AP1000核電汽輪機(jī)主要部件選材分析

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

目前在建的1 000 MW等級(jí)核電站主要有以下四種類型：法國(guó)法馬通核能公司的EPR，日本東芝公司的AP1000(2006年該公司收購(gòu)了美國(guó)西屋核電公司)，在原二代反應(yīng)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(dòng)安全系統(tǒng)，是目前最先進(jìn)的核電技術(shù)之一。AP1000核電汽輪機(jī)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(jī)溫度低，流量大，濕度大，在材料選擇上除滿足構(gòu)件的強(qiáng)度要求外，還必須考慮濕蒸汽對(duì)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(guó)內(nèi)外核電汽輪機(jī)選材的基礎(chǔ)上，對(duì)某型AP1000核電汽輪機(jī)主要部件選材特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析，為該型汽輪機(jī)主要部件選材的進(jìn)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(jī)組低壓轉(zhuǎn)子相差無(wú)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?jī)H200 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(jī)低壓轉(zhuǎn)子的化學(xué)成分。從表1可以看出，AP1000低壓轉(zhuǎn)子30Cr2Ni4MoV對(duì)P、S、Sn、As、Sb等有害元素的限制有著非常嚴(yán)苛的要求，相當(dāng)于超純低壓轉(zhuǎn)子的要求。

表1 化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)[3]

1.2 核電低壓轉(zhuǎn)子飛射物問(wèn)題

對(duì)于核電機(jī)組而言，飛射物是極其危險(xiǎn)的，會(huì)造成災(zāi)難性的事故發(fā)生。因此，核電站非常重視機(jī)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(jī)理評(píng)估低壓整鍛轉(zhuǎn)子飛射物發(fā)生概率：(1)應(yīng)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(rèn)為會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生飛射物。下面分別分析AP1000汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子每種破壞機(jī)理的預(yù)防措施。

1.2.1 應(yīng)力腐蝕斷裂預(yù)防

對(duì)于核電汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子而言，應(yīng)力腐蝕是需要特別注意的問(wèn)題。主要有三個(gè)因素影響部件發(fā)生應(yīng)力腐蝕：材料屈服強(qiáng)度、工作應(yīng)力水平和工作環(huán)境。由于核電汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在濕蒸汽環(huán)境下運(yùn)行，腐蝕環(huán)境是不可避免的，因此只能通過(guò)調(diào)整材料屈服強(qiáng)度和工作應(yīng)力水平來(lái)提高轉(zhuǎn)子的抗應(yīng)力腐蝕能力。

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

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

2)應(yīng)力腐蝕與工作應(yīng)力密切相關(guān)，工作應(yīng)力越大，則應(yīng)力腐蝕傾向越大。AP1000核電汽輪機(jī)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(yīng)力集中問(wèn)題。

紅套結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子曾發(fā)生過(guò)應(yīng)力腐蝕裂紋問(wèn)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(jī)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(yīng)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(gè)部件按正確的工藝程序冷卻后，會(huì)在表面區(qū)域出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力；

2)對(duì)輪盤的輪轂、腹板和葉片槽進(jìn)行噴丸處理，消除機(jī)械加工產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力，在轉(zhuǎn)子表面形成壓應(yīng)力；

3)對(duì)所有的軸頸、軸向鍵槽和低壓葉片根頸進(jìn)行滾壓，使其表面產(chǎn)生壓應(yīng)力。

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

1.2.2 脆性斷裂預(yù)防

無(wú)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(guò)程中的缺陷不可避免。大量的工程經(jīng)驗(yàn)也表明，很多部件的工作應(yīng)力雖然遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，但仍然會(huì)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(kuò)展能力的性能指標(biāo)。為了防止轉(zhuǎn)子發(fā)生脆性斷裂，發(fā)生飛射物問(wèn)題，核電汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)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(shí)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(jī)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(huì)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(shí)危害更大，因此AP1000轉(zhuǎn)子對(duì)雜質(zhì)元素含量控制極其嚴(yán)格，P、S、Sn、As、Sb等有害元素的含量要求極低，相當(dāng)于超純轉(zhuǎn)子的要求。

2)嚴(yán)格控制成分偏析。在鋼錠的凝固過(guò)程中，由于各個(gè)元素的熔點(diǎn)不同，因此它們的凝固速度不同，這使得鋼錠的化學(xué)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(fēng)險(xiǎn)。AP1000汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在冶煉過(guò)程中需要嚴(yán)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(guò)添加適量的合金元素解決。AP1000核電汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的尺寸和質(zhì)量都很大，通過(guò)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(jí)左右，如圖2所示。斷裂韌性試驗(yàn)表明，AP1000核電機(jī)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(yù)防

從設(shè)計(jì)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(kuò)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(shè)計(jì)中，所設(shè)置的較大的安全系數(shù)能把疲勞裂縫的產(chǎn)生和增長(zhǎng)風(fēng)險(xiǎn)降到最低；(2)較大的橫向裂縫會(huì)引起偏心和巨大的振動(dòng)，可以在斷裂產(chǎn)生前通過(guò)檢修排除。而且AP1000汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子采用的3.5NiCrMoV鋼具有優(yōu)異的高周疲勞強(qiáng)度，可以避免產(chǎn)生飛射物。

