鍋爐鋼及核電用鋼的特點
1 鍋爐鋼及核電用鋼
核電裝置用材料 , 與以往的化工設(shè)備等相比 , 要求很特殊的安全性和可靠性。由于核反應(yīng)而產(chǎn)生各種苛刻環(huán)境 ,所使用的金屬材料也各種各樣 , 而且對有關(guān)材料的研究、開發(fā)特別活躍。
鍋爐鋼主要指用來制造過熱器、主蒸汽管和鍋爐火室受熱面用的材料。鍋爐受壓元件所使用的鋼材 , 其性能好壞對保證鍋爐安全運行至關(guān)重要。鍋爐在制造過程中受到各種加工 （ 冷加工成形、焊接等 ）， 在運行時 , 受到鍋內(nèi)水與蒸汽的壓力作用 , 同時又受到火焰或煙氣的烘烤或沖刷 , 以及鍋水和煙氣中有害物質(zhì)對鋼材的腐蝕 , 其工作條件惡劣。因此 , 對鍋爐用鋼材要求比較嚴格 , 普通鋼材是不能用于鍋爐受壓元件的。所以說 , 鍋爐鋼和核電用鋼有很大的共同點。
2 鍋爐鋼及核電用鋼的特點
鍋爐雖然是承受一定溫度的受壓設(shè)備 , 但冷脆性也是一個值得注意的現(xiàn)實問題 ; 鍋爐受壓元件在制造和檢修時要進行水壓試驗 , 試驗水溫過低時 , 可能使鋼材出現(xiàn)冷脆性。鍋爐構(gòu)架 , 特別是露天布置的鍋爐鋼制構(gòu)架 , 在較低的環(huán)境溫度下工作時，也可能發(fā)生冷脆現(xiàn)象。
人們雖然對冷脆現(xiàn)象進行了大量的實驗和研究 , 但對冷脆現(xiàn)象的本質(zhì)和原因仍未獲得深入的了解和一致的觀點 ,只是大體上獲得了避免冷脆性的具體方法 : 即通過實驗找出鋼材的“冷脆臨界轉(zhuǎn)變溫度”， 保證鋼材在制造、使用和維護中的溫度高于這個溫度。
冷脆臨界轉(zhuǎn)變溫度。指鋼材的沖擊韌性明顯下降時相應(yīng)的溫度。實際上它不是一個具體的溫度數(shù)值 , 而是一個溫度區(qū)間 , 隨材料、試件、試驗方法等的不同而有不同的數(shù)值。
對鍋爐受熱受壓元件選用材料的考慮 , 不僅僅是一般意義上的強度、抗腐蝕、抗氧化性能中的某一項技術(shù)指標 ,而是尋求一種具有保證機組安全可靠運行的、并具備優(yōu)良工藝性能和良好質(zhì)價比的材料。
2.1低合金鋼（壓力容器用）
因為核反應(yīng)堆特別要求安全性 , 所以選材時重視使用業(yè)績。例如 , 美國初期廣泛使用發(fā)電鍋爐和石化壓力容器上使用的ASTMA212Gr.B。但是，這一鋼種，因為提高蠕變特性 , 所以 , 板愈厚韌性就愈差 , 同時強度也低。因此 , 采用具有相同鍋爐用鋼系列的經(jīng)正火 - 回火處理后使用的 Mn-Mo 系列 ASTMA302Gr.B鋼。但因 A302Gr.B 鋼韌性也隨著板厚的增加而惡化 , 加 Ni 改善韌性 , 改變?yōu)榇慊?- 回火的熱處理來改善性能 , 而作為AS533B 鋼 , 現(xiàn)在積累了一些業(yè)績。為了對應(yīng)反應(yīng)堆壓力容器的大型化 , 作為高強度、高韌性的鋼材 , 在 ASME 第八卷中規(guī)定了從 AS533B.C1.1 到 AS533B.C1.3 的 鋼 號 更 高 強 度 的 Cr-M 系 的AS542 鋼及 Ni-Cr-Mo 鋼的使用在法規(guī)上也認可 , 但沒有實用業(yè)績。
2.2輕水堆用不銹鋼的特征
使用性能上的要求有 :（1） 耐蝕性 ;（2） 機械性能 ;（3） 焊接性能、加工性能 ;（4） 輻射性能 （ 中子吸收斷面積、感應(yīng)放射能、輻射損傷 ） 等。
因為對輕水堆進行了含雜質(zhì)極低的水質(zhì)管理 , 所以對輕水堆的腐蝕環(huán)境要求不是特別嚴格的 , 可是和一般鍋爐不同 , 從放射能這一點看 , 對輕水堆的修補和替換幾乎是不可能的 , 而且由于腐蝕產(chǎn)物使放射能轉(zhuǎn)移等原因 , 要求腐蝕許用度極低。由高溫水中各種材料的腐蝕速度 , 可知奧氏體系不銹鋼有優(yōu)越的耐蝕性。可是，應(yīng)力腐蝕裂紋是個問題，是引起應(yīng)力腐蝕裂紋的氯離子和溶存氧的極限量 , 實際上在反應(yīng)堆上產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的事例已有報導(dǎo)。
