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核电用Inconel690因科乃尔合金管耐热耐腐蚀奥氏体型镍基变形合金
发布人：上海艾荔艾金属材料有限公司
更新时间：2013-09-09
宝山钢铁股份有限公司首次与民营企业江苏银环精密钢管股份有限公司牵手，合资兴建的宝银特种钢管有限公司将专业生产核电蒸汽发生器用管，打破世界只有法国、日本和瑞典三家生产企业在这一材料领域的垄断。
国家发改委副主任张国宝在成立奠基仪式上说，这是中国核电用材料发展史上一个值得纪念的日子，意味着中国核电用Inconel 690-U型管将结束长期依赖进口的历史。这不仅有利于提升国家钢铁企业的竞争力，而且对保障我国核设施长期安全运行具有重要的意义。按照我国核电发展规划，到2020年，中国将新建核电站31座，作为核一级部件的蒸汽发生器用管使用量可达7500吨，市场价值240亿元。他希望，宝银特种钢管有限公司能够在技术上精益求精，管理上科学高效，把核电蒸发器用U形管项目做成国际一流水平。
宝钢股份是世界500强、我国著名的大型国有企业。其生产的特殊钢在高温合金研究和生产方面处于国内领先地位，曾对核电站蒸发器用合金管材进行了研制，取得了许多宝贵的研究成果。此次与江苏银环合作的宝银特种钢管有限公司的核电蒸汽发生器用管项目奠基，使宜兴成为宝钢股份的特殊钢精品制造基地；而江苏银环近两年开发的用于大型火电机组高、低压给水加热器用的U形无缝钢管，也曾填补国内空白。两者决定在技术、人才、流程、装备上联合，进军国内目前空白的核电蒸汽发生器用管领域，这标志着我国自主生产的核电蒸汽发生器用管正迈开国产化第一步。
据悉，新成立的宝银公司注册资本为2亿元，宝钢出资65%，银环出资35%，总投资７.５亿元的核电蒸汽发生器用管项目，预计在2009年7月建成投产。届时将年产规格为Φ12～25.4ｍｍ的Inconel 690合金U型管500吨。按未来国家核电发展规划，可满足每年建造2座100万kw核电站所需的蒸汽发生器用U型管的用量。
国外蒸汽发生器传热管的选材基本上经过了三个阶段，第一阶段是在50、60 年代，核电发展的初期，主要是选用18 - 8 不锈钢管；第二阶段是在70、80 年代，由于不锈钢管氯离子应力腐蚀问题的大量出现，材料工程师根据石化工程方面的经验，选用镍基高温合金Inconel 600 合金管或铁镍基合金管；第三阶段是80 年代以后，为了解决Inconel 600 合金管在蒸汽发生器一、二次侧介质中的应力腐蚀问题，法、美、日等国联合开发了高抗蚀的Inconel 690（TT）合金管材，90 年代初开始正式应用于工程。目前世界上只有法国Valinox、瑞典Sandvik、日本住友等少数公司生产Inconel 690（TT）合金管材，几乎垄断了蒸汽发生器高性能传热管材供给市场。
国内从70 年代开始研制蒸汽发生器传热管材，最初是18 - 8 型不锈钢管，随后又开发了新13 号合金管材。自我国发展核电以来，核蒸汽发生器传热管材就基本是引进国外管材。值得注意的是，引进管材的品种也是随合作对象和当时的技术状态而变化，我国自行设计的秦山一期核电站与欧洲联系较多，选用的是当时德国人看好的Incoloy800 合金管；法国设计的大亚湾核电站选用了当时开发成功不久的Inconel 690（TT）合金管材；秦山二期和岭澳核电站都选用了当前最流行的Inconel 690（TT）合金管材。
目前几乎所有新设计和在建核电站的蒸汽发生器都选用Inconel 690（TT）合金管材为传热管，并且许多原来使用18 - 8 不锈钢管或Inconel 600 合金管的蒸汽发生器机组也纷纷更换为Inconel 690（TT）传热管。按第三代核技术对Inconel 690 合金管的需求，国内每年至少需要350t 的Inconel 690 管材，才能满足200 万kW核电机组的建设。
Inconel 690 合金是一种具有优异抗多种水性介质和高温气氛侵蚀能力的镍基变形合金。它还具有高的强度，良好的冶金稳定性和优良的加工特性。由于Inconel 690 合金有显著的抗氧化能力及具有优异的抗应力腐蚀能力，因而被广泛应用于核蒸汽机中，是核蒸汽发生器压水反应堆的重要设备，Inconel690（TT）合金管是国外80 年代开发成功的第三代蒸汽发生器传热管材，在反应堆一、二回路介质中具有极高的抗蚀性，取代原来的不锈钢或Inconel600 合金管材，目前国际上在压水堆核电站中基本上都选用镍基Inconel 690（TT）合金管作为蒸发器传热管。
Inconel 690（TT）是镍基合金，含碳量不大于0.03%，铬- 镍含量为30Cr - 60Ni - 9Fe。管材的性能与冶金、热处理、制管工艺密切相关，冶金中不仅要控制合金元素杂质的含量，而且要严格控制Mg、Al等元素的含量，管材要经过三次热处理，即退火（Mill Annealing）、特殊热处理（Thermal Treatment）、消除应力（Stress reliving），要严格控制挤压、锻造、轧制工艺。
Inconel 690 合金的主要性能要求是抗晶间应力腐蚀的能力。而晶界的铬贫化、杂质向晶界的偏析、晶间碳化物及其对应力集中的力学效应，都是引起材料腐蚀的原因。因此需对该合金成份的精确控制、选择最佳的化学成份范围、微量元素处理技术以及低成本、高纯度、低杂质含量，同时又能满足钢综合性能的冶炼工艺进行研究。
