學(xué)性能規(guī)范材料室溫力學(xué)性能350C性能Akv（J） （V 型 20C 橫向試樣）冷彎(180)Rp0.2(MPa)Rm(MPa)A(%)HRBRp0.2(MPa)Rm(MPa)RCC-M M211518MND5N420580700N20-N350N522N

37、72-RCC-M M212518MND5N450600700N18-N380N540N72d=3.5aSA-302Gr.CN345550690N20補(bǔ)充要求可補(bǔ)充要求SA-533B Cl.1N345550690N20補(bǔ)充要求可補(bǔ)充要求SA-508Gr.3 Cl.1(III)N345550725N18-N41(4.4C)-Gr.3 Cl.2N450620790N16-348(21 C)-SA-541Gr.3 Cl.1N340550720N18-N41(4.4C)-VDTUV38413MnNiMo5-4N390570740N18-N333-339(20C)d=3.5a3.4熱處理表3.3是各材料的

38、基本熱處理情況。表3.3低合金鋼的交貨狀態(tài)規(guī)范材料熱處理RCC-M M211518MND5鍛后奧氏體化（850-925C間某一溫度保溫）、水淬，再回火熱處理（635-665C）RCC-M M212518MND5鍛后奧氏體化（850-925C間某一溫度保溫）、水淬，再回火熱處理（635-665C）SA-302Gr.C軋態(tài)、去應(yīng)力，或正火、淬火（與板厚與用戶(hù)要求有關(guān)），若需要另加回火（595-705C）；從核電用材的要求（截面不同位置的性能盡可能均勻）看，大型部件用材應(yīng)采用“淬火+回火”工藝SA-533B Cl.1奧氏體化（845-980C間某一溫度保溫）、水淬，再回火熱處理（N595C）SA-5

39、08Gr.3 Cl.1 (III)鍛后充分奧氏體化、水淬，再回火熱處理（N650C）Gr.3 Cl.2鍛后充分奧氏體化、水淬，再回火熱處理（N620C）SA-541Gr.3 Cl.1鍛后充分奧氏體化、水淬，再回火熱處理（標(biāo)準(zhǔn)原文可能有誤，因未明確，從SA-508Gr.3 Cl.1（III）的處理工藝看，應(yīng)為“鍛后充分奧氏體化、水淬，再回火熱處理（耳50C）”）VDTUV38413MnNiMo5-4鍛或軋后充分奧氏體化（890-950C）、正火或加速冷，再回火熱處理（N580C）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 銘量低致使其耐蝕性較差，而高銘鐵

40、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（475C脆性、。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，而高銘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、加之其三種脆性對(duì)對(duì)安全也有威脅，奧 氏體不銹鋼雖進(jìn)行去應(yīng)力處理，但為了防止敏化而增加腐蝕傾向、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；3）奧氏體不銹鋼的輻 照敏感

41、性較低；4）雖奧氏體不銹鋼并不能通過(guò)熱處理而強(qiáng)化，但其塑性高、屈強(qiáng)比小、 加工硬化率大，通過(guò)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-X5 CrNiNb189等。本講義僅介紹前面兩種。4.1簡(jiǎn)介這類(lèi)鋼材為含Cr、Ni （Mo）的奧氏體不銹鋼，在不同的標(biāo)準(zhǔn)中有各種類(lèi)型的型式 產(chǎn)品，有管、板、圓鋼、鍛件等。在我國(guó)GB/T 20878-2007標(biāo)準(zhǔn)中有相近材料。316L/304L316L/304L系A(chǔ)SME牌號(hào)，分別列于美

42、國(guó)的ASME中的SA-213 （鋼管）、SA-240 （鋼板）、SA-479 （圓鋼）、SA-182 （鍛件）等。與法國(guó)RCC-M中的M3300系列規(guī)范中的控氮的Z2CND18-12/ Z2CN19-10接近。 中國(guó)的 GB/T 20878-2007 中的 022Cr19Ni10 （對(duì)應(yīng)于 304L，舊牌號(hào)為00Cr19Ni10），022 Cr17Ni12Mo2 （對(duì)應(yīng)于 316L，舊牌號(hào)為 00Cr17Ni14Mo2）?？氐猌2CN19-10/Z2CND18-12系法國(guó)RCC-M中的M3300系列規(guī)范中的控氮Z2CN19-10、控氮Z2CND18-12牌號(hào)，分別列于M3301 （鍛件沖壓件）

43、、M3303/3304/3305 （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、管子、管件、管道等。在核電壓水堆核電站中，不銹鋼為堆芯結(jié)構(gòu)、堆內(nèi)構(gòu)件、一回路冷卻循環(huán)系統(tǒng)的主 要品種，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 注箱的上下封頭、穩(wěn)壓器中的波動(dòng)管接管嘴安全端等。4.3技術(shù)要求化學(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

