核级复合钢管件的替代制件研究

芦丽莉　王理　宋怡漾　蒋永　马姝丽　郭祥

【摘 要】本文通过分析俄罗斯核级复合钢管的材料成分、组织和性能，并考虑反应堆工程应用经验，分别从反应堆一回路系统用低合金钢体系和国际国内标准焊材体系中筛选出508-Ⅲ钢和ER347作为复合管基体和覆层的替代材料；通过采用基体材料上堆焊覆层材料的工艺试制了复合钢管件，并与进口复合钢管开展了性能和质量对比。研究表明，采用国产替代材料及堆焊工艺制备复合钢管件的方法可以获得满足技术要求且与进口复合钢管质量和性能相当的复合钢管件。本文的研究为WWER型核电站的一回路系统管道维修工艺的国产化研发提供了材料保障。

【关键词】核级复合钢管件；核电厂一回路管道；替代制件

Research on Replacement for Imported Compound Steel Pipe in Nuclear Power Plant

LU Li-li1 WANG Li1 SONG Yi-yang1 JIANG Yong2 MA Shu-li1 GUO Xiang1

（1.Nuclear Power Institute of China， Chengdu Sichuan 610041， China；

2.JiangSu Nuclear Power Corporation， Lianyungang Jiangsu 222042， China）

【Abstract】In this paper， the material property of the base metal and deposit metal of Russian compound steel pipe have been analyzed， taking engineering experiences into account，domestic material for them have been screening respectively from low alloy steel system in nuclear reactor primary circle and welding consumables in international and domestic standard. 508-Ⅲ and ER347 welding rod are selected as the replacement of the base metal and deposit metal of an import compound steel pipe respectively. The compound steel pipe has been manufactured with 508-Ⅲ and ER347， and its properties has been proved as good as Russian pipes. The paper laded a good foundation for the material security for domestic pipe repair technology of a WWER NPP primary circle.

【Key words】Nuclear power compound steel pipe； WWER NPP primary circle； Replaced pipe

0 引言

我国某WWER型核电站一回路系统中大量使用的厚壁复合钢管由国外全套进口，管道制造、安装、维修技术被外国垄断。复合钢管道及其与不锈钢管道的安装对接焊缝在一回路工况中长期服役，受冶金不连续、成分和组织突变及热膨胀系数差异等因素的作用，易在焊缝、热影响区产生开裂。至今为止，该类故障一旦发生，必须依赖在进口复合钢管上开展维修技术人员取证和工艺评定，并由国外技术人员施工作业修复故障，时间成本和经济成本巨大，不利于核电站的正常维保和运营。

针对上述问题，本文开展了该进口复合钢管的国产材料替代论证和复合钢管件制造工作，为后续维保技术的国产化进程提供材料保障。

1 选材

进口复合钢管道的基体为合金钢，内壁堆焊防蚀不锈钢，牌号分别为10ГH2МФА和04Х20Н10Г2Б。复合钢管结构见图1。

图1 某电厂一回路系统复合钢管道典型接头结构形式示意图

我国现有的核级管道材料系统中没有复合钢管材可以直接替代该进口复合钢管。本文针对复合钢管的基体和覆层分别开展国产材料范围内的筛选，并采用筛选材料堆焊制备出国产复合钢管件，通过与进口复合钢管件开展各项性能对比，验证选材的合理性和替代制件的代表性。

1.1 基体材料选择

进口复合钢管道基体10ГH2МФА属Mn-Mo-Ni-V系的低碳低合金高强度钢，出厂热处理为：900℃淬火+680℃回火，属调质态，典型金相组织是粒状贝氏体。其化学成分见表1。

1.1.1 初步筛选

10ГH2МФА是应用于反应堆一回路系统的管道材料，安全级别很高，应考虑采用具有一回路工况中长期工程应用经验的材料实现替代。我国压水堆核电厂一回路管道采用不锈钢制造，没有可替代材料。因此，考虑核电厂一回路长期应用的非管道设备钢种。一回路系统中，与10ГH2МФА这一Mn-Mo-Ni-V系的低碳低合金高强度钢系别最为相近的是压力容器筒体设计制造常用的Mn-Mo-Ni系低碳低合金高强度钢。

