本文從材料的種類、材料制造所采用的體系、材料技術(shù)要求等方面對(duì)我國(guó)的壓水堆核電站設(shè)備制造中所采用的各種不同的金屬材料進(jìn)行了介紹。由于篇幅所限，本篇（上篇）中主要包括概述、碳（錳）鋼兩個(gè)部分，下篇中將對(duì)錳鎳鉬類低合金鋼、奧氏體不銹鋼和鎳基合金進(jìn)行介紹。

1 核島用金屬材料概述

不同堆型，其結(jié)構(gòu)和用途雖有所不同，但實(shí)現(xiàn)可控制核裂變反應(yīng)的過(guò)程是相同的，都需要燃料元件、堆內(nèi)構(gòu)件、控制棒、反射層、冷卻劑和慢化劑（快堆除外）以及包容它們的壓力容器或壓力管道等，因而需要各種各樣的材料來(lái)制造相關(guān)部件，以實(shí)現(xiàn)核能向熱能、熱能向電能的安全、高效率的轉(zhuǎn)化。

按照相關(guān)設(shè)備部件服役工況或使用功能的不同，核電設(shè)備可分為核一級(jí)、核二級(jí)、核三級(jí)和非核級(jí)。有核級(jí)要求的設(shè)備，一般即稱其所用材料為核電關(guān)鍵材料。

蒸汽發(fā)生器下封頭低合金鋼鍛件

核電常用的關(guān)鍵材料大體可分為碳鋼、不銹鋼和特殊合金，若進(jìn)一步細(xì)分，則有碳（錳）鋼、低合金鋼、不銹鋼、鋯合金、鈦鋁合金和鎳基合金等，按品種則有鑄鍛件、板、管、圓鋼、焊材等等。

核反應(yīng)堆的發(fā)展，從開(kāi)始就包括了材料的開(kāi)發(fā)與優(yōu)化，材料的發(fā)展很大程度上決定了核反應(yīng)堆發(fā)展的成熟度。因?yàn)楹穗娋哂行碌臒醾鲗?dǎo)條件及特殊的環(huán)境條件，如輻照或冷卻劑腐蝕等，要求所用材料必須能適合這些應(yīng)用條件；強(qiáng)調(diào)材料的另一原因是，核電站系統(tǒng)比常規(guī)電站有更高的安全要求。

由于我國(guó)目前正在建造的主要是第二代成熟的1000MW壓水堆核電站，同時(shí)也在通過(guò)技術(shù)引進(jìn)并吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)以發(fā)展先進(jìn)的第三代1000MW堆核電站。因此，本文以壓水堆核電站為例，對(duì)其不同設(shè)備的用材做一簡(jiǎn)單介紹。

在壓水堆核島中，主要設(shè)備除反應(yīng)堆及壓力容器外，還有蒸汽發(fā)生器、反應(yīng)堆冷卻劑主泵機(jī)組、穩(wěn)壓器及主管道等。由于這些部件在核島內(nèi)的位置、作用和工況不同，故材料的使用要求和環(huán)境條件也不盡相同，不同程度地存在輻照或酸腐蝕等；不僅要考慮常規(guī)的一些要求（如強(qiáng)度、韌性、焊接性能和冷熱加工性能），而且須考慮輻照帶來(lái)的組織、性能、尺寸等變化，如晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、低應(yīng)力脆斷、材料間的相容性、與介質(zhì)的相容性以及經(jīng)濟(jì)可行性等。

為便于從它們的服役特點(diǎn)中理解每個(gè)部件的功能、選擇依據(jù)，下面將壓水反應(yīng)堆核島內(nèi)重要金屬部件的工況、要求以及它們的所用材料體系簡(jiǎn)述如下。

1.1 壓水堆零/部件用金屬材料

1.1.1 包殼材料

包殼是指裝載燃料芯體的密封外殼。其作用是防止裂變產(chǎn)物逸出和避免燃料受冷卻劑的腐蝕以及有效地導(dǎo)出熱能，在長(zhǎng)期運(yùn)行的條件下不使放射性裂變物逸出。

鋯合金燃料包殼

工況最為苛刻：內(nèi)受裂變產(chǎn)物、外受冷卻劑腐蝕和溫度、壓力的作用，并受到強(qiáng)烈的中子輻射和冷卻劑的沖刷、振動(dòng)以及內(nèi)應(yīng)力、熱循環(huán)（開(kāi)、停堆時(shí)）應(yīng)力和燃料腫脹等作用。

