楊曉輝，彭建強，呂振家，閆紅博(.哈爾濱汽輪機廠有限責任公司， 哈爾濱 50046; .黑龍江科技大學, 哈爾濱 500)

目前在建的1 000 MW等級核電站主要有以下四種類型：法國法馬通核能公司的EPR，日本東芝公司的AP1000(2006年該公司收購了美國西屋核電公司)，在原二代反應堆基礎(chǔ)上改型的CPR1000，以及俄羅斯的VVER-1000[1]。其中，AP1000采用非能動安全系統(tǒng)，是目前最先進的核電技術(shù)之一。AP1000核電汽輪機主蒸汽參數(shù)為270 ℃，壓力為5.4 MPa，額定功率為1 250 MW[2]。由于核電汽輪機溫度低，流量大，濕度大，在材料選擇上除滿足構(gòu)件的強度要求外，還必須考慮濕蒸汽對材料本身的腐蝕作用，即考慮材料的抗腐蝕性能。本文在分析比較國內(nèi)外核電汽輪機選材的基礎(chǔ)上，對某型AP1000核電汽輪機主要部件選材特點進行了詳細分析，為該型汽輪機主要部件選材的進一步優(yōu)化奠定一定的基礎(chǔ)。

1 轉(zhuǎn)子

1.1 核電轉(zhuǎn)子材料

AP1000高壓和低壓轉(zhuǎn)子均選用傳統(tǒng)的低壓轉(zhuǎn)子材料30Cr2Ni4MoV。高壓轉(zhuǎn)子鍛件尺寸及質(zhì)量與常規(guī)火電機組低壓轉(zhuǎn)子相差無幾，在制造上不存在難度。但是，低壓轉(zhuǎn)子鍛件最大直徑近3 m，質(zhì)量僅200 t，制造難度極大。目前世界上僅有2～3家鍛造廠家能夠制造。

表1是AP1000核電汽輪機低壓轉(zhuǎn)子的化學成分。從表1可以看出，AP1000低壓轉(zhuǎn)子30Cr2Ni4MoV對P、S、Sn、As、Sb等有害元素的限制有著非常嚴苛的要求，相當于超純低壓轉(zhuǎn)子的要求。

表1 化學成分要求(質(zhì)量分數(shù)%)[3]

1.2 核電低壓轉(zhuǎn)子飛射物問題

對于核電機組而言，飛射物是極其危險的，會造成災難性的事故發(fā)生。因此，核電站非常重視機組零部件發(fā)生飛射物的概率。通常采用四類潛在的失效機理評估低壓整鍛轉(zhuǎn)子飛射物發(fā)生概率：(1)應力腐蝕斷裂；(2)脆性斷裂；(3)高周疲勞斷裂；(4)低周疲勞斷裂。

根據(jù)保守的分析，盡管汽缸能阻止飛射物飛出，轉(zhuǎn)子斷裂仍被認為會導致產(chǎn)生飛射物。下面分別分析AP1000汽輪機轉(zhuǎn)子每種破壞機理的預防措施。

1.2.1 應力腐蝕斷裂預防

對于核電汽輪機轉(zhuǎn)子而言，應力腐蝕是需要特別注意的問題。主要有三個因素影響部件發(fā)生應力腐蝕：材料屈服強度、工作應力水平和工作環(huán)境。由于核電汽輪機轉(zhuǎn)子在濕蒸汽環(huán)境下運行，腐蝕環(huán)境是不可避免的，因此只能通過調(diào)整材料屈服強度和工作應力水平來提高轉(zhuǎn)子的抗應力腐蝕能力。

AP1000核電汽輪機轉(zhuǎn)子主要通過以下兩種方式提高轉(zhuǎn)子的抗應力腐蝕能力：

1)應力腐蝕與材料的強度密切相關(guān)，材料的強度越高，則應力腐蝕傾向越大。AP1000轉(zhuǎn)子采用低強度材料，轉(zhuǎn)子材料屈服強度僅要求高于620 MPa，遠低于常規(guī)火電低壓轉(zhuǎn)子材料的760 MPa。

2)應力腐蝕與工作應力密切相關(guān)，工作應力越大，則應力腐蝕傾向越大。AP1000核電汽輪機轉(zhuǎn)子采用整鍛結(jié)構(gòu)，取消了紅套轉(zhuǎn)子的鍵槽結(jié)構(gòu)，不存在應力集中問題。

紅套結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子曾發(fā)生過應力腐蝕裂紋問題，因此，目前除了西門子公司仍在使用這種結(jié)構(gòu)外，其他核電機組制造商均采用整鍛轉(zhuǎn)子或焊接轉(zhuǎn)子。

