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新材料專題近年來,我國關鍵基礎鋼鐵新材料的質量、性能、綠色化水平顯著提高,新材料產業的發展也為鋼鐵企業的轉型升級提供了新的契機,同時,鋼鐵企業也要建立健全上下游產業合作機制,加快鋼鐵新材料產業化應用。未來高性能、高技術、高品質的“三高”鋼鐵新材料將成為鋼鐵行業高質量發展的主攻方向。為加快推進我國鋼鐵新材料的研發,本報特組織此次新材料專題報道,以期從生產和應用方面,推動鋼鐵新材料制造技術的迭代升級。
近年來,中國加快了核電的發展步伐。發展核電不僅可以改善我國的能源供應結構,更有利于保障國家能源安全和經濟安全。根據國家《核電中長期發展規劃》,到2020年,中國核電裝機容量將達到在運5800萬千瓦。但是截止2018年6月,中國大陸在役電站39座,裝機容量約3800萬千瓦,在全國電力供應中的占比約4%;在建機組18臺,裝機容量約2000萬千瓦。由此可見,核電當前建設進度距規劃目標缺口較大,為完成規劃目標,到2020年每年至少開工建設6-8臺機組,才能達到西方發達國家核電占比水平。
2018年4月底,AP1000全球首堆三門1號核電機組、臺山EPR核電機組分別獲得國家核安全局的裝料許可,6月底三門1號、臺山EPR機組并網發電,這意味著我國核電建設將迎來新的發展時期。
當前世界核電技術發展大體可以分為四代,第一代技術主要是1950-1960年間開發的原型堆核電站;第二代技術主要是在1960-1990年間開發建設的大型商用核電站,目前全世界在運核電機組絕大多數是第二代技術;第三代技術主要是1990-2010年以來發展的AP1000、EPR、CAP1400和華龍一號,其中AP1000、EPR機組于2018年6月首次并網成功,即將滿功率并網發電。國產第三代核電機組如CAP1400、華龍一號示范電站也在如火如荼建設中。此外,全世界都在積極研究和發展第四代核電技術,如氣冷快堆、鈉冷快堆、鉛冷快堆、超高溫氣冷堆、超臨界水堆和熔鹽堆;第五代技術,如核聚變反應堆在多國聯合下,也在積極研發過程中。這些先進核電技術中特別是國產核電技術中,涉及許多關鍵設備、關鍵材料,如高性能鋼管、鍛件需要實現國產化,才能縮小我國與世界先進國家在核電領域的差距,并為大型商業核電站的國產化奠定基礎。
因此,預計未來5年核電設備用不銹鋼管將迎來很好的發展機遇。壓水堆核電站用材中,需要大量的高性能鋼管、鍛件、管件等材料,涉及到的材料種類也非常多,如合金鋼、不銹鋼、鋯合金、鈦合金、鎳基合金等。
核島是核電站安全殼內的核反應堆與反應堆相關的各個系統的總稱,包括核蒸汽供應系統、安全殼噴淋系統、輔助系統等。核島系統中需要大量的高性能不銹鋼管。
蒸汽發生器傳熱管是核電站一回路壓力邊界的重要組成部分,也是防止放射性裂變產物外泄的主要屏障,蒸汽發生器傳熱管在服役過程中,要承受高溫高壓和介質腐蝕磨損等,其質量是保證蒸汽發生器安全、可靠運行的關鍵。據統計,約30%的壓水堆非計劃停堆,都是由于蒸汽發生器傳熱管的腐蝕破損所致。
目前,蒸汽發生器傳熱管選材主要有800合金與690合金。蒸汽發生器傳熱管由于對表面質量、尺寸控制、熱處理制度、組織控制等要求高,存在較高的技術壁壘,國內外的生產廠家很少,國外目前主要是法國瓦盧瑞克、日本住友金屬和瑞典山特維克三家公司,國內主要是浙江久立和寶銀兩家公司。
第三代核電技術的蒸汽發生器傳熱管主要選材是690合金,一臺百萬千瓦的機組需要傳熱管大約1萬多支,總重約200多噸,規格主要有Ф19.05mm×1.09mm等。蒸汽發生器傳熱管的主要生產工藝流程包括鋼坯冶煉鍛造、熱擠壓成形、冷加工成形、固溶熱處理和TT熱處理、無損探傷和彎管成形等。
目前,久立已經完成了華龍一號、CAP1400以及出口海外項目所需的690合金蒸汽發生器傳熱管的制造和安裝,并得到客戶的好評。
一回路主管道是核電站正常、非正常、事故和試驗工況下防止核裂變產物外泄至安全殼的重要屏障。主管道通常要求耐高溫、耐高壓和耐腐蝕。早期主管道普遍采用18-8型奧氏體不銹鋼,但是存在強度不足和晶間腐蝕等問題。隨后發展的鑄造雙相不銹鋼主管道由于存在老化現象等不足,目前第三代核電AP1000等一回路主管道采用整體鍛造成形的316LN奧氏體不銹鋼,具有強度高、塑韌性好等特點,目前國內廠家基本掌握了大型鋼錠冶煉、大型不銹鋼材料整體鍛造、管段整體加工成形等關鍵技術并實現了國產化。
