材料与水化学第5讲蒸发器材料

蒸汽发生器核岛最复杂的设备之一一次侧设计压力17.2MPa,温度343oC二次侧设计压力8.6MPa,温度316oC结构为立式自然循环最大外径约4.5m,最大筒节壁厚约105cm，总高度约21m，净重约310吨。流致振动工作介质为带腐蚀性水1蒸发器的破管事故案例传热管断口形貌断口疲劳河流辉纹形貌防震条移位流致振动机理断管位置1991年2月9日，日本美滨核电厂2号机组一蒸发器In-660合金传热管因流致振动造成防震条移位、传热管与支撑板之间发生微动磨损，导致断裂，50吨一回路冷却剂泄漏到二回路。2蒸汽发生器传热管材料相图3传热管材料及支撑板材料成分4传热管工况环境一回路侧：压力15.5MPaLiOH+H3BO3

pH值6.5~7.5溶解氢20～50cc/kg溶解氧<100ppbNa+,Cl-,SO42-全部小于150ppb二回路侧去离子水不断蒸发后残留的水垢5二回路水垢的沉积蒸汽主冷出口主冷进口给水沉积物的影响传热率降低传热管腐蚀热工水力不稳定性需要化学清洗增加维护工作增加了检查工作量被迫停机缩短更换周期沉积的部位支撑板堵塞处分配板沉积传热管表面沉积管板表面沉积预热器导流板沉积物来源杂质腐蚀产物氧侵入6传热管缝隙水垢的沉积管板上部管板与传热管之间的间隙成为水垢沉积敏感部位管与水垢界面管与水垢之间的界面可成为水垢加速沉积的敏感部位管与支撑板间隙管与支撑板接触部位先沉积水垢，然后向周围间隙扩展7传热管与管板胀接结构部分胀接全长胀接全长胀接

＋

顶部磙压8水垢沉积过程初始阶段

早期

后期清洁无淤泥薄层淤泥积累

填充传热间隙淤泥积累增厚

化学杂质浓缩9换热器管板与传热管管板胀管过渡段因污垢沉积、腐蚀产物累积，给过渡段造成压力，导致内外两侧复杂的应力状态，从而可同时导致一次侧和二次侧的应力腐蚀开裂。二次侧污垢与传热管之间还同时存在介质浓缩造成的影响，更加速了二次侧应力腐蚀开裂速度10胀管过渡段SCC胀管过渡段的横向和纵向SCC裂纹11600MA管的晶间腐蚀－韩国某电厂DoHaengHur,etal.Rootcausesofintergranularattackinanoperatingnuclearsteamgeneratortube.JournalofNuclearMaterials375(3):382-387,2008.第六燃料循环600MA传热管外表面污垢外表面涡流探伤结果显示3mm缺陷管板上方8mm处的典型晶间腐蚀裂纹。晶界有M7C3型碳化物析出，有贫Cr区。表面氧化膜富Ni，近表面晶界含氧量较高。管板二次侧表面污垢中含硫12传热管支撑板结构设计

