第3l卷第1期
2009年3月
湘潭師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)
Journal of Xiangtan Normal University(Natural Science Edition)
V01．31 NO．1
Mar．2009
鍋爐鋼及核電用鋼的特點(diǎn)
謝長釗，段移先
(重慶長征重工有限責(zé)任公司．重慶400083)
占
，11,t、
摘要：對鍋爐用鋼的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，比較了目前國內(nèi)外鍋爐用鋼的區(qū)別，以及國內(nèi)鍋爐鋼近期發(fā)展存在的問題，并
且針對問題提出了建議。
關(guān)鍵詞：鍋爐鋼；核電用鋼；國內(nèi)外情況
中圖分類號：TGl42．4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-0231(2009)01-0081一04
1 鍋爐鋼及核電用鋼
核電裝置用材料，與以往的化工設(shè)備等相比，要求很特殊的安全性和可靠性。由于核反應(yīng)而產(chǎn)生各種苛刻環(huán)境，所使
用的金屬材料也各種各樣，而且對有關(guān)材料的研究、開發(fā)特別活躍。
鍋爐鋼主要指用來制造過熱器、主蒸汽管和鍋爐火室受熱面用的材料。鍋爐受壓元件所使用的鋼材，其性能好壞對保
證鍋爐安全運(yùn)行至關(guān)重要。鍋爐在制造過程中受到各種加工(冷加工成形、焊接等)，在運(yùn)行時，受到鍋內(nèi)水與蒸汽的壓力
作用，同時又受到火焰或煙氣的烘烤或沖刷，以及鍋水和煙氣中有害物質(zhì)對鋼材的腐蝕，其工作條件惡劣。因此，對鍋爐用
鋼材要求比較嚴(yán)格，普通鋼材是不能用于鍋爐受壓元件的¨j。所以說，鍋爐鋼和核電用鋼有很大的共同點(diǎn)。
2 鍋爐鋼及核電用鋼的特點(diǎn)
鍋爐雖然是承受一定溫度的受壓設(shè)備，但冷脆性也是一個值得注意的現(xiàn)實(shí)問題；鍋爐受壓元件在制造和檢修時要進(jìn)行
水壓試驗，試驗水溫過低時，可能使鋼材出現(xiàn)冷脆性。鍋爐構(gòu)架，特別是露天布置的鍋爐鋼制構(gòu)架，在較低的環(huán)境溫度下工
作時，也可能發(fā)生冷脆現(xiàn)象。
人們雖然對冷脆現(xiàn)象進(jìn)行了大量的實(shí)驗和研究，但對冷脆現(xiàn)象的本質(zhì)和原因仍未獲得深人的了解和一致的觀點(diǎn)，只是
大體上獲得了避免冷脆性的具體方法：即通過實(shí)驗找出鋼材的“冷脆臨界轉(zhuǎn)變溫度”，保證鋼材在制造、使用和維護(hù)中的溫
度高于這個溫度。
冷脆臨界轉(zhuǎn)變溫度。指鋼材的沖擊韌性明顯下降時相應(yīng)的溫度。實(shí)際上它不是一個具體的溫度數(shù)值，而是一個溫度
區(qū)間，隨材料、試件、試驗方法等的不同而有不同的數(shù)值。
對鍋爐受熱受壓元件選用材料的考慮，不僅僅是一般意義上的強(qiáng)度、抗腐蝕、抗氧化性能中的某一項技術(shù)指標(biāo)，而是尋
求一種具有保證機(jī)組安全可靠運(yùn)行的、并具備優(yōu)良工藝性能和良好質(zhì)價比的材料B1。
2．1低合金鋼(壓力容器用)
因為核反應(yīng)堆特別要求安全性，所以選材時重視使用業(yè)績。例如，美國初期廣泛使用發(fā)電鍋爐和石化壓力容器上使用
的ASTMA．212Cr．B。但是，這一鋼種，因為提高蠕變特性，所以，板愈厚韌性就愈差，同時強(qiáng)度也低。因此，采用具有相同鍋