核电蒸发器传热管表面质量要求高，尺寸控制严格，需进行特殊的热处理，采用一般轧制、热处理设备，通常的工艺很难达到要求。需要对制管的工艺进行优化研究，包括挤压、冷拔、冷轧、弯管的制造工艺及中间产品的退火工艺。
Inconel 690 U 型管在制造过程中要经过二道真空热处理工艺，一道是直管在无损检测后、另一道是在弯管后。其目的是消除制造应力、改善铬的贫化、优化析出碳化物的形态，消除管弯曲后产生的应力。
通过研究TT 热处理工艺对管材性能的影响，确定TT 热处理工艺制度。
70年代以前，国际上一直普遍采用Inconel 600合金作为核电站压水堆蒸汽发生器传热管的材料。1970年有一蒸汽发生器管损坏成了压水堆的致命缺陷。后来发现应力腐蚀开裂是压水堆蒸汽发生器管损坏的最重要原因。从此开始寻找具有更好应力腐蚀开裂杭力的材料。后来发现Inconel 690合金可以取代Inconel 600合金作为核电站压水堆蒸汽发生器传热管的理想材料。
Inconel 690合金是一种含30% Cr的奥氏体型镍基耐蚀合金。它不仅在含氯化物溶液和氢氧化钠溶液中，具有比Incmel 600, Incoloy800、304不锈钢优异的抗应力腐蚀开裂能力，还具有高的强度、良好的冶金稳定性和优良的加工特性。特别是在各种类型的高温水中，Inconel 69()合金显示出了低的腐蚀速率和优异的应力腐蚀开裂抗力。这些性能很适用于核蒸汽发电站。
据报道，在美国被广泛用作核反应堆蒸汽发生器传热管的Inconel 600合金，对晶间浸蚀和晶间应力腐蚀开裂有高的敏感性，在其一次循环侧和二次循环侧都遭受到了严重的晶间开裂的危害。而Inenel 690合金却恰恰具有在各种水环境中不受晶间应力腐蚀开裂影响的特点。
Inconel 690合金与Inconel 600合金在成分上的差异仅仅在于Cr含量不同。前者含Cr 30.0%，后者含Cr 15.5%, 因此，相对于Inconel 600合金而言，性能优异而成分并不复杂，是Inconel 691合金的又一特点。
Inconel 690合金的适用技术条件有美国的 ASME Code Case N一20(1484), SB163, SB166,SB167, SB168; ASTM B163, B166, B167, B168, B366;法国的“M4105 零件采购技术规范, 用于压水堆蒸汽发生器管道的无缝镍一铬一铁合金 (NC30Fe)钢管”。
Inconel 690合金管材已被承认为美国机械工程师协会锅炉和压力窗口标准下的结构材料。Case N一20 (先前的Case 1484) 已承认该合金为按该标准第1部分第3节建造的核用途压力容器的1类构件。
Inconel 690合金中各元素的作用如下：
Ni: 增加Ni含量可减小Incone1 690合金在碱液中的应力腐蚀开裂敏感性。
Cr: 增加Cr含量可降低Inconel 690合金在含有氯离子和氧的高温水中的应力腐蚀开裂的敏
感性。控制在30%可使合金具有高的抗蚀性。
Fe: 早期对Inconel 600合金的研究发现，Fe在脱氧纯水或氯化水中具有应力腐蚀开裂敏
感性，即Inconel 600 合金在这些环境中有应力腐蚀敏感性的主要原因，而增加Cr含量则可降低应力腐蚀敏感性。
C: 在 Inconel 690合金中，在轧制退火状态下，C含量对应力腐蚀开裂抗力只有小的或轻微
的影响。但在低温TT处理后，较高的碳含量(在0.02%至0.03%之间)，似乎具有比较低碳含量(约0.01%)更好的应力腐蚀开裂抗力。此外，高碳 (0.03%) 材料显示出比低碳 (0.01%)材料更多的晶内碳化物沉淀的可能。较低的碳含量 (0.017%) 导致比高碳 (0.027%)更大的晶粒长大倾向。
Nb 和 B : 如同Mo一样，添加Nb和B对Inconel 690合金的应力腐蚀开裂抗力有不利的影
响。
AI: 增加Al (<0 .05%至0.14%) 似乎增大晶间应力腐蚀开裂的深度。
Ti: 当 In conel 690合金中有Ti存在时，能对晶界起到钉扎作用。
S，P : 这是镍基合金中两种致命的有害元素，尤其是S。如果不能获得极低的S含量，它将严重影响合金的加工性能，甚至使合金难以加工。
在 TT 处 理的Inconel 690 合金中，发现除C外，P,B和AI也都有晶界偏聚现象。但偏聚
程度要比Inconel 600合金中小得多。
N: 有人认为合金中有适量的N (约0.2%)，可以细化晶粒，而又不危及晶界贫Al、贫Cr。
对TT处理再作一点说明。TT处理的原文是Thermal Treatment，即热处理。但在
有关Inconel 690合金的文献中，用到Thermal Treatment是指一种特殊热处理。为与Heat Treatment区别，国内把Thermal Treatment一词译为“TT处理”，实际上即在固溶处理后，在一定温度保温一定时间的一种等温处理。TT 处 理 之所以能够改善Inconel 690合金的
耐蚀性和应力腐蚀开裂抗力，其原因在于它能提高由于形成晶界碳化物引起的品界贫铬的铬浓度，改善晶界碳化物的分布状况及其形貌。
最后还要提一下，国外文献中关于生产及工艺参数的报道极少，因此，在国内生产Inconel 690合金管时，还应该通过研究与开发，掌握Inconel 690合金管生产工艺。
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