AP1000堆内构件主体材料替代研究

陈 亮，唐 茂，张明乾，邵濬泉

（中广核工程有限公司，深圳518124）

反应堆堆内构件是指在反应堆压力容器内部，除燃料组件及其相关组件、堆芯测量仪表及压力容器辐照监督管之外的所有结构件。堆内构件是反应堆结构中的关键设备，构成堆芯外围轮廓，为控制棒提供保护、支承和对中；吸收并传递控制棒动载荷、燃料组件载荷和其他载荷；导向并分配反应堆冷却剂；在堆芯跌落事故下，为堆芯提供二次支承；为压力容器提供屏蔽，使之免受过量的堆芯辐照等。由于长期处于高温、高辐照环境，并经受一回路冷却剂的高速冲刷，材料应具备较好的力学性能、耐辐照活化性能和耐腐蚀性能。

目前国内在建及运行核电项目以二代改进型压水堆为主，堆内构件主体材料（占堆内构件质量85%以上）采用18－8型奥氏体不锈钢。经过秦山、大亚湾等核电项目技术积累和沉淀，堆内构件主体材料如大型板材、锻件等已基本实现国产化，且达到较高水准。鉴于AP1000为新一代核电技术，堆内构件结构形式、材料选择、制造工艺均发生了较大变化。笔者从堆内构件材料适用规范出发，对比分析AP1000堆内构件主体材料与二代改进型压水堆的差异，探讨AP1000堆内构件材料替换的可行性。

1 适用规范对比

ASME和RCC－M是当今最主要的核电设计与制造规范。AP1000压水堆执行ASME规范（1998版及2000增补），二代改进型压水堆执行RCC－M规范（2000版＋2002补遗）。ASME是美国机械工程师学会编制的锅炉和压力容器规范，AP1000堆内构件设计与制造主要参照执行ASME第II卷材料和第III卷NCA分卷－第1册和第2册总要求及第III卷NG分卷－堆芯支承结构。ASME规范的指标为最低要求，在设计中可根据设备具体要求进行适当提高。具体实施过程中，设计人员需考虑的因素较多，自由度大，不易掌握。RCC－M是基于ASME演变发展而来的法国压水堆核岛机械设备设计和建造规则，与ASME相比针对性更强，具体指标有一定程度提高，易于实施。二代改进型堆内构件材料主要执行RCC－M第I卷G篇反应堆堆内构件和第II卷M篇材料（下）。

2 主体材料性能分析

AP1000堆内构件主体结构采用304或304H低碳奥氏体不锈钢。304奥氏体不锈钢主要用于制造上部支承裙筒、堆芯罩、吊篮筒体；304H主要用于制造堆芯下支承板、堆芯上板、上支承板、吊篮法兰、吊篮筒体接管和径向支承键。二代改进型堆内构件主体结构采用Z2CN19－10（控氮）和Z3CN18－10（控氮）超低碳奥氏体不锈钢。Z2CN19－10（控氮）主要用于制造上部支承裙筒、堆芯上板、吊篮法兰、吊篮筒体、吊篮筒体接管和径向支承键；Z3CN18－10（控氮）主要用于制造堆芯下支承板、上支承板。上述材料化学成分和力学性能见表1、表2。

表1 主体材料化学成分对比表

表2 主体材料力学性能对比表

2．1 304和304H材料分析

2．1．1 含碳量

304不锈钢w（C）不大于0．08%，没有下限指标，甚至可低于0．03%，只要力学性能满足要求，可涵盖低碳奥氏体不锈钢和超低碳奥氏体不锈钢；304H不锈钢w（C）介于0．04%～0．08%，有上、下限指标，为低碳奥氏体不锈钢。

2．1．2 晶粒度

304不锈钢晶粒度一般以细为佳，如中小型锻件、轧棒和管材晶粒度要求为5级或更细；而304H不锈钢大锻件材料晶粒度要求不宜太细，一般要求为6级或更粗。在AP1000堆内构件设计中，堆芯下支承板、上支承板、吊篮法兰、吊篮筒体接管和径向支承键等部件采用304锻件，以F304H表示。304和304H的力学性能值保持一致。

2．2 Z2CN19－10（控氮）和Z3CN18－10（控氮）材料分析

Z2CN19－10（控氮）和Z3CN18－10（控氮）均为超低碳控氮奥氏体不锈钢，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%，两者力学性能基本一致。

2．3 两组材料性能比较

2．3．1 抗晶间腐蚀性能

晶间腐蚀是金属材料在特定的腐蚀介质中，在高温环境中由于晶界合金元素的贫化，沿着材料的晶粒晶界受到腐蚀，使晶粒制件丧失结合力的一种局部腐蚀破环现象［1］。Cr是决定不锈钢耐腐蚀性的主要元素，有效含量应超过12%。以w（C）为0．08%的普通18－8型不锈钢为例：室温时，C在奥氏体钢中的质量分数约为0．02%～0．03%，固溶处理后碳为过饱和，呈现不稳定状态。当温度升高，特别是在450～750℃时，过饱和的C将向晶界扩散，与Cr结合形成Cr23C6沉淀于晶界。由于Cr原子半径较大，在晶粒内部扩散速度较慢，来不及向晶界扩散，致使晶界附近Cr的质量分数大为减少，当Cr的有效含量低于12%时，就形成相对的“贫铬区”。“贫铬区”电位下降，而晶粒本身仍维持高电位，晶粒与“贫铬区”之间存在着一定的电位差，而在腐蚀介质中晶界的溶解速度远大于晶粒本身的溶解速度。“贫铬区”作为阳极，晶粒作为阴极，从而形成微电池（见图1），造成“贫铬区”的选择性局部腐蚀，即晶间腐蚀。