爐用鋼系列的經(jīng)正火一回火處理后使用的Mn—Mo系列ASTMA302Cr．B鋼。但因A302Gr．B鋼韌性也隨著板厚的增加而
惡化，加Ni改善韌性，改變?yōu)榇慊鹨换鼗鸬臒崽幚韥砀纳菩阅埽鳛?span lang="EN-US">AS533B鋼，現(xiàn)在積累了一些業(yè)績。為了對應(yīng)反應(yīng)堆
壓力容器的大型化，作為高強(qiáng)度、高韌性的鋼材，在ASME第八卷中規(guī)定了從AS533B．C1．1到AS533B．C1．3的鋼號更高強(qiáng)
度的cr—M系的AS542鋼及Ni—cr—Mo鋼的使用在法規(guī)上也認(rèn)可，但沒有實(shí)用業(yè)績p。
2．2輕水堆用不銹鋼的特征
使用性能上的要求有：(1)耐蝕性；(2)機(jī)械性能；(3)焊接性能、加工性能；(4)輻射性能(中子吸收斷面積、感應(yīng)放射
能、輻射損傷)等。
因為對輕水堆進(jìn)行了含雜質(zhì)極低的水質(zhì)管理，所以對輕水堆的腐蝕環(huán)境要求不是特別嚴(yán)格的，可是和一般鍋爐不同，
從放射能這一點(diǎn)看，對輕水堆的修補(bǔ)和替換幾乎是不可能的，而且由于腐蝕產(chǎn)物使放射能轉(zhuǎn)移等原因，要求腐蝕許用度極
低。由高溫水中各種材料的腐蝕速度，可知奧氏體系不銹鋼有優(yōu)越的耐蝕性H】。可是，應(yīng)力腐蝕裂紋是個問題，是引起應(yīng)
力腐蝕裂紋的氯離子和溶存氧的極限量，實(shí)際上在反應(yīng)堆上產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的事例已有報導(dǎo)。
2．3結(jié)構(gòu)用不銹鋼
快中子增殖反應(yīng)堆(FBR)的結(jié)構(gòu)材料要求高安全性和可靠性，所以重視使用業(yè)績。為此，在化工設(shè)備上使用業(yè)績多，
而且可焊性、加工性好的304或者316系奧氏體系不銹鋼是FBR的主要機(jī)器上使用的材料。
一般的核電站均由一回路和二回路組成，二回路是常規(guī)設(shè)備，而一回路則是核設(shè)備，它由壓力殼、穩(wěn)壓器、蒸發(fā)器和主
泵等部件組成，這些部件在高溫高壓下長期工作核電站的設(shè)計壽命是40年(32個有效運(yùn)行年)，壓力殼容器的活性區(qū)部分
還要承受強(qiáng)烈的中子輻照作用，因而會使鋼材的沖擊韌性降低、零塑性轉(zhuǎn)變溫度升高，甚至有造成容器破裂的危險。因此，
一般來講，核電用鋼必須具備如下特點(diǎn)：
(I)在室溫和工作溫度條件下具有合適的強(qiáng)度和高韌性及盡可能低的脆性轉(zhuǎn)變溫度(TNDT)；
(2)在反應(yīng)堆輻照條件下應(yīng)具有良好的抗輻照脆化敏感性；
(3)具有良好的可焊性和冷熱加工性；
(4)在工作溫度下具有最大的組織穩(wěn)定性；
(5)有足夠的大截面淬透性和厚斷面組織性能均勻性；
(6)應(yīng)具有高的疲勞強(qiáng)度；
(7)合理的經(jīng)濟(jì)性。
反應(yīng)堆壓力容器所用材料的質(zhì)量檢驗要求按ASTME208標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定進(jìn)行落錘試驗，以測定無塑性轉(zhuǎn)化溫度(NotDuctilityTransitionTemperature)，
簡稱NDT，其代表含有微小裂紋的試件無塑性變形破壞的最高溫度，是確定材料的脆一塑性轉(zhuǎn)化