因而，包殼材料應(yīng)有以下性能：熱中子吸收截面小、感生放射性小、半衰期短、強(qiáng)度高、塑韌性好、抗腐蝕性強(qiáng)、對(duì)晶間應(yīng)力腐蝕和吸氫不敏感；熱強(qiáng)性能、熱穩(wěn)定性和抗輻照性能好；導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)小，與燃料和冷卻劑相容性好；易于加工、便于焊接和成本低。

適宜作為包殼的材料主要有：鋁及鋁合金、鎂合金、鋯合金和奧氏體不銹鋼以及高密度熱解碳。

在壓水堆中，主要采用了鋯合金。這是因?yàn)槠錈嶂凶游战孛嫘　?dǎo)熱率高、力學(xué)性能好，具有良好的加工性能以及與二氧化鈾有較好的相容性，尤其對(duì)高溫水及水蒸汽也有良好的抗腐蝕性和熱強(qiáng)性。

1.1.2 堆內(nèi)構(gòu)件材料

在壓水堆中除了反應(yīng)堆壓力容器和燃料組件及相關(guān)的組件以外的均為堆內(nèi)構(gòu)件如壓緊板、導(dǎo)向筒、吊籃圍板、流量分配板、上下柵格組件等。

作用有：支撐燃料組件及精確定位、為控制棒及堆芯測(cè)量裝置和輻照監(jiān)督和提供支撐和導(dǎo)向、合理分配冷卻劑流和減少壓力容器內(nèi)表面的中子注量。

鎳基合金堆內(nèi)構(gòu)件板材

工作環(huán)境：面對(duì)活性區(qū)、受到冷卻劑沖刷和高溫、高壓作用。

堆內(nèi)構(gòu)件用材應(yīng)度具有強(qiáng)度高、塑韌性好、高溫性能好、中子吸收截面和中子俘獲截面以及感生放射性小、抗腐蝕性、抗輻照性能好并與冷卻劑相容好，導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)小，易于加工、便于焊接和戚本低。

適合于壓水堆內(nèi)構(gòu)件用材料要為奧氏體不銹鋼以及部分鎳基合金。

1.1.3 反應(yīng)堆回路材料

壓水反應(yīng)堆的回路管道是維持和約束冷卻劑循環(huán)流動(dòng)的通道。

作用：封閉高溫、高壓和帶強(qiáng)放射性的冷卻劑、對(duì)反應(yīng)堆安全和正常運(yùn)行起保障作用。

回路管道用材料應(yīng)備具有如下性能：抗應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕和均勻腐蝕的能力強(qiáng)，基體組織穩(wěn)定、夾雜物少、具有足夠強(qiáng)度、塑性和熱強(qiáng)性能，鑄鍛造和焊接性能好、生產(chǎn)工藝成熟、成本低、有類似的使用經(jīng)驗(yàn)，Co含量盡量低。

適合于壓水堆回路管道的主要材料為奧氏體不銹鋼。

不銹鋼主管道

1.1.4 反應(yīng)堆壓力容器材料

反應(yīng)堆堆壓力容器是裝載堆芯、支撐堆內(nèi)所構(gòu)件和容納回路冷卻劑并維持其壓力的堆本體承壓殼體。

它是由上、下封頭和筒體組成；它與一回路管道共同組成冷卻劑力邊界；還具有密封放射性、阻止裂變產(chǎn)物逸散的功能。

對(duì)反應(yīng)堆壓力容器用材要求：強(qiáng)度高、塑韌性好、抗輻照性能和抗腐蝕性強(qiáng)、與冷卻劑相容性好；純凈度高、偏析和夾雜物少、晶粒細(xì)小、組織穩(wěn)定；易于進(jìn)行冷熱加（包括焊接和淬透性好）；成本低、高溫高壓下使用經(jīng)驗(yàn)豐富。

反應(yīng)堆壓力容器，目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用的A508III（Gr.3C1.1）、16MND5，內(nèi)壁堆焊不銹鋼。

低合金鋼壓力容器殼體

1.1.5 蒸汽發(fā)生器材料

蒸汽發(fā)生器是將壓水堆一回路的熱能傳遞給二回路介質(zhì)以產(chǎn)生蒸汽的熱交換設(shè)備，一般采用帶汽水分器的飽和式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器。一般為管殼式，由簡(jiǎn)體、管板、汽水分離器及外殼容器、傳熱管等部件組成。

