核电站设备主要金属材料.docx

1 .核岛用金属材料概述不同堆型，其结构和用途虽有所不同，但在实现核裂变反应和可控制的过程是相同的，都需要燃料元件、堆内构件、控制棒、反射层、冷却剂和慢化剂（快堆除外）以及包容他们的压力容器或压力管道等，因而需要各种各样的材料来制作相关部件，以实现核能向热能、热能向电能的安全、高效率的转化按照相关设备部件服役工况或使用功能的不同，核电设备可分为核一级、核二级、核三级和非核级有核级要求的设备，一般即称其所用材料为核电关键材料核电常用的关键材料大体可分为碳钢、不锈钢和特殊合金；若进一步细分，则有碳（钮）钢、低合金钢、不锈钢、结合金、钛铝合金和锲基合金等，按品种则有铸锻件、板、管、圆钢、焊材等等核反应堆的发展，从一开始就包括了材料的开发与优化，材料的发展决定了其发展情况因为核电具有新的热传导条件及特殊的环境条件，如辐照或冷却剂腐蚀等，要求所用材料必须能适合于这些应用条件；强调材料的另一个原因，是核电站系统比常规电站有更高的安全要求由于我国目前主要是建造第二代成熟的1000MWE水堆核电站、通过技术引进并吸收国外先进技术以发展先进的第三代1000MW级压水堆核电站因此，本讲义以压水堆核电站为例，对其不同设备的用材做一简单介绍。

在压水堆核岛中，主要设备除反应堆及压力容器外，还有蒸汽发生器、冷却剂主泵机组、稳压器及主管道等由于这些部件在核岛内的位置、作用和工况不同，故材料的使用要求和环境条件也不尽相同，不同程度地存在辐照或酸腐蚀等；不仅要考虑常规的一些要求（如强度、韧性、焊接性能和冷热加工性能），而且须考虑辐照带来的组织、性能、尺寸等变化，如晶间腐蚀，应力腐蚀和低应力脆断、以及材料间的相容性、与介质的相容性，以及经济可行性等为便于从它们的服役特点中理解每个部件的功能、选择依据，下面将压水反应堆核岛内重要金属部件的工况、要求以及他们的所用材料体系简述如下1.1 压水堆零/部件用金属材料1.1.1 包壳材料包壳，是指装载燃料芯体的密封外壳其作用是防止裂变产物逸散和避免燃料受冷却剂的腐蚀以及有效地导出热能，在长期运行的条件下不使放射性裂变产物逸出工况最为苛刻：内受裂变产物、外受冷却剂腐蚀和温度、压力的作用，并受到强烈的中子辐射和冷却剂的冲刷、振动以及内应力、热循环（开、停堆时）应力和燃料月中胀等作用因而，包壳材料应具有以下性能：热中子吸收截面小、感生放射性小、半衰期短；强度高、塑韧性好、抗腐蚀性强、对晶间腐蚀应力腐蚀和吸氢不敏感；热强性能、热稳定性和抗辐照性能好；导热率高、热膨胀系数小，与燃料和冷却剂相容好；易于加工、便于焊接和成本低。

适宜作为包壳的材料主要有：铝及铝合金、镁合金、结合金和奥氏体不锈钢以及高密度热解碳在压水堆中，主要采用了结合金，这是因为其热中子吸收截面小、导热率高、力学性能好，且有良好的加工性能以及与UO2较好的相容性，尤其对高温水、高温水蒸汽也有良好的抗腐蚀性和热强性1.1.2 堆内构件材料在压水堆中，除了反应堆压力容器和燃料组件及相关的组件以外的均为堆内构件，如压紧板、导向筒、吊篮、围板、流量分配板、上下栅格组件等作用有：支撑燃料组件及其精确定位、为控制棒及堆芯测量装置和辐照监督和提供支撑和导向、合理分配冷却剂流量和减少压力容器内表面的中子注量工作环境：面对活性区、受到冷却剂冲刷和高温、高压作用堆内构件用材应具强度高、塑韧性好、高温性能好，中子吸收截面和中子俘获截面以及感生放射性小，抗腐蚀性、抗辐照性能好并与冷却剂相容好，导热率高、热膨胀系数小，易于加工、便于焊接和成本低适合于压水堆内构件用材料主要为奥氏体不锈钢以及部分锲基合金1.1.3 反应堆回路材料压水反应堆的回路管道是维持和约束冷却剂循环流动的通道作用：封闭高温、高压和带强放射性冷却剂，对反应堆安全和正常运行起保障作用回路管道用材应具备如下性能：抗应力腐蚀、晶间腐蚀和均匀腐蚀的能力强，基体组织稳定、夹杂物少、具有足够强度、塑性和热强性能，铸造和焊接性能好、生产工艺成熟，成本低、有类似的使用经验，Co含量尽量低。

