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核電用Inconel690因科乃爾合金管耐熱耐腐蝕奧氏體型鎳基變形合金
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司
更新時間：2013-09-09
寶山鋼鐵股份有限公司首次與民營企業(yè)江蘇銀環(huán)精密鋼管股份有限公司牽手，合資興建的寶銀特種鋼管有限公司將專業(yè)生產(chǎn)核電蒸汽發(fā)生器用管，打破世界只有法國、日本和瑞典三家生產(chǎn)企業(yè)在這一材料領(lǐng)域的壟斷。
國家發(fā)改委副主任張國寶在成立奠基儀式上說，這是中國核電用材料發(fā)展史上一個值得紀念的日子，意味著中國核電用Inconel 690-U型管將結(jié)束長期依賴進口的歷史。這不僅有利于提升國家鋼鐵企業(yè)的競爭力，而且對保障我國核設(shè)施長期安全運行具有重要的意義。按照我國核電發(fā)展規(guī)劃，到2020年，中國將新建核電站31座，作為核一級部件的蒸汽發(fā)生器用管使用量可達7500噸，市場價值240億元。他希望，寶銀特種鋼管有限公司能夠在技術(shù)上精益求精，管理上科學(xué)高效，把核電蒸發(fā)器用U形管項目做成國際一流水平。
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寶鋼股份是世界500強、我國著名的大型國有企業(yè)。其生產(chǎn)的特殊鋼在高溫合金研究和生產(chǎn)方面處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，曾對核電站蒸發(fā)器用合金管材進行了研制，取得了許多寶貴的研究成果。此次與江蘇銀環(huán)合作的寶銀特種鋼管有限公司的核電蒸汽發(fā)生器用管項目奠基，使宜興成為寶鋼股份的特殊鋼精品制造基地；而江蘇銀環(huán)近兩年開發(fā)的用于大型火電機組高、低壓給水加熱器用的U形無縫鋼管，也曾填補國內(nèi)空白。兩者決定在技術(shù)、人才、流程、裝備上聯(lián)合，進軍國內(nèi)目前空白的核電蒸汽發(fā)生器用管領(lǐng)域，這標志著我國自主生產(chǎn)的核電蒸汽發(fā)生器用管正邁開國產(chǎn)化第一步。
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據(jù)悉，新成立的寶銀公司注冊資本為2億元，寶鋼出資65%，銀環(huán)出資35%，總投資７.５億元的核電蒸汽發(fā)生器用管項目，預(yù)計在2009年7月建成投產(chǎn)。屆時將年產(chǎn)規(guī)格為Φ12～25.4ｍｍ的Inconel 690合金U型管500噸。按未來國家核電發(fā)展規(guī)劃，可滿足每年建造2座100萬kw核電站所需的蒸汽發(fā)生器用U型管的用量。
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國外蒸汽發(fā)生器傳熱管的選材基本上經(jīng)過了三個階段，第一階段是在50、60 年代，核電發(fā)展的初期，主要是選用18 - 8 不銹鋼管；第二階段是在70、80 年代，由于不銹鋼管氯離子應(yīng)力腐蝕問題的大量出現(xiàn)，材料工程師根據(jù)石化工程方面的經(jīng)驗，選用鎳基高溫合金Inconel 600 合金管或鐵鎳基合金管；第三階段是80 年代以后，為了解決Inconel 600 合金管在蒸汽發(fā)生器一、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)了高抗蝕的Inconel 690（TT）合金管材，90 年代初開始正式應(yīng)用于工程。目前世界上只有法國Valinox、瑞典Sandvik、日本住友等少數(shù)公司生產(chǎn)Inconel 690（TT）合金管材，幾乎壟斷了蒸汽發(fā)生器高性能傳熱管材供給市場。
國內(nèi)從70 年代開始研制蒸汽發(fā)生器傳熱管材，最初是18 - 8 型不銹鋼管，隨后又開發(fā)了新13 號合金管材。自我國發(fā)展核電以來，核蒸汽發(fā)生器傳熱管材就基本是引進國外管材。值得注意的是，引進管材的品種也是隨合作對象和當時的技術(shù)狀態(tài)而變化，我國自行設(shè)計的秦山一期核電站與歐洲聯(lián)系較多，選用的是當時德國人看好的Incoloy800 合金管；法國設(shè)計的大亞灣核電站選用了當時開發(fā)成功不久的Inconel 690（TT）合金管材；秦山二期和嶺澳核電站都選用了當前最流行的Inconel 690（TT）合金管材。
