核電及其蒸發(fā)器傳熱管用材料的發(fā)展

1、核電及其蒸發(fā)器傳熱管用材料的發(fā)展核電及其蒸發(fā)器傳熱管用材料的發(fā)展宋立秋（攀鋼集團(tuán)研究院有限公司）摘要：要：回顧了國內(nèi)外核電發(fā)展歷程，綜述了核電站用管特別是核電蒸發(fā)器傳熱管用材料的演變過程，介紹了核電蒸發(fā)器U型管用Inconel690合金管材的特性。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：核電；蒸發(fā)器；傳熱管；Inconel；690合金0引言引言能源是社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，是人類生活和生產(chǎn)的要素。隨著社會的發(fā)展，對能源的需求也在不斷地增長。由于核電站只需消耗很少

2、的核燃料，就可以產(chǎn)生大量的電能，每千瓦時(shí)電能的成本比火電站要低20%以上。用核電替代部分化石燃料發(fā)電，不但可以將化石燃料保留下來長期使用，還有利于環(huán)境保護(hù)和減少大量的燃料運(yùn)輸，對實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略大有益處。正因?yàn)楹穗娪卸喾矫娴膬?yōu)勢和特點(diǎn)，不少發(fā)達(dá)國家和一些發(fā)展中國家和地區(qū)，已把發(fā)展核電放到重要地位。中國經(jīng)濟(jì)的高速增長引起了能源供應(yīng)日趨緊張，電力緊張成為制約我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展的瓶頸。近年來，為了滿足電力需求的快速增長和更好地保護(hù)環(huán)境，中

3、國核電將進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展的新階段。1核電發(fā)展歷程核電發(fā)展歷程1.1世界核電發(fā)展歷程根據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，目前和2020年的世界能源結(jié)構(gòu)的變化如表1所示。從表1可以看出，從能源的供應(yīng)結(jié)構(gòu)來看，目前60%以上的能源來自石油、天然氣和煤三大資源，不僅利用率低，而且對生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。預(yù)計(jì)到2020年，核能在世界能源工業(yè)發(fā)展中占有重要的地位，核能將由目前占能源結(jié)構(gòu)的2%左右提高到30%以上。表1目前和預(yù)計(jì)目前和預(yù)計(jì)2020年能源結(jié)構(gòu)的變化年

4、能源結(jié)構(gòu)的變化%石油及天然氣煤水力太陽能地能及生物能核能目前能源結(jié)構(gòu)6025591～2預(yù)計(jì)2020年能源結(jié)構(gòu)252551030據(jù)世界核協(xié)會網(wǎng)站報(bào)道，2009年世界部分國家的核電發(fā)電量占該國總發(fā)電量的份額如表2所示。目前法國擁有58臺總凈裝機(jī)容量約63GW的標(biāo)準(zhǔn)化系列壓水堆核電機(jī)組，核發(fā)電量滿足了法國75%左右的電力需求，核發(fā)電成本在西歐國家中是最低的。目前我國核電發(fā)電量只占我國總發(fā)電量的2%左右，與世界先進(jìn)國家的平均發(fā)電水平相比差距甚遠(yuǎn)

5、。表22009年世界部分國家的核電份額年世界部分國家的核電份額%法國比利時(shí)瑞士韓國瑞典日本德國美國俄羅斯加拿大印度中國75524035352926201815221.2中國核電發(fā)展歷程我國的核電事業(yè)經(jīng)過三十多年的發(fā)展，已形成了浙江秦山5臺核電機(jī)組、廣東大亞灣4臺核電機(jī)組、江蘇田灣2臺核電機(jī)組三大核電基地，總裝機(jī)容量870萬kW。目前，我國現(xiàn)有的11個(gè)核電機(jī)組已安全運(yùn)行67個(gè)堆年(1個(gè)核反應(yīng)堆運(yùn)行1周年稱為1堆年)，累計(jì)發(fā)電約3460億k

6、Wh，相攀鋼技術(shù)130年代發(fā)展起來的一種耐應(yīng)力腐蝕合金，從30年代末到60年代初開始替代對氯化物應(yīng)力腐蝕敏感的188型鉻鎳不銹鋼，在壓水堆核電站中用于制作蒸發(fā)器的傳熱管。70年代以前，國際上一直普遍采用Inconel600合金作為核電站壓水堆蒸發(fā)器傳熱管的材料。從1961年起，美國西屋公司開始改用Inconel600鎳基合金。可是，在l970～1972年間又發(fā)生了苛性堿應(yīng)力腐蝕破損事故。美國的威斯汀索斯等公司引用了Incoloy800合

