中国压水堆核电站设备制造中金属材料的种类与技术概述

本文从材料种类等方面介绍了我国压水堆核电站设备制造中采用的各种金属材料。因篇幅限制，本篇（上篇）主要涵盖概述和碳（锰）钢两部分，下篇将对锰镍钼类低合金钢、奥氏体不锈钢和镍基合金予以介绍。

1 核岛用金属材料概述

不同堆型，其结构和用途存在差异。然而，实现可控制核裂变反应的过程是相同的。都需要燃料元件等部件，如燃料元件、堆内构件、控制棒、反射层、冷却剂和慢化剂（快堆除外)以及包容它们的压力容器或压力管道等。正因如此，需要各种各样的材料来制造相关部件，以实现核能向热能、热能向电能的安全、高效率转化。

核电设备依据相关设备部件的服役工况或者使用功能的差异，能够分为核一级、核二级、核三级以及非核级。对于有核级要求的设备，通常就把它所使用的材料称作核电关键材料。

蒸汽发生器下封头低合金钢锻件

核电常用的关键材料大致可分为碳钢、不锈钢以及特殊合金。若进一步进行细分，就有碳（锰）钢、低合金钢、不锈钢、锆合金、钛铝合金和镍基合金等。按照品种来划分，则有铸锻件、板、管、圆钢、焊材等等。

核反应堆的发展从一开始就包含了材料的开发与优化。材料的发展对核反应堆发展的成熟度有着很大的影响。因为核电具备新的热传导条件以及特殊的环境条件，像辐照或者冷却剂腐蚀等情况，这就要求所使用的材料必须能够适应这些应用条件。强调材料的另一个原因是，核电站系统相较于常规电站有着更高的安全要求。

我国目前正在建造的主要是第二代成熟的 1000MW 压水堆核电站。同时，也在通过技术引进并吸收国外先进技术来发展先进的第三代 1000MW 堆核电站。所以，本文以压水堆核电站为例，对其不同设备的用材进行简单介绍。

压水堆核岛中的主要设备有蒸汽发生器，还有反应堆冷却剂主泵机组，同时有稳压器及主管道等，除了反应堆及压力容器之外。这些部件在核岛内的位置、作用和工况各异。所以，材料的使用要求和环境条件也不一样，有的存在辐照，有的存在酸腐蚀等情况。既要考虑常规的一些要求，比如强度、韧性、焊接性能和冷热加工性能；又须考虑辐照带来的组织、性能、尺寸等方面的变化，像晶间腐蚀、应力腐蚀、低应力脆断、材料间的相容性、与介质的相容性以及经济可行性等。

为了从它们的服役特点里理解每个部件的功能和选择依据，接下来将对压水反应堆核岛内重要金属部件的工况、要求以及所使用的材料体系进行简要阐述。

1.1 压水堆零/部件用金属材料

1.1.1 包壳材料

包壳是密封外壳。它装载着燃料芯体。其作用有防止裂变产物逸出，避免燃料受冷却剂腐蚀，能有效地导出热能，在长期运行时不会使放射性裂变物逸出。

锆合金燃料包壳

- 并且受到内应力、热循环（开、停堆时）应力和燃料肿胀等作用。

包壳材料应具备以下性能：其一，热中子吸收截面较小；其二，感生放射性较小；其三，半衰期较短；其四，强度较高；其五，塑韧性较好；其六，抗腐蚀性较强；其七，对晶间应力腐蚀和吸氢不敏感。同时，还应具备良好的热强性能、热稳定性和抗辐照性能。此外，导热率要高，热膨胀系数要小，与燃料和冷却剂的相容性要好。并且，要易于加工、便于焊接且成本较低。

五是高密度热解碳。

在压水堆中，主要使用的是锆合金。因为它热中子吸收截面较小，同时导热率较高，力学性能良好，具备良好的加工性能，并且与二氧化铀有较好的相容性，尤其是在高温水及水蒸汽环境下，它还具有良好的抗腐蚀性和热强性。