AP100013水垢在缝隙沉积引起应力腐蚀14水垢的沉积与应力腐蚀过程水垢沉积过程应力腐蚀过程Slidesfrom:RogerSteahle,20091516划伤处的裂纹美国Duke核电站蒸发器600合金传热管的开裂：二次侧应力腐蚀开裂表面划伤处开裂表面划伤所形成的残余应力促进了应力腐蚀开裂的形成。1718SGPb-SCCSG蒸发Pb浓缩在SCC处沉积诱发裂纹扩展600/690都可发生Seabrook-1,200018铅致应力腐蚀开裂600、690、800合金在350oC含铅1％的10％NaOH碱溶液中的应力腐蚀开裂时间19PbSCC机制镍基合金在水环境下，可能四种类型的尖晶石结构腐蚀产物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铅在高pH值的水中溶解：PbO+H2O→Pb(OH)2在高pH值环境中，Pb(OH)2可以比较容易进入表面钝化膜中，与氧化膜反应生成复杂的含铅化合物：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进一步脱水可以形成含Pb的尖晶石结构氧化膜，膜的生长按照空位扩散机制进行。B.T.Lu,J.L.Luo,andY.C.Lu.AMechanisticStudyonLead-InducedPassivity-DegradationofNickel-BasedAlloy.JournalofTheElectrochemicalSociety154(8):C379-C389,2007.20主要的应力腐蚀四种主要的应力腐蚀：管板上部胀管位置一回路水引起的内壁SCC管板上部胀管位置水垢引起的外壁SCC管子支撑板中间水垢引起的传热管外壁SCCU形弯管内壁SCC(弯管残余应力+一回路水引起)缩略语IDSCC－内壁应力腐蚀开裂ODSCC－外壁应力腐蚀开裂LPSCC－低电位应力腐蚀开裂外壁SCC位于管板上部胀管外侧内壁SCC位于U形弯曲部传热管内壁内壁SCC位于管板上部胀管部传热管内壁外壁SCC位于支撑板中部传热管内壁21传热管的损伤22蒸发器主要部件用材要求－1/2部件规格材料壳体筒节，一、二次侧接管最大筒节尺寸约：Φ4.5×0.11×4m,重约50吨；其中有一个锥形筒节，尺寸约Φ4.5-3.5×0.11×1.8m低碳Mn-Ni-Mo型可焊细晶粒低合金钢锻件，筒节可用钢板焊接。一次侧承压边界的内表面堆焊奥氏体不锈钢，管板一次侧表面堆焊镍基合金。下封头有的也用20MN5M，整体锻造上、下封头上封头厚约105mm，展开直径约Φ5.6m,下封头厚约200mm，底部有4个连体突出的支承座，需整体锻造。管板管板尺寸约为Φ3.5×0.56m，锻件厚度达到900mm，重量达到57吨安全端热端尺寸为Φ900×85×300mm，过渡端尺寸约Φ850×65×300mm低碳Cr-Ni奥氏体不锈钢锻件一次侧隔板尺寸约为R1600×60mm半园，重约0.5吨。INCONEL600型镍基合金板。23主要部件用材要求－2/2部件规格材料U形传热管尺寸约为Φ19×1.1mm，平均展开长度约22m，每台蒸发器使用约4500根管子。INCONEL690型镍基合金，也可选用INCOLOY800合金。支撑板(※)板厚约30mm，宽约3200mm。13％Cr马氏体不锈钢。流量分配板(※)板厚约19mm，宽约3200mm防振条(※)尺寸约8×8×3000mmINCONEL600型镍基合金型材，成品表面镀银(※)产品无核级质量保证要求，单制造前需要编制技术大纲并经过确认。其它部件都有核级质量要求。24蒸汽发生器传热管材质RCC-M规定传热管用M4105/NC30Fe，即INCONEL690合金制造。德国KWUQRMat1003.26/30规定用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规定传热管NC30Fe合金需要用电炉精炼+电渣重熔或真空除气的方法生产，从而减少杂质、夹杂物，并使材质成分均匀。INCONEL690TT需要经过1050oC以上的固溶处理，在3分钟以内快冷到900～500oC范围内，经过光亮和内壁喷沙处理后715±15oC退火至少5小时。INCOLOY800合金在固溶处理后需要以一定的冷拔变形量来达到力学性能要求，变形后不热处理，需要逐根管进行表面喷沙，切向、轴向压应力层深≥0.12mm。25蒸汽发生器传热管的性能要求材料室温350oCσbσ0.2δ5σ0.2σbMPa%MPaNC30Fe/690合金≥630275～375≥30≥215≥533INCOLOY800合金570~700335～470≥30≥295≥495RCC-M规定传热管用M4105/NC30Fe/690合金管的机械性能法国系列的蒸发器传热管选用Φ19.05(±0.10)、壁厚1.09±0.10mm。硬度要求≤92HRB，晶粒度应该为5～9，晶界上沿晶沉淀碳化物少。26镍基合金的碳化物析出形式A类，碳化物在晶界析出B类，重结晶后，碳化物在原始晶界网状析出B类，重结晶后，碳化物在晶内和原始晶界网状析出27特殊时效处理(TT-Thermaltreatment)TT处理工艺要求RCCM:700-730°C×5h

ASME:716-738°C×10h28合格的金相组织碳化物在晶界上连续或半连续性析出晶内析出碳化物密度较低，表明固溶处理温度足够全部将碳化物溶解，而碳化物由TT处理在晶界析出碳化物与基体的取向关系：立方－立方共格或半共格，<011>M23C6//<011>g29防振条材料－材质成分RCC-M规定防振条用M4102/NC30Fe镍基合金锻件或轧制板制造。材质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规定的镍基合金锻件或轧制板的热处理。材质固溶处理时效强化/去应力退火加热温度(oC)冷却加热温度(oC)保温时间NC15FeTNbA1080~1100空冷或更快700±10≥20小时NC15Fe950~1150快冷715±15≥12小时NC19FeNb925~1010空冷或更快720±10炉冷至620±10≥8小时≥10小时NC30Fe1000~1150快冷715±15≥5小时30M4102对镍基合金的性能要求材料拉伸性能硬度室温350oC250oC室温σbσ0.2δ5ψσ0.2σbσ0.2HBMPa%MPaMPa最