我国现有成熟的核压力容器筒体用Mn-Mo-Ni低碳低合金高强度钢为508-Ⅲ钢。除此之外，工程上常用的同类别压力容器用钢还有13MnNiMoNbR和18MnMoNbR，少数在用的核压力容器筒体用钢有S271。

从材料系别分析，13MnNiMoNbR和S271为Mn-Mo-Ni系，18MnMoNbR为Mn-Mo-Nb系。508-Ⅲ、S271、13MnNiMoNbR与10ГH2МФА系别一致。

从热处理状态来看，10ГH2МФА为调质态（900℃淬火+680℃回火）。508-Ⅲ钢出厂热处理状态为调质态，典型金相组织是粒状贝氏体。S271为调质态，13MnNiMoNbR和18MnMoNbR的热处理状态是正火态。508-Ⅲ、S271与10ГH2МФА热处理状态一致。

从化学成分来看，相对10ГH2МФА，S271中尚存有Nb、Co、B、As、Sb、Sn等杂质元素，易于晶界处析出产生晶间腐蚀。508-Ⅲ在材料纯净化方面更优。

从工程应用的基础条件看，S271是我国于1973年研制成的核电站压力容器用钢，其运行使用也仅限于国内秦山30MWe机组，相关性能运行数据较少，相关性能研究数据欠充分。508-Ⅲ钢在国内生产工艺成熟、供货稳定，在世界核工业领域广泛使用，除基本性能数据外，其腐蚀、疲劳、断裂和辐照脆化性能的研究均非常充分，工业制造技术成熟度高。国内除民用核压力容器外，要求极为严苛的军用核反应堆压力容器也使用508-Ⅲ钢。

综上，拟选择508-Ⅲ钢作为10ГH2МФА的替代材料。

1.1.2 508-Ⅲ钢替代10ГH2МФА的理论分析

成分方面，508-Ⅲ和10ГH2МФА的主要合金元素构成相同，成分含量相近。508-Ⅲ的Ni含量名义值为0.50～0.80%，10ГH2МФА的Ni含量名义值为1.80～2.30%，508-Ⅲ比10ГH2МФА的Ni含量略低。Ni是奥氏体稳定化元素，相对10ГH2МФА而言，508-Ⅲ钢界面层产生马氏体的风险更大。508-Ⅲ的C含量名义值为≤0.22%，10ГH2МФА的Ni含量名义值为0.08～0.18%，可以推断，508-Ⅲ钢的强度比10ГH2МФА大，耐蚀性相对低。

组织方面，508-Ⅲ钢为铸造件，10ГH2МФА为管件，两者虽制造方式不同，但最终经调质处理，获得的组织为粒状贝氏体。

性能方面，508-Ⅲ的常温和高温抗拉强度σb和屈服强度σ0.2比10ГH2МФА略高，力学性能基本相当；压水堆核电厂中，压力容器筒体内壁须堆焊不锈钢耐蚀层，即在508-Ⅲ基体上堆焊309L/308L耐蚀层，该工艺应用与10ГH2МФА低合金钢基体上堆焊不锈钢耐蚀层十分相近，同时，压力容器筒体管嘴这一典型结构是压力容器与一回路管道的连接部件，压力容器管嘴与一回路管道结构有相似之处（管道形状、局部尺寸），且应用工况类似，两者具有相似的工艺及结构形式的代表性应用。

