影響反應(yīng)堆壓力容器鋼輻照脆性的因素及控制措施

王英杰，趙宇強(qiáng)

（1．國(guó)核工程有限公司，上海200233；2．山東核電有限公司，山東海陽265116）

反應(yīng)堆壓力容器（Reactor Pressure Vessel，簡(jiǎn)稱RPV）是放置核反應(yīng)堆堆芯并承受巨大運(yùn)行壓力的密閉容器，也稱反應(yīng)堆壓力殼。在壓水反應(yīng)堆核電站中，在RPV內(nèi)部放置堆芯、堆芯支承結(jié)構(gòu)、控制棒及直接與堆芯連接的其他部件等，它與一體化堆頂結(jié)構(gòu)、反應(yīng)堆冷卻劑管道相連，并且與置于安全殼內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)上的壓力容器支承相接觸。是一個(gè)龐大的、不可更換的密封殼體，是防止放射性物質(zhì)泄漏的第二道安全屏障的一部分。因此，RPV用鋼的選擇是關(guān)系到反應(yīng)堆安全和壽命的重要部件。

由于壓水堆的RPV長(zhǎng)期工作在高溫（約為350℃）高壓（約為17MPa）下運(yùn)行，并承受中子和γ射線輻照，材料應(yīng)具有合適的強(qiáng)度、韌性及盡可能低的脆性轉(zhuǎn)變溫度TNDT；在反應(yīng)堆輻照條件下應(yīng)具有良好的抗輻照脆化敏感性，具有良好的可焊接性和冷熱加工性；在工作溫度下具有最大的組織穩(wěn)定性，足夠的大截面淬透性和厚斷面組織性能均勻性；合理的經(jīng)濟(jì)性。

本文從以下幾個(gè)方面分析影響RPV輻照性能的因素及其控制措施。

1 合金元素對(duì)RPV輻照性能的影響

合金元素是保證鋼材的淬透性、塑韌性、可焊性和高低溫強(qiáng)度的基礎(chǔ)，對(duì)輻照性能的影響和改進(jìn)也有重要的作用。

1．1 Mn和Ni的影響

Ni和Mn元素的作用都是擴(kuò)大壓力容器鋼的γ相、細(xì)化晶粒、球化碳化物、提高淬透性以及保證其綜合性能，它們都有增大輻照脆化的趨勢(shì)。但是，鋼中加入一定量的Mn后，并保持足夠高的Mn／S比，以去掉基體中S的有害作用，起到強(qiáng)化基體的作用外，對(duì)減少壓力容器鋼的輻照脆化是有利的。

目前應(yīng)用比較廣泛RPV用鋼為SA508，1級(jí)、1A級(jí)和2級(jí)的SA508鋼含Mn為0．4%～1．05%，3級(jí)的SA508鋼在2級(jí)的基礎(chǔ)上增加至1．2%～1．5%［1］。

Ni是RPV中主要的合金元素，具有一定的抗腐蝕能力，又能提高鋼的淬透性和改善低溫沖擊韌性。但在熱環(huán)境中Ni和S容易化合，在晶界上形成低熔點(diǎn)的NiS網(wǎng)狀組織而產(chǎn)生熱脆。有關(guān)數(shù)據(jù)指出，含Ni量在0．7%～1．5%之間時(shí)為中等程度脆化，最大脆化溫度在1．5%～2．0%之間。當(dāng)Ni的含量在3．8%～8．5%之間時(shí)，則增加Ni含量即降低轉(zhuǎn)折溫度，而輻照后ΔNDT的增加與含Ni量無關(guān)［2－3］。ASME規(guī)范對(duì)廣泛應(yīng)用的RPV用鋼SA508中Ni含量為0．4%～1．00%，實(shí)際生產(chǎn)中控制在0．85%左右。