溫度曲線下平臺重要的特性溫度，是工程上廣泛應(yīng)用的一種動態(tài)轉(zhuǎn)變溫度指標(biāo)。隨著國產(chǎn)核電材料的開發(fā)，NDT的準(zhǔn)確測
定就顯得更為重要，因為反應(yīng)堆壓力容器各部件都要求有較高的抗脆斷性能，以保證受核輻射時不產(chǎn)生脆斷，提高安全性。
NDT的測定，在斷裂力學(xué)中，是評價材料設(shè)計斷裂韌性值K的基準(zhǔn)溫度。所以說，NDT不僅表示材料防止脆斷傾向，而且
是進(jìn)行彈塑性力學(xué)評價的重要指標(biāo)參數(shù)，落錘試驗法測定NDT的準(zhǔn)確與否對評價核能結(jié)構(gòu)件是起重要作用的。
3 鍋爐用鋼國內(nèi)外情況
3．1國外現(xiàn)狀
國外電站鍋爐用鋼早已經(jīng)形成系列化。
高壓鍋爐管，早期用鋼系列是從碳鋼、碳錳鋼(20G、ST45．8、SA210AI／C或106B／C)，低合金鉻(鉬)鋼(SA209TIa，
15M03、SA213MT2、T／P12／13CrM044、T／P22／德國10CrM0910／俄羅斯的12CrlMoV等)，中合金鉻鉬鋼(9—12Cr％型，如
TIX)、T／P91等)，奧氏體鋼(TP304H、TP347H)，形成了完整的用鋼系列，基本上滿足了從低參數(shù)到高參數(shù)機(jī)組不同檔次的鍋
爐鋼管的使用要求。
由于參數(shù)的提高，為了適應(yīng)超(超)臨界機(jī)組的發(fā)展需求，國外(特別是日本和德國)經(jīng)過30多年的研究、開發(fā)、試驗、應(yīng)
用，新型的鍋爐用鋼系列發(fā)生了一些變化，增添了一些新成員，變成了從碳鋼(20G、ST45．8、SA210AI／C或106B／C)，低合金
(鉻)鉬鋼(SA209TIa、15M03、SA213M12、T／P12／13CrM044"、T／P22／德國10CrMogl0／俄羅斯的12CrlMoV、T／P23、T／P24
等)，中合金鉻鋁鋼(9—12Cr％型，如T／P9、T／P91、T／P92、T／P122等)，奧氏體鋼(TP304H、TP347H、TP347HFG、SUPER304H
、HR3C、NFT09等)。這些新鋼種的特點(diǎn)是：基本上都是在191，TP304H，TP347H以及25—20奧氏體不銹鋼的基
礎(chǔ)上添加Nb，w，V，Ti，N，Cu，B等強(qiáng)化元素，其綜合性能較以前的鋼種性能更為優(yōu)越，能夠適應(yīng)常規(guī)參數(shù)和更高參數(shù)(如超
臨界和超超臨界)壓力和溫度的機(jī)組，且能降低用鋼成本。
3．2國內(nèi)現(xiàn)狀
20世紀(jì)五六十年代，我國采用與前蘇聯(lián)類似的鍋爐用鋼管系列，從低溫到高溫是20G一12CrMoG一15CrMoG一
12Crl MoVG。
20世紀(jì)六七十年代，國內(nèi)研制開發(fā)了G102等鋼，成功地應(yīng)用于200 MW一300 MW鍋爐中，形成了20G一12CrMoG一15CrMoG一12CrlMoVG—G102的用鋼系列(在此期間也引進(jìn)了一些德國牌號如：St45。8、10CrM0910、H17、F11等)。
20世紀(jì)七八十年代，引進(jìn)了美國CE公司的300MW／600MW亞臨界設(shè)計和制造技術(shù)，并引進(jìn)了相應(yīng)的鋼種，基本上采
用ASME／ASTM用鋼系列，鍋爐用管的系列為：SA210AL／C、SAl06B／C、0．5Mo、1CtO．5Mo、2．25CrlMo、G102一T／P9l—TP304
一H、TP347H。