1.1.2 堆内构件材料

在压水堆中，除了反应堆压力容器、燃料组件以及相关的组件之外的部分，都属于堆内构件。比如压紧板、导向筒、吊篮围板、流量分配板、上下栅格组件等。

作用包括：对燃料组件起到支撑作用，并且能够精确定位；为控制棒以及堆芯测量装置、辐照监督提供支撑和导向；能够合理地分配冷却剂流，同时减少压力容器内表面的中子注量。

镍基合金堆内构件板材

工作环境：面对活性区、受到冷却剂冲刷和高温、高压作用。

堆内构件用材应具备以下特性：强度高；塑韧性好；高温性能良好；中子吸收截面小、中子俘获截面小且感生放射性小；抗腐蚀性好；抗辐照性能好；与冷却剂相容良好；导热率高；热膨胀系数小；易于加工；便于焊接；成本低。

适合于压水堆内构件用材料要为奥氏体不锈钢以及部分镍基合金。

1.1.3 反应堆回路材料

压水反应堆的回路管道是维持和约束冷却剂循环流动的通道。

作用：能够将高温、高压以及带有强放射性的冷却剂进行封闭，对反应堆的安全以及正常运行起到保障的作用。

14. Co 含量尽量低。

适合于压水堆回路管道的主要材料为奥氏体不锈钢。

不锈钢主管道

1.1.4 反应堆压力容器材料

反应堆堆压力容器的作用是装载堆芯，它还支撑着堆内的构件，同时能够容纳回路冷却剂并且维持其压力，它是堆本体的承压壳体。

它由上封头和下封头以及筒体构成；它与一回路管道一同构成冷却剂力边界；并且具备密封放射性以及阻止裂变产物逸散的功能。

在高温高压下的使用经验要丰富。

反应堆压力容器，在国内外都有广泛应用。其中，A508III(Gr.3C1.1)和 16MND5 被广泛使用，它们的内壁堆焊有不锈钢。

低合金钢压力容器壳体

1.1.5 蒸汽发生器材料

蒸汽发生器的作用是把压水堆一回路的热能传递给二回路介质，从而产生蒸汽，它是一种热交换设备。通常采用带汽水分器的饱和式自然循环方式。一般是管壳式的，由简体、管板、汽水分离器及外壳容器、传热管等这些部件构成。

蒸汽发生器传热管是压水堆核电站的核心部件。它起着重要作用，能进行一、二回路的能量交换。同时，它对一回路压力边界的完整性有重大影响。

传热管在特定的结构以及特定的介质条件之下，会承受高温。同时，它也会承受高压，以及管子内外的压差。此外，它还会遭受腐蚀、水力振动等工况的作用。这些因素容易导致各种类型的腐蚀和应力腐蚀破坏。

传热管应具备以下特性：其一，热强性良好，热稳定性也好，焊接性同样良好；其二，基体组织稳定，导热率较高，热膨胀系数较小；其三，抗均匀腐蚀的能力较强，抗局部腐蚀的能力也较强；其四，具有足够的塑性和韧性，以能够适应弯管和胀管的加工，并且能够抗振动。

蒸汽发器的筒体管板通常会选用与反应堆压力容器相同或相近的材料，例如 A508III(Gr.3C1.1)以及 18MND5 等。而其它一些部件，像分离器则会采用碳（锰）钢或者低合金钢之类的材料。

蒸汽发生器传热管束及下部筒体

1.2 材料体系

在国际的核电运作建设领域，有 ASME 体系（包括通用和西屋），还有俄罗斯体系（包含石墨慢化反应堆和俄罗斯压水堆），以及法国的 RCC-M（压水堆）体系、加拿大的 CAND（重水铀反应堆）体系和德国的 KTA 体系等。不同体系的压水堆所使用的关键材料各不相同，但彼此之间相对较为接近。以下表 1.1 展示了各主要核电国家体系的用材情况。

目前，我国的核电材料标准体系尚未完全构建起来（正处于逐渐构建的过程中）。在核电材料方面，主要运用了引进技术里所列举的一些国外牌号材料，就像表 1.1 中所列出的 RCC - M、ASME 等体系的材料那样。