508-Ⅲ钢与10ГH2МФА属同系别材料，成分基本相同，组织一致，力学性能水平相当，具有相似的工程应用。

1.2 覆层材料选择

覆层材料为04Х20Н10Г2Б，属347类不锈钢焊材。该材料是以Nb做稳定化元素的稳定化奥氏体不锈钢焊材。其化学成分见表2。

1.2.1 初步筛选

目前，核电厂反应堆一回路因其特殊工况，尚无采用以Nb作为稳定化元素的奥氏体不锈钢焊材的工程应用。由ASME锅炉及压力容器规范国际性规范第Ⅱ卷材料C篇《焊条、焊丝及填充金属》（2007版），根据名义焊缝化学成分初步筛选出ER347（焊丝）、ER347Si（焊丝）和E347TX-X（焊条）三类候选不锈钢焊材。结合我国现行焊材标准GB/T17853-1999和YB/5092-2005，根据名义焊缝化学成分初步筛选出E309LNbT0-3（药芯焊丝）、H08Cr20Ni10Nb（焊丝）和H06Cr19Ni10TiNb（焊丝）三类候选不锈钢焊材。

从化学成分来看，E309LNbT0-3的Cr含量和Ni含量均明显高于进口焊材的名义含量，而H06Cr19Ni10TiNb则比进口焊材多添加了奥氏体稳定化元素Ti，其他几种焊材与进口焊材一样，添加Nb作为奥氏体稳定化元素。

综上，候选的ASME焊材ER347、ER347Si和E347TX-X和国产焊材H08Cr20Ni10Nb较为符合替代标准。其中，国产不锈钢焊材H08Cr20Ni10Nb是ASME焊材ER347的对应国产牌号，可以与ER347视为同种焊材。

ER347、ER347Si与进口焊材同为焊丝，优先选用ER347、ER347Si；在其他化学成分和名义含量基本相同的条件下，ER347的Si含量相对ER347Si更为接近进口焊材。

ER347更适宜作为进口焊材04Х20Н10Г2Б的国产化替代材料。

1.2.2 ER347替代04Х20Н10Г2Б的理论分析

成分方面，ER347与04Х20Н10Г2Б同属以Nb做稳定化元素的稳定化奥氏体不锈钢焊材，主要合金元素Mn、Cr、Ni、Nb相同且含量基本相当，舍夫勒组织同为奥氏体+马氏体双相且配比相同（A+（10～20）%F）。

工程应用经验方面，我国核电厂和军用核动力装置蒸汽发生器传热管采用的是321系不锈钢材料，该材料是以Ti为稳定化元素的奥氏体不锈钢材料，性能上与347类不锈钢具有可比性。可以推断，347类材料亦可应用于反应堆一回路系统。

ER347与04Х20Н10Г2Б属同类别焊材，成分基本相同，在我国无实际工程应用经验。

2 国产复合钢管件的制备和性能考验

在508-III钢板试件上采用自动氩弧焊方法进行ER347不锈钢覆层的堆焊，获得国产复合钢试件。通过各项性能考验实现国产复合钢管件对进口复合钢管件可替代性的论证。按照GB/T3323的要求对覆层进行了X射线检测，检测结果满足I级焊缝质量要求。

国产复合钢试件的外观、尺寸、渗透、射线、超声检验结果均满足进口管件的各项技术指标要求，渗透、射线、超声检验未见缺陷显示。

国产试件和进口试件的堆焊层熔敷金属化学成分分析结果基本一致，满足进口技术指标要求。

国产试件的宏观金相均未发现裂纹及堆焊层与母材的未熔合，或焊道与焊道之间的未结合、未熔合。在200倍的显微镜下进行微观金相检验，检验结果显示：两组堆焊层熔敷金属侧无显微裂纹和析出物，母材侧也无淬火形成的显微裂纹和异常组织；进口复合钢管覆层熔区有夹杂物，且覆层与合金钢基体交界熔合线上出现大量渗碳体魏氏体，其HAZ出现淬火组织。两者微观金相照片对比见图2所示。

3 结论

通过对进口复合钢管开展国产替代材料筛选和替代制件制备，完成了国产复合钢管的堆焊制备；通过与进口复合钢管各项性能对比，完成了国产复合钢管制件的性能评价。主要结论如下：

（1）508-Ⅲ钢、ER347焊材分别具有与10ГH2МФА和04Х20Н10Г2Б相当的成分、组织、性能和工程应用经验；

（2）采用508-Ⅲ钢上堆焊ER347的工艺，可制备出与进口复合钢管件各项性能相当的管件。

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[责任编辑：汤静]