蒸汽發(fā)生器傳熱管為壓水堆核電站中的核心部件，起著一、二回路的能量交換的重要作用，并對(duì)一回路壓力邊界完整性有重大影響。

傳熱管在特定結(jié)構(gòu)和介質(zhì)條件下，承受高溫、高壓和管子內(nèi)外的壓差以及腐蝕、水力振動(dòng)等工況的作用，容易造成各種類型的腐蝕和應(yīng)力腐蝕破壞。

傳熱管應(yīng)具有：熱強(qiáng)性、熱穩(wěn)定性和焊接性好；基體組織穩(wěn)定、導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)小；抗均勻腐蝕和局部腐蝕能力強(qiáng)；具有足夠的塑性和韌性以適應(yīng)彎管、脹管的加工和抗振動(dòng)。

蒸汽發(fā)器的筒體管板一般采用反應(yīng)堆壓力容器相同或相近的材料，如A508III（Gr.3C1.1）、18MND5，其它一些部件如分離器則采用碳（錳）鋼或低合金鋼等。

蒸汽發(fā)生器傳熱管束及下部筒體

1.2 材料體系

在國(guó)際上的核電運(yùn)作建設(shè)中，ASME體系（通用和西屋）、俄羅斯（石墨慢化反應(yīng)堆和俄羅斯壓水堆）體系、法國(guó)RCC-M（壓水堆）體系、加CAND（重水鈾反應(yīng)堆）體系和德國(guó)KTA體系等。不同體系的壓水堆中所用關(guān)鍵材料有所不同、但相對(duì)還是比較接近。下面表1.1為各主要核電國(guó)家體系用材情況。

目前，我國(guó)的核電材料標(biāo)準(zhǔn)體系并未完全建立（正逐漸建立之中），主要采用了引進(jìn)技術(shù)中所列的一些國(guó)外牌號(hào)材料，如表1.1中所列的RCC-M、ASME等體系材料。

表1.1 各主要核電國(guó)家壓水堆用材體系

1.3 核電材料標(biāo)準(zhǔn)體系

目前在我國(guó)的壓水堆體系用材料中主要有美國(guó)ASME、法國(guó)RCC-M體系的材料。

1.3.1 RCC-M和ASME規(guī)范

RCC-M借鑒了美國(guó)ASME規(guī)范第III卷中NB、NC、ND、NG、NF各分卷的有關(guān)內(nèi)容，在結(jié)構(gòu)上也做了巧妙對(duì)應(yīng)，在章節(jié)的數(shù)字標(biāo)識(shí)體系上采用了類似結(jié)構(gòu)，章節(jié)下的內(nèi)容也相近。而AP1000則采用ASME用材體體系，下面表1.2給出了RCC-M和ASME對(duì)比。

表1.2 RCC-M和ASME對(duì)比表

1.3.2 歐洲標(biāo)準(zhǔn)用材表述

RCC-M引用了不少歐洲標(biāo)準(zhǔn)的材料，如EN10025等。而歐洲標(biāo)準(zhǔn)體系中，EN 10020（鋼的等級(jí)定義及劃分）、10027-1（鋼的命名體系第一部分：鋼名，主要符號(hào)）、EN 10027-2（鋼的命名體系第二部分：鋼號(hào)）對(duì)各種鋼進(jìn)行了分類表述。

但最新的“EN10025-2：2004”與我國(guó)目前正在使用的“EN10025：1990+A1：1993”有一定差異，主要在于鋼的符號(hào)表述和保證性能描述上，見(jiàn)表1.3。

表1.3 新舊EN10025-2牌號(hào)對(duì)比表

本文中所涉及的鋼種有：P355GH、P265GH、P280GH、S235JO / S275JO / S355JO，分別列于EN10028-2、10222-2、10025-2等標(biāo)準(zhǔn)中。

其中：

P指承壓件用鋼、后面XXX三個(gè)數(shù)字指（小尺寸材料的）最小屈服強(qiáng)度，GH指高溫用途。

S則指結(jié)構(gòu)鋼，后面所接X(jué)XX數(shù)字是指（小尺寸材料的）最小屈服強(qiáng)度，J、K、L分別指有沖功質(zhì)量要求。

2 碳（錳）鋼

本章所述材料為碳錳鋼種，主要采用了歐洲標(biāo)準(zhǔn)的一些材料，如P355GH、P265GH、P280GH、S235JO / S275JO / S355JO等。

2.1 簡(jiǎn)介

均為歐洲（EN）標(biāo)準(zhǔn)中的碳（錳）鋼，有不同的型式產(chǎn)品如板、管、鍛件、型材。

RCC-M的M篇中引用了這些材料，但強(qiáng)調(diào)了除了滿足EN標(biāo)準(zhǔn)的要求外，還須符合RCC-M相應(yīng)章節(jié)中的補(bǔ)充要求。