2.3結(jié)構(gòu)用不銹鋼
快中子增殖反應(yīng)堆 （FBR） 的結(jié)構(gòu)材料要求高安全性和可靠性 , 所以重視使用業(yè)績。為此 , 在化工設(shè)備上使用業(yè)績多 , 而且可焊性、加工性好的 304 或者316 系奧氏體系不銹鋼是 FBR 的主要機器上使用的材料。
一般的核電站均由一回路和二回路組成 , 二回路是常規(guī)設(shè)備 , 而一回路則是核設(shè)備 , 它由壓力殼、穩(wěn)壓器、蒸發(fā)器和主泵等部件組成 , 這些部件在高溫高壓下長期工作核電站的設(shè)計壽命是 40年 （32 個有效運行年 ）， 壓力殼容器的活性區(qū)部分還要承受強烈的中子輻照作用 , 因而會使鋼材的沖擊韌性降低、零塑性轉(zhuǎn)變溫度升高 , 甚至有造成容器破裂的危險。因此 , 一般來講 , 核電用鋼必須具備如下特點 :
（1） 在室溫和工作溫度條件下具有合適的強度和高韌性及盡可能低的脆性轉(zhuǎn)變溫度 （TNDT）；（2） 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 ;（3） 具有良好的可焊性和冷熱加工性 ;（4） 在工作溫度下具有最大的組織穩(wěn)定性 ;（5） 有足夠的大截面淬透性和厚斷面組織性能均勻性 ;（6） 應(yīng)具有高的疲勞強度 ;（7） 合理的經(jīng)濟性。
反應(yīng)堆壓力容器所用材料的質(zhì)量檢驗要求按 ASTME208 標準中規(guī)定進行落錘試驗 , 以測定無塑性轉(zhuǎn)化溫度 （NotDuctilityTransitionTemperature）， 簡稱 NDT,其代表含有微小裂紋的試件無塑性變形破壞的最高溫度 , 是確定材料的脆 - 塑性轉(zhuǎn)化溫度曲線下平臺重要的特性溫度 , 是工程上廣泛應(yīng)用的一種動態(tài)轉(zhuǎn)變溫度指標。隨著國產(chǎn)核電材料的開發(fā) ,NDT 的準確測定就顯得更為重要 ,因為反應(yīng)堆壓力容器各部件都要求有較高的抗脆斷性能 , 以保證受核輻射時不產(chǎn)生脆斷 , 提高安全性。
NDT 的測定 , 在斷裂力學(xué)中 , 是評價材料設(shè)計斷裂韌性值 K 的基準溫度。所以說 ,NDT 不僅表示材料防止脆斷傾向 , 而且是進行彈塑性力學(xué)評價的重要指標參數(shù) , 落錘試驗法測定 NDT 的準確與否對評價核能結(jié)構(gòu)件是起重要作用的。
3 鍋爐用鋼國內(nèi)外情況
3.1國外現(xiàn)狀
國外電站鍋爐用鋼早已經(jīng)形成系列化。
高壓鍋爐管 , 早期用鋼系列是從碳鋼、 碳 錳 鋼 （20G、ST45.8、SA210Al/C 或 106B/C）， 低 合 金鉻 （ 鉬 ） 鋼 （SA209T1a,15Mo3、SA213MT2、T/Pl2/13CrMo44、T/P22/德 國 10CrMo910/ 俄 羅 斯 的 12Cr1MoV等 ）， 中合金鉻鉬鋼 （9-12Cr% 型 , 如TP9、T/P91 等 ）， 奧氏體鋼 （TP304H、TP347H）， 形成了完整的用鋼系列 , 基本上滿足了從低參數(shù)到高參數(shù)機組不同檔次的鍋爐鋼管的使用要求。
