鄭建能 陳紅宇 司晨亮 余江山

(1.中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司國(guó)家能源極端裝備虛擬制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川618013；2.中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司大型鑄鍛件研究所，四川618013)

第三代壓水堆技術(shù)主要包括美國(guó)西屋公司的AP1000、法國(guó)阿?，m和德國(guó)西門子聯(lián)合開(kāi)發(fā)的EPR、俄羅斯原子能公司的AES-2006、國(guó)家核電技術(shù)公司的CAP1000/CAP1400以及中核、中廣核開(kāi)發(fā)的華龍一號(hào)。壓水堆核電站核島一回路主管道是連接反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器和主循環(huán)泵的大型厚壁承壓管道，是核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)輸出堆芯熱能、形成封閉回路的“大動(dòng)脈”，是核島一回路的重要壓力邊界，也是保證核安全的關(guān)鍵。

本文根據(jù)壓水堆核電站核島一回路主管道的服役環(huán)境，結(jié)合影響主管道服役質(zhì)量的因素和第三代核電鍛造主管道對(duì)材料工藝性能的要求，分析了超低碳控氮奧氏體不銹鋼(316LN和X2CrNiMo18.12)作為第三代壓水堆核電站主管道用材的優(yōu)缺點(diǎn)，為第三代壓水堆核電站核島一回路主管道的設(shè)計(jì)、制造、安裝、在役檢查和壽命評(píng)估提供參考。

1 壓水堆核電站主管道的服役環(huán)境及主管道用材的開(kāi)發(fā)

1.1 壓水堆主管道的服役環(huán)境

核電站運(yùn)行時(shí)，核島一回路主管道長(zhǎng)期處于高溫、高壓、蒸汽高速?zèng)_刷以及酸性介質(zhì)腐蝕的工況，長(zhǎng)期受到中子輻照(二代改進(jìn)型核電機(jī)組運(yùn)行壽命40年，第三代核電機(jī)組運(yùn)行壽命60年)，其中AP1000主管道的運(yùn)行工況[1]見(jiàn)表1。

表1 AP1000主管道的運(yùn)行工況Table 1 Operation conditions of AP1000 main piping

主管道運(yùn)行環(huán)境苛刻，為保證全壽命周期的安全，要求材料能夠耐高溫、耐高壓、耐腐蝕，同時(shí)具有優(yōu)良的抗中子輻照脆化能力。根據(jù)已有的主管道失效案例[2]，影響主管道服役質(zhì)量的主要因素包括：

(1)晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕。第一代、第二代壓水堆主管道大多采用無(wú)縫鋼管通過(guò)環(huán)焊縫組焊制造。受制于當(dāng)時(shí)大噸位不銹鋼鋼錠冶煉能力和冶煉技術(shù)的局限，無(wú)法生產(chǎn)超低碳、長(zhǎng)度足夠的大直徑厚壁無(wú)縫鋼管，主要采取將短管擠壓成形之后通過(guò)焊接連接的方法進(jìn)行制造。由于當(dāng)時(shí)無(wú)縫鋼管焊接方法均為焊條電弧焊，焊接過(guò)程熱輸入量較大，焊接熱影響區(qū)和焊縫區(qū)一方面會(huì)在480～820℃之間停留，另一方面焊接過(guò)程中產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力，在主管道長(zhǎng)期服役過(guò)程中，殘余應(yīng)力和介質(zhì)腐蝕的疊加，容易產(chǎn)生腐蝕失效。

(2)熱老化產(chǎn)生的材料脆化。大量的研究表明，δ鐵素體的調(diào)幅分解是引起主管道熱老化的主要原因，δ鐵素體發(fā)生調(diào)幅分解，形成富鐵的α相和富鉻的α′脆性相。調(diào)幅分解首先在晶界發(fā)生繼而隨著老化時(shí)間延長(zhǎng)向晶內(nèi)擴(kuò)展，伴隨調(diào)幅分解的進(jìn)行，富Cr的α′相、富Ni和Si的G脆性相在鐵素體內(nèi)和位錯(cuò)線上析出，鐵素體內(nèi)的調(diào)幅分解和G相的析出是熱老化脆化的主要原因[3]。