西門子公司采用特殊的熱處理和表面處理工藝，這顯著提高了轉(zhuǎn)子抗應力腐蝕能力[5]：

1)在鍛件熱處理后用水噴淋，使輪轂和外緣區(qū)域的冷卻速度比輪盤內(nèi)部快，整個部件按正確的工藝程序冷卻后，會在表面區(qū)域出現(xiàn)殘余壓應力；

2)對輪盤的輪轂、腹板和葉片槽進行噴丸處理，消除機械加工產(chǎn)生的殘余拉應力，在轉(zhuǎn)子表面形成壓應力；

3)對所有的軸頸、軸向鍵槽和低壓葉片根頸進行滾壓，使其表面產(chǎn)生壓應力。

上述特殊工藝雖然能夠顯著提高轉(zhuǎn)子的抗應力腐蝕能力，但是會大大增加轉(zhuǎn)子的制造難度，延長生產(chǎn)工期。

1.2.2 脆性斷裂預防

無論材料制造工藝水平如何提高，材料都不可避免地存在一定的缺陷，尤其是AP1000核電低壓轉(zhuǎn)子鍛件，質(zhì)量近200 t，制造過程中的缺陷不可避免。大量的工程經(jīng)驗也表明，很多部件的工作應力雖然遠低于材料的屈服強度，但仍然會發(fā)生脆性斷裂。為了避免這類材料失效行為，工程中引入了斷裂韌性的概念。斷裂韌性是在考慮材料具有一定缺陷的情況下，表征材料抵抗缺陷擴展能力的性能指標。為了防止轉(zhuǎn)子發(fā)生脆性斷裂，發(fā)生飛射物問題，核電汽輪機轉(zhuǎn)子對材料的斷裂韌性有著非常高的要求，通常要求斷裂韌性不低于150 MPa·m1/2，同時還要有很高的安全系數(shù)。

影響材料斷裂韌性的因素有很多，包括雜質(zhì)元素、成分偏析、組織不均勻等等。為了提高AP1000核電汽輪機轉(zhuǎn)子的斷裂韌性，顯著降低飛射物發(fā)生的概率，轉(zhuǎn)子鍛件制造商采取了下述措施：

1)控制雜質(zhì)元素。雜質(zhì)元素會顯著降低材料的斷裂韌性，尤其是As和其他雜質(zhì)元素共同存在時危害更大，因此AP1000轉(zhuǎn)子對雜質(zhì)元素含量控制極其嚴格，P、S、Sn、As、Sb等有害元素的含量要求極低，相當于超純轉(zhuǎn)子的要求。

2)嚴格控制成分偏析。在鋼錠的凝固過程中，由于各個元素的熔點不同，因此它們的凝固速度不同，這使得鋼錠的化學成分發(fā)生偏析。成分偏析影響到金相組織，從而影響到局部的斷裂韌性，造成轉(zhuǎn)子斷裂韌性不均勻，使得轉(zhuǎn)子產(chǎn)生脆性斷裂風險。AP1000汽輪機轉(zhuǎn)子在冶煉過程中需要嚴格控制每一步制造工序，避免成分偏析，使不同位置各種元素的含量基本一致，如圖1所示。

圖1 不同位置各種元素的含量

3)添加合金元素。由于內(nèi)外冷卻速度不同，淬火后鋼的內(nèi)外金相組織不一致，斷裂韌性等材料性能也不一致，可通過添加適量的合金元素解決。AP1000核電汽輪機轉(zhuǎn)子的尺寸和質(zhì)量都很大，通過采用淬透性良好的3.5NiCrMoV鋼和有效的熱處理工藝手段，使得其內(nèi)外金相組織均為貝氏體回火組織，且非常均勻，晶粒度為5級左右，如圖2所示。斷裂韌性試驗表明，AP1000核電機組轉(zhuǎn)子表面和芯部的斷裂韌性都非常高，為300 kJ/m2以上，且差異很小。

圖2 轉(zhuǎn)子內(nèi)外部金相組織及晶粒度照片

1.2.3 高周疲勞斷裂預防

從設計角度和材料性能角度，高周疲勞均不可能產(chǎn)生飛射物。在高周疲勞下，假定轉(zhuǎn)子受到循環(huán)彎曲載荷的作用而使疲勞裂紋沿平面擴展至軸心，這些載荷是由重力和可能存在的軸承偏心產(chǎn)生的，基本不可能產(chǎn)生飛射物，原因如下：(1)在設計中，所設置的較大的安全系數(shù)能把疲勞裂縫的產(chǎn)生和增長風險降到最低；(2)較大的橫向裂縫會引起偏心和巨大的振動，可以在斷裂產(chǎn)生前通過檢修排除。而且AP1000汽輪機轉(zhuǎn)子采用的3.5NiCrMoV鋼具有優(yōu)異的高周疲勞強度，可以避免產(chǎn)生飛射物。