表1.1 各主要核电国家压水堆用材体系

1.3 核电材料标准体系

目前在我国的压水堆体系用材料里，主要有属于美国 ASME 体系的材料，还有属于法国 RCC-M 体系的材料。

1.3.1 RCC-M和ASME规范

RCC - M 参考了美国 ASME 规范第 III 卷中 NB、NC、ND、NG、NF 各分卷的相关内容。在结构方面，它进行了巧妙的对应。在章节的数字标识体系上，采用了类似的结构。并且章节下的内容也较为相近。而 AP1000 采用的是 ASME 用材体系。下面的表 1.2 展示了 RCC - M 和 ASME 的对比。

表1.2 RCC-M和ASME对比表

1.3.2 欧洲标准用材表述

RCC - M 引用了部分欧洲标准的材料，例如 EN10025 等。在欧洲标准体系里，EN10020 对钢的等级进行了定义及划分，EN10027 - 1 对钢的命名体系的第一部分即钢名和主要符号进行了规定，EN10027 - 2 对钢的命名体系的第二部分即钢号进行了阐述，这些标准对各种钢进行了分类表述。

最新的“EN10025-2：2004”和我国目前正在使用的“EN10025：1990+A1：1993”存在一定差异，这种差异主要体现在钢的符号表述方面以及保证性能的描述方面，具体情况见表 1.3。

表1.3 新旧EN10025-2牌号对比表

本文涉及的钢种有：P355GH 钢种；P265GH 钢种；P280GH 钢种；S235JO 钢种、S275JO 钢种、S355JO 钢种。这些钢种分别列于 EN10028-2 标准、10222-2 标准、10025-2 标准等中。

其中：

P 代表承压件用钢，后面的 XXX 三个数字表示（小尺寸材料的）最小屈服强度，GH 表示高温用途。

S 指的是结构钢，后面所接的 XXX 数字表示（小尺寸材料的）最小屈服强度，其中 J 指有冲功质量要求，K 指有冲功质量要求，L 指有冲功质量要求。

2 碳（锰）钢

本章所述材料属于碳锰钢种，主要运用了欧洲标准的一些材料，像 P355GH 这种材料，还有 P265GH、P280GH 等，以及 S235JO、S275JO、S355JO 等。

2.1 简介

这些产品均为欧洲（EN）标准中的碳（锰）钢，存在着不同的型式，包括板、管、锻件、型材等。

RCC-M 的 M 篇引用了这些材料。同时强调，除了要满足 EN 标准的要求之外，还必须符合 RCC-M 相应章节中的补充要求。

我国的锅炉、容器用钢标准是 GB713-2008，结构件用钢标准有 GB700-2006 和 GB/T1591-2008 等，这些标准中有对应或相近的材料。

余热排出冷却器

2.1.1 P355GH

该钢号属于 ENI0028-2（压力用途用板第二部具有规定高温特性合金钢和非合金钢）标准。RCC-M 中的 M1131（钢板）和 M1132（冲压件）将其列入其中。

RCC-M提出的补充技术要求主要有：

1)热处理规定为正火，或淬火+回火;

2)对P和S元素含量有严格限制；

根据技术规格书以及设备的不同级别，明确规定了短时高温时的强度，还有在-20℃或-44℃时的冲击功。

4)室温弯曲试验；

5)超声波检查（3级设备用钢板除外)。

该钢的综合力学性能良好。在 500℃的高温环境下，它的力学性能比碳钢更优。并且，它还具备良好的可焊性，以及冷热加工等工艺性能。

相近牌号有中国 GB713 - 2008 中的 Q345R ，它原是 GB71 - 1997 中的 19Mng 和 16Mng ；还有美国的 SA299 ；日本的 SB49 ；以及俄罗斯的 16ГC 等。