1．2 Cr和Mo的影響

Cr和Mo能提高淬透性，降低鋼的零塑性轉(zhuǎn)變溫度。經(jīng)輻照后，固溶在Fe基體晶格內(nèi)的Cr原子可以捕獲自由的C原子和N原子，減少間隙元素C、N、O對(duì)輻照的影響，因此Cr被認(rèn)為是消除間隙原子對(duì)輻照效應(yīng)的“清潔劑”。

Mo與Cr相似，能提高淬透性、耐熱性、減少回火脆性，能明顯抑制輻照硬化。但是，Mo為擴(kuò)大α相元素［4］，Mo的加入提升了鋼的AC3溫度，從而使鋼的奧氏體化溫度升高，輻照后的ΔNDT值比含有Ni和Mn鋼的ΔNDT小，減小了輻照硬化效應(yīng)。

研究表明，Mo含量過高時(shí)將在回火過程中析出Mo2C，致使基體中Mo含量降低，而基體中的Mo有抑制P、S、As等雜質(zhì)原子偏聚的作用［5］。所以，在實(shí)際生產(chǎn)中把Mo控制在0．5%左右。

1．3 Nb和V的影響

在RPV鋼中添加少量的Nb和V元素對(duì)細(xì)化晶粒，提高鋼的熱強(qiáng)性，保證鋼的厚截面韌性、強(qiáng)度及均勻性都有較大的作用。

Nb對(duì)輻照有利，但V是對(duì)輻照有害的元素。這與V的二次硬化有關(guān)，即除了輻照硬化外，還有輻照時(shí)V的碳化物析出引起的硬化。但由于V對(duì)焊接性能和防止晶粒長(zhǎng)大有利，故需要加V。SA508鋼中以前規(guī)定加0．08%V，而實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)V使焊接開裂的敏感性增加，容易引起焊接熱影響區(qū)脆化，增加了鋼的“再熱裂紋”的敏感性［6］。為了尋求既對(duì)輻照無害又對(duì)鋼的韌性有利的V含量，國(guó)外通過各種V含量鋼的輻照試驗(yàn)研究指出，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于RPV鋼的SA508－Ⅲ中規(guī)定V的含量在0．05%以下。至于微量Nb的作用，一方面細(xì)化晶粒，提高鋼的屈服強(qiáng)度，輻照試驗(yàn)表明，它能減少輻照脆化效應(yīng)。［6］

1．4 C的影響

標(biāo)準(zhǔn)鋼中，C的含量是保證鋼的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求的主要元素。C含量低，鋼的強(qiáng)度可能滿足不了要求；C的含量高會(huì)降低鋼的可焊性，同時(shí)會(huì)提高輻照脆化性。因此，最好把C控制在0．18%～0．20%的范圍內(nèi)。

2 鋼中雜質(zhì)元素對(duì)輻照性能的影響

鋼中的雜質(zhì)元素對(duì)鋼的冷態(tài)性能是不利的，因此，在RPV鋼中要盡可能地控制雜質(zhì)含量。

2．1 Co的影響

Co受中子輻照后生成放射性的核素60Co，60Co的半衰期約為5．3a，衰變后又會(huì)反應(yīng)生成60Ni，并放射出對(duì)人體嚴(yán)重?fù)p害的γ射線，其反應(yīng)式如下：

大量γ射線的產(chǎn)生使得反應(yīng)堆的維修工作無法進(jìn)行，或受到嚴(yán)重妨礙，因此必須給予限制，西德和捷克對(duì)Co控制在0．01%以下，其他國(guó)家限制在0．02%以下。

2．2 B的含量

B有兩種同位素，10B和11B，10B的中子吸收截面為755bar，含B鋼在150℃的輻照脆化大大加劇，受到中子輻照后的反應(yīng)為＋這對(duì)材料的核性能是有害的。在250℃輻照后，含B鋼和不含B鋼沒有明顯的差別，但作為RPV用鋼還是不希望含B［3］。從化學(xué)成分上分析，不含B的規(guī)定是不科學(xué)的，ASTM E350－95中規(guī)定B的含量為0．000 5%～0．02%。