1.2.4 低周疲勞斷裂預防

汽輪機飛射物可能是由于機組啟停，使裂紋擴展而引發(fā)的，即低周疲勞斷裂。在汽輪機運行壽命期間，裂紋可能從轉(zhuǎn)子中部產(chǎn)生，擴展到臨界尺寸，因此脆性斷裂是轉(zhuǎn)子失效的主要因素。對此，通過嚴格控制AP1000核電汽輪機轉(zhuǎn)子缺陷尺寸，提高材料的斷裂韌性，避免發(fā)生低周疲勞斷裂。AP1000核電汽輪機的超聲波探傷靈敏度起始尺寸遠低于火電機組，而且要求對直徑超過1.6 mm的缺陷位置、大小等進行詳細記錄，并進行斷裂力學分析，確保在機組壽命期內(nèi)缺陷不會擴展至臨界尺寸。

如前所述，通過消除轉(zhuǎn)子的成分和組織偏析，嚴格限制P、S、As等雜質(zhì)元素的含量，可以使AP1000汽輪機轉(zhuǎn)子具有優(yōu)異的斷裂韌性。

2 汽缸和隔板套缸材料

核電機組汽缸和隔板套材料主要有三種類型：

1)采用碳鋼制造，缸體鑄件制造容易，成本較低，但是中分面必須采用防腐蝕材料進行堆焊，且堆焊工作量很大；

2)采用CrMo合金鋼制造，缸體鑄件制造較容易，質(zhì)量易于保證，成本也較低，但是同樣需要在中分面等位置采用防腐蝕材料進行堆焊，且堆焊工作量很大；

3)采用12%Cr不銹鋼制造，缸體鑄件制造難度大，成本高，但由于其本身具有較好的抗腐蝕性能，因此缸體中分面等位置無需采用防腐蝕材料進行堆焊。

AP1000汽輪機高壓缸制造采用第一種類型，即采用碳鋼鑄件，中分面等位置采用因康鎳防腐蝕材料進行堆焊。低壓隔板套也采用第一種方案，即采用碳鋼鑄件，并采用奧氏體不銹鋼進行堆焊。這種選材方案既考慮了經(jīng)濟性，又兼顧了工況條件對部件材料性能的要求。但是，堆焊等工序大大增加了工作量，延長了制造工期。

如果汽缸壁因水蝕減薄1英寸(25.4 mm), 就要對因水蝕減薄的缸壁進行堆焊處理。經(jīng)驗表明：如采用碳鋼材料, 大約在機組運行20 年后, 即在汽輪機機組壽命期內(nèi)至少需堆焊一次；如采用1.25 Cr-0.5Mo鋼, 在汽輪機機組壽命期40年的最后幾年可能也需要進行堆焊處理；如采用2.25Cr-1Mo鋼, 其抗水蝕能力大約是1.25Cr-0.5Mo鋼的2倍, 在機組壽命期內(nèi)不必因水蝕而做堆焊修理[4]。但是由于熱應力的存在, 汽缸中分面可能出現(xiàn)變形并引發(fā)縫隙侵蝕, 這將嚴重損害汽缸中分面的密封性能，影響機組的使用壽命, 雖然發(fā)生的可能性很小, 但也必須采用防腐蝕材料進行堆焊。

綜上，2.25Cr-1Mo鑄鋼是目前國內(nèi)外核電汽輪機汽缸廣泛使用的材料。

雖然也有核電機組采用了第三種方案，但是由于其成本很高，且大型12%Cr鋼汽缸的制造難度很大，質(zhì)量難以保證，所以通常不建議采用這種方案。但是，隔板套等較小的部件可以考慮采用這種方案。AP1000核電機組高壓隔板套、內(nèi)汽封便是采用不銹鋼制造的。

3 動靜葉片

3.1 動靜葉片材料

AP1000核電汽輪機高壓動靜葉片均采用1Cr12Mo，低壓前幾級動靜葉片葉采用1Cr12Mo鋼，后幾級動葉采用0Cr17Ni4Cu4Nb制造，后幾級靜葉采用ZG0Cr19Ni9不銹鋼精密鑄造工藝制造。

AP1000核電汽輪機低壓末級采用54英寸(1 371.6 mm)葉片，防水蝕采用傳統(tǒng)的釬焊司太立合金片方式。

為了滿足更大功率核電汽輪機末級葉片的需求，哈汽公司還以36英寸(914.4 mm)葉片為母型，考慮核電葉片的運行特點，采用模化設計及綜合優(yōu)化的方法開發(fā)出了72英寸(1 828.8 mm)的末級動葉片。

