AP1000堆內構件主體材料替代研究

陳 亮，唐 茂，張明乾，邵濬泉

（中廣核工程有限公司，深圳518124）

反應堆堆內構件是指在反應堆壓力容器內部，除燃料組件及其相關組件、堆芯測量儀表及壓力容器輻照監督管之外的所有結構件。堆內構件是反應堆結構中的關鍵設備，構成堆芯外圍輪廓，為控制棒提供保護、支承和對中；吸收并傳遞控制棒動載荷、燃料組件載荷和其他載荷；導向并分配反應堆冷卻劑；在堆芯跌落事故下，為堆芯提供二次支承；為壓力容器提供屏蔽，使之免受過量的堆芯輻照等。由于長期處于高溫、高輻照環境，并經受一回路冷卻劑的高速沖刷，材料應具備較好的力學性能、耐輻照活化性能和耐腐蝕性能。

目前國內在建及運行核電項目以二代改進型壓水堆為主，堆內構件主體材料（占堆內構件質量85%以上）采用18－8型奧氏體不銹鋼。經過秦山、大亞灣等核電項目技術積累和沉淀，堆內構件主體材料如大型板材、鍛件等已基本實現國產化，且達到較高水準。鑒于AP1000為新一代核電技術，堆內構件結構形式、材料選擇、制造工藝均發生了較大變化。筆者從堆內構件材料適用規范出發，對比分析AP1000堆內構件主體材料與二代改進型壓水堆的差異，探討AP1000堆內構件材料替換的可行性。

1 適用規范對比

ASME和RCC－M是當今最主要的核電設計與制造規范。AP1000壓水堆執行ASME規范（1998版及2000增補），二代改進型壓水堆執行RCC－M規范（2000版＋2002補遺）。ASME是美國機械工程師學會編制的鍋爐和壓力容器規范，AP1000堆內構件設計與制造主要參照執行ASME第II卷材料和第III卷NCA分卷－第1冊和第2冊總要求及第III卷NG分卷－堆芯支承結構。ASME規范的指標為最低要求，在設計中可根據設備具體要求進行適當提高。具體實施過程中，設計人員需考慮的因素較多，自由度大，不易掌握。RCC－M是基于ASME演變發展而來的法國壓水堆核島機械設備設計和建造規則，與ASME相比針對性更強，具體指標有一定程度提高，易于實施。二代改進型堆內構件材料主要執行RCC－M第I卷G篇反應堆堆內構件和第II卷M篇材料（下）。

2 主體材料性能分析

AP1000堆內構件主體結構采用304或304H低碳奧氏體不銹鋼。304奧氏體不銹鋼主要用于制造上部支承裙筒、堆芯罩、吊籃筒體；304H主要用于制造堆芯下支承板、堆芯上板、上支承板、吊籃法蘭、吊籃筒體接管和徑向支承鍵。二代改進型堆內構件主體結構采用Z2CN19－10（控氮）和Z3CN18－10（控氮）超低碳奧氏體不銹鋼。Z2CN19－10（控氮）主要用于制造上部支承裙筒、堆芯上板、吊籃法蘭、吊籃筒體、吊籃筒體接管和徑向支承鍵；Z3CN18－10（控氮）主要用于制造堆芯下支承板、上支承板。上述材料化學成分和力學性能見表1、表2。

表1 主體材料化學成分對比表

表2 主體材料力學性能對比表

2．1 304和304H材料分析

2．1．1 含碳量

304不銹鋼w（C）不大于0．08%，沒有下限指標，甚至可低于0．03%，只要力學性能滿足要求，可涵蓋低碳奧氏體不銹鋼和超低碳奧氏體不銹鋼；304H不銹鋼w（C）介于0．04%～0．08%，有上、下限指標，為低碳奧氏體不銹鋼。

