材料与水化学第5讲蒸发器材料.ppt

1,PWR核电站蒸汽发生器材料问题,蒸汽发生器的失效机理 各部件的选材,2,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,3,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。,4,蒸汽发生器传热管材料相图,5,传热管材料及支撑板材料成分,6,传热管工况环境,一回路侧：压力15.5MPa LiOH+H3BO3 pH值 6.57.5 溶解氢2050 cc/kg 溶解氧100ppb Na+, Cl-, SO42- 全部小于150 ppb 二回路侧 去离子水 不断蒸发后残留的水垢,7,二回路水垢的沉积,8,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,9,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,10,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,11,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,12,胀管过渡段SCC,胀管过渡段的横向和纵向SCC裂纹,13,600MA管的晶间腐蚀韩国某电厂,Do Haeng Hur, et al. Root causes of intergranular attack in an operating nuclear steam generator tube. Journal of Nuclear Materials 375 (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,14,传热管支撑板结构设计,AP1000,15,水垢在缝隙沉积引起应力腐蚀,16,水垢的沉积与应力腐蚀过程,水垢沉积过程,应力腐蚀过程,Slides from: Roger Steahle, 2009,17,18,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。,19,19,SG Pb-SCC,SG 蒸发 Pb浓缩 在SCC处沉积 诱发裂纹扩展 600/690都可发生,Seabrook-1, 2000,20,铅致应力腐蚀开裂,600、690、800合金在350oC含铅1的10NaOH碱溶液中的应力腐蚀开裂时间,21,PbSCC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 + 4H2O Ni(OH)2 + 2Fe(OH)3 NiFe2O4 + 4H2O Fe(OH)2 + 2Cr(OH)3 FeCr2O4 + 4H2O Fe(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)2Ni(OH)2Cr(OH)3 (OH) NiOPbOCr(OH)2 + 2H2O Pb(OH)2Fe(OH)2Cr(OH)3 (OH) FeOPbOCr(OH)2 + 2H2O Pb(OH)2Ni(OH)2Fe(OH)3 (OH) NiOPbOFe(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, and Y. C. Lu. A Mechanistic Study on Lead-Induced Passivity-Degradation of Nickel-Based Alloy. Journal of The Electrochemical Society 154 (8):C379-C389, 2007.,22,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SCC U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,23,传热管的损伤,24,蒸发器主要部件用材要求 1/2,25,主要部件用材要求 2/2,() 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。,26,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KWU QR Mat 1003.26/30规定用1.4558/INCOLOY 800合金制造。,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900500oC范围内，经过光亮和内壁喷沙处理后71515oC退火至少5小时。 INCOLOY 800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。,27,蒸汽发生器传热管的性能要求,RCC-M规定传热管用M4105/NC 30 Fe/690合金管的机械性能,法国系列的蒸发器传热管选用19.05(0.10) 、壁厚1.090.10mm。硬度要求 92 HRB，晶粒度应该为59，晶界上沿晶沉淀碳化物少。,28,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,29,特殊时效处理(TT-Thermal treatment),TT处理工艺要求 RCCM: 700-730C5h ASME: 716-738C10h,30,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， M23C6 / g,31,防振条材料材质成分,RCC-M规定防振条用M4102/