材料与水化学-第5讲-蒸发器材料

1、材料与水化学-第5讲-蒸发器材料第一页，共32页。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2第二页，共32页。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。3第三页，共32页。蒸汽发生器传

2、热管材料相图4第四页，共32页。传热管材料及支撑板材料成分5第五页，共32页。传热管工况环境一回路侧：压力15.5MPaLiOH+H3BO3 pH值 6.57.5溶解氢2050 cc/kg溶解氧100ppbNa+, 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6第六页，共32页。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7第七页，共32页。传热管缝隙水垢的

3、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8第八页，共32页。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9第九页，共32页。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10第十页，共32页。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

4、开裂速度11第十一页，共32页。胀管过渡段SCC胀管过渡段的横向和纵向SCC裂纹12第十二页，共32页。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

5、富Ni，近表面晶界含氧量较高。管板二次侧表面污垢中含硫13第十三页，共32页。传热管支撑板结构设计 AP100014第十四页，共32页。水垢在缝隙沉积引起应力腐蚀15第十五页，共32页。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, 200916第十六页，共32页。17第十七页，共32页。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。18第十八页，共32页。19SG Pb-SCCSG 蒸发Pb浓缩在SCC处沉积诱发裂纹扩展600/690都可发生

6、Seabrook-1, 200019第十九页，共32页。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20第二十页，共32页。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 + 4H2ONi(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)

7、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 + 2H2OPb(OH)2Fe(OH)2Cr(OH)3 (OH) FeOPbOCr(OH)2 + 2H2OPb(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-Degradat

8、ion of Nickel-Based Alloy. Journal of The Electrochemical Society 154 (8):C379-C389, 2007.21第二十一页，共32页。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SC

9、C位于支撑板中部传热管内壁22第二十二页，共32页。传热管的损伤23第二十三页，共32页。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：4.50.114m,重约50吨；其中有一个锥形筒节，尺寸约4.5-3.50.111.8m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5.6m, 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3.50.56m，锻件厚度达到90

10、0mm，重量达到57吨安全端热端尺寸为90085300mm，过渡端尺寸约85065300mm低碳Cr-Ni奥氏体不锈钢锻件一次侧隔板尺寸约为R160060mm半园，重约0.5吨。INCONEL600型镍基合金板。24第二十四页，共32页。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191.1mm，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。13Cr马氏体不锈钢。流量分配板()板厚约19mm，宽约3200mm防振条()尺寸约883000mmINCONEL600型

11、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。25第二十五页，共32页。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。成分CSiMnSPNiCrFeCuCoTiAlBNbN690合金0.010.03 0.50 0.50 0.010 0.015 58.0028.031.008.0011.00 0.50 0.035 0.50 0.50 0.003 0.10 0.05800合金

12、0.030.30.700.41.0 0.015 0.02032.0 35.020.023.0其余 0.60 0.10 0.600.15 0.45RCC-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。26第二十六页，共3

13、2页。蒸汽发生器传热管的性能要求材 料室温350oCb0.250.2bMPa%MPaNC30Fe/690合金 630275375 30 215 533INCOLOY 800合金570700335470 30 295 495RCC-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。27第二十七页，共32页。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2

14、8第二十八页，共32页。特殊时效处理(TT-Thermal treatment)TT处理工艺要求RCCM: 700-730C5h ASME: 716-738C10h29第二十九页，共32页。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 / g30第三十页，共32页。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 70.0014.017.005.009.00 0.502.252.750.401.000.70 1.20NC15Fe 0.10 0.50 1.00 0.010 0.015 72.0014.017.006.0010.00 0.50 0.50 0.50NC 19FeNb 0.080 0.35 0.35 0.015 0.01550.055.0017.021.00bal. 0.302.803.300.651.150.200.80 0.0064.75 5.50NC30Fe0.010.04 0.50 0.50 0.010 0.015 58.0028.031.0