材料与水化学讲蒸发器材料

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1、单击此处编辑母版标题样式 单击此处编辑母版副标题样式 *1 PWR核电站蒸汽发生器材料问题 n蒸汽发生器的失效机理 n各部件的选材 蒸汽发生器 n核岛最复杂的设备之一 q一次侧设计压力 17.2MPa,温度343oC q二次侧设计压力8.6MPa, 温度316oC n结构为立式自然循环 q最大外径约4.5m, 最大筒 节壁厚约105cm，总高 度约21m，净重约310吨 。 q流致振动 n工作介质为带腐蚀性水 蒸发器的破管事故案例 传热管断口形貌 断口疲劳河流辉纹形貌 防震条移位 流致振动机理 断管位置 1991年2月9日，日本美滨核电厂2号机组一蒸 发器In-660合金传热管因流致振动造成防

2、震条 移位、传热管与支撑板之间发生微动磨损，导 致断裂，50吨一回路冷却剂泄漏到二回路。 蒸汽发生器传热管材料相图 传热管材料及支撑板材料成分 传热管工况环境 n一回路侧：压力15.5MPa qLiOH+H3BO3 pH值 6.57.5 q溶解氢2050 cc/kg q溶解氧100ppb qNa+, Cl-, SO42- 全部小于150 ppb n二回路侧 q去离子水 q不断蒸发后残留的水垢 二回路水垢的沉积 蒸汽 主冷出口主冷进口 给水 沉积物的影响 传热率降低 传热管腐蚀 热工水力不稳定性 需要化学清洗 增加维护工作 增加了检查工作量 被迫停机 缩短更换周期 沉积的部位 支撑板堵塞处 分配

3、板沉积 传热管表面沉积 管板表面沉积 预热器导流板 沉积物来源 杂质 腐蚀产物氧侵入 传热管缝隙水垢的沉积 管板上部 管板与传热管之间 的间隙成为水垢沉 积敏感部位 管与水垢界面 管与水垢之间的界 面可成为水垢加速 沉积的敏感部位 管与支撑板间隙 管与支撑板接触部 位先沉积水垢，然 后向周围间隙扩展 传热管与管板胀接结构 部分胀接全长胀接全长胀接 顶部磙压 水垢沉积过程 初始阶段 早期 后期 清洁无淤泥薄层淤泥积累 填充传热间隙 淤泥积累增厚 化学杂质浓缩 换热器管板与传热管 管板胀管过渡段因污垢沉积、腐蚀产物累积 ，给过渡段造成压力，导致内外两侧复杂的 应力状态，从而可同时导致一次侧和二次侧

4、 的应力腐蚀开裂。 二次侧污垢与传热管之间还同时存在介质浓 缩造成的影响，更加速了二次侧应力腐蚀开 裂速度 胀管过渡段SCC 胀管过渡段的横向和纵向SCC 裂纹 600MA管的晶间腐蚀韩国某电厂 Do Haeng Hur, et al. Root causes of intergranular attack in an operating nuclear steam generator tube. Journal of Nuclear Materials 375 (3):382-387, 2008. 第六燃料循环600MA传热管外表面污垢 外表面涡流探伤结果显示3mm缺陷 管板上方8mm处 的

5、典型晶间腐蚀裂 纹。晶界有M7C3 型碳化物析出，有 贫Cr区。表面氧化 膜富Ni，近表面晶 界含氧量较高。 管板 二次 侧 表面污垢中含硫 传热管支撑板结构设计 AP1000 水垢在缝隙沉积引起应力腐蚀 水垢的沉积与应力腐蚀过程 水垢沉积过程 应力腐蚀过程 Slides from: Roger Steahle, 2009 划伤处的裂纹 美国Duke核电站蒸发器 600合金传热管的开裂： 二次侧应力腐蚀开裂 表面划伤处开裂 表面划伤所形成的残余 应力促进了应力腐蚀开 裂的形成。 19 SG Pb-SCC nSG 蒸发 nPb浓缩 n在SCC处沉积 n诱发裂纹扩展 n600/690都可发生 Se