1.2 壓水堆核電站主管道用材的開(kāi)發(fā)

壓水堆核電站主管道用材的發(fā)展緊緊圍繞著降低C含量、提高抗晶間腐蝕能力和降低δ鐵素體含量展開(kāi)。20世紀(jì)70年代，法國(guó)Framatome針對(duì)壓水堆主管道的工況條件，對(duì)能夠用于主管道的3種奧氏不銹鋼進(jìn)行了深入研究。第1種為含Ti奧氏體不銹鋼，是在冶煉無(wú)法進(jìn)一步降低C含量的前提下通過(guò)加入Ti固定鋼中的C，從而提高耐晶間腐蝕性能；但該材料焊接性能不好，TiN夾雜也會(huì)對(duì)后期彎管加工產(chǎn)生不利影響。第2種為304和316奧氏體不銹鋼，304是在1Cr18Ni9基礎(chǔ)上降低C含量，316加入2%的Mo；由于C含量無(wú)法降低到0.035%以下，在480～820℃之間長(zhǎng)期停留仍有碳化物析出的敏化傾向。第3類為超低碳304L、316L奧氏體不銹鋼，即在304和316基礎(chǔ)上繼續(xù)降低C含量，使得耐晶間腐蝕、焊接性能、加工性能均優(yōu)良，但由于C含量的降低導(dǎo)致強(qiáng)度水平較低，不能滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求[4]。為此，美國(guó)GE于20世紀(jì)70年代中期研制出316LN超低碳控氮奧氏體不銹鋼，法國(guó)Framatome研制出類似于316LN超低碳控氮奧氏體不銹鋼的X2CrNiMo18.12(控氮)不銹鋼，采用降C增N，使主管道保持較高強(qiáng)度的同時(shí)，具有較高的強(qiáng)度和塑韌性、較強(qiáng)的抗晶間腐蝕能力，同時(shí)在固溶熱處理后沒(méi)有或僅含少量δ鐵素體相。

2 第三代壓水堆主管道對(duì)材料工藝性能的要求及超低碳控氮奧氏體不銹鋼的優(yōu)勢(shì)分析

2.1 一回路主管道對(duì)材料工藝性能的要求

第三代壓水堆一回路主管道均采用直管和彎頭、管嘴與管道整體鍛造結(jié)構(gòu)，尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能要求高，材料采用超低碳控氮奧氏體不銹鋼，設(shè)計(jì)壽命由二代、二代加的40年提高到60年。要滿足使用壽命60年的要求，主管道材料中必須采用單一組織的超低碳奧氏體不銹鋼，超低碳能夠保證全壽命周期內(nèi)不產(chǎn)生腐蝕失效，單一奧氏體組織能夠保證材料壽命周期內(nèi)不產(chǎn)生嚴(yán)重的熱老化。主管道采用整體鍛造結(jié)構(gòu)，能夠最大限度地提高核電站在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故乃至超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下的安全性和可靠性，同時(shí)減少在役檢查工作量和停堆時(shí)間。

第三代壓水堆核島一回路鍛造主管道要能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)并實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，材料的工藝性能、工藝技術(shù)和裝備制造能力需滿足以下要求：

(1)100 t級(jí)超低碳控氮奧氏體不銹鋼冶煉。第三代壓水堆一回路主管道材料中C含量要求≤0.035%，N含量達(dá)到0.10%左右，由于采用整體鍛造結(jié)構(gòu)，制造管坯需要100 t級(jí)鋼錠。20世紀(jì)70、80年代，隨著冶煉技術(shù)的發(fā)展，大型VOD、AOD冶煉技術(shù)和電渣重熔技術(shù)取得突破，目前已經(jīng)能夠提供100 t級(jí)的超低碳控氮奧氏體不銹鋼下注錠和電渣重熔鋼錠，二重能夠提供115 t 316LN超低碳控氮奧氏體不銹鋼下注錠，浙江電渣核材有限公司和上重能夠提供100 t以上的316LN超低碳控氮奧氏體不銹鋼電渣重熔錠，為第三代壓水堆核島一回路鍛造主管道的制造提供了保障。