适合于压水堆内构件用材料主要为奥氏体不锈钢1.1.4 反应堆压力容器材料反应堆压力容器是装载堆芯、支撑堆内所有构件和容纳一回路冷却剂并维持其压力的堆本体承压壳体它是由上、下封头和筒体组成；它与一回路管道共同组成冷却剂压力边界；还具有密封放射性、阻止裂变产物逸散的功能对反应堆压力容器用材要求：强度高、塑韧性好、抗辐照性能和抗腐蚀性强、与冷却剂相容好；纯净度高、偏析和夹杂物少、晶粒细小、组织稳定；易于进行冷热加工（包括焊接和淬透性好）；成本低、高温高压下使用经验丰富反应堆压力容器，目前国内外广泛采用的是A508IH（Gr.3Cl.1）、16MND5内壁堆焊不锈钢1.1.5 蒸汽发生器材料蒸汽发生器是压水反应堆一回路的热能传递给二回路介质以产生蒸汽的热交换设备，它采用带汽水分离器的饱和蒸汽一般为管壳式，主要由筒体、管板、水室、汽水分离器及外壳容器、传热管等部件组成蒸汽发生器传热管为压水堆核电站中的核心部件，起着一、二回路的能量交换和一回路压力边界完整性起着重要的作用传热管在特定结构和介质条件下，承受高温、高压和管子内外的压差以及腐蚀、水力振动等工况的作用，容易造成各种类型的腐蚀损伤和应力腐蚀破坏。

传热管应具有：热强性、热稳定性和焊接性好；基体组织稳定、导热率高、热膨胀系数小；抗均匀腐蚀和局部腐蚀能力强；具有足够的塑性和韧性，以适应弯管、胀管的加工和抗振动蒸汽发生器的筒体与管板一般采用与反应堆压力容器相同或相近的材料，如A508m（Gr.3Cl.1）、18MND其它一些部件如分离器则采用碳（钮）钢或低合金钢等1.2 用材体系在国际上核电运作建设上，有美国ASM也系（通用和西屋）、俄罗斯（石墨慢化反应堆和俄罗斯压水堆）体系、法国RCC-M（压水堆）体系、力口拿大CANDU重水铀反应堆）体系和德国KTA体系等不同体系的压水堆中所用关键材料有所不同、但相对还是比较接近下面表1.1为不同主要核电国家体系用材情况目前，我国的核电材料标准体系并未完全建立（正逐渐建立之中），主要采用了引进技术中所列的一些国外牌号材料，如表1.1中所列的RCC-MASM萼体系材料表1.1各主要核电国家压水堆用材体系国家部件与系统反应堆压力容器反应堆冷却剂系统的其它部件RPV堆内构件核辅助和外围系统蒸汽发生器用管安全壳水-蒸气循环耐磨部件和表面硬化德国20MnMoNi5522NiMoCr37奥氏体堆焊层X6CrNiNb1810X6CrNiNb1810G-X5CrNiNb189Alloy718AlloyX750Alloy800(mo。