2.1.2 P265GH

此钢种属于 ENI0028-2（压力用途用钢板 第二部分：具有规定高温特性的合金钢和非合金钢）标准以及 EN10216-2（压力用途用钢管 第二部分：有规定高温特性的合金钢和非合金钢）中的钢号，不过其 Mn 含量比 P355GH 的要低一些，RCC-M 中的 M1131（钢板）和 M1132（冲压件）将其列入。

RCC 提出的补充技术要求主要有：

1）热处理规定为正火，或淬火+回火；

2）有P和S元素有严格限制；

根据技术规格书，并且因为设备级别有所不同，规定了短时高温强度，同时还规定了在-20℃或-44℃时的冲击功。

4）室温弯曲试验；

5）超声波检查（3级设备用钢板除外）。

该钢的综合力学性能良好，其可焊性良好，并且冷热加工等工艺性能也良好。

此钢种与 GB713-2008 里的 Q245R 较为相近，同时也和我国“核电站用无缝钢管第 1 部分碳素钢无缝钢管”中的 HD245 类似，与 HD245Cr 类似，与 HD265 类似，与 HD265Cr 类似。

2.1.3 P280GH

EN10222-2 标准中压力用途用钢制锻件第二部分（具有高温特性的铁素体和马氏体钢）的钢号，其 Mn 含量处于 P355GH 和 P265GH 之间；RCC-M 的 1124（模锻弯头）、1125（轧/锻件）、1144、1152（管）将该钢号列入，并且对其成分和性能进行了一定调整。

RCC-M调整的内容有：

1）成分进行了小的调整；

2）明确了锻造比；

3）细化了热处理；

4）明确规定了短时高温屈服与抗拉强度、0℃的冲击功；

5）模拟热处理后的性能试验；

6）表面（目视)与内部质量检查（UT）。

从成分性能方面来看，与国内 JB4726（压力容器用碳素钢和低合金钢锻件）标准里的 16Mn相似，同时也和我国“核电站用无缝钢管第 1 部分碳素钢无缝钢管”中的 HD280、HD280Cr相似。

S235JO、S275JO、S355JO 分别为不同的规格；S235JO 是其中一种规格；S275JO 是另一种规格；S355JO 又是一种规格。

EN10025-2：2004 标准中的钢号，在各种产品型式中（空心材除外）都有。

在法国RCC-M 1134中引用了这种材料。

RCC-M 提出的补充技术要求主要有：

须选用符合 NFEN 10025 标准规定的脱氧型牌号，这些牌号包括 FN（镇静钢）和 FF（完全镇静钢）。若将其用于吊杆，那么就必须选用质量级别为 J2 和 K2 的牌号。

对于 J2、K2 级别，需要进行特殊检查，并且要提供 3.1.B（EN 10204）的验收证书。如果是钢板的话，应当以正火态进行交货。

钢板的表面进行目视检查，同时对内部质量进行 UT 检查，且这与级别和厚度有关。

S235JO 与 GB/T700-2006 的 Q235C 较为接近，275JO 与 GB/T700-2006 的 Q275C 较为接近，S355JO 与 GB 1591-2008 中的 Q345C 较为接近。

2.2 用途

2.2.1 P355GH

它在常规产品方面，主要用来制作锅炉。同时，也用于石油化工设备中的高压容器以及其他焊接结构件，像反应器、换热器、分离器、球罐、油气罐以及汽罐等。

核电设备中，主要用于 1、2、3 级设备。有一种碳钢钢板，未在专用零件采购技术规范上规定，用于制造某些 2 级设备的体壳体及容器内结构件，像硼注射器中的上、下封头和简体等。

硼注箱

2.2.2 P265GH

钢板在常规产品方面，主要用来制作锅炉。同时，也用于制作石油化工设备里的高压容器。此外，还用于制作其它的焊接结构件，像反应器、换热器、分离器、球罐、油罐以及液化汽罐等。

核电设备中，主要用于 1、2、3 级设备。有一些碳钢钢板未在专用件采购技术规范上规定，这些碳钢钢板用于制造某些 2 级设备壳体及容器内结构件，像硼注射器中的裙座筒体、稳压器中的电极板、蒸汽发生器的板式分离器。

