材料与水化学 第5讲 蒸发器材料.ppt

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1、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

2、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15.5MPaLiOH+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,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

3、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 t

4、ube.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

5、：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+4H2ONi(OH)2+2Fe(OH)3 NiFe2O4+4H2O Fe(OH)2+2Cr(OH)3 FeCr2O4+4H2O Fe(OH)2+2

6、Fe(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+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

7、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

8、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

9、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

10、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/NC30Fe镍基合金锻件或轧制板制造。,M4102规定的镍基合金锻件或轧制板的热处理。,32,M4102对镍基合金的性能要求,M4102规定的镍基合金锻件或轧制板的性能。,*NC 15 Fe/INCONEL 600TT可以用做防振条，NC30Fe/INCONEL690合金比NC15Fe抗晶间腐蚀更强，是防振条更好的材料。,