核電用高性能不鏽鋼管的應用

近年來，我國關鍵基礎鋼鐵新材料的（de）質量、性能（néng）、綠（lǜ）色（sè）化水平顯著（zhe）提高，新材料產業的發展也為鋼鐵企業（yè）的轉型升級（jí）提供了新的契機，同時，鋼鐵企業也要建立健全上下遊產（chǎn）業合作機製，加快（kuài）鋼鐵（tiě）新材料產業化應用。未（wèi）來（lái）高性能、高（gāo）技術、高品質的“三高”鋼鐵新材料將成（chéng）為鋼鐵行業高質量發展的（de）主攻方向。為加快推進我國鋼鐵新材料的研發，本（běn）報特組織此次新材料專題報道，以期從生產和應用方麵，推動鋼鐵新材料製造（zào）技術的迭代升級。

近（jìn）年來，中國加快了核電的發展步伐。發展（zhǎn）核電不僅可以改善我國的能源供（gòng）應結構（gòu），更有利於保障國家能源安全和經（jīng）濟安全。根據國家《核電中長期發展規（guī）劃》，到（dào）2020年，中國核電裝機容量將達到在運5800萬千瓦。但是截止2018年6月，中（zhōng）國大陸在役電站39座，裝機（jī）容量約3800萬千瓦，在全國（guó）電力供應中的占比約4%；在建機組18台（tái），裝機容量（liàng）約2000萬千瓦。由此可見（jiàn），核電當前建設進度距規劃目標缺口較大，為完成規劃（huá）目標，到2020年（nián）每年至少開工建設（shè）6-8台機組，才能達（dá）到西方發（fā）達國家核電占比水平。

2018年4月底，AP1000全球首（shǒu）堆三門1號核電機組、台山EPR核電機（jī）組分別獲得國家核安全局的裝料許（xǔ）可，6月底三門1號、台山EPR機組並網發電，這意味（wèi）著我國（guó）核（hé）電建設將迎（yíng）來新的發展時期。

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世界核電技術（shù）的發展

當前世界核電（diàn）技術發（fā）展大體可（kě）以分為四代，第一代技術主（zhǔ）要是1950-1960年間開發的原型堆核電站（zhàn）；第二代技術（shù）主要（yào）是在1960-1990年間開發建設的大型商用（yòng）核電站，目前全世界在運核電機組絕大多數是第二代（dài）技術；第三代技（jì）術（shù）主要是1990-2010年以來發（fā）展的（de）AP1000、EPR、CAP1400和華（huá）龍一號，其中AP1000、EPR機組於2018年6月首次並網成功，即將滿功（gōng）率並網發電。國產第三代核電機組如CAP1400、華龍一號示範電站也在如火如荼建設中。此（cǐ）外，全世界都在積極研究和發展第（dì）四代核電技（jì）術，如氣冷（lěng）快堆、鈉冷快堆、鉛冷快堆、超高溫氣冷堆、超臨界水堆和（hé）熔鹽堆；第五代技術，如核聚（jù）變反應堆在多國聯合下，也在積極研發過程中。這些先進核電技術中特別是國（guó）產核電技術中，涉及（jí）許多關鍵設備、關鍵材料，如高性能鋼管、鍛件需要實現國產化，才能縮小我國與世界先進（jìn）國家（jiā）在核電領域的差距，並為大型商業核電站（zhàn）的國產化（huà）奠定基礎。

因此，預計未（wèi）來5年核電設備用不鏽鋼（gāng）管將迎來很好的發展機遇。壓水堆核（hé）電站（zhàn）用材中，需要大量的高性能鋼（gāng）管、鍛件、管件等材料，涉（shè）及到的材料種類（lèi）也非常多，如（rú）合金鋼、不鏽鋼、鋯合金、鈦合金、鎳基合金等。

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核電用各類（lèi）不（bú）鏽（xiù）鋼管

核島（dǎo）是核電站（zhàn）安全殼內的核反應堆與反應（yīng）堆相（xiàng）關的各個係（xì）統的總稱，包括核蒸汽供（gòng）應係統、安全殼噴淋係統、輔助係統等。核島係統中需要大量的高性能不鏽鋼管。

2.1蒸汽（qì）發生器（qì）U形傳熱管

蒸（zhēng）汽發生器傳熱管是核電站一回路壓力邊界（jiè）的重要組成部分，也是防止放射性裂變產（chǎn）物（wù）外泄的主要屏障，蒸汽發（fā）生器傳（chuán）熱管在服役過程中，要承受（shòu）高溫高壓和介質腐蝕磨損等，其質量是保證蒸汽發生器安全、可靠運行（háng）的關鍵。據統計，約30％的壓水堆非計劃停堆，都是由於蒸汽發生器傳（chuán）熱管的腐蝕破損所致。