1.2.4 低周疲勞斷裂預(yù)防

汽輪機(jī)飛射物可能是由于機(jī)組啟停，使裂紋擴(kuò)展而引發(fā)的，即低周疲勞斷裂。在汽輪機(jī)運(yùn)行壽命期間，裂紋可能從轉(zhuǎn)子中部產(chǎn)生，擴(kuò)展到臨界尺寸，因此脆性斷裂是轉(zhuǎn)子失效的主要因素。對(duì)此，通過(guò)嚴(yán)格控制AP1000核電汽輪機(jī)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(jī)的超聲波探傷靈敏度起始尺寸遠(yuǎn)低于火電機(jī)組，而且要求對(duì)直徑超過(guò)1.6 mm的缺陷位置、大小等進(jìn)行詳細(xì)記錄，并進(jìn)行斷裂力學(xué)分析，確保在機(jī)組壽命期內(nèi)缺陷不會(huì)擴(kuò)展至臨界尺寸。

如前所述，通過(guò)消除轉(zhuǎn)子的成分和組織偏析，嚴(yán)格限制P、S、As等雜質(zhì)元素的含量，可以使AP1000汽輪機(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(wú)需采用防腐蝕材料進(jìn)行堆焊。

AP1000汽輪機(jī)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(jìn)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(jìn)行堆焊。這種選材方案既考慮了經(jīng)濟(jì)性，又兼顧了工況條件對(duì)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(zhǎng)了制造工期。

如果汽缸壁因水蝕減薄1英寸(25.4 mm), 就要對(duì)因水蝕減薄的缸壁進(jìn)行堆焊處理。經(jīng)驗(yàn)表明：如采用碳鋼材料, 大約在機(jī)組運(yùn)行20 年后, 即在汽輪機(jī)機(jī)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(jī)機(jī)組壽命期40年的最后幾年可能也需要進(jìn)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(jī)組壽命期內(nèi)不必因水蝕而做堆焊修理[4]。但是由于熱應(yīng)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(yán)重?fù)p害汽缸中分面的密封性能，影響機(jī)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(jìn)行堆焊。

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

雖然也有核電機(jī)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(jī)組高壓隔板套、內(nèi)汽封便是采用不銹鋼制造的。

3 動(dòng)靜葉片

3.1 動(dòng)靜葉片材料

AP1000核電汽輪機(jī)高壓動(dòng)靜葉片均采用1Cr12Mo，低壓前幾級(jí)動(dòng)靜葉片葉采用1Cr12Mo鋼，后幾級(jí)動(dòng)葉采用0Cr17Ni4Cu4Nb制造，后幾級(jí)靜葉采用ZG0Cr19Ni9不銹鋼精密鑄造工藝制造。

AP1000核電汽輪機(jī)低壓末級(jí)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(jī)末級(jí)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(yùn)行特點(diǎn)，采用?；O(shè)計(jì)及綜合優(yōu)化的方法開(kāi)發(fā)出了72英寸(1 828.8 mm)的末級(jí)動(dòng)葉片。

3.2 動(dòng)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(qiáng)度、塑韌性和熱強(qiáng)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(yùn)行方面的經(jīng)驗(yàn)豐富，是國(guó)內(nèi)外常用的汽輪機(jī)葉片材料。

0Cr17Ni4Cu4Nb屬于沉淀硬化不銹鋼，在具有高強(qiáng)度的同時(shí)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(guó)內(nèi)外廣泛使用的大型汽輪機(jī)末級(jí)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(jí)靜葉，其上還有去濕槽設(shè)計(jì)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(duì)于汽輪機(jī)緊固件材料，除了常溫力學(xué)性能要求外，材料還應(yīng)有滿意的熱強(qiáng)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(jī)制造中人們對(duì)熱強(qiáng)性不予考慮，而將缺口敏感性視為緊固件材料的重要力學(xué)性能。缺口敏感性指材料存在缺口時(shí)應(yīng)力集中的狀況，表征材料抵抗裂紋萌生和擴(kuò)展的能力。螺栓螺紋就相當(dāng)于缺口，在缺口根部造成應(yīng)力集中，易導(dǎo)致高強(qiáng)度低塑性材料的脆性破壞。由于螺栓主要是在拉應(yīng)力狀態(tài)下工作，汽輪機(jī)運(yùn)行中腐蝕產(chǎn)物在螺紋根部的沉積又將促使應(yīng)力腐蝕破壞，這是螺栓失效的一個(gè)重要形式，因此特別要求核電汽輪機(jī)緊固件材料具備良好的強(qiáng)度和塑韌性綜合指標(biāo)，具備較低的缺口敏感性和較高的抗拉應(yīng)力腐蝕能力。

核電汽輪機(jī)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(jī)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(jī)處在濕蒸汽工況中，在長(zhǎng)期運(yùn)行之后螺栓螺母可能生銹咬死，也可能因此產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕而導(dǎo)致斷裂失效。所以，應(yīng)當(dāng)對(duì)這類緊固件進(jìn)行表面防護(hù)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(jī)高壓缸中分面螺栓直徑達(dá)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(wèn)題，性能難以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)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(guó)內(nèi)外核電汽輪機(jī)選材的基礎(chǔ)上，對(duì)AP1000核電汽輪機(jī)關(guān)鍵零部件選材進(jìn)行了分析，結(jié)論如下：

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

2)AP1000核電汽輪機(jī)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(jìn)行堆焊，低壓隔板套采用碳鋼鑄件，并采用奧氏體不銹鋼進(jìn)行堆焊，這樣兼顧了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)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(jī)汽缸改用2.25Cr-1Mo鑄鋼制造。

3)對(duì)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(jī)關(guān)鍵零部件均采用具有成熟制造經(jīng)驗(yàn)和豐富運(yùn)行業(yè)績(jī)的材料，完全能夠有效保證機(jī)組長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行。為了進(jìn)一步對(duì)選材進(jìn)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(jí)。