2.2.3 P280GH

此钢锻件在国内的应用数量较少。然而，由于它具备与 16Mn 锻件相近的性能特点，所以它的用途应当和 16Mn 锻件相同。例如，可用于管壳式换热器的碳钢管板、法兰等。

核电部件中主要用于蒸汽发生器主蒸汽系统、给水控流系统、辅助给水系统的是轧制管件或锻制管件（M1124），也有用于蒸汽发生器主蒸汽系统的锻造或模锻弯头。

2.2.4 S235JO / 275JO / S355JO

在常规产品上它主要用于重要程度并不高的一些结构件。

在核电设备中，有用于通用结构的部分，这些部分所用到的 S1、S2 钢板梁和商品级棒材等，未在专用零件采购技术规范上规定，但有一定量的要求。例如各种重型支撑锚固件，以及反应堆压力容器顶盖总装的附件，像法兰、简节、筋板等。

2.3 技术要求

2.3.1 化学成分

表2.1是这些钢种的化学成分。

表2.1 碳(锰)钢的化学成分

2.3.2 组织

热轧态为铁素体+珠光体；正火态也为铁素体+珠光体。而在淬火态时，除了铁素体+珠光体外，有可能会出现全部或部分马氏体或贝氏体类的组织，这种情况与冷却速度有关。

2.3.3 性能

表2.2为材料的各种性能要求。

表2.2 碳(锰)钢的性能要求

2.4 热处理

表2.3为各材料的基本热处理情况。

表2.3 碳(锰)钢的的交货状态

3 锰镍钼类低合金钢

铁素体钢价格便宜。它通过热处理能获得所需的低温和高温力学性能。其物理性能较为理想。可以加工制造特大、特厚型部件。为避免高温冷却剂腐蚀，可在其表面堆焊耐腐蚀的奥氏体不锈钢。反应堆压力容器、蒸汽发生器、稳压器冷却泵泵壳就是用这类钢制造的。

主要钢种包含法国的 RCC-M 16MND5 以及 18MND5，还有美国 ASME 里的 SA-302GrC、SA-533、SA-508III(Gr.3C1.1)、SA-541Gr3，以及德国 VDTUV384 中的 13MnNiMo5-4 等。

蒸汽发生器下封头低合金钢锻件

3.1 简介

这类低合金钢含有 Mn、Ni、Mo（Nb）。它们分别被列在美国的 ASME 规范里，如 SA-302M、SA-533M（钢板）、SA-508M、SA-541M（锻件）。与法国 RCC-M 中的相关 M 规范存在对应或接近的材料。德国技术监督协会材料公报 VDTUV384 中有 MnNiMo5-4 系的锅炉及压力容器专用钢板。

德国的 13MnNiMo5-4 除外，其余材料在我国压力容器用钢的标准系列里没有直接对应的牌号。仅在 GB/T1544-95 标准（压水堆压力容器选材原则与基本要求）中被引用了这些材料。

3.1.1 16MND5、18MND5

法国 RCC-M 体系中的材料里，M2111 到 M2117、M2119、M2131 所涉及的是 16MND5 锻件；M2141 和 M2142 是 16MND5 钢板及锻制封头；M2121 和 M2122 为 16MND5 钢板及压制封头；M2125 到 M2128 是 18MND5 钢板及压制封头；M2133 和 M2134 是 18MND5 锻件等。

这两种材料的化学成分要求大致相同。18MND5 在强度方面略高，这种强度上的差异是通过对成分、热处理淬火或回火参数进行控制而有意造成的。因为 Mn、Ni、Mo 在钢中发挥着作用，所以 18MND5 具有较好的淬透性、高温性能以及低回火脆性的特征。

