核电蒸发器传热管用材料—Inconel 690
蒸发器传热管对核电站的安全运行起着极其重要的作用。为了不断提高核电厂的安全性和经济性，蒸发器传热管用材料的优化、抗腐蚀性能极为重要。经过五十多年的发展，Inconel 690材料以其显著的抗氧化和优异的抗应力腐蚀能力被认为是最有前途的第三代核电站蒸汽发生器传热管材。由于核电站蒸发器传热管技术含量高，生产难度大，目前我国的核电站蒸发器用传热管Inconel 690仍然全部依赖进口，是亟待国产化的关键材料。国际上Inconel 690合金管的供给主要由法国Valinox、日本住友和瑞典Sandvik三大公司垄断，其生产技术处于严格保密状态。目前我国已有少数钢铁企业开始进行Inconel 690合金管的研究，随着核电产业的发展，若能实现核电蒸发器传热管的国产化，对核电事业发展和钢铁工业产品结构调整都具有重要的促进作用。
1 核电站蒸发器传热管用材料的选择
核电站通常由一回路和二回路两大系统组成，其中蒸发器是核电站的关键设备，是连接一、二回路的枢纽。蒸发器传热管内流动介质是高纯水，通过高纯水的循环流动，把反应堆中核裂变所产生的热量载至蒸发器，再通过数以千计的传热管把热量传给二回路介质水，使之沸腾产生高压蒸汽，再由高压蒸汽驱动汽轮发电机组发电。由于蒸发器U型传热管内外表面分别在两种不同介质下工作，其使用条件也各不相同，所以对其要求十分苛刻。一座100万千瓦级的普通核电站需用各种钢管1255t，其中，反应堆蒸发器用U型传热管为200t。传热管的可靠性直接影响到核动力装置的技术性能和安全性。
蒸发器传热管的材料基本上经历了以下三个阶段：
第一阶段是在20世纪50-60年代，核电发展的初期，主要选用18-8不锈钢管。早期的压水堆核电站所用的蒸发器传热管均采用18-8型铬镍不锈钢。但这种钢的抗氯离子腐蚀性能差，出现大量钢管破裂事故。
第二阶段是在20世纪70年代，根据石化工程经验，选用耐应力腐蚀的Inconel 600镍基合金管；Inconel 600镍基合金在l970-1972年间又发生了苛性碱应力腐蚀破损事故。西欧一些国家从1972年开始采用第三代耐应力腐蚀材料Incoloy 800合金代替Inconel 600镍基合金。Incoloy 800合金的Ni含量大大低于Inconel 600镍基合金，所以节约了大量的镍。在高温高压水中，由于这种合金的镍含量处于一个既不产生穿晶又不产生晶间应力腐蚀破裂的范围，而且Incoloy 800合金的价格大大低于Inconel 600镍基合金，所以Incoloy 800合金成为继18-8型不锈钢和Inconel 600镍基合金之后，可用于压水堆蒸发器的第三代合金。
第三阶段是20世纪80年代以后，为了解决Inconel 600合金管在蒸发器介质中的应力腐蚀问题，法、美、日等国联合开发了耐应力腐蚀性能优良的第四代Inconel 690。Inconel 690是一种具有优异抗多种水性介质和高温气氛侵蚀能力的镍基合金。该合金在纯水和低浓度苛性碱溶液中具有比Inconel 600、Incoloy 800和18-8不锈钢优异的抗应力腐蚀开裂性能，还具有高的强度、良好的冶金稳定性和优良的加工特性，因而成为核蒸发器压水反应堆的重要材料。20世纪90年代初开始，高抗腐蚀的Inconel 690管材正式应用于工程中。
我国发展核电以来，核蒸发器传热管材基本上是引进国外管材。引进管材的品种随合作对象和当时的技术状态而变化，最初采用18-8型不锈钢管，之后自行设计的秦山一期核电站与欧洲联系较多，选用的是当时德国人看好的Incoloy 800合金管，法国设计的大亚湾核电站选用了当时开发成功不久的Inconel 690管材，秦山二期和岭澳核电站都选用了当前最流行的Inconel 690管材。
目前几乎所有新设计和在建核电站的蒸发器都选用了Inconel 690管材作为传热管，并且许多原来使用18-8不锈钢管或Inconel 600合金管的蒸发器机组也纷纷更换为Inconel 690传热管。
2 Inonel 690材料的化学成分
Inonel 690合金（名义成分Ni-30Cr-9Fe）是一种含C量不大于0.03%、Cr含量大约30%的奥氏体型镍基耐蚀合金。Inconel 690与Inconel 600合金化学成分的主要区别在于Inconel 690提高了Cr含量(28%-30%)，相应降低了Ni含量(>58%)，Inconel 600合金含15.5%Cr。相对于Inconel 600合金而言，Inconel 690具有成分不复杂且性能优异的特点。