(2)100 t級(jí)超低碳控氮奧氏體不銹鋼鋼錠鍛造。超低碳控氮奧氏體不銹鋼鍛造過(guò)程變形抗力大，可鍛溫度范圍窄，裂紋敏感性強(qiáng)，工藝性能差。第三代壓水堆一回路主管道要求晶粒度≥2.0級(jí)，要滿足制造整鍛主管道所要求尺寸的鍛坯并滿足晶粒度要求，需要100 MN以上的自由鍛水壓機(jī)進(jìn)行充分鍛透壓實(shí)，同時(shí)采用特殊的鍛造方法保證最終晶粒尺寸。二重采用160 MN+120 MN自由鍛水壓機(jī)配合鍛造已經(jīng)完成124 t、115 t、102 t大型超低碳控氮奧氏體不銹鋼鋼錠的鍛造。

(3)大直徑短半徑異形管道彎曲成形。管道的彎曲成形可以采用冷彎和熱彎，兩種成形方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。冷彎的優(yōu)勢(shì)在于彎曲過(guò)程中便于操作，彎曲過(guò)程晶粒不會(huì)長(zhǎng)大，缺點(diǎn)在于彎曲過(guò)程回彈明顯，無(wú)法精確控制彎曲角度和彎曲半徑。熱彎的優(yōu)勢(shì)在于彎曲過(guò)程中材料發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，彎曲成形后回彈小，彎曲半徑和彎曲角度能夠精確控制，缺點(diǎn)是坯料加熱過(guò)程中晶粒會(huì)長(zhǎng)大，對(duì)材料的晶粒度產(chǎn)生不利影響，彎曲時(shí)操作難度大。二重采用冷彎成形技術(shù)，在小比例件試制、彎曲成形數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，能夠成功彎制AP1000/CAP1400主管道和華龍一號(hào)主管道。吉林中意核管道制造有限公司引進(jìn)意大利IBF熱彎成形技術(shù)并結(jié)合自己的設(shè)備條件，也具備批量彎制AP1000主管道的能力。

表2 第三代壓水堆一回路主管道材料化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Chemical composition for the main piping of generation Ⅲ PWR(Mass,%)

(4)奧氏體不銹鋼窄間隙自動(dòng)焊。奧氏體不銹鋼線膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱性差，在焊接過(guò)程局部加熱和冷卻條件下，冷卻過(guò)程中容易形成較大的拉應(yīng)力，容易形成凝固裂紋。由于鋼中沒(méi)有δ鐵素體相或僅存在極少量的δ鐵素體相，主管道現(xiàn)場(chǎng)安裝焊接過(guò)程產(chǎn)生熱裂紋的風(fēng)險(xiǎn)較大。為解決主管道和安全端組焊過(guò)程焊接裂紋的問(wèn)題，采用小直徑焊絲、小電流的窄間隙焊接方法，降低焊接過(guò)程熱輸入量，使裂紋敏感性減弱。中國(guó)核工業(yè)第五建設(shè)有限公司通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，采用窄間隙自動(dòng)焊已經(jīng)完成AP1000自主化依托項(xiàng)目4臺(tái)機(jī)組主管道的安裝。

2.2 超低碳控氮奧氏體不銹鋼作為壓水堆核電站主管道用材的優(yōu)勢(shì)分析

316LN超低碳控氮奧氏體不銹鋼和X2CrNiMo18.12(控氮)化學(xué)成分相近，同屬316系列奧氏體不銹鋼，化學(xué)成分見(jiàn)表2。316LN超低碳控氮奧氏體不銹鋼作為CAP1000/CAP1400的選材、X2CrNiMo18.12(控氮)作為華龍一號(hào)的選材，在工藝性能和使用性能方面具有以下突出的優(yōu)勢(shì)：