我国压力容器用钢的标准系列里没有明确与之对应的牌号，只是在 GB/T15443-95 标准的附录中引用了相关标准的材料。

3.1.2 SA-302 Gr.C、SA-533B等

这几种材料属于 ASME 体系的材料，它们与 16MND5、18MND5 较为相近。材料的型式有钢板和锻件。这些材料分别列于美国的 ASME 标准中的 SA-302 Gr.C、SA-533B（钢板）以及 SA-508III（Gr.3C1.1）、SA-541Gr.3（锻件）等规范。

3.1.3 13MnNiMo5-4

德国在六十年代研制成功了可焊贝氏体型耐热结构钢，它属于非列标钢种。这种钢是一种细晶粒低合金钢，添加了镍、铬、钼以及微量的铌，铌起到细化晶粒和强化的作用。该钢具有较好的综合力学性能，高温屈服点较高，对裂纹不敏感，并且焊接性能和工艺性能良好。

国内有一个标准是 GB713-2008，该标准中的 13MnNiMoR 是与之对应的钢种。

3.2 用途

16MND5 和 18MND5 是法式压水堆核岛设备中极为重要的受压部件材料。它们被应用于反应堆压力容器和蒸汽发生器等部件，其中包括反应堆压力容器的整体顶盖（或顶盖+顶盖法兰）、法兰、简体、过渡环、接管等；还有蒸汽发生器的上封头、下封头、管板、筒节、一二次侧人孔、稳压器筒节、冷却泵主法兰等。

ASME 对应材料的用途和 16MND5 的用途相似，也和 18MND5 的用途相似。13MnNiMo5 - 4 主要是用于工作温度在 400℃及以下的各种焊接件，像锅筒、压力容器或者封头这类构件。

稳压器下封头

3.3 技术要求

3.3.1 化学成分

表3.1给出示例规范数据。

表3.1 低合金钢的化学成分

3.3.2 组织

基体组织是全回火贝氏体（如下面的图所展示的那样）。如果淬火的冷却速度不够，就会出现铁素体加珠光体的情况，而这对提升强度和韧性是非常不利的。

16MND5钢的典型组织

3.3.3 性能

表3.2是材料的各种性能要求。

表3.2 低合金钢的性能要求

3.4 热处理

表3.3是各材料的基本热处理情况。

表3.3 低合金钢的交货状态

4 奥氏体不锈钢

在反应堆中主要采用奥氏体不锈钢，原因在于：

马氏体不锈钢强度高，然而由于铬含量低，所以耐蚀性较差；高铬铁素体不锈钢耐蚀性比马氏体钢强，可是它比奥氏体不锈钢脆性大，并且不能通过热处理方式进行强化；双相不锈钢综合了铁素体和马氏体不锈钢的特点，不过依然具有铁素体不锈钢的三种脆性（475℃脆性、σ相脆性与高温脆性），以及耐热性能和加工性能较差的特点。

马氏体不锈钢在不预热且不进行焊后热处理的情况下，可能会产生冷裂与延迟裂纹，所以一般不被用作焊接件；高铬铁素体不锈钢在焊接时容易引起热影响区晶粒长大，从而导致韧性降低，并且需要预热与焊后热处理，此外，其三脆性还会对安全构成威胁。

奥氏体不锈钢进行了去应力处理。然而，为了避免敏化从而增加腐蚀倾向，通常不会采用预热和焊后热处理的方式。正因如此，主回路管道大多选用奥氏体不锈钢，这样便于在现场进行焊接。并且，奥氏体不锈钢的辐照敏感性相对较低。

奥氏体不锈钢不能通过热处理来强化。然而，它具有塑性高的特点，屈强比小，加工硬化率大。正因如此，通过冷加工这种方式能够提高其强度。

在反应堆系统中，优先选用奥氏体不锈钢种。其中主要有美国 ASME 中的 316L 和 304L，法国 RCC-M 中控氮的 Z2CND18-12 以及 Z2CN19-10，德国的 X6CrNiNb1810 和 G-X5CrNiNb189 等。本篇只介绍前面的两种。

4.1 简介

这类钢材包含 Cr、Ni、Mo 的奥氏体不锈钢，在不同的标准里存在着各种类型的型式产品，其中有管这种类型，有板这种类型，有圆钢这种类型，还有锻件这种类型等。我国的 GB/T20878-2007 标准中有着相近的材料。