由于參數(shù)的提高 , 為了適應(yīng)超（ 超 ） 臨界機組的發(fā)展需求 , 國外 （ 特別是日本和德國 ） 經(jīng)過 30 多年的研究、開發(fā)、試驗、應(yīng)用 , 新型的鍋爐用鋼系列發(fā)生了一些變化 , 增添了一 些 新 成 員 , 變 成 了 從 碳 鋼 （20G、ST45.8、SA210Al/C 或 106B/C）， 低合 金 （ 鉻 ） 鉬 鋼 （SA209T1a、15Mo3、SA213MT2、T/P12/13CrMo44、T/P22/德國 10CrMo910/ 俄羅斯的 12Cr1MoV、T/P23、T/P24 等 ）， 中 合 金 鉻 鉬 鋼（9-12Cr% 型 , 如 T/P9、T/P91、T/P92、T/P122 等 ）， 奧氏體鋼 （TP304H、TP347H、TP347HFG、SUPER304H、HR3C、NF709 等 ）。這些新鋼種的特點是 : 基本上都是在 T91,TP304H,TP347H以及 25-20 奧氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上添加Nb,W,V,Ti,N,Cu,B 等強化元素 , 其綜合性能較以前的鋼種性能更為優(yōu)越 , 能夠適應(yīng)常規(guī)參數(shù)和更高參數(shù) （ 如超臨界和超超臨界 ） 壓力和溫度的機組 , 且能降低用鋼成本。
3.2國內(nèi)現(xiàn)狀
20 世紀五六十年代 , 我國采用與前蘇聯(lián)類似的鍋爐用鋼管系列 , 從低溫 到 高 溫 是 20G-12CrMoG-15CrMoG-12Cr1MoVG。
20世紀六七十年代 , 國 內(nèi) 研制 開 發(fā) 了 G102 等 鋼 , 成 功 地 應(yīng) 用于 200MW ～ 300MW 鍋 爐 中 , 形成 了 20G-12CrMoG-15CrMoG-12Cr1MoVG-G102 的用鋼系列 （ 在此期間也引進了一些德國牌號如 :St45.8、10CrMo910、HT7、F11 等 ）。
20世紀七八十年代 , 引進了美國CE 公司的 300MW/600MW 亞臨界設(shè)計和制造技術(shù) , 并引進了相應(yīng)的鋼種 , 基本上采用 ASME/ASTM 用鋼系列 , 鍋爐用管的系列為 :SA210Al/C、SA106B/C、0.5Mo、1Cr0.5Mo、2.25Cr1Mo、G102-T/P91-TP304-H、TP347H。
我國自然能源資源中 , 約 80% 的煤炭集中在西北部和北部 ; 約 70% 的水利資源分布在西南部。人口稠密、經(jīng)濟發(fā)展較快、對電力需求較高的東部和東南沿海地區(qū) , 則自然能源資源極其匱乏。經(jīng)濟發(fā)展較快的東部和東南部沿海地區(qū)電力供需矛盾更為突出 , 而且導(dǎo)致“西電東運 , 北煤南運”以及煤電對環(huán)境保護造成的壓力。由于長距離運輸煤去沿海地區(qū)發(fā)電致使 48% 的鐵路運輸能力和 25% 的公路運輸能力被占 , 不僅使發(fā)電成本增加 , 而且加重該地區(qū)常規(guī)電廠對環(huán)境的污染。在沿海地區(qū)已投入運行的秦山和大亞灣核電站良好的安全記錄和取得的經(jīng)濟效益表明 , 核電能滿足電力需求的合理選擇、優(yōu)化局部地區(qū)能源結(jié)構(gòu)。積極推動沿海地區(qū)核電發(fā)展 , 必將大大緩解運輸緊張 , 有利控制CO 2 排放和減少大氣污染 , 促進國民經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展。截止 1994 年底 , 全世界有 437 座核電反應(yīng)堆總共 350GW 以上在 31 個國家與地區(qū)運行。法國的核電事業(yè)比美國起步晚 , 近 3/4 的電力來自核電廠而沒有發(fā)生過一次嚴重事故 , 現(xiàn)已開始 1400MW 機組的建設(shè)。秦山正在建設(shè)的 2 臺 CANDU-6 核電機組是基于成熟的設(shè)計 ;CANDU 堆使用天然鈾和不停堆換料的特點分別帶來了燃料供應(yīng)的獨立性和高容量因子。蒸汽發(fā)生器是核電廠運行中事故較多的一項設(shè)備 , 它的安全可靠性受到廣泛的注意和重視。A508-3 鋼從其主合金元素和碳含量來看 , 它是低碳合金鋼。由于該鋼強度適中，塑韌性良好，可鍛性和可焊性甚好，中子輻照敏感性低 , 使其在核電建設(shè)中顯示出獨特的優(yōu)越性。