目前，蒸汽發生器傳熱（rè）管選材主要有800合金與690合金（jīn）。蒸汽發生器傳熱管由於對（duì）表麵質量、尺寸控製、熱處理製度、組織控製等要求高，存在較高的技術壁壘，國內（nèi）外的生產廠家很少，國外目前主要是法國瓦盧瑞克、日本（běn）住友金屬和瑞典山特維克（kè）三家公司，國內主要是浙江（jiāng）久立和寶（bǎo）銀（yín）兩家公司。

第三代核電技術的蒸汽發生器傳（chuán）熱管主要選材是690合金，一台百萬千瓦的機（jī）組需要傳熱管大約1萬多支，總重約200多噸（dūn），規格（gé）主要有Ф19.05mm×1.09mm等。蒸汽發生器傳熱管的主要（yào）生產工藝流程（chéng）包括（kuò）鋼坯冶煉鍛造、熱擠壓成（chéng）形、冷加工成形、固溶熱（rè）處理和（hé）TT熱處理、無損探傷和彎管成形等。

目前，久立已（yǐ）經完成了華龍一（yī）號、CAP1400以及（jí）出口海外項目所需的（de）690合金蒸汽發生器傳熱管（guǎn）的製造和安裝，並得到客戶的好評。

2.2核島用其他不（bú）鏽鋼管

一回路主管道是核電站正常、非正常、事故和試驗工況下防止核裂變（biàn）產物外泄至安全殼的重要屏障。主管（guǎn）道通常要求耐高（gāo）溫、耐高壓和耐腐蝕。早期主管道普遍采用18-8型奧氏體不鏽鋼，但是（shì）存在強度不足和晶（jīng）間腐蝕等問題。隨後發展的鑄造雙相不鏽鋼主管道由於存在老化現象等不足，目前第三代核電AP1000等一回路主管道采用整體（tǐ）鍛造成形的316LN奧氏（shì）體不鏽鋼，具有強度（dù）高、塑韌性好等特點，目前國內廠家基本掌握了大型鋼錠（dìng）冶煉、大型不鏽鋼材料整體鍛造、管段整體加工成形（xíng）等關鍵技術並實現了國產化。

非能動安全原理是第三代核電技術的一個顯著特點，非能動餘熱排出（chū）熱交（jiāo）換器是堆芯冷卻（què）係統（tǒng）的核心設備，對反應堆的安全運行起著重要作（zuò）用。其中，非（fēi）能動餘熱排出熱交換（huàn）器上下封頭之間通過C形熱交換器管進行聯接（jiē），換熱管的材質（zhì）主要有TP304L和（hé）690合金等，規格主要有Ф19.05mm×1.24mm、Ф19.05mm×1.65mm等，每台百萬千瓦機組需要C形傳熱管材約（yuē）1t。

反應（yīng）堆壓力容器是（shì）主回路冷卻劑壓力邊界屏障（zhàng）中的（de）一個重（chóng）要設備（bèi），為核（hé）安（ān）全一級設備，在核電廠服役期內不可更換（huàn），其壽命決定了整（zhěng）個核電（diàn）廠的服役年限。由於容器包容高溫、高壓且具有放射性的工作介質（zhì），要求在各種工況下，結構均能保持完整，不發生斷裂、泄漏等現象，因此（cǐ），反應堆壓力容器的密封（fēng）設計和選材，對於設備的安全運行至關重要。

目前（qián），反應堆壓力容器密封設計上，筒（tǒng）體與頂蓋之間用雙通道金（jīn）屬O形環密封（fēng），即在上法蘭密封麵開雙道環（huán）槽，形成內（nèi）、中、外三島，布置內、外兩道金屬（shǔ）O形環，形成雙通道金屬O形環密封。第三代核電技術中，O形密封環主要（yào）采用718合金無縫管，規格主要有Ф30mm×1.2mm、Ф12.7mm×1.27mm等（děng）。

