材料與水化學(xué)第5講蒸發(fā)器材料

蒸汽發(fā)生器核島最復(fù)雜的設(shè)備之一一次側(cè)設(shè)計(jì)壓力17.2MPa,溫度343oC二次側(cè)設(shè)計(jì)壓力8.6MPa,溫度316oC結(jié)構(gòu)為立式自然循環(huán)最大外徑約4.5m,最大筒節(jié)壁厚約105cm，總高度約21m，凈重約310噸。流致振動(dòng)工作介質(zhì)為帶腐蝕性水1蒸發(fā)器的破管事故案例傳熱管斷口形貌斷口疲勞河流輝紋形貌防震條移位流致振動(dòng)機(jī)理斷管位置1991年2月9日，日本美濱核電廠2號(hào)機(jī)組一蒸發(fā)器In-660合金傳熱管因流致振動(dòng)造成防震條移位、傳熱管與支撐板之間發(fā)生微動(dòng)磨損，導(dǎo)致斷裂，50噸一回路冷卻劑泄漏到二回路。2蒸汽發(fā)生器傳熱管材料相圖3傳熱管材料及支撐板材料成分4傳熱管工況環(huán)境一回路側(cè)：壓力15.5MPaLiOH+H3BO3

pH值6.5~7.5溶解氫20～50cc/kg溶解氧<100ppbNa+,Cl-,SO42-全部小于150ppb二回路側(cè)去離子水不斷蒸發(fā)后殘留的水垢5二回路水垢的沉積蒸汽主冷出口主冷進(jìn)口給水沉積物的影響傳熱率降低傳熱管腐蝕熱工水力不穩(wěn)定性需要化學(xué)清洗增加維護(hù)工作增加了檢查工作量被迫停機(jī)縮短更換周期沉積的部位支撐板堵塞處分配板沉積傳熱管表面沉積管板表面沉積預(yù)熱器導(dǎo)流板沉積物來源雜質(zhì)腐蝕產(chǎn)物氧侵入6傳熱管縫隙水垢的沉積管板上部管板與傳熱管之間的間隙成為水垢沉積敏感部位管與水垢界面管與水垢之間的界面可成為水垢加速沉積的敏感部位管與支撐板間隙管與支撐板接觸部位先沉積水垢，然后向周圍間隙擴(kuò)展7傳熱管與管板脹接結(jié)構(gòu)部分脹接全長(zhǎng)脹接全長(zhǎng)脹接

＋

頂部磙壓8水垢沉積過程初始階段

早期

后期清潔無淤泥薄層淤泥積累

填充傳熱間隙淤泥積累增厚

化學(xué)雜質(zhì)濃縮9換熱器管板與傳熱管管板脹管過渡段因污垢沉積、腐蝕產(chǎn)物累積，給過渡段造成壓力，導(dǎo)致內(nèi)外兩側(cè)復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，從而可同時(shí)導(dǎo)致一次側(cè)和二次側(cè)的應(yīng)力腐蝕開裂。二次側(cè)污垢與傳熱管之間還同時(shí)存在介質(zhì)濃縮造成的影響，更加速了二次側(cè)應(yīng)力腐蝕開裂速度10脹管過渡段SCC脹管過渡段的橫向和縱向SCC裂紋11600MA管的晶間腐蝕－韓國(guó)某電廠DoHaengHur,etal.Rootcausesofintergranularattackinanoperatingnuclearsteamgeneratortube.JournalofNuclearMaterials375(3):382-387,2008.第六燃料循環(huán)600MA傳熱管外表面污垢外表面渦流探傷結(jié)果顯示3mm缺陷管板上方8mm處的典型晶間腐蝕裂紋。晶界有M7C3型碳化物析出，有貧Cr區(qū)。表面氧化膜富Ni，近表面晶界含氧量較高。管板二次側(cè)表面污垢中含硫12傳熱管支撐板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

AP100013水垢在縫隙沉積引起應(yīng)力腐蝕14水垢的沉積與應(yīng)力腐蝕過程水垢沉積過程應(yīng)力腐蝕過程Slidesfrom:RogerSteahle,20091516劃傷處的裂紋美國(guó)Duke核電站蒸發(fā)器600合金傳熱管的開裂：二次側(cè)應(yīng)力腐蝕開裂表面劃傷處開裂表面劃傷所形成的殘余應(yīng)力促進(jìn)了應(yīng)力腐蝕開裂的形成。1718SGPb-SCCSG蒸發(fā)Pb濃縮在SCC處沉積誘發(fā)裂紋擴(kuò)展600/690都可發(fā)生Seabrook-1,200018鉛致應(yīng)力腐蝕開裂600、690、800合金在350oC含鉛1％的10％NaOH堿溶液中的應(yīng)力腐蝕開裂時(shí)間19PbSCC機(jī)制鎳基合金在水環(huán)境下，可能四種類型的尖晶石結(jié)構(gòu)腐蝕產(chǎn)物Ni(OH)2+2Cr(OH)3

