材料与水化学 第3讲 压力容器材料.ppt

1,PWR压力容器材料,2,PWR压力容器,第三道安全屏障容纳冷却剂、支持堆芯、密封放射性和维持堆内运行压力等。体积庞大、不可更换、决定了电厂寿命工作条件1517MPa300oC中子辐射相似部件蒸汽发生器压力壳稳压器压力壳主泵压力壳,3,百万千万级压水堆压力容器,压水堆压力容器是核岛主设备，一回路的承压边界设计/工作压力17.2/15.5MPa，温度343oC，水出口325oC；1000MWe压力容器尺寸：活性段内径约4.0m，壁厚约210mm，高度约12.7m，总重量约330吨；以往设计寿命一般为40年，当今要求达到60年；压力容器为核一级设备，因体积庞大、材料感生放射性，寿期内不可更换，决定了电厂的寿命；严酷的使用环境堆芯活性段的压力容器受到强中子辐照、伽马射线辐照一回路冷却剂含有腐蚀性的硼酸(反应性补偿剂，可溶毒物)、氢氧化锂(pH值调节剂)LOCA事件时的应急冷却水注入时承压热冲击，甚至堆芯熔毁时承受高温蠕变,4,压力容器主要部件用材要求,1000MWe反应堆压力容器主要部件大致规格及用材要求,5,法国RCC-M对压力容器材料的规定,6,对压力容器的要求,设计、选材、制造核检验要符合规范要求：ASME规范第三卷锅炉压力容器规范中要求对核压力容器极其所在的一回路进行“分析设计”，即根据“正常”、“异常”、“紧急”和“事故”不同工况的后果和危害程度确定其安全系数和许用应力。为了防止压力容器在役期间发生脆性断裂，美国联邦法规10CFR50附录H及ASTM-E185要求，在水堆核电站中必须安放辐照脆化随堆监督试样管，定期检验调整参考温度ART的变化，并以此不断修订开停堆的运行限制曲线。法国RCC-M规范H、M、Z分册德国KTA3Q01.1及3201.2规范我国HAF法规要求(HAF102等),在这些标准中，虽然涉及的内容很多，但重点都是集中缺陷和RTNDT的要求上,7,对容器材料性能的主要要求GBT15443-95,拉伸性能：室温：s0.2400MPa,sb670MPa,d520%350oC:s0.2300MPa,sb552MPa冲击韧性基本要求：RTNDT130J，寿命末期预期调整温度ART1MeV以上快中子轰击后会发生：钢的强度尤其是屈服强度上升，钢的屈强比将越近于1；钢的塑性降低，延伸率和断面收缩率将趋近于零；钢的韧性降低，表现在CharpyV型缺口试样的冲击韧性方面为无延性转变温度升高，上平台功下降。压力容器上需要监督的材料部位：活性区中线偏下部金属受到的通量最大，达到1011n/cm2sec数量级；活性区下部环向焊缝通量最大的焊缝，达到1010n/cm2sec数量级；活性区下部环向焊缝靠活性区的热影响区；,ASTME185要求辐照监督最少的试样数量,21,辐照监督管,1测温盒；2剂量盒；3熔焊封口4母材冲击；5焊缝冲击；6热影响区冲击7母材拉伸；8焊缝拉伸；9热影响区拉伸,辐照监督管(奥氏体不锈钢外套)内一般装有：拉伸试样、冲击试样，有的还有紧凑拉伸试样，(有的采用小型拉伸和冲击试样)；测温盒(测温锥记录经受的最高温度)辐照剂量盒AP1000每个辐照监督管中含有的试样数量：拉伸试样9个冲击试样60个紧凑拉伸试样6个,代表母材、焊缝金属和焊接热影响区金属,22,辐照监督管的布置,辐照监督管的位置一般在热屏蔽与压力容器内壁之间，接受的辐照量大于压力容器壁，超前因子一般为24;法国设计的1000MW级堆型一般有六根辐照监督管，其中三根超前因子为2.86，另外三根为3.45左右。西屋公司AP1000有8根监督管，位于吊兰筒体外侧堆芯中部：,23,反应堆压力容器的活性段制造,卷板焊接的容器活性段焊缝数量多，纵向焊缝辐照脆化倾向严重，对压力容器的安全性造成重大影响。,锻造园环焊接的活性段焊缝数量大大减少，仅有环向焊缝，抗辐照辐照脆化大大增强，制造工艺简化。,24,压力容器不锈钢安全端异种材料焊接,主要问题bcc与fcc不同晶体结构的材料焊接焊接应力很大、热膨胀率相差远，导热系数不同焊接材料镍基堆焊一般采用焊条：AWSENiCrFe-3型INCONEL182带极：采用AMSERNiCr3型INCONEL82焊条要求含P，S量严格控制，从而尽量避免裂纹焊接方法镍基堆焊可采用热丝TIG焊,25,异种材料焊接接头SCC,V.C.Summer核电站2000年发生的主管道安全段应力腐蚀开裂，应力来源于低碳钢与不锈钢之间的热膨胀系数失配，材质因素来源于182合金的晶间贫铬区。,26,RPV异种材料焊接,下封头仪表贯穿件,上封头排气管贯穿件,上封头CRD贯穿件,J型焊接,27,27,Davis-Besse上封头腐蚀腐蚀情况,28,带极电渣焊压力容器内壁防腐层堆焊,90mm带极电渣堆焊,对于像反应堆压力容器之类的大面积防腐涂层堆焊，一般采用60180mm带极电渣堆焊技术来完成，效率高、质量好。