2．3 Si的影響

RPV鋼的Si含量并不是有意添加的元素，而是在冶煉過程中，從廢鋼和生鐵原料里帶來的。硅有穩(wěn)定輻照缺陷的作用，隨著輻照溫度升高，點(diǎn)缺陷的自愈能力增強(qiáng)，輻照效應(yīng)隨之減小，但Si含量過高對(duì)輻照有害，因此在可能情況下，硅含量不宜偏高，最好低于0．35%。

2．4 P、S的影響

P、S不僅對(duì)鋼的塑性危害很大，而且有加速輻照脆化的傾向。S易與鋼中的Mn、Fe反應(yīng)生成熔點(diǎn)較低的MnS、FeS，降低了鋼的最大沖擊功，增加了鋼的脆性。而含P鋼受輻照后出現(xiàn)了P、Ni、Mn的大量富集，含量分別為基體含量的12．5倍、2．2倍和1．6倍。P原子擴(kuò)散到晶界引起偏析，使晶界表面能減低，因而導(dǎo)致ΔNDT增大，同時(shí)，彌散的P能捕集輻照缺陷，形成穩(wěn)定的缺陷雜質(zhì)團(tuán)，因而對(duì)輻照影響較大。

2．5 Cu的影響

鋼中Cu含量對(duì)輻照的影響，逐漸引起人們的注意。不少試驗(yàn)證實(shí)，Cu與Ni、P的交互作用是影響鋼的輻照性能的最不利因素。當(dāng)鋼中含有Cu或Cu含量較高時(shí)，Ni對(duì)輻照脆化的促進(jìn)作用比較大，但當(dāng)它們之間成分匹配得當(dāng)，可以明顯減小輻照效應(yīng)。由圖1可以看出，當(dāng)Ni含量不變時(shí)，Cu含量越高，輻照效應(yīng)愈大，反之亦然。二者同時(shí)增加，脆化效應(yīng)上升更快，尤其當(dāng)Ni＞1．2%時(shí)，ΔT增高更明顯［7］?？梢?，Ni和Cu之間有相互增大輻照效應(yīng)的趨勢(shì)，因?yàn)镹i有促進(jìn)Cu沉淀的作用。合理的成分匹配是Ni含量不宜過高，Cu含量應(yīng)盡量低。

當(dāng)Cu＜0．1%時(shí)，P對(duì)輻照很敏感，每增加0．01%P，ΔNDT升高23～28℃；隨著Cu含量的升高，P的輻照敏感性明顯降低，每增加0．01%P，ΔNDT升高量約為8℃。這主要是因?yàn)?，?dāng)Cu含量降低時(shí)，聚集成幾個(gè)納米大小的P原子群和磷化物沉淀比較多；而當(dāng)Cu含量增加時(shí)，P被凍結(jié)在富Cu的沉淀中，產(chǎn)生銅磷化物，P的單獨(dú)作用被降低了［7－8］。同時(shí)，Cu對(duì)焊接鋼中的母材、焊縫及熱影響區(qū)都有不利的影響，對(duì)輻照脆化的影響更大。我國(guó)核電站用鋼要求，Cu＜0．10%。

圖1 不同Cu含量范圍的鋼的ΔT與Ni含量的關(guān)系Fig．1 The relationship betweenΔTand Ni content in different range of Cu

2．6 N的影響

N為對(duì)輻照有害的間隙原子元素，能與由中子輻照形成的缺陷反應(yīng)生成較為穩(wěn)定的雜質(zhì)缺陷，鋼中N含量的增加會(huì)增大輻照脆化。但是，若RPV鋼中Al／N比合理，可以改善韌性，減少輻照敏感性。

總之，綜合冷、熱態(tài)性能要求，鋼中的合金元素含量和雜質(zhì)元素含量是影響輻照脆化的重要因素，這些因素可通過提高冶煉技術(shù)和熱處理水平等方式改進(jìn)。但是這些溶質(zhì)元素（合金元素和雜質(zhì)元素）與基體輻照缺陷（如錯(cuò)位環(huán)等）有著強(qiáng)烈的相互作用，從而加速了溶質(zhì)的沉淀析出，惡化了材料的韌性［9］，因此RPV鋼對(duì)化學(xué)成分有嚴(yán)格的要求。