→NiCr2O4+4H2ONi(OH)2+2Fe(OH)3

→NiFe2O4+4H2OFe(OH)2+2Cr(OH)3

→FeCr2O4+4H2OFe(OH)2+2Fe(OH)3

→Fe3O4+4H2O鉛在高pH值的水中溶解：PbO+H2O→Pb(OH)2在高pH值環(huán)境中，Pb(OH)2可以比較容易進(jìn)入表面鈍化膜中，與氧化膜反應(yīng)生成復(fù)雜的含鉛化合物：Pb(OH)2·Ni(OH)2·Cr(OH)3

→(OH)Ni–O–Pb–O–Cr(OH)2+2H2OPb(OH)2·Fe(OH)2·Cr(OH)3

→(OH)Fe–O–Pb–O–Cr(OH)2+2H2OPb(OH)2·Ni(OH)2·Fe(OH)3

→(OH)Ni–O–Pb–O–Fe(OH)2+2H2O進(jìn)一步脫水可以形成含Pb的尖晶石結(jié)構(gòu)氧化膜，膜的生長(zhǎng)按照空位擴(kuò)散機(jī)制進(jìn)行。B.T.Lu,J.L.Luo,andY.C.Lu.AMechanisticStudyonLead-InducedPassivity-DegradationofNickel-BasedAlloy.JournalofTheElectrochemicalSociety154(8):C379-C389,2007.20主要的應(yīng)力腐蝕四種主要的應(yīng)力腐蝕：管板上部脹管位置一回路水引起的內(nèi)壁SCC管板上部脹管位置水垢引起的外壁SCC管子支撐板中間水垢引起的傳熱管外壁SCCU形彎管內(nèi)壁SCC(彎管殘余應(yīng)力+一回路水引起)縮略語IDSCC－內(nèi)壁應(yīng)力腐蝕開裂ODSCC－外壁應(yīng)力腐蝕開裂LPSCC－低電位應(yīng)力腐蝕開裂外壁SCC位于管板上部脹管外側(cè)內(nèi)壁SCC位于U形彎曲部傳熱管內(nèi)壁內(nèi)壁SCC位于管板上部脹管部傳熱管內(nèi)壁外壁SCC位于支撐板中部傳熱管內(nèi)壁21傳熱管的損傷22蒸發(fā)器主要部件用材要求－1/2部件規(guī)格材料殼體筒節(jié)，一、二次側(cè)接管最大筒節(jié)尺寸約：Φ4.5×0.11×4m,重約50噸；其中有一個(gè)錐形筒節(jié)，尺寸約Φ4.5-3.5×0.11×1.8m低碳Mn-Ni-Mo型可焊細(xì)晶粒低合金鋼鍛件，筒節(jié)可用鋼板焊接。一次側(cè)承壓邊界的內(nèi)表面堆焊奧氏體不銹鋼，管板一次側(cè)表面堆焊鎳基合金。下封頭有的也用20MN5M，整體鍛造上、下封頭上封頭厚約105mm，展開直徑約Φ5.6m,下封頭厚約200mm，底部有4個(gè)連體突出的支承座，需整體鍛造。管板管板尺寸約為Φ3.5×0.56m，鍛件厚度達(dá)到900mm，重量達(dá)到57噸安全端熱端尺寸為Φ900×85×300mm，過渡端尺寸約Φ850×65×300mm低碳Cr-Ni奧氏體不銹鋼鍛件一次側(cè)隔板尺寸約為R1600×60mm半園，重約0.5噸。INCONEL600型鎳基合金板。23主要部件用材要求－2/2部件規(guī)格材料U形傳熱管尺寸約為Φ19×1.1mm，平均展開長(zhǎng)度約22m，每臺(tái)蒸發(fā)器使用約4500根管子。INCONEL690型鎳基合金，也可選用INCOLOY800合金。支撐板(※)板厚約30mm，寬約3200mm。13％Cr馬氏體不銹鋼。流量分配板(※)板厚約19mm，寬約3200mm防振條(※)尺寸約8×8×3000mmINCONEL600型鎳基合金型材，成品表面鍍銀(※)產(chǎn)品無核級(jí)質(zhì)量保證要求，單制造前需要編制技術(shù)大綱并經(jīng)過確認(rèn)。其它部件都有核級(jí)質(zhì)量要求。24蒸汽發(fā)生器傳熱管材質(zhì)RCC-M規(guī)定傳熱管用M4105/NC30Fe，即INCONEL690合金制造。德國(guó)KWUQRMat1003.26/30規(guī)定用1.4558/INCOLOY800合金制造。成分CSiMnSPNiCrFeCuCoTiAlBNbN690合金0.01~0.03≤0.50≤0.50≤0.010≤0.015≥58.0028.0~31.008.00~11.00≤0.50≤0.035≤0.50≤0.50≤0.003≤0.10≤0.05800合金≤0.030.3~0.700.4~1.0≤0.015≤0.02032.0~35.020.0~23.0其余≤0.60≤0.10≤0.600.15~0.45－－－RCC-M規(guī)定傳熱管NC30Fe合金需要用電爐精煉+電渣重熔或真空除氣的方法生產(chǎn)，從而減少雜質(zhì)、夾雜物，并使材質(zhì)成分均勻。INCONEL690TT需要經(jīng)過1050oC以上的固溶處理，在3分鐘以內(nèi)快冷到900～500oC范圍內(nèi)，經(jīng)過光亮和內(nèi)壁噴沙處理后715±15oC退火至少5小時(shí)。INCOLOY800合金在固溶處理后需要以一定的冷拔變形量來達(dá)到力學(xué)性能要求，變形后不熱處理，需要逐根管進(jìn)行表面噴沙，切向、軸向壓應(yīng)力層深≥0.12mm。25蒸汽發(fā)生器傳熱管的性能要求材料室溫350oCσbσ0.2δ5σ0.2σbMPa%MPaNC30Fe/690合金≥630275～375≥30≥215≥533INCOLOY800合金570~700335～470≥30≥295≥495RCC-M規(guī)定傳熱管用M4105/NC30Fe/690合金管的機(jī)械性能法國(guó)系列的蒸發(fā)器傳熱管選用Φ19.05(±0.10)、壁厚1.09±0.10mm。硬度要求≤92HRB，晶粒度應(yīng)該為5～9，晶界上沿晶沉淀碳化物少。26鎳基合金的碳化物析出形式A類，碳化物在晶界析出B類，重結(jié)晶后，碳化物在原始晶界網(wǎng)狀析出B類，重結(jié)晶后，碳化物在晶內(nèi)和原始晶界網(wǎng)狀析出27特殊時(shí)效處理(TT-Thermaltreatment)TT處理工藝要求RCCM:700-730°C×5h