2．1．2 晶粒度

304不銹鋼晶粒度一般以細為佳，如中小型鍛件、軋棒和管材晶粒度要求為5級或更細；而304H不銹鋼大鍛件材料晶粒度要求不宜太細，一般要求為6級或更粗。在AP1000堆內構件設計中，堆芯下支承板、上支承板、吊籃法蘭、吊籃筒體接管和徑向支承鍵等部件采用304鍛件，以F304H表示。304和304H的力學性能值保持一致。

2．2 Z2CN19－10（控氮）和Z3CN18－10（控氮）材料分析

Z2CN19－10（控氮）和Z3CN18－10（控氮）均為超低碳控氮奧氏體不銹鋼，Z2CN19－10（控氮）w（C）≤0．035%，Z3CN18－10（控 氮）w （C）≤0．04%，w（N）均不大于 0．08%，一般控制在0．06%～0．07%，兩者力學性能基本一致。

2．3 兩組材料性能比較

2．3．1 抗晶間腐蝕性能

晶間腐蝕是金屬材料在特定的腐蝕介質中，在高溫環境中由于晶界合金元素的貧化，沿著材料的晶粒晶界受到腐蝕，使晶粒制件喪失結合力的一種局部腐蝕破環現象［1］。Cr是決定不銹鋼耐腐蝕性的主要元素，有效含量應超過12%。以w（C）為0．08%的普通18－8型不銹鋼為例：室溫時，C在奧氏體鋼中的質量分數約為0．02%～0．03%，固溶處理后碳為過飽和，呈現不穩定狀態。當溫度升高，特別是在450～750℃時，過飽和的C將向晶界擴散，與Cr結合形成Cr23C6沉淀于晶界。由于Cr原子半徑較大，在晶粒內部擴散速度較慢，來不及向晶界擴散，致使晶界附近Cr的質量分數大為減少，當Cr的有效含量低于12%時，就形成相對的“貧鉻區”。“貧鉻區”電位下降，而晶粒本身仍維持高電位，晶粒與“貧鉻區”之間存在著一定的電位差，而在腐蝕介質中晶界的溶解速度遠大于晶粒本身的溶解速度。“貧鉻區”作為陽極，晶粒作為陰極，從而形成微電池（見圖1），造成“貧鉻區”的選擇性局部腐蝕，即晶間腐蝕。

圖1 晶界析出及貧鉻區示意圖

晶間腐蝕發生后，金屬表面仍保持一定的金屬光澤，沒有破壞的跡象，但晶粒間的結合力已顯著減弱，強度下降，容易遭到破壞。晶間腐蝕隱蔽性強，突發性破壞幾率大［2］，因此有嚴重的危害性，尤其在焊接時，焊縫附近的熱影響區更容易發生晶間腐蝕。

C元素對不銹鋼敏化起著重要作用。w（C）越高，C的擴散量越多，Cr消耗量越大，晶間腐蝕深度越大。因此降低不銹鋼中C質量分數，是避免發生晶間腐蝕最有效的措施。一般認為，w（C）低于0．03%（即超低碳奧氏體不銹鋼），可避免發生晶間腐蝕。

AP1000堆內構件主體結構材料采用304和304H，這類材料在鋼廠出廠前都經過固溶處理，若用于制造非焊接件或未經高溫加工的零件，在反應堆運行期間，一般不會發生晶間腐蝕。AP1000堆內構件結構大部分采用焊接件，特別是堆芯罩組件更采用全焊接結構，焊接中必經過450～750℃的敏化溫度區，不可避免地要發生晶間腐蝕現象。根據制造廠經驗，304和304H的焊接工藝評定件，若進行抗晶間腐蝕試驗，基本不合格。

二代改進型堆內構件主體結構采用Z2CN19－10（控氮）和 Z3CN18－10（控氮）。此類材料w（C）不大于0．035%，為超低碳奧氏體不銹鋼，抗晶間腐蝕性能突出，敏化處理后或焊接評定件抗晶間腐蝕試驗都能合格通過，因此RCC－MG2322規定可以不進行此類材料的抗晶間腐蝕試驗。可見，Z2CN19－10（控氮）、Z3CN18－10（控氮）的抗晶間腐蝕性能均優于304和304H。