6、abrook-1, 2000 铅致应力腐蚀开裂 600、690、800合金在350oC含铅1的10NaOH碱溶液中的应力腐蚀开裂时间 PbSCC机制 n镍基合金在水环境下，可能四种类型的尖晶石结构腐蚀产物 Ni(OH)2 + 2Cr(OH)3 NiCr2O4 + 4H2O Ni(OH)2 + 2Fe(OH)3 NiFe2O4 + 4H2O Fe(OH)2 + 2Cr(OH)3 FeCr2O4 + 4H2O Fe(OH)2 + 2Fe(OH)3 Fe3O4 + 4H2O 铅在高pH值的水中溶解： PbO + H2O Pb(OH)2 在高pH值环境中， Pb(OH)2可以比较容易进入表面钝化膜中，

7、与氧化膜反应生 成复杂的含铅化合物： Pb(OH)2Ni(OH)2Cr(OH)3 (OH) NiOPbOCr(OH)2 + 2H2O Pb(OH)2Fe(OH)2Cr(OH)3 (OH) FeOPbOCr(OH)2 + 2H2O Pb(OH)2Ni(OH)2Fe(OH)3 (OH) NiOPbOFe(OH)2 + 2H2O 进一步脱水可以形成含Pb的尖晶石结构氧化膜，膜的生长按照空位扩散机制进 行。 B. T. Lu, J. L. Luo, and Y. C. Lu. A Mechanistic Study on Lead-Induced Passivity-Degradation of Ni

8、ckel-Based Alloy. Journal of The Electrochemical Society 154 (8):C379-C389, 2007. 主要的应力腐蚀 n四种主要的应力腐蚀： q管板上部胀管位置一回路水引起的内 壁SCC q管板上部胀管位置水垢引起的外壁 SCC q管子支撑板中间水垢引起的传热管外 壁SCC qU形弯管内壁SCC(弯管残余应力+一 回路水引起) n缩略语 qIDSCC内壁应力腐蚀开裂 qODSCC外壁应力腐蚀开裂 qLPSCC低电位应力腐蚀开裂 外壁SCC 位于管板上部胀 管外侧 内壁SCC 位于U形弯曲部 传热管内壁 内壁SCC 位于管板上部胀 管

9、部传热管内壁 外壁SCC 位于支撑板中部 传热管内壁 传热 管的 损伤 蒸发器主要部件用材要求 1/2 部 件规 格材 料 壳体筒节，一 、二次侧接管 最大筒节尺寸约：4.50.114m,重约 50吨；其中有一个锥形筒节，尺寸约 4.5-3.50.111.8m 低碳Mn-Ni-Mo型可焊细 晶粒低合金钢锻件，筒 节可用钢板焊接。 一次侧承压边界的内表 面堆焊奥氏体不锈钢， 管板一次侧表面堆焊镍 基合金。 下封头有的也用 20MN5M，整体锻造 上、下封头 上封头厚约105mm，展开直径约 5.6m, 下封头厚约200mm，底部有4 个连体突出的支承座，需整体锻造。 管板 管板尺寸约为3.50.

10、56m，锻件厚度 达到900mm，重量达到57吨 安全端 热端尺寸为90085300mm，过渡端 尺寸约85065300mm 低碳Cr-Ni奥氏体不锈钢 锻件 一次侧隔板 尺寸约为R160060mm半园，重约0.5 吨。 INCONEL600型镍基合 金板。 主要部件用材要求 2/2 部 件规 格材 料 U形传热管 尺寸约为191.1mm，平均展开长度 约22m，每台蒸发器使用约4500根管子 。 INCONEL690型镍基合 金，也可选用 INCOLOY800合金。 支撑板()板厚约30mm，宽约3200mm。 13Cr马氏体不锈钢。 流量分配板 () 板厚约19mm，宽约3200mm 防振