目前幾乎所有新設(shè)計和在建核電站的蒸汽發(fā)生器都選用Inconel 690（TT）合金管材為傳熱管，并且許多原來使用18 - 8 不銹鋼管或Inconel 600 合金管的蒸汽發(fā)生器機組也紛紛更換為Inconel 690（TT）傳熱管。按第三代核技術(shù)對Inconel 690 合金管的需求，國內(nèi)每年至少需要350t 的Inconel 690 管材，才能滿足200 萬kW核電機組的建設(shè)。
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Inconel 690 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變形合金。它還具有高的強度，良好的冶金穩(wěn)定性和優(yōu)良的加工特性。由于Inconel 690 合金有顯著的抗氧化能力及具有優(yōu)異的抗應(yīng)力腐蝕能力，因而被廣泛應(yīng)用于核蒸汽機中，是核蒸汽發(fā)生器壓水反應(yīng)堆的重要設(shè)備，Inconel690（TT）合金管是國外80 年代開發(fā)成功的第三代蒸汽發(fā)生器傳熱管材，在反應(yīng)堆一、二回路介質(zhì)中具有極高的抗蝕性，取代原來的不銹鋼或Inconel600 合金管材，目前國際上在壓水堆核電站中基本上都選用鎳基Inconel 690（TT）合金管作為蒸發(fā)器傳熱管。
Inconel 690（TT）是鎳基合金，含碳量不大于0.03%，鉻- 鎳含量為30Cr - 60Ni - 9Fe。管材的性能與冶金、熱處理、制管工藝密切相關(guān)，冶金中不僅要控制合金元素雜質(zhì)的含量，而且要嚴格控制Mg、Al等元素的含量，管材要經(jīng)過三次熱處理，即退火（Mill Annealing）、特殊熱處理（Thermal Treatment）、消除應(yīng)力（Stress reliving），要嚴格控制擠壓、鍛造、軋制工藝。
Inconel 690 合金的主要性能要求是抗晶間應(yīng)力腐蝕的能力。而晶界的鉻貧化、雜質(zhì)向晶界的偏析、晶間碳化物及其對應(yīng)力集中的力學(xué)效應(yīng)，都是引起材料腐蝕的原因。因此需對該合金成份的精確控制、選擇最佳的化學(xué)成份范圍、微量元素處理技術(shù)以及低成本、高純度、低雜質(zhì)含量，同時又能滿足鋼綜合性能的冶煉工藝進行研究。
核電蒸發(fā)器傳熱管表面質(zhì)量要求高，尺寸控制嚴格，需進行特殊的熱處理，采用一般軋制、熱處理設(shè)備，通常的工藝很難達到要求。需要對制管的工藝進行優(yōu)化研究，包括擠壓、冷拔、冷軋、彎管的制造工藝及中間產(chǎn)品的退火工藝。
Inconel 690 U 型管在制造過程中要經(jīng)過二道真空熱處理工藝，一道是直管在無損檢測后、另一道是在彎管后。其目的是消除制造應(yīng)力、改善鉻的貧化、優(yōu)化析出碳化物的形態(tài)，消除管彎曲后產(chǎn)生的應(yīng)力。
通過研究TT 熱處理工藝對管材性能的影響，確定TT 熱處理工藝制度。
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70年代以前，國際上一直普遍采用Inconel 600合金作為核電站壓水堆蒸汽發(fā)生器傳熱管的材料。1970年有一蒸汽發(fā)生器管損壞成了壓水堆的致命缺陷。后來發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂是壓水堆蒸汽發(fā)生器管損壞的最重要原因。從此開始尋找具有更好應(yīng)力腐蝕開裂杭力的材料。后來發(fā)現(xiàn)Inconel 690合金可以取代Inconel 600合金作為核電站壓水堆蒸汽發(fā)生器傳熱管的理想材料。
Inconel 690合金是一種含30% Cr的奧氏體型鎳基耐蝕合金。它不僅在含氯化物溶液和氫氧化鈉溶液中，具有比Incmel 600, Incoloy800、304不銹鋼優(yōu)異的抗應(yīng)力腐蝕開裂能力，還具有高的強度、良好的冶金穩(wěn)定性和優(yōu)良的加工特性。特別是在各種類型的高溫水中，Inconel 69()合金顯示出了低的腐蝕速率和優(yōu)異的應(yīng)力腐蝕開裂抗力。這些性能很適用于核蒸汽發(fā)電站。
據(jù)報道，在美國被廣泛用作核反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器傳熱管的Inconel 600合金，對晶間浸蝕和晶間應(yīng)力腐蝕開裂有高的敏感性，在其一次循環(huán)側(cè)和二次循環(huán)側(cè)都遭受到了嚴重的晶間開裂的危害。而Inenel 690合金卻恰恰具有在各種水環(huán)境中不受晶間應(yīng)力腐蝕開裂影響的特點。
