核級復(fù)合鋼管件的替代制件研究

蘆麗莉　王理　宋怡漾　蔣永　馬姝麗　郭祥

【摘 要】本文通過分析俄羅斯核級復(fù)合鋼管的材料成分、組織和性能，并考慮反應(yīng)堆工程應(yīng)用經(jīng)驗，分別從反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)用低合金鋼體系和國際國內(nèi)標準焊材體系中篩選出508-Ⅲ鋼和ER347作為復(fù)合管基體和覆層的替代材料；通過采用基體材料上堆焊覆層材料的工藝試制了復(fù)合鋼管件，并與進口復(fù)合鋼管開展了性能和質(zhì)量對比。研究表明，采用國產(chǎn)替代材料及堆焊工藝制備復(fù)合鋼管件的方法可以獲得滿足技術(shù)要求且與進口復(fù)合鋼管質(zhì)量和性能相當?shù)膹?fù)合鋼管件。本文的研究為WWER型核電站的一回路系統(tǒng)管道維修工藝的國產(chǎn)化研發(fā)提供了材料保障。

【關(guān)鍵詞】核級復(fù)合鋼管件；核電廠一回路管道；替代制件

Research on Replacement for Imported Compound Steel Pipe in Nuclear Power Plant

LU Li-li1 WANG Li1 SONG Yi-yang1 JIANG Yong2 MA Shu-li1 GUO Xiang1

（1.Nuclear Power Institute of China， Chengdu Sichuan 610041， China；

2.JiangSu Nuclear Power Corporation， Lianyungang Jiangsu 222042， China）

【Abstract】In this paper， the material property of the base metal and deposit metal of Russian compound steel pipe have been analyzed， taking engineering experiences into account，domestic material for them have been screening respectively from low alloy steel system in nuclear reactor primary circle and welding consumables in international and domestic standard. 508-Ⅲ and ER347 welding rod are selected as the replacement of the base metal and deposit metal of an import compound steel pipe respectively. The compound steel pipe has been manufactured with 508-Ⅲ and ER347， and its properties has been proved as good as Russian pipes. The paper laded a good foundation for the material security for domestic pipe repair technology of a WWER NPP primary circle.

【Key words】Nuclear power compound steel pipe； WWER NPP primary circle； Replaced pipe

0 引言

我國某WWER型核電站一回路系統(tǒng)中大量使用的厚壁復(fù)合鋼管由國外全套進口，管道制造、安裝、維修技術(shù)被外國壟斷。復(fù)合鋼管道及其與不銹鋼管道的安裝對接焊縫在一回路工況中長期服役，受冶金不連續(xù)、成分和組織突變及熱膨脹系數(shù)差異等因素的作用，易在焊縫、熱影響區(qū)產(chǎn)生開裂。至今為止，該類故障一旦發(fā)生，必須依賴在進口復(fù)合鋼管上開展維修技術(shù)人員取證和工藝評定，并由國外技術(shù)人員施工作業(yè)修復(fù)故障，時間成本和經(jīng)濟成本巨大，不利于核電站的正常維保和運營。

針對上述問題，本文開展了該進口復(fù)合鋼管的國產(chǎn)材料替代論證和復(fù)合鋼管件制造工作，為后續(xù)維保技術(shù)的國產(chǎn)化進程提供材料保障。

1 選材

進口復(fù)合鋼管道的基體為合金鋼，內(nèi)壁堆焊防蝕不銹鋼，牌號分別為10ГH2МФА和04Х20Н10Г2Б。復(fù)合鋼管結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 某電廠一回路系統(tǒng)復(fù)合鋼管道典型接頭結(jié)構(gòu)形式示意圖

我國現(xiàn)有的核級管道材料系統(tǒng)中沒有復(fù)合鋼管材可以直接替代該進口復(fù)合鋼管。本文針對復(fù)合鋼管的基體和覆層分別開展國產(chǎn)材料范圍內(nèi)的篩選，并采用篩選材料堆焊制備出國產(chǎn)復(fù)合鋼管件，通過與進口復(fù)合鋼管件開展各項性能對比，驗證選材的合理性和替代制件的代表性。

1.1 基體材料選擇

進口復(fù)合鋼管道基體10ГH2МФА屬Mn-Mo-Ni-V系的低碳低合金高強度鋼，出廠熱處理為：900℃淬火+680℃回火，屬調(diào)質(zhì)態(tài)，典型金相組織是粒狀貝氏體。其化學(xué)成分見表1。

1.1.1 初步篩選

10ГH2МФА是應(yīng)用于反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)的管道材料，安全級別很高，應(yīng)考慮采用具有一回路工況中長期工程應(yīng)用經(jīng)驗的材料實現(xiàn)替代。我國壓水堆核電廠一回路管道采用不銹鋼制造，沒有可替代材料。因此，考慮核電廠一回路長期應(yīng)用的非管道設(shè)備鋼種。一回路系統(tǒng)中，與10ГH2МФА這一Mn-Mo-Ni-V系的低碳低合金高強度鋼系別最為相近的是壓力容器筒體設(shè)計制造常用的Mn-Mo-Ni系低碳低合金高強度鋼。