我國自然能源資源中，約80％的煤炭集中在西北部和北部；約70％的水利資源分布在西南部。人口稠密、經(jīng)濟(jì)發(fā)展較
快、對電力需求較高的東部和東南沿海地區(qū)，則自然能源資源極其匱乏。經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的東部和東南部沿海地區(qū)電力供需
矛盾更為突出，而且導(dǎo)致“西電東運(yùn)，北煤南運(yùn)”以及煤電對環(huán)境保護(hù)造成的壓力。由于長距離運(yùn)輸煤去沿海地區(qū)發(fā)電致使
48％的鐵路運(yùn)輸能力和25％的公路運(yùn)輸能力被占，不僅使發(fā)電成本增加，而且加重該地區(qū)常規(guī)電廠對環(huán)境的污染。在沿海
地區(qū)已投入運(yùn)行的秦山和大亞灣核電站良好的安全記錄和取得的經(jīng)濟(jì)效益表明，核電能滿足電力需求的合理選擇、優(yōu)化局
部地區(qū)能源結(jié)構(gòu)。積極推動沿海地區(qū)核電發(fā)展，必將大大緩解運(yùn)輸緊張，有利控制c0：排放和減少大氣污染，促進(jìn)國民經(jīng)
濟(jì)持續(xù)發(fā)展"】。截止1994年底，全世界有437座核電反應(yīng)堆總共350 GW以上在31個國家與地區(qū)運(yùn)行。法國的核電事業(yè)
比美國起步晚，近3／4的電力來自核電廠而沒有發(fā)生過一次嚴(yán)重事故，現(xiàn)已開始1 400 MW機(jī)組的建設(shè)№J。秦山正在建設(shè)
的2臺CANDU一6核電機(jī)組是基于成熟的設(shè)計；CANDU堆使用天然鈾和不停堆換料的特點(diǎn)分別帶來了燃料供應(yīng)的獨(dú)立性
和高容量因子"】。蒸汽發(fā)生器是核電廠運(yùn)行中事故較多的一項設(shè)備，它的安全可靠性受到廣泛的注意和重視哺】。A508—3
鋼從其主合金元素和碳含量來看，它是低碳合金鋼。由于該鋼強(qiáng)度適中，塑韌性良好，可鍛性和可焊性甚好，中子輻照敏感
性低，使其在核電建設(shè)中顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性一J。
從核電用鋼的發(fā)展歷史和目前發(fā)展趨勢來看，核電用鋼正沿著一條低強(qiáng)度一中強(qiáng)度一高強(qiáng)度一超高強(qiáng)度的路線發(fā)展。
例如，美國早期曾采用屈服強(qiáng)度為270 MPa的SA212一B低強(qiáng)度鋼，后來采用T屈服強(qiáng)度為350 MPa的3028和SA．533B一1
中強(qiáng)度鋼，接著又在核潛艇耐壓殼體用鋼和高壓容器鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展了屈服強(qiáng)度為600 MPa的SA543一SA542高強(qiáng)度鋼，
目前又在積極著手為開發(fā)900—1 400 MPa級的超高強(qiáng)度用鋼積累資料【101。在成分選擇方面，核電用鋼主要分為碳鋼及合
金鋼兩大領(lǐng)域，其中由于在核電站內(nèi)部的特殊環(huán)境，鋼板在具有較好的強(qiáng)度、韌性匹配的同時，更為主要的是還要承受長期
的中子輻射作用，而一般來講，鋼中的合金元素越多，其體現(xiàn)出的整體抗中子輻射作用就越弱，世界各國廣泛認(rèn)同的是Mn
—Ni—M。系低合金高強(qiáng)度鋼，它是在Mn—M。的基礎(chǔ)上加Ni而發(fā)展起來的，比Mn—M。型低合金鋼韌性好。為了獲得