15MnNi6319MnAL6V15MnNi63WstE255/355C22.8,St35.8,15Mo3,GS-C25硬质合金，无Co的替代物法国16MND518MND5奥氏体堆焊层308L/309LZ3CN20.09-MZ2CN19.10Z2CND18.12Alloy600Alloy690混凝土Tu42CTu48C硬质合金美国SA-533Gr.BCl.1SA-508Gr.2SA-508Gr.3AISI304LAISI316NGAISI316LAlloy600Alloy690SACr170SA-350Gr.LF.2SA-516Gr.70SA-333Gr.6SA-352Gr.LCB硬质合金，无Co的替代物日本SFVQ1ASUS304LSUS316LSFVQ1ASUS304LSUS316LSCS16/SCS19Alloy600Alloy690JISSGV49JISspv50SM41SQV1ASPCH2硬质合金，无Co的替代物1.3 核电用材标准体系目前在我国的压水堆体系用材中，主要有美国ASME法国RCC-"系的材料1.3.1 RCC-M与ASME规范RCC-M借鉴了美国ASM规范第m卷中NBNCNDNGJ?口NF各分卷的有关内容,在结构上也做了巧妙对应，在章节的数字标识体系上采用了类似结构，章节下的内容也相近。

而AP1000则采用ASME!材体系，下面表1.2给出了是RCC-MWASME寸比表表1.2RCC-M与ASME寸比表RCC-M符号ASME符号第I卷A分卷：概论A第III卷第一册：NC砌卷（第一、二册总要求）NCAB分卷：1级设备BNB分卷：1级设备NBC分卷：2级设备CNC分卷：2级设备NCD分卷：3级设备DNM卷：3级设备NDE分卷：小设备E无对应部分—G分卷：堆芯支撑结构GNG分卷：堆芯支撑结构NGH分卷：支承HNF分卷：支承NFJ分卷：低压或大气压储罐J无相应部分—Z分卷：技术性附录Z技术性附录—第II卷材料（含RCC-附的材料或及RCC-M^I用的其它标准如EN中的材料）M第II卷材料（锅炉压力容器用材）SA第III卷检验方法MC第V卷无损检验T第IV卷焊接S第IX卷焊接及钎焊评定WQ第V卷制造F无相应部分，在NBNCND的4000章中有某些内容1.3.2 欧洲标准用材表述RCC-M引用了不少欧洲标准的材料，如EN10025等而欧洲标准体系中，EN10020（钢的等级定义及划分）、EN10027-1（钢的命名体系第一部分：钢名，主要符号）、EN10027-2（钢的命名体系第二部分：钢号）对各种钢进行了分类表述。

但最新的“EN10025-2:2004”与我国目前正使用的“EN10025:1990+A1:1993”有一定差异，主要在于钢的符号表述和保证性能描述上，见表1.3表1.3新旧EN10025-2牌号表示对比EN10025-2:2004EN10025-2:1990+A1:1993牌号备注：质量组别牌号备注：质量组别S185—S185—S235JR保证室温冲击功上27JS235JRS235JRG1KS235JRGf保证室温冲击功及焊接性能S235J0保证0c冲击功上27JS235J0保证0c冲击功及焊接性能S235J2保证-20C冲击功上27J__注__注S235J2G3、S235J2G4保证-20C冲击功及焊接性能S275J0保证0c冲击功上27JS275J0保证0c冲击功及焊接性能S275J2保证-20C冲击功上27JS275J2G3注、S275J2G4注保证-20C冲击功及焊接性能S355JR保证室温冲击功上27JS355JR保证室温冲击功及焊接性能S355J0保证0c冲击功上27JS355J0保证0c冲击功及焊接性能S355J2保证-20C冲击功上27JS355J2G3注、S355J2G4注保证-20C冲击功及焊接性能S355K2保证-20C冲击功上40J注注S355K2G3、S355K2G4保证-20C冲击功40J以上及焊接性能注：G1是沸腾钢、G2指不允许沸腾钢、G3/G4完全镇静钢本讲义所涉及的钢种有：P355GH、P265GH、P280GH、S235。