(1)充足的強(qiáng)度和韌性儲(chǔ)備。316LN和X2CrNiMo18.12(控氮)均以Cr、Ni、Mo和N作為主要合金元素，經(jīng)過(guò)鍛造和固溶熱處理后，316LN為單一的奧氏體組織，X2CrNiMo18.12(控氮)為單一的奧氏體組織或含少量鐵素體的奧氏體組織。Cr保證了材料的耐腐蝕性，Ni保證材料為奧氏體組織，Mo提高高溫性能且提高抗腐蝕性能，N作為間隙固溶強(qiáng)化元素，彌補(bǔ)了C含量降低帶來(lái)的強(qiáng)度損失，同時(shí)提高耐點(diǎn)蝕能力。316LN和X2CrNiMo18.12(控氮)鍛態(tài)時(shí)由于殘余應(yīng)力的影響，強(qiáng)度更高。固溶熱處理后強(qiáng)度降低，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率、面縮率均有較大的富裕量，沖擊韌性余量更大，到目前為止，國(guó)內(nèi)外企業(yè)還沒(méi)有出現(xiàn)強(qiáng)度和韌性不滿足設(shè)計(jì)要求的現(xiàn)象。

(2)優(yōu)良的抗晶間腐蝕能力。根據(jù)經(jīng)典的晶間腐蝕理論[5]，碳化鉻的析出是不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕的主要原因。不銹鋼在敏化區(qū)長(zhǎng)時(shí)間停留，鋼中的碳會(huì)向奧氏體晶界擴(kuò)散并在晶界處與鉻結(jié)合形成M23C6碳化物，碳化物兩側(cè)出現(xiàn)鉻低于11.4%、厚度約為數(shù)十至數(shù)百納米的貧鉻區(qū)。316LN和X2CrNiMo18.12(控氮)中的C含量≤0.035%，極低的C含量使得M23C6碳化物析出困難，因此，316LN和X2CrNiMo18.12(控氮)無(wú)論是在鍛態(tài)、固溶熱處理態(tài)還是冷變形態(tài)，均不會(huì)出現(xiàn)晶間腐蝕現(xiàn)象。

圖1 316LN不銹鋼平衡態(tài)Fe-C二元相圖Figure 1 Fe-C binary-component phase diagram of equilibrium phase for 316LN stainless steel

(3)優(yōu)良的抗熱老化能力。圖1是采用Thermo-Calc熱力學(xué)計(jì)算軟件計(jì)算的316LN不銹鋼平衡態(tài)Fe-C二元相圖[6]，從圖1可以看出，316LN不銹鋼不存在δ鐵素體相。在產(chǎn)品制造過(guò)程中，即使冶煉過(guò)程由于成分的不均勻出現(xiàn)少量鐵素

體，在后續(xù)的鍛造長(zhǎng)時(shí)加熱和鍛造晶粒破碎過(guò)程中，鐵素體也能夠回溶到奧氏體中，因此，固溶狀態(tài)能夠保證沒(méi)有δ鐵素體相存在，純奧氏體組織能夠避免長(zhǎng)期高溫輻照工況下熱老化情況的發(fā)生。

3 結(jié)論

超低碳控氮奧氏體不銹鋼(316LN和X2CrNiMo18.12)作為第三代壓水堆核電站主管道的材料，在強(qiáng)度、塑性、韌性、抗晶間腐蝕能力、抗熱老化能力方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著大型超低碳控氮奧氏體不銹鋼鋼錠冶煉技術(shù)的進(jìn)步和裝備能力的提高，大型超低碳控氮奧氏體不銹鋼鍛造技術(shù)和大直徑短半徑異形管道彎曲成形技術(shù)的突破，采用整體鍛造結(jié)構(gòu)的第三代壓水堆核電站主管道在工藝性方面已具有可達(dá)性，超低碳控氮奧氏體不銹鋼(316LN和X2CrNiMo18.12)成為壓水堆主管道的最佳選材，將會(huì)在今后核電建設(shè)過(guò)程中得到更加廣泛的應(yīng)用。

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