從核電用鋼的發(fā)展歷史和目前發(fā)展趨勢來看 , 核電用鋼正沿著一條低強度→中強度→高強度→超高強度的路線發(fā)展。例如 , 美國早期曾采用屈服強度為 270MPa 的 SA212-B 低強度鋼 , 后來采用 T 屈服強度為 350MPa 的 3028 和SA533B-1 中強度鋼 , 接著又在核潛艇耐壓殼體用鋼和高壓容器鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展了屈服強度為 600MPa 的 SA543-SA542 高強度鋼 , 目前又在積極著手為開發(fā) 900 ～ 1400MPa 級的超高強度用鋼積累資料。在成分選擇方面 , 核電用鋼主要分為碳鋼及合金鋼兩大領(lǐng)域 , 其中由于在核電站內(nèi)部的特殊環(huán)境 , 鋼板在具有較好的強度、韌性匹配的同時 , 更為主要的是還要承受長期的中子輻射作用，而一般來講，鋼中的合金元素越多，其體現(xiàn)出的整體抗中子輻射作用就越弱 , 世界各國廣泛認同的是 Mn-Ni-M。系低合金高強度鋼 , 它是在 Mn-M。的基礎(chǔ)上加 Ni 而發(fā)展起來的 , 比 Mn-M。型低合金鋼韌性好。為了獲得比較滿意的淬透性 , 并保證鋼板各項性能能夠達到規(guī)定的要求 , 世界各國對鋼的成分范圍均做了不同程度的調(diào)整 , 但其基本性能相差無幾。國際上較為典型的核電用鋼主要有美國的 A508-3、A533（B,D）、德國的 BHW35、法國的 16MND5 和日本的 SFVV3 等。
我國的核電用鋼自 1973 年開始研制 , 最初它是在國產(chǎn)的 Mn、Mo、Nb 鋼種上添加 0.6% ～ 0.9% 的 Ni 改進而成的 , 命名為 S271 鋼。但隨著核電用鋼的不斷發(fā)展 , 針對核電建設(shè)不同部位的特殊要求均分別進行相應(yīng)鋼種的成分設(shè)計及選材。尤其在近幾十年內(nèi)我國的核電事業(yè)隨著國內(nèi)經(jīng)濟的高速發(fā)展也取得了長足的進步 ,2003 年 , 我國共有 9臺核電機組投入運行 , 總裝機容量為7.01×10 6 kW,2005 年隨著江蘇田灣核電站建成并投入運行 , 我國核電總裝機容量已達到 8.70×10 6 kW, 但這也僅占我國電力總裝機容量的 1.3%。另外 ,據(jù)權(quán)威部門分析 , 我國為了充分緩解國民經(jīng)濟的發(fā)展對能源需求的尖銳矛盾 ,同時解決煤炭資源不足的問題 , 目前已初步確定到 2020 年中國核電裝機容量將達到電力總裝機容量的4%甚至更多。即如果 2020 年我國電力裝機容量達到1.0×10 10 kW, 則核電的總規(guī)模將達到4.0×10 7 kW, 那么就意味著從 2005 年到 2020 年的 15 年間 , 我國將新建 30座百萬千瓦級的核電機組 , 今后 15 年中每年有 2 ～ 3 臺核電機組開工建設(shè)。由此可見 , 我國未來的核電建設(shè)任務(wù)是相當(dāng)艱巨的。但與燃煤電廠相比 , 每年將少燒 1.2×10 12 kg 燃煤 , 不僅能夠極大地保護我國現(xiàn)存的地下資源 , 造福后代 , 而且還會大大地減輕我國環(huán)境保護和運輸方面帶來的壓力。30 座核電站的相繼上馬 , 這為國內(nèi)鋼鐵企業(yè)又帶來了極大的機遇 , 而且由于眾所周知的原因 , 核電用鋼不可能從現(xiàn)行的鋼鐵市場上去采購 , 而是直接面向鋼廠訂貨 , 這也就意味著未來的核電用鋼是國內(nèi)幾大裝備精良、具有較強實力的企業(yè)之間的競爭。一般來講 , 核電用鋼主要有 3 大特點 :
（1） 供 應(yīng) 量 大 , 消 耗 鋼 材 量 巨大 ;（2） 品種、規(guī)格復(fù)雜。所需品種多達 20 多種 ;（3） 對鋼材質(zhì)量要求極為嚴格 , 具體體現(xiàn)在強度、韌性、化學(xué)成分和尺寸精度 4 個方面。
