第三代核電鍛造主管道用奧氏體不銹鋼的性能對比和分析

王 放 蓋仁濤 漆向前 郭 建 陳紅宇

(1．中廣核工程有限公司，廣東518124；2．二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618013；3．國家能源極端裝備虛擬制造重點實驗室，四川618013)

隨著我國新建核電項目的重啟和核電安全性的需要，我國新核準建設(shè)的三代壓水堆技術(shù)主要包括國家電投開發(fā)的CAP1000CAP1400、中核華龍一號和中廣核華龍一號。壓水堆核島一回路主管道是連接反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器和主循環(huán)泵的大型厚壁承壓管道，是核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)輸出堆芯熱能、形成封閉回路的“大動脈”[1]。為提高核電站運行時的安全性，降低在役檢查工作量，三代核電主管道在設(shè)計時均采用奧氏體不銹鋼整體鍛造結(jié)構(gòu)。

本文根據(jù)第三代壓水堆核電站核島一回路主管道的服役環(huán)境和性能要求，對國內(nèi)三代核電鍛造主管道用奧氏體不銹鋼316LN、X2CrNiMo18.12(控氮)、X2CrNi19.10(控氮)的性能進行了對比，分析了不同材料的工藝性能、使用性能的優(yōu)缺點，為第三代壓水堆核電站核島一回路主管道的設(shè)計、制造、安裝、在役檢查和壽命評估提供參考。

1 工況環(huán)境和性能要求

1.1 工況環(huán)境

1.2 性能要求

我國目前采用的三代核電技術(shù)采用ASME標準或RCC標準進行設(shè)計、設(shè)備制造和建造，其中CAP1000CAP1400采用ASME標準，主管道材料標準采用ASME第二卷A篇SA-376 TP316LN；中核、中廣核開發(fā)的華龍一號采用RCC標準，主管道材料標準采用RCC-M篇M3321 X2CrNiMo18.12(控氮)或X2CrNi19.10(控氮)。采用的材料標準雖然不同，但標準和采購技術(shù)規(guī)范要求的性能檢驗項目基本相同，主要包括室溫拉伸、350℃高溫拉伸、室溫沖擊、壓扁試驗、晶間腐蝕、晶粒度、金相組織、夾雜物等。

(1)強度、塑性和韌性

由于四種機型設(shè)計溫度、設(shè)計壓力基本相同，設(shè)計對室溫強度、高溫強度、塑性和韌性要求基本相同，兩種標準對室溫拉伸、高溫拉伸和室溫沖擊性能要求見表1。

(2)抗晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕性能要求

表1 力學(xué)性能要求對比表Table 1 Comparison of mechanical property requirements

表2 鍛造主管道材料成品化學(xué)成分要求(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 2 Chemical composition requirements of finished forged main pipeline(mass fraction, %)

主管道工作時長期受到反應(yīng)堆冷卻劑介質(zhì)的腐蝕，現(xiàn)場焊接過程中，主管道熱影響區(qū)和焊縫區(qū)會在480～820℃之間停留，處于碳化鉻的析出區(qū)間，具有產(chǎn)生晶間腐蝕的風險，要求材料具備抗晶間腐蝕能力。反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、主泵等主設(shè)備靠主管道連接，現(xiàn)場組焊過程中，設(shè)備之間雖然可以平動補償熱收縮，但仍在拘束狀態(tài)下進行的焊接，焊接過程產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，在長期服役過程中，殘余應(yīng)力和介質(zhì)腐蝕的疊加，容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕[3]。

(3)抗輻照脆化性能要求

二代鑄造主管道的輻照脆化研究表明，δ鐵素體的調(diào)幅分解是引起主管道熱老化的主要原因，伴隨調(diào)幅分解的進行，富Cr的α′相、富Ni和Si的G脆性相在鐵素體內(nèi)和位錯線上析出，鐵素體內(nèi)的調(diào)幅分解和G相的析出是熱老化脆化的主要原因[4]。從主管道選材的趨勢來看，降低母材和焊縫區(qū)的鐵素體含量是主管道選材的趨勢。