3 Inconel 690材料的耐蚀性
Inconel 690材料虽然具有较好的耐均匀腐蚀性能，但是晶间腐蚀和晶间应力腐蚀开裂仍是制约传热管寿命的关键问题。国外核电站运行经验表明，大约30%-40%的压水反应堆因为蒸发器传热管损伤而影响正常运行、降低功率运行或被迫停堆，甚至更换蒸发器。因此，减少腐蚀破损以保证蒸发器传热管的安全工作极为重要。
3.1 Inconel 690材料的合金成分腐蚀
Inconel 690材料中Cr含量的增加，有利于防止晶界处产生贫Cr区，从而对晶间腐蚀和应力腐蚀的敏感性大大降低，而且还可以使合金表面膜中Cr浓度增加，形成致密、稳定、粘结性和塑性均良好的表面膜。当Cr含量达到28%以上时，在一般的核电厂水化学环境下，Inconel 690材料抗应力腐蚀破坏能力较高。但是，在近中性及碱性条件下，即在压水堆的一回路和二回路系统的范围内，Cr会优先从Inconel 690合金中溶解，而合金中Cr含量的减少，会严重威胁钝态膜对合金的保护作用，使其腐蚀敏感性增加。
3.2 Inconel 690材料在一回路介质中的腐蚀产物释放
减少反应堆外放射性剂量对核反应堆而言极其重要。而堆外大部分剂量的来源是一回路系统材料腐蚀释放到冷却剂中的放射性腐蚀产物，在一回路系统中与冷却剂接触面积最大的结构材料是蒸发器传热管。四种核蒸发器传热管材在模拟核电站一回路介质静态条件下的均匀腐蚀速率和金属释放速率。
Inconel 690管的腐蚀产物释放速率远低于Inconel 600合金管。Inconel 690(2)合金管的均匀腐蚀速率和金属释放速率明显高于Inconel 690(1)合金管，从材料状态上看，两种Inconel 690管都经过了固溶特殊热处理，而不同的是Inconel 690(1)合金管经过了表面抛光处理，Inconel 690(2)合金管未进行抛光处理。显然，表面质量的差别直接影响了管材的均匀腐蚀性能，因此，提高传热管材料的表面质量，能够显著降低合金管在一回路介质中的均匀腐蚀速率和金属释放速率。法国对压水堆(PWR)核电站中蒸发器管在各种腐蚀工况下进行了比较试验情况如
3.3铅致应力腐蚀开裂
3.3铅致应力腐蚀开裂
压水堆管道堵塞原因主要是胀接处或滚轧过渡区域以及小半径U型弯管部位的一次侧腐蚀。所有蒸汽发生器的管子全部胀接在管板上。大多数的腐蚀缺陷主要出现在滚轧过渡区域，在这个区域内，缺陷通常表现为短的纵向裂纹。当镍含量增加到60%时，应力腐蚀的趋势大大降低。另外，在700℃施以10h以上的热处理将不易发生应力腐蚀破裂。
但是，在特定的腐蚀环境中，Inconel 690材料经足够长时间的腐蚀后，腐蚀失效不可避免。专家认为，Inconel 690中含有较高的铬含量使此合金固有的反应活性更强，材料在其钝态膜遭破坏的环境中，如含铅或还原性硫的苛性环境下，应力腐蚀开裂有可能发生。很多核电站蒸发器破裂时都发现有铅，因此应对这些潜在的腐蚀问题给予足够的重视。
在末添加PbO的强碱溶液中，Inconel 690材料的耐蚀性比Inconel 600合金及Incoloy 800合金的耐蚀性都好，但在含0.01mol/L的PbO的10%NaOH溶液中，Inconel 690材料比Inconel 600材料的开裂敏感性大。
4 结语
核电蒸发器传热管用材料经过了Inconel 600、Incoloy 800和Inconel 690的演变过程。Inconel 690材料以其显著的抗氧化能力和优异的抗应力腐蚀能力等性能被广泛应用于核电蒸发器传热管中。由于核电蒸发器传热管技术要求高，生产难度大，目前世界上只有法国Valinox、瑞典Sandvik、日本的住友等少数几家公司生产Inconel 690合金管材，几乎垄断了蒸发器高性能传热管材供给市场。
目前，我国核电蒸发器传热管的研究刚刚起步，Inconel 690材料的化学成分控制在现有的工业生产条件下能够得到有效的控制，对Inconel 690材料性能的控制，特别是对其腐蚀性能的控制是提高材料综合性能的关键。
(来源：钢铁产业)
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