早期國內(nèi)建設(shè)的秦山核電一期工程 , 這是我國自行設(shè)計建造的第一座3.0×10 5 kW 級核電站 , 在建設(shè)過程中 ,平均每年消耗鋼材 1.0×10 7 kg 左右 , 而總共消耗鋼材約為 6.3×10 7 kg, 涉及到13 個品種、1200 種以上規(guī)格 , 而且所需鋼材均是專門與鋼廠簽訂的合同。
建設(shè)上述一座 3.0×10 5 kW 的核電站所需鋼材約為 6.3×10 7 kg, 而建設(shè)一座百萬千瓦級的核電站其用鋼量就可想而 83 知。據(jù)推測 , 生產(chǎn)一座1.0×10 6 kW 級的核電站所需鋼材至少應(yīng)在 1.5×10 8 kg, 甚至于 2.0×10 8 kg 以上 , 而其中板材的用量基本上可以達到1.5×10 7 kg 或 2.0×10 7 kg 左右。
綜上所述 , 支持核電用鋼國產(chǎn)化 ,不僅對我國具有較大的政治意義 , 同時還會為鋼廠帶來巨大的經(jīng)濟效益。
3.3國內(nèi)近期發(fā)展及存在問題
20 世紀 90 年代后期及近幾年 , 國內(nèi)鍋爐行業(yè)又從英國引進了 600MW的 亞 臨 界 鍋 爐 制 造 技 術(shù) , 從 日 本BHK 等 公 司 引 進 了 600MW 超 臨 界 和900 ～ 1000MW 超 （ 超 ） 臨界設(shè)計制造技術(shù) , 鍋爐用管的系列由低溫到高溫與爐型及參數(shù)有關(guān) , 且壁厚也極為特殊。由于是引進技術(shù)合作開發(fā) , 因而用鋼系列與國外的基本一致 , 基本上采用的是ASME/ASTM+GB5310標準的用鋼系列。
碳鋼20G、SA-210C/106C- 低合 金 鋼 0.5Cr0.5Mo（T2）- 低 合 金 鋼1Cr0.5Mo（15CrMoG、T12/P12）- 低 合金 鋼 12Cr1MoVG、T/P22 或 T/P23- 中合金鋼 9Cr（T/P91、T/P92） 或 T/P122-不 銹 鋼 18Cr8Ni（TP304H、TP347H、SUPER304H）- 不銹鋼 25Cr20Ni（HR3C）。
從系列用鋼中可以看出 , 由于機組的大型化和參數(shù)的提高 , 鍋爐過熱器及再熱器大量采用了或?qū)⒉捎玫秃辖痄?T/P23、中合金鋼 （T/P91、T/P92 或T/P122）、 不 銹 鋼 （TP304H、TP347H、SUPER304H、HR3C） 等鋼種。
長期以來 , 我國鍋爐用鋼的標準和生產(chǎn)從數(shù)量、品種規(guī)格、鋼種類型以及內(nèi)在質(zhì)量和表面質(zhì)量均不能全面滿足我國電力工業(yè)發(fā)展超 （ 超 ） 臨界機組的需求。在 GB5310-1995 版中 , 上述鍋爐用鋼管系列 （T/P23、T/P92 或 T/P122、SUPER304H、HR3C） 很多都未有列入 （ 或雖有列入 , 但也不生產(chǎn) ）， 更不用說在國內(nèi)進行生產(chǎn)（寶鋼T23除外）的問題，自然也無相應(yīng)牌號國產(chǎn)鍋爐鋼管所要求的高溫長時性能數(shù)據(jù)。以前所做的工作只是對國外鋼種進行了部分性能試驗（如SUPER304H和P23），并得到了認可。
在目前的條件下 , 從上面的用鋼系列看 , 過熱器上所用的這些鋼種除少數(shù)鋼號外 , 基本上都依賴進口。
鑒于當(dāng)前國內(nèi)發(fā)電設(shè)備市場極其火爆 , 國內(nèi)各大鍋爐制造公司的600MW 及以上的亞臨界和超 （ 超 ） 臨界鍋爐訂貨量驟增 , 相應(yīng)的鋼種需求量也呈跳躍式增長。從國外采購 , 其產(chǎn)品質(zhì)量較好滿足我國鍋爐生產(chǎn)制造的要求 , 但周期較長 , 價格昂貴 , 尤其是采購量大時。從降低國內(nèi)鍋爐生產(chǎn)企業(yè)原材料采購成本、縮短交貨周期以及振興民族工業(yè)角度等方面來說 ,都需要對上面所述鋼種進行國產(chǎn)化 ,而且也有很好的市場前景。