3 生產(chǎn)工藝對(duì)輻照性能的影響

材料的性能是化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)的綜合表現(xiàn)，其中成分和熱處理是保證RPV鋼性能的基礎(chǔ)；冶煉是影響鋼材純凈度和質(zhì)量的前提。因此，標(biāo)準(zhǔn)除了規(guī)定鋼中的主要成分范圍之外，對(duì)輻照敏感的雜質(zhì)元素，如S、P、Cu、V、Co、B和氣體元素H、O、N等元素都做了限制；生產(chǎn)要求采用電弧爐冶煉，并配合鋼包真空精煉和真空澆鑄；鍛壓比大于3；熱處理采用調(diào)制工藝；實(shí)際晶粒度≥5級(jí)；各類夾雜物≤1．5級(jí)等。輻照實(shí)驗(yàn)和大量的核電站實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)于減小輻照效應(yīng)、保證RPV安全運(yùn)行是行之有效的［3－4，7－8］。

生產(chǎn)工藝對(duì)鋼材的微觀組織，包括晶粒大小、組織粗細(xì)、夾雜物和析出相的數(shù)量、形態(tài)與分布等有直接的影響。日本研究發(fā)現(xiàn)［10］，在相同輻照條件下，由LD頂吹電爐煉的A302B鋼，因雜質(zhì)元素少，比電爐鋼輻照效應(yīng)小；真空熔煉比大氣熔煉的鋼輻照性能好；鋁脫氧的鋼比硅脫氧的鋼輻照敏感性小，后者是因?yàn)樾纬葾lN，減少了固溶N對(duì)輻照脆化的有害影響。

RPV鍛件的調(diào)制處理是保證其性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，最重要的是奧氏體化溫度和淬火時(shí)的冷卻速度。A508－Ⅲ鋼的基體組織為奧氏體，冷卻速度不足時(shí)會(huì)出現(xiàn)高溫轉(zhuǎn)變的鐵素體和珠光體區(qū)，對(duì)輻照較敏感。從綜合性能要求出發(fā)，應(yīng)快速淬火，盡量避免鐵素體的產(chǎn)生，減小輻照效應(yīng)。

核電站用的RPV無論是鍛環(huán)或板焊成型，都涉及焊接問題。鑄態(tài)的焊縫比加工態(tài)母材的輻照效應(yīng)大，熱影響區(qū)居于二者之間，這說明焊縫是薄弱環(huán)節(jié)。因此，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：當(dāng)縱向焊縫的RTNDT超過限值132℃，環(huán)向焊縫RTNDT超過限值149℃時(shí)，應(yīng)進(jìn)行詳盡的力學(xué)分析，以便確定安全與否。

4 減小輻照效應(yīng)的措施

4．1 化學(xué)成分控制和加工方面

鋼的輻照效應(yīng)是由于快中子使晶格原子離位，產(chǎn)生許多點(diǎn)缺陷及其聚集而成的缺陷團(tuán)造成的。這些缺陷團(tuán)無序的分布在晶體中可能部分與輻照敏感元素結(jié)合形成復(fù)合的復(fù)雜缺陷，它們產(chǎn)生應(yīng)變能，使位錯(cuò)啟動(dòng)和運(yùn)動(dòng)受阻，從而引起硬化、強(qiáng)化和脆化。電子顯微分析發(fā)現(xiàn)，輻照可以加速有害元素的擴(kuò)散，及與點(diǎn)缺陷的復(fù)合，形成富Cu沉淀、P偏析以及形成穩(wěn)定的集體缺陷團(tuán)，這些缺陷與輻照硬化和脆化有密切的關(guān)系。