Inconel 690合金與Inconel 600合金在成分上的差異僅僅在于Cr含量不同。前者含Cr 30.0%，后者含Cr 15.5%, 因此，相對于Inconel 600合金而言，性能優(yōu)異而成分并不復(fù)雜，是Inconel ?691合金的又一特點。
Inconel 690合金的適用技術(shù)條件有美國的 ASME Code Case N一20(1484), SB163, SB166,SB167, SB168; ASTM B163, B166, B167, B168, B366;法國的“M4105 零件采購技術(shù)規(guī)范, 用于壓水堆蒸汽發(fā)生器管道的無縫鎳一鉻一鐵合金 (NC30Fe)鋼管”。
Inconel 690合金管材已被承認為美國機械工程師協(xié)會鍋爐和壓力窗口標準下的結(jié)構(gòu)材料。Case N一20 (先前的Case 1484) 已承認該合金為按該標準第1部分第3節(jié)建造的核用途壓力容器的1類構(gòu)件。
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Inconel 690合金中各元素的作用如下：
Ni: 增加Ni含量可減小Incone1 690合金在堿液中的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。
Cr: 增加Cr含量可降低Inconel 690合金在含有氯離子和氧的高溫水中的應(yīng)力腐蝕開裂的敏
感性。控制在30%可使合金具有高的抗蝕性。
Fe: 早期對Inconel 600合金的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e在脫氧純水或氯化水中具有應(yīng)力腐蝕開裂敏
感性，即Inconel 600 合金在這些環(huán)境中有應(yīng)力腐蝕敏感性的主要原因，而增加Cr含量則可降低應(yīng)力腐蝕敏感性。
C: 在 Inconel 690合金中，在軋制退火狀態(tài)下，C含量對應(yīng)力腐蝕開裂抗力只有小的或輕微
的影響。但在低溫TT處理后，較高的碳含量(在0.02%至0.03%之間)，似乎具有比較低碳含量(約0.01%)更好的應(yīng)力腐蝕開裂抗力。此外，高碳 (0.03%) 材料顯示出比低碳 (0.01%)材料更多的晶內(nèi)碳化物沉淀的可能。較低的碳含量 (0.017%) 導(dǎo)致比高碳 (0.027%)更大的晶粒長大傾向。
Nb 和 B : 如同Mo一樣，添加Nb和B對Inconel 690合金的應(yīng)力腐蝕開裂抗力有不利的影
響。
AI: 增加Al (<0 .05%至0.14%) 似乎增大晶間應(yīng)力腐蝕開裂的深度。
Ti: 當 In conel 690合金中有Ti存在時，能對晶界起到釘扎作用。
S，P : 這是鎳基合金中兩種致命的有害元素，尤其是S。如果不能獲得極低的S含量，它將嚴重影響合金的加工性能，甚至使合金難以加工。
在 TT 處 理的Inconel 690 合金中，發(fā)現(xiàn)除C外，P,B和AI也都有晶界偏聚現(xiàn)象。但偏聚
程度要比Inconel 600合金中小得多。
N: 有人認為合金中有適量的N (約0.2%)，可以細化晶粒，而又不危及晶界貧Al、貧Cr。
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對TT處理再作一點說明。TT處理的原文是Thermal Treatment，即熱處理。但在
有關(guān)Inconel 690合金的文獻中，用到Thermal Treatment是指一種特殊熱處理。為與Heat Treatment區(qū)別，國內(nèi)把Thermal Treatment一詞譯為“TT處理”，實際上即在固溶處理后，在一定溫度保溫一定時間的一種等溫處理。TT 處 理 之所以能夠改善Inconel 690合金的
耐蝕性和應(yīng)力腐蝕開裂抗力，其原因在于它能提高由于形成晶界碳化物引起的品界貧鉻的鉻濃度，改善晶界碳化物的分布狀況及其形貌。
最后還要提一下，國外文獻中關(guān)于生產(chǎn)及工藝參數(shù)的報道極少，因此，在國內(nèi)生產(chǎn)Inconel 690合金管時，還應(yīng)該通過研究與開發(fā)，掌握Inconel 690合金管生產(chǎn)工藝。
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