3.2 動靜葉片材料特性

1Cr12Mo屬于馬氏體不銹鋼，含有0.3%～0.6%Ni和Mo，具有較高的室溫強度、塑韌性和熱強性，減震性好，組織穩(wěn)定，工藝性能優(yōu)異，耐腐蝕，在其生產(chǎn)和運行方面的經(jīng)驗豐富，是國內(nèi)外常用的汽輪機葉片材料。

0Cr17Ni4Cu4Nb屬于沉淀硬化不銹鋼，在具有高強度的同時保持優(yōu)異的塑韌性，且具有良好的抗腐蝕性、抗疲勞性、減震性和焊接性能，是國內(nèi)外廣泛使用的大型汽輪機末級葉片材料。

ZG0Cr19Ni9是最普通的18-8型奧氏體不銹鋼，具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，能夠滿足濕蒸汽腐蝕環(huán)境下材料耐腐蝕性能的要求。但是，由于這些靜葉片尺寸很大，特別是末級靜葉，其上還有去濕槽設計結(jié)構(gòu)，這大大增加了靜葉的精密鑄造難度。

4 緊固件

通常對于汽輪機緊固件材料，除了常溫力學性能要求外，材料還應有滿意的熱強性和抗松弛性能，這和金屬的蠕變性能有關(guān)，但在核電汽輪機制造中人們對熱強性不予考慮，而將缺口敏感性視為緊固件材料的重要力學性能。缺口敏感性指材料存在缺口時應力集中的狀況，表征材料抵抗裂紋萌生和擴展的能力。螺栓螺紋就相當于缺口，在缺口根部造成應力集中，易導致高強度低塑性材料的脆性破壞。由于螺栓主要是在拉應力狀態(tài)下工作，汽輪機運行中腐蝕產(chǎn)物在螺紋根部的沉積又將促使應力腐蝕破壞，這是螺栓失效的一個重要形式，因此特別要求核電汽輪機緊固件材料具備良好的強度和塑韌性綜合指標，具備較低的缺口敏感性和較高的抗拉應力腐蝕能力。

核電汽輪機緊固件材料主要分為Cr-Mo鋼和Cr-Mo-V鋼兩類，采用Cr-Mo鋼的緊固件材料有42CrMo和35CrMo等，采用Cr-Mo-V鋼的緊固件材料有25Cr2MoVA等。AP1000核電汽輪機緊固件采用35CrMoA等Cr-Mo類材料。

上述材料均屬于低合金結(jié)構(gòu)鋼，由于核電汽輪機處在濕蒸汽工況中，在長期運行之后螺栓螺母可能生銹咬死，也可能因此產(chǎn)生應力腐蝕而導致斷裂失效。所以，應當對這類緊固件進行表面防護處理，提高其抗腐蝕能力。

另外，汽缸中分面螺栓尺寸較大，比如AP1000汽輪機高壓缸中分面螺栓直徑達145 mm，如果采用35CrMo和42CrMo等合金元素含量較低的材料，則存在淬透性差的問題，性能難以滿足標準要求。對于截面較大的汽缸中分面螺栓，建議選用合金元素含量較高、淬透性好的25Cr2MoVA。

5 結(jié) 論

本文在分析比較國內(nèi)外核電汽輪機選材的基礎(chǔ)上，對AP1000核電汽輪機關(guān)鍵零部件選材進行了分析，結(jié)論如下：

1)AP1000核電汽輪機轉(zhuǎn)子的化學成分要求極其嚴格，達到超純轉(zhuǎn)子的水平。本文在防止飛射物方面，介紹了針對AP1000的整鍛轉(zhuǎn)子四種潛在的失效機理所采用的有效預防措施，表明AP1000核電汽輪機轉(zhuǎn)子不可能產(chǎn)生飛射物。

2)AP1000核電汽輪機高壓缸采用碳鋼制造，中分面等與蒸汽接觸的位置采用抗腐蝕性能優(yōu)異的不銹鋼進行堆焊，低壓隔板套采用碳鋼鑄件，并采用奧氏體不銹鋼進行堆焊，這樣兼顧了機組的經(jīng)濟性和安全性。但考慮到2.25Cr-1Mo鑄鋼具有更優(yōu)異的抗腐蝕性能，建議AP1000核電汽輪機汽缸改用2.25Cr-1Mo鑄鋼制造。

3)對于截面較大的汽缸中分面螺栓，由于35CrMo鋼的淬透性較差，建議選用合金元素含量較高、淬透性好的25Cr2MoVA。

綜上所述，AP1000核電汽輪機關(guān)鍵零部件均采用具有成熟制造經(jīng)驗和豐富運行業(yè)績的材料，完全能夠有效保證機組長期安全可靠運行。為了進一步對選材進行優(yōu)化，可以考慮提升高壓外缸和汽缸中分面螺栓的材料等級。