ASME:716-738°C×10h28合格的金相組織碳化物在晶界上連續(xù)或半連續(xù)性析出晶內(nèi)析出碳化物密度較低，表明固溶處理溫度足夠全部將碳化物溶解，而碳化物由TT處理在晶界析出碳化物與基體的取向關(guān)系：立方－立方共格或半共格，<011>M23C6//<011>g29防振條材料－材質(zhì)成分RCC-M規(guī)定防振條用M4102/NC30Fe鎳基合金鍛件或軋制板制造。材質(zhì)CSiMnSPNiCrFeCuMoTiAlBNb+TaNC15FeTNbA≤0.080≤0.50≤1.00≤0.010－≥70.0014.0~17.005.00~9.00≤0.50－2.25~2.750.40~1.00－0.70~1.20NC15Fe≤0.10≤0.50≤1.00≤0.010≤0.015≥72.0014.0~17.006.00~10.00≤0.50－≤0.50≤0.50－－NC19FeNb≤0.080≤0.35≤0.35≤0.015≤0.01550.0~55.0017.0~21.00bal.≤0.302.80~3.300.65~1.150.20~0.80≤

0.0064.75~5.50NC30Fe0.01~0.04≤0.50≤0.50≤0.010≤0.015≥58.0028.0~31.007.00~11.00≤0.50－≤0.50≤0.50－－M4102規(guī)定的鎳基合金鍛件或軋制板的熱處理。材質(zhì)固溶處理時(shí)效強(qiáng)化/去應(yīng)力退火加熱溫度(oC)冷卻加熱溫度(oC)保溫時(shí)間NC15FeTNbA1080~1100空冷或更快700±10≥20小時(shí)NC15Fe950~1150快冷715±15≥12小時(shí)NC19FeNb925~1010空冷或更快720±10爐冷至620±10≥8小時(shí)≥10小時(shí)NC30Fe1000~1150快冷715±15≥5小時(shí)30M4102對(duì)鎳基合金的性能要求材料拉伸性能硬度室溫350oC250oC室溫σbσ0.2δ5ψσ0.2σbσ0.2HBMPa%MPaMPa最