非能動安全原理是第三代核電技術的一個顯著特點,非能動余熱排出熱交換器是堆芯冷卻系統的核心設備,對反應堆的安全運行起著重要作用。其中,非能動余熱排出熱交換器上下封頭之間通過C形熱交換器管進行聯接,換熱管的材質主要有TP304L和690合金等,規格主要有Ф19.05mm×1.24mm、Ф19.05mm×1.65mm等,每臺百萬千瓦機組需要C形傳熱管材約1t。
反應堆壓力容器是主回路冷卻劑壓力邊界屏障中的一個重要設備,為核安全一級設備,在核電廠服役期內不可更換,其壽命決定了整個核電廠的服役年限。由于容器包容高溫、高壓且具有放射性的工作介質,要求在各種工況下,結構均能保持完整,不發生斷裂、泄漏等現象,因此,反應堆壓力容器的密封設計和選材,對于設備的安全運行至關重要。
目前,反應堆壓力容器密封設計上,筒體與頂蓋之間用雙通道金屬O形環密封,即在上法蘭密封面開雙道環槽,形成內、中、外三島,布置內、外兩道金屬O形環,形成雙通道金屬O形環密封。第三代核電技術中,O形密封環主要采用718合金無縫管,規格主要有Ф30mm×1.2mm、Ф12.7mm×1.27mm等。
O形密封環用718合金無縫管,由于對表面質量、尺寸控制、熱處理制度、回彈性能等要求高,存在較高的技術壁壘,主要由美國公司壟斷,存在產品供貨周期長,價格昂貴等特點。久立自2014年以來,成功開發了密封環用718合金無縫管,具有表面質量好、尺寸精度高、回彈性能優異等特點。此外,在彎制O形環后焊接時,只存在一個焊接點,從而降低了熱處理、檢測等難度,目前,該產品已經成功用于國內核電站。
核電廠大多沿海而建,回路使用大量的海水作為冷卻介質。由于鈦固有的性能,鈦焊管憑借優異的耐腐蝕、抗沖刷、熱導性、機械性能好等特點,特別適合用作海水或污染嚴重的淡水作為冷卻介質的凝汽器用管。在百萬千瓦級的核電機組凝汽器中,每臺機組用到的鈦管約為200t,但由于鈦管加工制造難度大,主要是焊接成型、熱處理工藝困難。國外廠家主要有美國和日本等制造企業生產,國內目前核電站凝汽器用鈦管大多依賴進口,國內鈦焊管市場缺口很大。
因此,研究高質量的薄壁鈦焊管生產工藝,滿足不斷增長的國內建設需求,是當前焊管生產行業形勢所需。目前的冷凝器用管規格主要有Ф22mm×0.5mm,鈦材主要是TA2(Gr.2)。
高壓給水加熱器是回熱系統中重要的給水加熱設備,對機組二回路運行的經濟性起到重要作用,換熱器通常采用U形換熱管。TP439鐵素體不銹鋼具有高強度、抗沖刷和磨損性能好,且價格較低,抗氯離子腐蝕性能好,常作為U形換熱器管的主要選材,并在國外核電機組中得到普遍使用。目前,一臺百萬千瓦核電機組的TP439焊接U形管用量約150t,所需產品主要規格有Ф16mm×1.5mm。
在大力建設第三代商用核電站的同時,國內外許多研究機構都在大力研究和建設第四代、第五代核電技術的試驗堆和示范堆,主要有釷基熔鹽堆、鈉冷快堆、鉛鉍快堆、高溫氣冷堆、核聚變堆等堆型。在試驗堆和示范堆的建設過程中,也需要用到各種高性能不銹鋼管材,材質涉及到不銹鋼、鎳基合金等。
釷基熔鹽堆是六種第四代核電備選堆型之一,具有常壓、無水冷卻,不需要制作燃料元件,可實現在線加燃料和在線后處理等特點。但同時具有服役溫度高、熔鹽腐蝕性強等問題。對主管道、換熱管道材料提出了很高要求。目前,主要選材是鎳-鉻-鉬合金,如GH3535合金,GH3535合金換熱管的制造具有冶煉困難、易偏析、熱加工困難等問題,國內外生產制造廠家也很少。
鈉冷快堆也是六種第四代核電備選堆型之一,是我國核能三步發展規劃的第二步,也是我國核能閉式循環的重要一環。鈉冷快堆與壓水堆相比,具有溫度更高(500℃以上)、輻照劑量更高等特點。因此,對堆芯組件結構材料,如不銹鋼包殼管提出了更高的要求。此外,鈉冷快堆蒸汽發生器、熱交換器等管路也需要大量的高性能的奧氏體不銹鋼管,如316Ti、316H等。鈉冷快堆中涉及到的高性能不銹鋼管規格主要有Ф6.0mm×0.4mm、Ф22 mm×1.4mm等。
浙江久立特材科技股份有限公司長期以來致力于核電用高性能不銹鋼管的研發和生產,其相關產品在國產和國外核電機組上已經得到廣泛應用,如690合金、800合金蒸汽發生器U形傳熱管、O形密封環用718合金管、TP439高加換熱器管、凝汽器鈦焊管、堆內構件用管、核級儀表管等,得到廣大用戶的認可。
核能是未來能源發展的一個重要方向,隨著第三代和第四代先進核電技術的研究和發展,核島與常規島中需要大量的高性能不銹鋼管,特別是隨著“一帶一路”倡議,中國核電將走向世界,需要國產化的鋼鐵產品和技術。因此,鋼鐵企業必須加強先進材料、先進制造工藝的研發和應用,開發出一系列先進核電技術所需的高性能不銹鋼管材。