O形（xíng）密封環（huán）用718合金無縫管，由於對表麵（miàn）質量（liàng）、尺寸控製、熱處理製度、回彈性能等要求高，存在較高的技術壁壘，主要由美國公司壟斷，存在產品供貨周期長，價格昂貴等特點。久立自2014年以來，成功（gōng）開發了密封環用718合金無縫管，具有表麵質量好、尺寸精度高、回彈性（xìng）能優異等特點（diǎn）。此外，在彎（wān）製O形環後焊接（jiē）時，隻存在一個焊接點，從而降低了熱（rè）處理、檢測等難（nán）度，目（mù）前，該產品已經成（chéng）功用於國內核（hé）電站（zhàn）。

2.3常規島用（yòng）不鏽鋼管

核（hé）電廠大多沿海而建，回路使用大量的海水作為冷卻介質。由於鈦（tài）固有的性（xìng）能，鈦焊管（guǎn）憑借優異的耐腐蝕、抗衝刷、熱（rè）導性、機械性能好等特點，特別適合用作海水或汙染嚴重的淡水作為冷卻介質的凝汽器用管（guǎn）。在百萬千（qiān）瓦級的核電機（jī）組凝汽器（qì）中，每台機組用到的（de）鈦管約為（wéi）200t，但由於鈦管加工製（zhì）造難度大，主要是焊接成型、熱處理工藝（yì）困難。國外廠家主要有美（měi）國和日（rì）本等（děng）製造企業生產，國內目前核電站凝汽（qì）器用鈦管大多依賴進口，國（guó）內鈦焊管市場缺口很大。

因此，研究高質量的薄（báo）壁鈦焊管（guǎn）生產工（gōng）藝，滿足不斷增長（zhǎng）的國內建設需求，是當前焊（hàn）管生產（chǎn）行業形勢所（suǒ）需。目前的冷凝器（qì）用管規格主要有Ф22mm×0.5mm，鈦材主要是TA2（Gr.2）。

高壓給水加熱器（qì）是回熱係統中重要的給水加熱設備，對機組二（èr）回路運行的經濟性起到重要作用，換熱（rè）器通常采用U形換熱管。TP439鐵素體不鏽鋼具有高強度、抗衝刷和磨損（sǔn）性能好，且價格較低，抗氯離子腐蝕性能好（hǎo），常作為U形（xíng）換熱器管的主要選材，並在國（guó）外核電機組中得到普遍使用。

目（mù）前，一台百萬千瓦核電機組的TP439焊接U形管用量約150t，所需產品（pǐn）主要（yào）規格有Ф16mm×1.5mm。

2.4先進堆（duī）型用不鏽鋼管

在大力建設第三代商用核電站的同時，國內外許多研究機構都在大力（lì）研究和（hé）建設第四代、第五（wǔ）代核電技術的試（shì）驗堆和示範堆，主（zhǔ）要有釷（tǔ）基熔鹽堆、鈉冷快堆、鉛鉍快堆、高溫氣冷（lěng）堆、核聚變堆等堆型。在試驗堆（duī）和示範堆（duī）的（de）建設過程中，也需要用到各種高性能不鏽鋼管材，材質涉及到不鏽鋼、鎳（niè）基（jī）合（hé）金等。

釷基熔鹽堆是（shì）六種第四代核電備（bèi）選堆型之（zhī）一（yī），具有常壓、無水冷（lěng）卻，不需要製作燃料元件，可實現在線加燃料和在線後處理等（děng）特（tè）點。但同時具有（yǒu）服役溫度高、熔鹽腐蝕性（xìng）強等問題。對主管道、換熱（rè）管道材料提出了（le）很高要求（qiú）。目（mù）前，主要選（xuǎn）材是鎳-鉻-鉬合金，如GH3535合（hé）金，GH3535合金換熱管的製造具有冶煉困難、易偏析、熱加工困難等問題，國內外（wài）生產製造廠家也很少。

鈉冷快堆也是六（liù）種（zhǒng）第四代核電備選堆型之一，是我國核（hé）能三步發展規劃的第二步，也是我國核能（néng）閉式循環的重（chóng）要一（yī）環。鈉冷快堆與壓水堆相比，具有溫度更高（500℃以上）、輻照劑量更高等特點。因此，對堆芯組件結構材料，如不鏽鋼包（bāo）殼管提（tí）出了（le）更高的要求。此外，鈉冷快堆（duī）蒸汽發生器、熱交換器等管路（lù）也需要大量的高性能的奧氏體（tǐ）不鏽鋼（gāng）管，如316Ti、316H等。鈉（nà）冷快堆中（zhōng）涉及到的高性能不鏽鋼管規格主要有Ф6.0mm×0.4mm、Ф22 mm×1.4mm等。