2．3．2 力學性能

304、304H、Z2CN19－10（控氮）和Z3CN18－10（控氮）均屬于18－8型奧氏體不銹鋼（兩組材料力學性能見表2）。通常，w（C）數值越低，其力學性能越差，但 304、304H 與 Z2CN19－10（控氮）、Z3CN18－10（控氮）力學性能相當，這主要與w（N）的差異有關。根據文獻［3］介紹，影響18－8型不銹鋼的室溫強度的元素有C、N、Cr、Ni、Mo、W、V、Nb、Ti、Al、Si、Mn、Co、Cu共14個；從金屬學規律區分固溶強化和組織結構因素的影響，如強度隨1／d1／2（d 為晶粒直徑）的變化，強度隨晶粒數的變化，強度隨馬氏體含量和δ相含量的變化等。依據統計回歸法獲得的經驗公式如下：

式（1）及式（2）中：w（M）為某元素（M）的質量分數；δ為鐵素體的體積分數；t為孿晶界面平均距離，mm，t－1為每毫米的孿晶數；d為晶粒平均尺寸，mm，d－1為每毫米的晶粒數。

在式（1）中N的強化系數為50．4，而C的強化系數為36．2，在式（2）中 N 的強化系數為86．6，而C的強化系數為55．1。從上述經驗公式中可見N比C對材料強度影響要大。

304、304H的w（N）不超過0．10%，而Z2CN19－10（控氮）和 Z3CN18－10（控 氮）的 w（N）不 超 過0．08%，前一組w（N）似乎高于后一組。但在鋼廠實際生產過程中，前一組材料未設置控氮指標，N元素按雜質進行處理，w（N）相當低，材料的力學性能依靠C元素來保證，這也是304、304H中C元素不能過低的原因。雖然后一組材料w（N）不超過0．08%，但鋼廠將N元素作為合金元素進行添加，一般控制在0．06%～0．07%為佳，材料的力學性能也 得 以 保 證。 因 此 Z2CN19－10（控 氮 ）和Z3CN18－10（控氮）的w（N）遠高于304、304H，從而彌補了C含量不足對材料強度的影響。

3 AP1000材料替代分析

通過AP1000機組與二代改進型機組堆內構件主體材料化學成分差異對比，評述其對強度、耐腐蝕性能、抗氧化性能以及耐輻照性能的影響，見表3。

表3 AP1000機組和二代改進型機組堆內構件主體材料分析評述

從上述分析評述可以看出：Z2CN19－10（控氮）和Z3CN18－10（控氮）除個別元素成分進行適當修正后，可完全被304、304H所包容；其力學性能與304、304H相當，延伸率略高10%～15%，抗晶間腐蝕性能更好；增加w（B）控制，有助于改善輻照脆化性能，延長堆內構件使用壽命。

4 結語

二代改進型堆內構件主體結構材料Z2CN19－10（控氮）和Z3CN18－10（控氮）是從 ASME規范繼承而來，在RCC－M規范中得以創新和發展。鑒于Z2CN19－10（控氮）和Z3CN18－10（控氮）已具有幾十年成功使用的案例，目前國內鋼廠也完全具備自主生產能力，可完全替代AP1000堆內構件中使用的304、304H。采用Z2CN19－10（控氮）和Z3CN18－10不僅有助于提高材料的總體性能，保證材料生產的穩定性，從控制采購成本、降低采購風險、保證工程進度等方面考慮，也值得在AP1000堆內構件國產化過程中進行推廣。

［1］鄭海生．奧氏體不銹鋼晶間腐蝕問題的研究及防止［J］．機電工程技術，2004，33（1）：46－47．

［2］林曉云．18－8奧氏體不銹鋼焊接接頭晶間腐蝕的評定及控制［J］．理化檢驗（物理分冊），2007，43（5）：236－238，241．

［3］肖紀美．不銹鋼的金屬學問題［M］．北京：冶金工業出版社，2006：218－220．