我國現(xiàn)有成熟的核壓力容器筒體用Mn-Mo-Ni低碳低合金高強度鋼為508-Ⅲ鋼。除此之外，工程上常用的同類別壓力容器用鋼還有13MnNiMoNbR和18MnMoNbR，少數(shù)在用的核壓力容器筒體用鋼有S271。

從材料系別分析，13MnNiMoNbR和S271為Mn-Mo-Ni系，18MnMoNbR為Mn-Mo-Nb系。508-Ⅲ、S271、13MnNiMoNbR與10ГH2МФА系別一致。

從熱處理狀態(tài)來看，10ГH2МФА為調(diào)質(zhì)態(tài)（900℃淬火+680℃回火）。508-Ⅲ鋼出廠熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)，典型金相組織是粒狀貝氏體。S271為調(diào)質(zhì)態(tài)，13MnNiMoNbR和18MnMoNbR的熱處理狀態(tài)是正火態(tài)。508-Ⅲ、S271與10ГH2МФА熱處理狀態(tài)一致。

從化學(xué)成分來看，相對10ГH2МФА，S271中尚存有Nb、Co、B、As、Sb、Sn等雜質(zhì)元素，易于晶界處析出產(chǎn)生晶間腐蝕。508-Ⅲ在材料純凈化方面更優(yōu)。

從工程應(yīng)用的基礎(chǔ)條件看，S271是我國于1973年研制成的核電站壓力容器用鋼，其運行使用也僅限于國內(nèi)秦山30MWe機組，相關(guān)性能運行數(shù)據(jù)較少，相關(guān)性能研究數(shù)據(jù)欠充分。508-Ⅲ鋼在國內(nèi)生產(chǎn)工藝成熟、供貨穩(wěn)定，在世界核工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用，除基本性能數(shù)據(jù)外，其腐蝕、疲勞、斷裂和輻照脆化性能的研究均非常充分，工業(yè)制造技術(shù)成熟度高。國內(nèi)除民用核壓力容器外，要求極為嚴苛的軍用核反應(yīng)堆壓力容器也使用508-Ⅲ鋼。

綜上，擬選擇508-Ⅲ鋼作為10ГH2МФА的替代材料。

1.1.2 508-Ⅲ鋼替代10ГH2МФА的理論分析

成分方面，508-Ⅲ和10ГH2МФА的主要合金元素構(gòu)成相同，成分含量相近。508-Ⅲ的Ni含量名義值為0.50～0.80%，10ГH2МФА的Ni含量名義值為1.80～2.30%，508-Ⅲ比10ГH2МФА的Ni含量略低。Ni是奧氏體穩(wěn)定化元素，相對10ГH2МФА而言，508-Ⅲ鋼界面層產(chǎn)生馬氏體的風險更大。508-Ⅲ的C含量名義值為≤0.22%，10ГH2МФА的Ni含量名義值為0.08～0.18%，可以推斷，508-Ⅲ鋼的強度比10ГH2МФА大，耐蝕性相對低。

組織方面，508-Ⅲ鋼為鑄造件，10ГH2МФА為管件，兩者雖制造方式不同，但最終經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，獲得的組織為粒狀貝氏體。

性能方面，508-Ⅲ的常溫和高溫抗拉強度σb和屈服強度σ0.2比10ГH2МФА略高，力學(xué)性能基本相當；壓水堆核電廠中，壓力容器筒體內(nèi)壁須堆焊不銹鋼耐蝕層，即在508-Ⅲ基體上堆焊309L/308L耐蝕層，該工藝應(yīng)用與10ГH2МФА低合金鋼基體上堆焊不銹鋼耐蝕層十分相近，同時，壓力容器筒體管嘴這一典型結(jié)構(gòu)是壓力容器與一回路管道的連接部件，壓力容器管嘴與一回路管道結(jié)構(gòu)有相似之處（管道形狀、局部尺寸），且應(yīng)用工況類似，兩者具有相似的工藝及結(jié)構(gòu)形式的代表性應(yīng)用。

508-Ⅲ鋼與10ГH2МФА屬同系別材料，成分基本相同，組織一致，力學(xué)性能水平相當，具有相似的工程應(yīng)用。

1.2 覆層材料選擇

覆層材料為04Х20Н10Г2Б，屬347類不銹鋼焊材。該材料是以Nb做穩(wěn)定化元素的穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼焊材。其化學(xué)成分見表2。