图1 晶界析出及贫铬区示意图

晶间腐蚀发生后，金属表面仍保持一定的金属光泽，没有破坏的迹象，但晶粒间的结合力已显著减弱，强度下降，容易遭到破坏。晶间腐蚀隐蔽性强，突发性破坏几率大［2］，因此有严重的危害性，尤其在焊接时，焊缝附近的热影响区更容易发生晶间腐蚀。

C元素对不锈钢敏化起着重要作用。w（C）越高，C的扩散量越多，Cr消耗量越大，晶间腐蚀深度越大。因此降低不锈钢中C质量分数，是避免发生晶间腐蚀最有效的措施。一般认为，w（C）低于0．03%（即超低碳奥氏体不锈钢），可避免发生晶间腐蚀。

AP1000堆内构件主体结构材料采用304和304H，这类材料在钢厂出厂前都经过固溶处理，若用于制造非焊接件或未经高温加工的零件，在反应堆运行期间，一般不会发生晶间腐蚀。AP1000堆内构件结构大部分采用焊接件，特别是堆芯罩组件更采用全焊接结构，焊接中必经过450～750℃的敏化温度区，不可避免地要发生晶间腐蚀现象。根据制造厂经验，304和304H的焊接工艺评定件，若进行抗晶间腐蚀试验，基本不合格。

二代改进型堆内构件主体结构采用Z2CN19－10（控氮）和 Z3CN18－10（控氮）。此类材料w（C）不大于0．035%，为超低碳奥氏体不锈钢，抗晶间腐蚀性能突出，敏化处理后或焊接评定件抗晶间腐蚀试验都能合格通过，因此RCC－MG2322规定可以不进行此类材料的抗晶间腐蚀试验。可见，Z2CN19－10（控氮）、Z3CN18－10（控氮）的抗晶间腐蚀性能均优于304和304H。

2．3．2 力学性能

304、304H、Z2CN19－10（控氮）和Z3CN18－10（控氮）均属于18－8型奥氏体不锈钢（两组材料力学性能见表2）。通常，w（C）数值越低，其力学性能越差，但 304、304H 与 Z2CN19－10（控氮）、Z3CN18－10（控氮）力学性能相当，这主要与w（N）的差异有关。根据文献［3］介绍，影响18－8型不锈钢的室温强度的元素有C、N、Cr、Ni、Mo、W、V、Nb、Ti、Al、Si、Mn、Co、Cu共14个；从金属学规律区分固溶强化和组织结构因素的影响，如强度随1／d1／2（d 为晶粒直径）的变化，强度随晶粒数的变化，强度随马氏体含量和δ相含量的变化等。依据统计回归法获得的经验公式如下：

式（1）及式（2）中：w（M）为某元素（M）的质量分数；δ为铁素体的体积分数；t为孪晶界面平均距离，mm，t－1为每毫米的孪晶数；d为晶粒平均尺寸，mm，d－1为每毫米的晶粒数。

在式（1）中N的强化系数为50．4，而C的强化系数为36．2，在式（2）中 N 的强化系数为86．6，而C的强化系数为55．1。从上述经验公式中可见N比C对材料强度影响要大。

304、304H的w（N）不超过0．10%，而Z2CN19－10（控氮）和 Z3CN18－10（控 氮）的 w（N）不 超 过0．08%，前一组w（N）似乎高于后一组。但在钢厂实际生产过程中，前一组材料未设置控氮指标，N元素按杂质进行处理，w（N）相当低，材料的力学性能依靠C元素来保证，这也是304、304H中C元素不能过低的原因。虽然后一组材料w（N）不超过0．08%，但钢厂将N元素作为合金元素进行添加，一般控制在0．06%～0．07%为佳，材料的力学性能也 得 以 保 证。 因 此 Z2CN19－10（控 氮 ）和Z3CN18－10（控氮）的w（N）远高于304、304H，从而弥补了C含量不足对材料强度的影响。

3 AP1000材料替代分析

通过AP1000机组与二代改进型机组堆内构件主体材料化学成分差异对比，评述其对强度、耐腐蚀性能、抗氧化性能以及耐辐照性能的影响，见表3。

表3 AP1000机组和二代改进型机组堆内构件主体材料分析评述

从上述分析评述可以看出：Z2CN19－10（控氮）和Z3CN18－10（控氮）除个别元素成分进行适当修正后，可完全被304、304H所包容；其力学性能与304、304H相当，延伸率略高10%～15%，抗晶间腐蚀性能更好；增加w（B）控制，有助于改善辐照脆化性能，延长堆内构件使用寿命。

4 结语

二代改进型堆内构件主体结构材料Z2CN19－10（控氮）和Z3CN18－10（控氮）是从 ASME规范继承而来，在RCC－M规范中得以创新和发展。鉴于Z2CN19－10（控氮）和Z3CN18－10（控氮）已具有几十年成功使用的案例，目前国内钢厂也完全具备自主生产能力，可完全替代AP1000堆内构件中使用的304、304H。采用Z2CN19－10（控氮）和Z3CN18－10不仅有助于提高材料的总体性能，保证材料生产的稳定性，从控制采购成本、降低采购风险、保证工程进度等方面考虑，也值得在AP1000堆内构件国产化过程中进行推广。

［1］郑海生．奥氏体不锈钢晶间腐蚀问题的研究及防止［J］．机电工程技术，2004，33（1）：46－47．

［2］林晓云．18－8奥氏体不锈钢焊接接头晶间腐蚀的评定及控制［J］．理化检验（物理分册），2007，43（5）：236－238，241．

［3］肖纪美．不锈钢的金属学问题［M］．北京：冶金工业出版社，2006：218－220．