經(jīng)過對(duì)RPV輻照效應(yīng)研究，需嚴(yán)格控制材料的冶煉和加工過程，才能達(dá)到在提高韌性的同時(shí)減小輻照脆化效應(yīng)的目的［3，8，11］：

（1）冶煉時(shí)嚴(yán)格控制原料中有害雜質(zhì)和輻照敏感元素（P、Cu）的含量，是減少輻照脆化的主要途徑。因此，應(yīng)選擇低磷、低銅和雜質(zhì)元素含量少的優(yōu)質(zhì)精料來制備反應(yīng)堆的RPV。

（2）真空除氣要充分，盡量減少氣體，尤其是O和N，以便減少非金屬夾雜物，提高鋼的純凈度，但要注意Al／N比，最好在1．2～1．8之間。

（3）盡量降低Cu的含量，以減小Cu－Ni，Cu－P的交互輻照脆化。若降低Cu實(shí)在有困難，降低P含量，使其控制在0．005%以下，同時(shí)，可適當(dāng)放寬Cu的含量，但不宜超過0．06%。

（4）盡量減少鋼中的非合金化元素，尤其是硅。

（5）在滿足韌性要求下，Ni含量不宜過高，取中上限為宜；在滿足強(qiáng)度要求下，C取中限較好。若為了改善鋼的韌性而需要提高Ni含量的時(shí)候，應(yīng)該盡量降低Cu、P含量。

（6）選擇合適的鍛壓比，鍛壓后的組織最好是等軸晶，晶粒越細(xì)越好，奧氏體化溫度不宜過高，熱處理組織最好是細(xì)晶粒下貝氏體。

目前，國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的A508－Ⅲ鋼，通過降低和調(diào)整Cu、P和Ni元素含量并配合真空精煉和調(diào)質(zhì)處理，可使輻照性能和力學(xué)性能得到改善。

4．2 輻照后退火

RPV鋼的輻照脆化比較明顯，但若加熱到高于輻照溫度時(shí)，內(nèi)部缺陷將會(huì)重新排列，使部分或者全部輻照缺陷消除，從而使脆化效應(yīng)得到一些恢復(fù)。但是，恢復(fù)效應(yīng)并非僅在輻照后退火時(shí)才有，實(shí)際是同時(shí)發(fā)生的，即輻照脆化是損傷與退火二者平衡的結(jié)果。

由于核電站設(shè)計(jì)溫度高于運(yùn)行溫度，如能實(shí)現(xiàn)高工況現(xiàn)場(chǎng)退火，將會(huì)有很大的工程價(jià)值，對(duì)確保反應(yīng)堆安全、延長(zhǎng)使用壽命等有實(shí)用意義［3，10－12］。因此國(guó)外對(duì)輻照后退火進(jìn)行了大量研究，得出以下結(jié)論：

（1）輻照敏感的鋼比不敏感的鋼容易退火，因?yàn)楹笳咻椪杖毕莸姆€(wěn)定性比較高；

（2）高溫輻照缺陷的退火比低溫輻照恢復(fù)效應(yīng)慢；

（3）退火溫度高，恢復(fù)效果好；退火時(shí)間越長(zhǎng)，恢復(fù)效應(yīng)越明顯；

（4）循環(huán)進(jìn)行輻照和退火，其結(jié)果和單次輻照退火相似。

5 總結(jié)

RPV鋼的輻照脆性是由中子轟擊產(chǎn)生的許多缺陷團(tuán)，它們引起晶格畸變伴生應(yīng)力場(chǎng)，使位錯(cuò)的啟動(dòng)和運(yùn)動(dòng)的阻力增大，從而引起硬化。鋼中合金元素、雜質(zhì)元素的含量、鋼的生產(chǎn)工藝是影響RPV使用的主要原因之一，只要合理控制RPV鋼的化學(xué)成分，嚴(yán)格控制材料的冶煉和加工過程，對(duì)于防治RPV的輻照脆性，延長(zhǎng)使用壽命及確保壓力容器的安全運(yùn)行具有重要的意義。

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