比較滿意的淬透性，并保證鋼板各項性能能夠達(dá)到規(guī)定的要求，世界各國對鋼的成分范圍均做了不同程度的調(diào)整，但其基
本性能相差無幾。國際上較為典型的核電用鋼主要有美國的A508—3、A533(B，D)、德國的BHW35、法國的16MND5和日
本的SFVV3等㈨。‘
我國的核電用鋼自1973年開始研制，最初它是在國產(chǎn)的Mn、Mo、Nb鋼種上添加0．6％～0．9％的Ni改進(jìn)而成的，命名
為$271鋼。但隨著核電用鋼的不斷發(fā)展，針對核電建設(shè)不同部位的特殊要求均分別進(jìn)行相應(yīng)鋼種的成分設(shè)計及選材。尤
其在近幾十年內(nèi)我國的核電事業(yè)隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展也取得了長足的進(jìn)步，2003年，我國共有9臺核電機(jī)組投入運(yùn)
行，總裝機(jī)容量為7．01 x106 kW，2005年隨著江蘇田灣核電站建成并投入運(yùn)行，我國核電總裝機(jī)容量已達(dá)到8．70×106
kW，但這也僅占我國電力總裝機(jī)容量的1．3％。另外，據(jù)權(quán)威都門分析，我國為了充分緩解國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對能源需求的
尖銳矛盾，同時解決煤炭資源不足的問題，目前已初步確定到2020年中國核電裝機(jī)容量將達(dá)到電力總裝機(jī)容量的4％甚至
更多【121。即如果2020年我國電力裝機(jī)容量達(dá)到1．0×10∞kW，則核電的總規(guī)模將達(dá)到4．0×107 kW，那么就意味著從
2005年到2020年的15年間，我國將新建30座百萬千瓦級的核電機(jī)組，今后15年中每年有2—3臺核電機(jī)組開工建設(shè)。由
此可見，我國未來的核電建設(shè)任務(wù)是相當(dāng)艱巨的。但與燃煤電廠相比，每年將少燒1．2×1012 kg燃煤，不僅能夠極大地保護(hù)
我國現(xiàn)存的地下資源，造福后代，而且還會大大地減輕我國環(huán)境保護(hù)和運(yùn)輸方面帶來的壓力。30座核電站的相繼上馬，這
為國內(nèi)鋼鐵企業(yè)又帶來了極大的機(jī)遇，而且由于眾所周知的原因，核電用鋼不可能從現(xiàn)行的鋼鐵市場上去采購，而是直接
面向鋼廠訂貨，這也就意味著未來的核電用鋼是國內(nèi)幾大裝備精良、具有較強(qiáng)實(shí)力的企業(yè)之間的競爭。一般來講，核電用
鋼主要有3大特點(diǎn)：
(1)供應(yīng)量大，消耗鋼材量巨大；
(2)品種、規(guī)格復(fù)雜。所需品種多達(dá)20多種；
(3)對鋼材質(zhì)量要求極為嚴(yán)格，具體體現(xiàn)在強(qiáng)度、韌性、化學(xué)成分和尺寸精度4個方面。
早期國內(nèi)建設(shè)的秦山核電一期工程，這是我國自行設(shè)計建造的第一座3．0 x 10j kW級核電站，在建設(shè)過程中，平均每
年消耗鋼材1．0×10 7
kg左右，而總共消耗鋼材約為6．3×107 l【g，涉及到13個品種、1 200種以上規(guī)格，而且所需鋼材均是
專門與鋼廠簽訂的合同【I川。
建設(shè)上述一座3．0×105 kW的核電站所需鋼材約為6．3 x 10 7 kg，而建設(shè)一座百萬千瓦級的核電站其用鋼量就可想而知。據(jù)推測，生產(chǎn)一座1．0×106 kW級的核電站所需鋼材至少應(yīng)在1．5×108 l【g，甚至于2．0×10。kg以上，而其中板材的用