4.1.1 316L/304L

在 ASME 标准中，304L 列于 SA - 182（锻件）。

中国的 GB/T20878-2007 中有 022Cr19Ni10（对应 304L 旧牌，旧牌号 00Cr19Ni10）以及 022Cr17Ni12Mo2（对应 316L，旧牌号 00C17Ni14Mo2），这与法国 RCC-M 中的 M3300 系列规范中控氮的 Z2CND18-12/Z2CN19-10较为接近。

4.1.2 控氮Z2CND18-12/Z2CN19-10

法国 RCC-M 中的 M3300 系列规范包含控氮 Z2CN19 - 1O 和控氮 Z2CND18 - 12 牌号。这两个牌号分别列于 M3301（锻件冲压件）中，列于 M3303 / 3304 / 330S（钢管）中，列于 M3306（锻轧件、半成品棒材）中，列于 M3307 / 3312 / 3314 / 3315（钢板、冲压件、焊接管）中，还列于 M3313（锻造模压弯头）等。产品型式同样有管、板、圆钢、锻件等。

4.2 用途

常规用途为，主要用于石油化工或容器用的板、管件、管道等。

在压水堆核电站里，不锈钢是堆芯结构的主要材料品种，也是堆内构件的主要材料品种，还是回路冷却循环系统的主要材料品种。比如在反应堆压力容器中，有 CRDM 管座法兰；在蒸汽发生器一次侧管嘴处，有安全端；在安注箱的上封头上；在稳压器中的波动管接管嘴处，也有安全端等。

稳压器卸压箱（主要材料为奥氏体不锈钢）

4.3 技术要求

4.3.1 化学成分

表 4.1 展示了这些钢种的化学成分。由于涉及的相关规范数量较多，所以仅仅给出了示例规范数据。

表4.1 核电用不锈钢化学成分表

4.3.2 组织

这些钢种都是奥氏体不锈钢。一般而言，它们的基体是奥氏体组织。当然，也存在少量的第二相，就像下图所展示的那样。

316L奥氏体不锈钢的典型组织

4.3.3 性能

表4.2是材料的各种性能要求。

表4.2 核电用不锈钢力学性能

4.4 热处理

表4.3是各材料的基本热处理情况。

表4.3 核电用不锈钢交货状态

5 镍（铁）基合金

高温下能够承受一定应力，同时具有一定抗氧化性和耐腐蚀性，并且合金中含超过 50%金属的材料被称为高温合金。在高温合金中，以高温强度为主且兼具耐蚀性的被称为耐热高温合金；以耐蚀为主并且兼有一定高温强度的，则被称为耐蚀合金。

奥氏体不锈钢具有较高的热强性，同时具备良好的抗氧化能力和抗腐蚀能力。它的焊接性能较好，冷、热加工性能也比较不错。然而，由于它对应力腐蚀比较敏感，所以在堆内承受载荷的构件和蒸汽发生器传热管方面，现在一般都避免采用 18 - 8 不锈钢。取而代之的是，选用各种性能均优于不锈钢，并且对应力腐蚀不敏感的镍基合金或铁镍基高温合金。

这类合金材料有 Inconl-600(NC15Fe)、Inconl-690（NC30Fe）以及改良 Incoloy-800。接下来，就对这几种镍基合金分别做一简单介绍。

5.1 简介

有三种均为高温合金，包含管类、杆类、棒类、丝类、板类等。这些高温合金被列于美国的 ASME SB-163、166、167、168 规范中，也列于 RCC-M 的 M4100 系列规范中，还列于德国的 KTA3201.1 规范中。

在 ASME 规范里，Inconl - 600 的名称是 Alloy N06600，Inconl - 690 的名称是 Alloy N06690。这些管子被列在美国的 SB - 163 中的冷凝器和热交换器管里，并且与法国 RCC - M 中的 M41O1（1993 年版名称为 NC15Fe）以及 4105（名称为 NC30Fe）相互对应。