1.2.1 初步篩選

目前，核電廠反應(yīng)堆一回路因其特殊工況，尚無采用以Nb作為穩(wěn)定化元素的奧氏體不銹鋼焊材的工程應(yīng)用。由ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范國際性規(guī)范第Ⅱ卷材料C篇《焊條、焊絲及填充金屬》（2007版），根據(jù)名義焊縫化學(xué)成分初步篩選出ER347（焊絲）、ER347Si（焊絲）和E347TX-X（焊條）三類候選不銹鋼焊材。結(jié)合我國現(xiàn)行焊材標準GB/T17853-1999和YB/5092-2005，根據(jù)名義焊縫化學(xué)成分初步篩選出E309LNbT0-3（藥芯焊絲）、H08Cr20Ni10Nb（焊絲）和H06Cr19Ni10TiNb（焊絲）三類候選不銹鋼焊材。

從化學(xué)成分來看，E309LNbT0-3的Cr含量和Ni含量均明顯高于進口焊材的名義含量，而H06Cr19Ni10TiNb則比進口焊材多添加了奧氏體穩(wěn)定化元素Ti，其他幾種焊材與進口焊材一樣，添加Nb作為奧氏體穩(wěn)定化元素。

綜上，候選的ASME焊材ER347、ER347Si和E347TX-X和國產(chǎn)焊材H08Cr20Ni10Nb較為符合替代標準。其中，國產(chǎn)不銹鋼焊材H08Cr20Ni10Nb是ASME焊材ER347的對應(yīng)國產(chǎn)牌號，可以與ER347視為同種焊材。

ER347、ER347Si與進口焊材同為焊絲，優(yōu)先選用ER347、ER347Si；在其他化學(xué)成分和名義含量基本相同的條件下，ER347的Si含量相對ER347Si更為接近進口焊材。

ER347更適宜作為進口焊材04Х20Н10Г2Б的國產(chǎn)化替代材料。

1.2.2 ER347替代04Х20Н10Г2Б的理論分析

成分方面，ER347與04Х20Н10Г2Б同屬以Nb做穩(wěn)定化元素的穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼焊材，主要合金元素Mn、Cr、Ni、Nb相同且含量基本相當，舍夫勒組織同為奧氏體+馬氏體雙相且配比相同（A+（10～20）%F）。

工程應(yīng)用經(jīng)驗方面，我國核電廠和軍用核動力裝置蒸汽發(fā)生器傳熱管采用的是321系不銹鋼材料，該材料是以Ti為穩(wěn)定化元素的奧氏體不銹鋼材料，性能上與347類不銹鋼具有可比性?？梢酝茢啵?47類材料亦可應(yīng)用于反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)。

ER347與04Х20Н10Г2Б屬同類別焊材，成分基本相同，在我國無實際工程應(yīng)用經(jīng)驗。

2 國產(chǎn)復(fù)合鋼管件的制備和性能考驗

在508-III鋼板試件上采用自動氬弧焊方法進行ER347不銹鋼覆層的堆焊，獲得國產(chǎn)復(fù)合鋼試件。通過各項性能考驗實現(xiàn)國產(chǎn)復(fù)合鋼管件對進口復(fù)合鋼管件可替代性的論證。按照GB/T3323的要求對覆層進行了X射線檢測，檢測結(jié)果滿足I級焊縫質(zhì)量要求。

國產(chǎn)復(fù)合鋼試件的外觀、尺寸、滲透、射線、超聲檢驗結(jié)果均滿足進口管件的各項技術(shù)指標要求，滲透、射線、超聲檢驗未見缺陷顯示。

國產(chǎn)試件和進口試件的堆焊層熔敷金屬化學(xué)成分分析結(jié)果基本一致，滿足進口技術(shù)指標要求。

國產(chǎn)試件的宏觀金相均未發(fā)現(xiàn)裂紋及堆焊層與母材的未熔合，或焊道與焊道之間的未結(jié)合、未熔合。在200倍的顯微鏡下進行微觀金相檢驗，檢驗結(jié)果顯示：兩組堆焊層熔敷金屬側(cè)無顯微裂紋和析出物，母材側(cè)也無淬火形成的顯微裂紋和異常組織；進口復(fù)合鋼管覆層熔區(qū)有夾雜物，且覆層與合金鋼基體交界熔合線上出現(xiàn)大量滲碳體魏氏體，其HAZ出現(xiàn)淬火組織。兩者微觀金相照片對比見圖2所示。

3 結(jié)論

通過對進口復(fù)合鋼管開展國產(chǎn)替代材料篩選和替代制件制備，完成了國產(chǎn)復(fù)合鋼管的堆焊制備；通過與進口復(fù)合鋼管各項性能對比，完成了國產(chǎn)復(fù)合鋼管制件的性能評價。主要結(jié)論如下：

（1）508-Ⅲ鋼、ER347焊材分別具有與10ГH2МФА和04Х20Н10Г2Б相當?shù)某煞帧⒔M織、性能和工程應(yīng)用經(jīng)驗；

（2）采用508-Ⅲ鋼上堆焊ER347的工藝，可制備出與進口復(fù)合鋼管件各項性能相當?shù)墓芗?/p>

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[責任編輯：湯靜]