44、銹鋼化學(xué)成分表規(guī)范材料CSiMnNiCrMoSPCun2ASME304LW0.0300.752.00.0300.0450.10SA-240316LW0.0300.752.00.0300.0450.10RCC-MZ2CN19-100.0351.002.00-.0150.030-0.08M3301Z2CND18-12_0 035_1 002 000150 0301 00_0 08注：在不同標(biāo)準(zhǔn)中，化學(xué)成分有所差異，如RCC-M 3305管子的成分含有對(duì)B和Co上限的要求，這與其工況有關(guān)。組織由于這些鋼種均為奧氏體不銹鋼，一般說(shuō)來(lái)，其基體均為奧氏體組織，當(dāng)然也存 在少量的第二相，見(jiàn)圖3。固溶狀態(tài)：A

45、圖3 316L奧氏體不銹鋼的典型組織性能表4.2是材料的各種性能要求。表4.2核電用不銹鋼力學(xué)性能規(guī)范材料室溫力學(xué)性能350C性能Rp0.2(MPa)Rm(MPa)A(%)AKv(J)HRBRp0.2(MPa)ASME304LN1702485240沖擊為補(bǔ)充要求！另W90HRB-SA-240316LN1702485240沖擊為補(bǔ)充要求序W95HRBRCC-MZ2CN19-1022102520245260 （橫向）21252394M3301Z2CND18-1222202520245260 （橫向）213524454.4熱處理表4.3是各材料的基本熱處理情況。表4.3核電用不銹鋼的交貨狀態(tài)規(guī)范材料

46、熱處理ASME SA-240304L固溶處理，21040C某一溫度保溫后、水淬316L固溶處理，21040C某一溫度保溫后、水淬RCC-M M3301Z2CN19-10固溶處理，1050-1150C間某一溫度保溫后、水淬Z2CND18-12固溶處理，1050-1150C間某一溫度保溫后、水淬注：若是彎管，則視彎曲半徑，應(yīng)考慮是否進(jìn)行去應(yīng)力處理。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、耐腐蝕且合金含量超過(guò)50%的金屬材 料即稱(chēng)為高溫合金。其中以高溫強(qiáng)度為主兼具耐蝕性的稱(chēng)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(chēng)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

47、、抗腐蝕能力，而且焊接和冷、 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)承受載荷的部件和蒸汽發(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)力腐蝕不敏感的鐐基合金或鐵鐐基高溫合金。這類(lèi)合金材料，有 Inconl-600 （NC15Fe）、Inconl-690（NC30Fe）、改良 Incoloy-800 等，下面就對(duì)這幾種鐐基合金做一簡(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(lèi)，列于美國(guó)的ASMESB-163、166、 167、168，RCC-M的M4100系列以及德國(guó)的KTA 3201.1規(guī)范。在 ASME 中，Inconl

48、-600、Inconl-690 名稱(chēng)分別為 Alloy N06600 與 Alloy N06690， 其中管子列于美國(guó)的SB-163中的冷凝器和熱交換器管，與法國(guó)RCC-M中的M410K名 稱(chēng)為NC15Fe） （1993年版）、4105 （名稱(chēng)為NC30Fe）分別對(duì)應(yīng)。Inconel-600（NC15Fe/0Cr15Ni75Fe10）是最早發(fā)展起來(lái)的鐐基高溫合金，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)是鐐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。但此合金中的鐐太高（達(dá)

49、75%），使碳在固溶體中的溶解度減小，從而對(duì)晶間應(yīng)力 腐蝕比較敏感。在715C經(jīng)12小時(shí)進(jìn)行特殊的時(shí)效處理、并改用全揮發(fā)處理二回路水后， 應(yīng)用性能得到一定改善。但國(guó)際上仍進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了 800 （mod）和690合金。Inconel-690（ NC30Fe/0Cr30Ni60Fe10）是在600合金基礎(chǔ)上改良而成的。主要針對(duì)600合金中的鐐太高（達(dá)75%）、使碳 在固溶體中的溶解度減小、從而對(duì)晶間應(yīng)力腐蝕比較敏感的不足，而將其鐐和碳分別降 低到60%和0.04%，并將銘升高到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。改良Inco

50、loy-800 ( 0Cr20Ni32FeAlTi)也是作為高溫應(yīng)用的耐蝕合金發(fā)展而成的，但與前二種鎳基合金有所不同，其為鐵 鎳合金：A)含Cr量為20-23%高于600合金的的14-17%，抗氧化能力更強(qiáng)；B)其N(xiāo)i 量為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。 由于其N(xiāo)i、C分別為30%、0.05%，低于600合金的75%、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Ni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。Inconel-600(NC15Fe/0Cr15Ni75Fe10)但現(xiàn)在有減少使用的趨勢(shì)，包括壓水堆核電站蒸汽發(fā)生器用管的更換已經(jīng)不再采 用。如過(guò)去15年，美國(guó)B&W公司已經(jīng)用690合金管更換了 42臺(tái)蒸汽發(fā)生器的傳熱管。Inconel-690( NC30Fe)/0Cr30Ni60Fe10)自上世紀(jì)九十年代以來(lái)，由于690合金是繼600、800合金之后發(fā)展