5.1.1 Inconel-600

所以它被广泛用于压水堆传热管，以代替早期应用的 18 - 8 奥氏体型不锈钢。

此合金的镍含量较高，达 75%，这导致碳在固溶体中的溶解度减小，所以它对晶间应力腐蚀较为敏感。在 715℃下经过 12 小时进行特殊的时效热处理，并且将二回路水改用全挥发处理后，其应用性能有了一定改善。然而，国际上仍继续开发了 800（mod）和 690 合金。

5.1.2 Inconel-690

Inconel - 690（NC30Fe/OCr30Ni60Fe10）是在 600 合金的基础上进行改良的。600 合金存在镍含量太高（达 75%）的问题，这导致碳在固溶体中的溶解度减小，使得晶间应力腐蚀比较敏感。为了改善这些缺点，将 Inconel - 690 的镍含量降低到 60%，碳含量降低到 0.04%，同时将铬升高到 30%。这种成分配比，使其耐晶间腐蚀的能力得到了大大提高。这种成分配比，使其耐氯化物应力腐蚀的能力得到了大大提高。这种成分配比，使其耐苛性碱应力腐蚀的能力得到了大大提高。

5.1.3 改良的Incoloy-800

Incoloy - 800（OCr20Ni32FeA1Ti）是为了在高温环境下应用而发展起来的耐蚀合金。然而，它与前面提到的两种镍基合金存在差异，它是一种铁镍合金。

含 Cr 量是 23%，这个含量比 600 合金的 14 - 17%要高，所以抗氧化能力更强。

其 Ni 约为 30%，恰好处于一个区域，在这个区域中，对于晶间应力腐蚀和穿晶应力腐蚀都不是很敏感。

镍的含量为 30%，碳的含量为 0.05%，其成分搭配较为理想。600 合金中镍的含量为 75%，碳的含量为 0.08%。所以，前者的抗晶间腐蚀和抗晶间应力腐蚀能力比后者好。然而，镍含量低会使得抗苛性钠的应力腐蚀能力下降，因此 800 合金抗苛性钠的应力腐蚀能力低于 600 和 690 合金。

5.2 用途

现同为现役压水堆核电站的蒸汽发生器传热管的主要材料。

蒸汽发生器用690合金传热管

5.2.1 Inconel-600

但现在有逐渐减少使用的态势，其中包括水堆核电站蒸汽发生器用管的更换，这种更换方式已不再被采用。例如在过去的 15 年里，美国 B&W 公司已经使用 690 合金管对 42 台蒸汽发生器的传热管进行了更换。

5.2.2 Inconel-690

上世纪九十年代起，690 合金是在 600 和 800 合金之后发展出来的，其成分配比更为合理。所以，美国和法国已将其选为新建设的现代压水堆核电站蒸汽发生器“U”型管束材料的优先之选，并且在其他部件中也有使用。

反应堆压力容器使用 690 材料，其中包括 CRDM 套管、M 支撑、穿透管、排放管套管、导向管。蒸汽发生器使用的有锁紧板、螺母、限制器、分隔板、分隔板短节、管束、管束塞头、管箱封头排污套管、一次侧人孔排污套管等。

5.2.3 Incoloy-800

德国西门子/KWU 反应堆采用改良 800 合金。其他方面也有使用该合金的情况，比如加拿大安大略省 Bruce 动力公司的 BruceA 核电站，它将用 800 合金管来更换早期 24 台 120t 蒸发器中的传热管。

5.3 技术要求

5.3.1 化学成分

表5.1是这三种材料的化学成分。

表5.1 蒸汽发生器用镍基合金化学成分

5.3.2 组织

这些材料的基体是奥氏体组织。同时，也存在着少量的第二相。示例情况如下图所示。

690合金的典型组织

5.3.3 性能

表5.2是600和690合金两种材料的性能。

表5.2是600和690合金两种材料的性能。

5.4 热处理

表5.3是各材料的基本热处理情况。

表5.3 核电用镍基合金交货状态