量基本上可以達(dá)到1．5 x107 kg或2．0×107 kg左右。
綜上所述，支持核電用鋼國產(chǎn)化，不僅對我國具有較大的政治意義，同時還會為鋼廠帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益¨“。
3．3國內(nèi)近期發(fā)展及存在問題
20世紀(jì)90年代后期及近幾年，國內(nèi)鍋爐行業(yè)又從英國引進(jìn)了600 MW的亞臨界鍋爐制造技術(shù)，從日本BHK等公司引
進(jìn)了600 MW超臨界和900—1 000 MW超(超)臨界設(shè)計制造技術(shù)，鍋爐用管的系列由低溫到高溫與爐型及參數(shù)有關(guān)。且壁
厚也極為特殊。由于是引進(jìn)技術(shù)合作開發(fā)，因而用鋼系列與國外的基本一致，基本上采用的是ASME／ASTM+GB5310標(biāo)準(zhǔn)
的用鋼系列。
碳鋼20G、SA一210C／106C一低合金鋼0．5Cr0．5Mo(億)一低合金鋼1CtO．5Mo(15CrMoG、T12／P12)一低合金鋼
12Crl MoVG、T／P22或T／P23一中合金鋼9Cr(T／P91、T／Pg"2)或T／P122一不銹鋼18CrSNi(TP304H、TIt347H、SUPER304H)一
不銹鋼25Cr20Ni(HR3C)。
從系列用鋼中可以看出，由于機(jī)組的大型化和參數(shù)的提高，鍋爐過熱器及再熱器大量采用了或?qū)⒉捎玫秃辖痄?span lang="EN-US">T／P23、
中合金鋼(T／P91、T／P92或T／P122)、不銹鋼(TI)304H、TF347H、SUPER304H、HR3C)等鋼種。，
長期以來，我國鍋爐用鋼的標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)從數(shù)量、品種規(guī)格、鋼種類型以及內(nèi)在質(zhì)量和表面質(zhì)量均不能全面滿足我國電
力工業(yè)發(fā)展超(超)臨界機(jī)組的需求。在GB5310—1995版中，上述鍋爐用鋼管系列(T／P23、T／P92或T／P122、SUPER304H、
HR3C)很多都未有列入(或雖有列入，但也不生產(chǎn))，更不用說在國內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)(寶鋼T23除外)的問題，自然也無相應(yīng)牌號
國產(chǎn)鍋爐鋼管所要求的高溫長時性能數(shù)據(jù)。以前所做的工作只是對國外鋼種進(jìn)行了部分性能試驗(如SUPER304H和
P23)，并得到了認(rèn)可。
在目前的條件下，從上面的用鋼系列看，過熱器上所用的這些鋼種除少數(shù)鋼號外，基本上都依賴進(jìn)口。
鑒于當(dāng)前國內(nèi)發(fā)電設(shè)備市場極其火爆，國內(nèi)各大鍋爐制造公司的600 MW及以上的亞臨界和超(超)憔界鍋爐訂貨量
驟增，相應(yīng)的鋼種需求量也呈跳躍式增長。從國外采購，其產(chǎn)品質(zhì)量較好滿足我國鍋爐生產(chǎn)制造的要求，但周期較長，價格
昂貴，尤其是采購量大時。從降低國內(nèi)鍋爐生產(chǎn)企業(yè)原材料采購成本、縮短交貨周期以及振興民族工業(yè)角度等方面來說，
都需要對上面所述鋼種進(jìn)行國產(chǎn)化，而且也有很好的市場前景¨引。
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