在我國(guó)的鍋爐、容器或用鋼標(biāo)準(zhǔn)GB713-2008和結(jié)構(gòu)件用鋼標(biāo)準(zhǔn)（GB700-2006、GB/T1591-2008）等標(biāo)準(zhǔn)中有對(duì)應(yīng)或相近的材料。

余熱排出冷卻器

2.1.1 P355GH

系ENI0028-2（壓力用途用板第二部具有規(guī)定高溫特性合金鋼和非合金鋼）標(biāo)準(zhǔn)中的鋼號(hào)，RCC-M中的M1131（鋼板）、M1132（沖壓件）將其列入。

RCC-M提出的補(bǔ)充技術(shù)要求主要有：

1）熱處理規(guī)定為正火，或淬火+回火；

2）對(duì)P和S元素含量有嚴(yán)格限制；

3）根據(jù)技術(shù)規(guī)格書(shū)和設(shè)備級(jí)別不同，規(guī)定了短時(shí)高溫強(qiáng)度、-20℃或-44℃沖擊功；

4）室溫彎曲試驗(yàn)；

5）超聲波檢查（3級(jí)設(shè)備用鋼板除外）。

該鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，其在500℃下的高溫力學(xué)性能優(yōu)于碳鋼，還具有良好的可焊性以及冷熱加工等工藝性能。

相近牌號(hào)有中國(guó)的GB713-2008中的Q345R（原GB71-1997中的19Mng、16Mng）美國(guó)SA299、日本的SB49和俄羅斯的16ГC等。

2.1.2 P265GH

此鋼種也系ENI0028-2（壓力用途用鋼板 第二部分：具有規(guī)定高溫特性的合金鋼和非合金鋼）標(biāo)準(zhǔn)和EN10216-2（壓力用途用鋼管 第二部分：有規(guī)定高溫特性的合金鋼和非合金鋼）中的鋼號(hào)，但是Mn含量要比P355GH的要低一些。RCC-M中的M1131（鋼板）、M1132（沖壓件）將其列入。

RCC 提出的補(bǔ)充技術(shù)要求主要有：

1）熱處理規(guī)定為正火，或淬火+回火；

2）有P和S元素有嚴(yán)格限制；

3）根據(jù)技術(shù)規(guī)格書(shū)和設(shè)備級(jí)別不同，規(guī)定了短時(shí)高溫強(qiáng)度、-20℃或-44℃沖擊功；

4）室溫彎曲試驗(yàn)；

5）超聲波檢查（3級(jí)設(shè)備用鋼板除外）。

該鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，具有良好的可焊性以及冷熱加工等工藝性能。

此鋼種與GB713-2008中的Q245R相近，也與我國(guó)“核電站用無(wú)縫鋼管第1部分碳素鋼無(wú)縫鋼管”中的HD245、HD245Cr、HD265、HD265Cr類似。

2.1.3 P280GH

EN10222-2（壓力用途用鋼制鍛件第二部分：具有高溫特性的鐵素體和馬氏體鋼）標(biāo)準(zhǔn)中的鋼號(hào)，Mn含量介于P355GH和P265GH之間；RCC-M 1124（模鍛彎頭）、1125（軋/鍛件）、1144、1152（管）將其列入（對(duì)其成分和性能進(jìn)行了一定調(diào)整）。

RCC-M調(diào)整的內(nèi)容有：

1）成分進(jìn)行了小的調(diào)整；

2）明確了鍛造比；

3）細(xì)化了熱處理；

4）明確規(guī)定了短時(shí)高溫屈服與抗拉強(qiáng)度、0℃的沖擊功；

5）模擬熱處理后的性能試驗(yàn)；

6）表面（目視）與內(nèi)部質(zhì)量檢查（UT）。

與國(guó)內(nèi)JB4726（壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鍛件）標(biāo)準(zhǔn)中的16Mn類似，從成分性能上看，也與我國(guó)“核電站用無(wú)縫鋼管第1部分碳素鋼無(wú)縫鋼管”中的HD280、HD280Cr類似。

2.1.4 S235JO / S275JO / S355JO

系EN10025-2：2004（熱軋結(jié)構(gòu)鋼制品第二部分：非合金結(jié)構(gòu)鋼的交貨技術(shù)條件）標(biāo)準(zhǔn)中的鋼號(hào)，有各種產(chǎn)品型式（空心材除外）。

 

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