11、条()尺寸约883000mm INCONEL600型镍基合 金型材，成品表面镀银 () 产品无核级质量保证要求，单制造前需要编制技术大纲并经过确认 。 其它部件都有核级质量要求。 蒸汽发生器传热管材质 RCC-M规定传热管用M4105/NC30Fe，即INCONEL690合金制造。德国 KWU QR Mat 1003.26/30规定用1.4558/INCOLOY 800合金制造。 成分CSiMnSPNiCrFeCuCoTiAlBNbN 690 合金 0.01 0.03 0.50 0.50 0.01 0 0.015 58.00 28.0 31.00 8.00 11.00 0.50 0.035 0

12、.50 0.50 0.003 0.10 0.05 800 合金 0.03 0.3 0.70 0.4 1.0 0.01 5 0.020 32.0 35.0 20.0 23.0 其余 0.60 0.10 0.60 0.15 0.45 RCC-M规定传热管NC30Fe合金需要用电炉精炼+电渣重熔 或 真空除气的方 法生产，从而减少杂质、夹杂物，并使材质成分均匀。 INCONEL690TT需要经过1050oC以上的固溶处理，在3分钟以内快冷到900 500oC范围内，经过光亮和内壁喷沙处理后71515oC退火至少5小时。 INCOLOY 800合金在固溶处理后需要以一定的冷拔变形量来达到力学性能 要求

13、，变形后不热处理，需要逐根管进行表面喷沙，切向、轴向压应力层深 0.12mm。 蒸汽发生器传热管的性能要求 材 料室温350oC b0.250.2b MPa%MPa NC30Fe/690合金 630275375 30 215 533 INCOLOY 800合金570700335470 30 295 495 RCC-M规定传热管用M4105/NC 30 Fe/690合金管的机械性能 法国系列的蒸发器传热管选用19.05(0.10) 、壁厚1.090.10mm。硬度要 求 92 HRB，晶粒度应该为59，晶界上沿晶沉淀碳化物少。 镍基合金的碳化物析出形式 A类，碳化物在晶界析出B类，重结晶后，碳化

14、物 在原始晶界网状析出 B类，重结晶后，碳化物在 晶内和原始晶界网状析出 特殊时效处理(TT-Thermal treatment) TT处理工艺要求 RCCM: 700-730C5h ASME: 716-738C10h 合格的金相组织 碳化物在晶界上连续或半连续性析出 晶内析出碳化物密度较低，表明固溶处理温度足够全部将碳化物溶解，而碳化物 由TT处理在晶界析出 碳化物与基体的取向关系：立方立方共格或半共格， M23C6 / g 防振条材料材质成分 RCC-M规定防振条用M4102/NC30Fe镍基合金锻件或轧制板制造。 材质CSiMnSPNiCrFeCuMoTiAlBNb+Ta NC15Fe

15、TNbA 0.080 0.50 1.00 0.01 0 70.00 14.0 17.00 5.00 9.00 0.50 2.25 2.75 0.40 1.00 0.70 1.20 NC15Fe 0.10 0.50 1.00 0.01 0 0.015 72.00 14.0 17.00 6.00 10.00 0.50 0.50 0.50 NC 19FeNb 0.080 0.35 0.35 0.01 5 0.015 50.0 55.00 17.0 21.00 bal. 0.30 2.80 3.30 0.65 1.15 0.20 0.80 0.006 4.75 5.50 NC30Fe 0.01 0.04 0.50 0.50 0.01 0 0.015 58.00 28.0 31.00 7.00 11.00 0.50 0.50 0.50 M4102规定的镍基合金锻件或轧制板的热处理。 材质固溶处理时效强化/去应力退火 加热温度(oC)冷却加热温度(oC)保温时间 NC15FeTNbA10801100空冷或更快7001020小时 NC15Fe9501150快冷7151512小时 NC 19FeNb9251010空冷或更快72010 炉冷 至