2 性能對比和分析

2.1 化學(xué)成分

316LN、X2CrNiMo18.12(控氮)和X2CrNi19.10(控氮)同屬Cr-Ni奧氏體不銹鋼，316LN和X2CrNiMo18.12(控氮)化學(xué)成分相近，屬316系列奧氏體不銹鋼，X2CrNi19.10(控氮)屬304系列奧氏體不銹鋼，三種鋼的化學(xué)成分要求見表2。

2.2 強度、塑性和韌性對比

不銹鋼屬于特殊鋼的范疇，力學(xué)性能指標和抗腐蝕能力是特殊鋼追求的雙重目標。從表1和表2可以看出，316LN不銹鋼由于N含量較高，不論是強度、塑性、韌性均較好，余量較大。X2CrNiMo18.12(控氮)不銹鋼N含量雖低一些，但添加了Mo元素，力學(xué)性能也有一定余量。

2.3 抗晶間腐蝕能力

影響不銹鋼晶間腐蝕能力的主要因素是合金中的C元素含量，從表2可以看出，316LN中C含量要求最低，抗晶間腐蝕能力最好。X2CrNiMo18.12(控氮)和X2CrNi19.10(控氮)中C含量要求≤0.035%，也達到了RCC-M標準免做晶間腐蝕試驗的條件。

2.4 抗熱老化能力

δ鐵素體含量是影響熱老化能力的主要原因，結(jié)合圖1不銹鋼德龍圖和圖2平衡態(tài)Fe-C熱力學(xué)分析[5]以及生產(chǎn)實際，可以看出316LN母材中不含δ鐵素體，X2CrNiMo18.12(控氮)母材中含少量或不含δ鐵素體，X2CrNi19.10(控氮)中要含5%以上的鐵素體，316LN不銹鋼抗熱老化能力最好。

圖1 不銹鋼德龍圖Figure 1 Delong diagram of stainless steel

2.5 現(xiàn)場安裝焊接工藝性能對比

奧氏體不銹鋼的材料特性決定了其在現(xiàn)場焊接局部加熱和冷卻條件下容易產(chǎn)生拉應(yīng)力裂紋。316LN母材中不含δ鐵素體，X2CrNiMo18.12(控氮)母材僅含極少量δ鐵素體，X2CrNi19.10(控氮)母材僅含少量δ鐵素體，δ鐵素體由于能夠溶解更多的雜質(zhì)元素，塑性較好，能夠緩解焊接裂紋的產(chǎn)生，所以X2CrNi19.10(控氮)的焊接性能最好。

圖2 平衡態(tài)Fe-C熱力學(xué)分析Figure 2 Thermodynamic analysis of equilibrium Fe-C

2.6 主管道制造工藝難點對比

第三代核電鍛造主管道的制造難點主要包括冶煉、鍛造、彎曲成形和固溶熱處理。在冶煉方面，316LN、X2CrNiMo18.12(控氮)和X2CrNi19.10(控氮)三種材料冶煉難度相當，主要是冶煉過程C、N以及殘雜元素的控制。在鍛造方面，主要是鍛造裂紋和晶粒度的控制，其中X2CrNi19.10(控氮)鍛造過程會存在少量的δ鐵素體，但對鍛造性能影響不大，三種材料的鍛造難度相當。在彎曲成形方面，R=1.5D彎管冷彎成形需要的最大延伸率理論為33%，三種材料的實際延伸率約60%，塑性均滿足冷彎成形需要。在固溶熱處理后的性能保證方面，316LN和X2CrNiMo18.12(控氮)力學(xué)性能表現(xiàn)出較大的富裕量，X2CrNi19.10(控氮)雖然能夠滿足要求，但由于不含Mo元素，高溫強度較低，要滿足高溫強度指標要求，必須嚴格控制晶粒度、化學(xué)成分和固溶熱處理參數(shù)。

3 結(jié)論

通過對國內(nèi)三代核電鍛造主管道用奧氏體不銹鋼316LN、X2CrNiMo18.12(控氮)、X2CrNi19.10(控氮)的各項性能進行對比，全面分析了三種材料的工藝性能、使用性能的優(yōu)缺點。316LN和X2CrNiMo18.12(控氮)作為第三代壓水堆鍛造主管道的材料，在強度、塑性、韌性、抗晶間腐蝕能力、抗熱老化能力方面具有明顯的優(yōu)勢，是三代核電鍛造主管道目前最合適的選材。