,29,堆焊工艺参数对比,压力容器不锈钢防腐电渣堆焊与埋弧堆焊工艺试验比较,30,堆焊缺陷及其防止措施,沉淀强化(再热)裂纹：发生在含有V、Ni、Ti等沉淀强化元素的合金钢中，由于焊接热循环使焊道下晶粒粗大区域的合金化元素溶解到基体，在去应力退火过程中析出强化碳化物相，形成裂纹。防止方法：控制材料中硬化元素量、改变工艺参数、焊前预热，控制层间温度。,31,美国在役核电站压力容器部件选材,32,压力容器壳体段材质,低碳Mn-Ni-Mo钢：SA508cl.3/16MND5应该具有较高的350oC强度，但屈强比不宜过高；断裂韧性和低周疲性能要满足设计规范要求；低温冲击韧性比较高，无塑性转变温度(TNDT)低；化学成分均匀、力学性能稳定；堆芯活性段桶体材料辐照脆化敏感性小，应该严格控制S、P0.008%,Cu0.08%,V0.01；焊接性能良好，焊接接头力学性能满足母材标准要求。SA508cl.3/16MND5材质制造要求冶炼必须采用电炉冶炼，铝镇静，真空脱气成品需要舍弃浇注钢锭上下足够的部分，以防缩孔疏松等缺陷，然后经过锻造和热处理(850925oC水淬、635665oC回火)，获得晶粒细小的贝氏体组织。,33,法国RCCM对RPV活性段材质要求,34,法国RCC-M对活性段16MND5的性能要求,35,法国RCC-M对非活性段16MND5的成分要求,非活性段包括：接管筒体、法兰过渡段、接管、封头等。,36,法国RCC-M对非活性段16MND5的性能要求,37,美国ASME对SA508cl.3的要求,SA508cl.3钢的化学成分要求,SA508cl.3钢的机械性能要求,RTNDT参考零塑性转变温度5:五倍标距伸长率LE侧向膨胀量:断面收缩率CvCharpyV缺口试样冲击功MS:平均值；VS:允许最低值,38,美国ASME对上下封头钢板SA533B的要求,SA533gradeB钢的化学成分要求,SA533gradeB钢的机械性能要求,39,国内某反应堆压力容器用SA508cl.3钢材-成分,40,国内某反应堆压力容器用SA508cl.3钢材-性能,41,压力容器安全端材料,法国RCC-M对Z5CND17-12(SA-182/F316)的成分要求,法国RCC-M对Z5CND17-12(SA-182/F316)的性能要求,需要考察耐晶间腐蚀性能：经67510oC，保温10分钟敏化处理后，在硫酸硫酸铜沸腾溶液中浸泡72小时无晶间腐蚀倾向。,42,压力容器安全端材料性能,43,RCC-M规定不锈钢材质成分,44,RCC-M规定不锈钢材质性能,45,CRDM机构管座材料INCONEL600合金,法国RCC-M对NC15Fe(ASMESB-166/UNS6600)的成分要求,法国RCC-M对NC15Fe(ASMESB-166/UNS6600)的性能要求,46,主螺栓用钢中碳高强钢40CrNi2Mo(V),法国RCC-M对40NCDV7-03、40NCD7-03的成分要求,47,主螺栓用钢中碳高强钢40CrNi2Mo(V)-性能,48,主螺栓用钢ASME的规定,ASME对主螺栓材质的要求与RCCM要求基本相似ASMESA-540相当于4340钢ASMESA-540B24RCC-M40NCD7-03，不含VASMESA-540B24VRCC-M40NCDV7-03，含VASME对成品尺寸与性能的规定更细化国内某反应堆主螺栓采用ASME标准等效于ASMESA540B24cl.3,49,O形密封环,结构双层开口套管，壁厚1.2mm内有螺旋弹簧支撑套管表面镀银材质采用INCONEL718ASME规定的成分：C0.08,Mn0.40,P0.015,S0.015,Si0.35,Ni:50.055.0,Cr:17.021.0,Mo:2.83.3,Nb:4.705.50,Al:0.20.7,Ti:0.651.15,Co0.080,Cu0.15,Fe:bal.机械性能(固溶时效消应力热处理)：室温屈服0.2780MPa,断裂b920MPa，5伸长率520，350oC屈服0.2490MPa表面镀99.95%的纯银，用银的变形实现密封法国标准采用INCONEL600作为密封套管材料，内装718合金弹簧,50,反应堆内壁不锈钢防腐层堆焊,堆焊层材料双层堆焊，底层为E309L，表层为E308LE309L会受到SA508cl.3母材的稀释，约15，仍能保证其成分与E308L接近堆焊层要求Cr19%,Ni7%，铁素体相控制在512的范围内不锈钢带极宽度一般为60180mm，以往选用60mm带极，目前为了提高效率多选用7512