7、金裝備了大量的蒸發(fā)器，并于80年代中期在核潛艇上用作壓水堆蒸發(fā)器傳熱管。西歐一些國家從1972年開始采用第三代耐應(yīng)力腐蝕材料Incoloy800合金代替Inconel600鎳基合金。Incoloy800合金的Ni含量大大低于Inconel600鎳基合金，所以節(jié)約了大量的鎳。在高溫高壓水中，由于這種合金的鎳含量處于一個(gè)既不產(chǎn)生穿晶又不產(chǎn)生晶間應(yīng)力腐蝕破裂的范圍，而且Incoloy800合金的價(jià)格大大低于Inconel600鎳基合金，所以I

8、ncoloy800合金成為繼188型不銹鋼和Inconel600鎳基合金之后，可用于壓水堆蒸發(fā)器的第三代合金。第三階段是20世紀(jì)80年代以后，為了解決Inconel600合金管在蒸發(fā)器一、二次側(cè)介質(zhì)中的應(yīng)力腐蝕問題，法、美、日等國聯(lián)合開發(fā)了耐應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)良的第四代Inconel690合金。Inconel690合金是一種具有優(yōu)異抗多種水性介質(zhì)和高溫氣氛侵蝕能力的鎳基合金。該合金在純水和低濃度苛性堿溶液中具有較好的抗應(yīng)力腐蝕開裂性能，在一

9、次冷卻中腐蝕產(chǎn)物釋放率較低，抗化學(xué)清洗劑腐蝕性能良好。它還具有高的強(qiáng)度，良好的冶金穩(wěn)定性和優(yōu)良的加工特性。由于Inconel690合金具有顯著的抗氧化能力及優(yōu)異的抗應(yīng)力腐蝕能力，因而被廣泛應(yīng)用于核蒸汽機(jī)中，是核蒸發(fā)器壓水反應(yīng)堆的重要材料。90年代初開始，高抗蝕的Inconel690合金管材正式應(yīng)用于核蒸發(fā)器U型管。由于核電蒸發(fā)器U型管技術(shù)要求高，生產(chǎn)難度大，因此一般不具備核管生產(chǎn)環(huán)境的鋼管廠是不能生產(chǎn)核蒸發(fā)器管的。目前世界上只有法國Va

10、linox、瑞典Svik、日本的住友、美國的威斯汀豪斯、西德的曼尼斯曼等少數(shù)幾家公司能夠生產(chǎn)Inconel690合金管材，幾乎壟斷了蒸發(fā)器高性能傳熱管材供給市場。目前中國寶鋼和攀長鋼正在試制Inconel690合金管。在壓水反應(yīng)堆核動力裝置中，蒸發(fā)器傳熱管承擔(dān)著一、二回路的能量交換的重要功能，傳熱管的可靠性直接影響到核動力裝置的技術(shù)性能和安全性。傳熱管在蒸發(fā)器特定的結(jié)構(gòu)和介質(zhì)條件下，由于介質(zhì)與應(yīng)力聯(lián)合作用造成各種類型的腐蝕損傷和應(yīng)力腐蝕

11、破裂。壓水堆蒸發(fā)器發(fā)生問題主要是蒸發(fā)器U型管破損問題。據(jù)報(bào)道，采用188型不銹鋼和Inconel600鎳基合金制作蒸發(fā)器的U型管，由于管材腐蝕破損所致的堵管率每年平均為0.2%～0.7%，鋼管破損往往造成停堆。如果堵管率超過一定比例就要更換蒸發(fā)器。一座100萬kW級核電站停堆1個(gè)小時(shí)要損失3萬美元，更換1臺蒸發(fā)器要花費(fèi)8億美元。國外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，大約有30%～40%的壓水反應(yīng)堆因?yàn)檎舭l(fā)器傳熱管損傷而影響正常運(yùn)行，降低功率運(yùn)行或被迫停堆，

12、甚至更換蒸發(fā)器。傳熱管的破損是由各類腐蝕造成的，其中，60%是應(yīng)力腐蝕問題。所以，如何保證蒸發(fā)器U型管正常工作，減少腐蝕破損具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義。表4是根據(jù)法國的資料，在壓水堆核電站中，蒸發(fā)器管在各種腐蝕狀況下的性能比較情況。人們經(jīng)過大量的對比分析研究發(fā)現(xiàn)，Inconel690合金可以取代Inconel600合金成為核電站壓水堆蒸發(fā)器傳熱管的理想材料。表4蒸發(fā)器管在各種腐蝕狀況條件下的性能比較蒸發(fā)器管在各種腐蝕狀況條件下的性能比較腐蝕