球墨鑄鐵高完整性容器HIC發(fā)展現(xiàn)狀與性能要求分析

1、球墨鑄鐵高完整性容器HIC 發(fā)展現(xiàn)狀與性能要求分析摘要： 本文介紹了球墨鑄鐵高完整性容器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和適用標(biāo)準(zhǔn)。從球墨鑄鐵高完整性容器所處環(huán)境和所需功能的角度，對(duì)材料的抗腐蝕性能、化學(xué)成分、力學(xué)性能等幾方面進(jìn)行了分析。本文對(duì)球墨鑄鐵高完整性容器的設(shè)計(jì)具有一定參考意義。Abstract ： This paper introduces the domestic and international development status and applicable standard of ductile iron high integrity container. The corrosion r

2、esistance ， chemical composition and mechanical properties of the materials are analyzed from the view of the environment and required function of the ductile iron high integrity container.This paper has a certain reference significance for the design of ductile iron high integrity container.關(guān)鍵詞：高完整

3、性容器；球墨鑄鐵；低、中水平放射性廢物Key words： high integrity container ；ductile iron ；low andmedium level radioactive waste中圖分類(lèi)號(hào)： TG163 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：1006-4311（ 2017） 16-0228-030 引言當(dāng)今世界，核科學(xué)技術(shù)發(fā)展已進(jìn)入新階段，同位素和核技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛深入，核能已成為解決當(dāng)前世界能源危機(jī)的重要途徑之一，很多國(guó)家已將其列為重點(diǎn)發(fā)展的能源。核能的開(kāi)發(fā)和利用給人類(lèi)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，同時(shí)也產(chǎn)生了大量的放射性廢物。如何安全有效地包裝、運(yùn)輸、處置放射性

4、廢物，使其最大限度地與生物圈隔離，已成為核工業(yè)、核科學(xué)面臨的日益迫切的重要課題，也是影響核能持續(xù)健康發(fā)展的關(guān)鍵因素 1 。早在 20 世紀(jì)七十年代， 高完整性容器的概念已被美國(guó)、法國(guó)和德國(guó)等國(guó)報(bào)導(dǎo)。如德國(guó) NUKEM 公司研究了一種將放射性廢物超濃縮（過(guò)飽和）后直接澆灌注入球墨鑄鐵容器的廢物容器 2 ，冷卻后即形成鹽餅，因不需要任何的固化、固定，其減容因子大大提高，也節(jié)省了相應(yīng)的系統(tǒng)投資和運(yùn)行費(fèi)用。這種球墨鑄鐵容器可在近地表處置條件下保持300 年以上的完整性，故稱為高完整性容器或高整體容器（HighIntegrity Container ）3 。高完整性容器之所以要求安全使用壽命在300 年

5、以上，是由于核電廠低、中放廢物中含有需要考慮的、較長(zhǎng)壽命放射性核素，主要是137Cs 和 90Sr。它們的半衰期（T1/2）都在 30 年左右，經(jīng)過(guò)十個(gè)半衰期時(shí)間的衰變，所裝廢物的放射性活度便可降至原有活度的0.1%以下，在正常情況下， 不再會(huì)對(duì)人類(lèi)和生物環(huán)境造成明顯的影響。同樣，在美國(guó)的核電站，使用一種高分子聚合物容器，來(lái)盛裝低放的過(guò)濾器實(shí)心餅和散裝的離子交換樹(shù)脂粉末，他們不需要先行固化和固定作業(yè)。這種容器也能保證長(zhǎng)期的完整性，也是一種高完整性容器。在上世紀(jì)八十年代，法國(guó)也開(kāi)發(fā)了一種鋼纖維混凝土容器，據(jù)報(bào)道也可以達(dá)到300 年以上的壽命，并被法國(guó)核安全局授予了許可證。采用高完整性容器盛放和處

6、置放射性廢物，不僅可以大大減少最終放射性廢物的體積，而且明顯提高放射性廢物貯存和處置的安全性。因此，我國(guó)在核電廠放射性廢物管理中紛紛引進(jìn)、開(kāi)發(fā)能夠滿足貯存和處置放射性廢物需要的高完整性容器。1 球墨鑄鐵高完整性容器發(fā)展現(xiàn)狀1.1 球墨鑄鐵容器國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)球墨鑄鐵容器的研究集中在乏燃料運(yùn)輸容器方面，該工作始于上世紀(jì)八十年代中期。1986 年，哈爾濱科技大學(xué)、齊齊哈爾第一機(jī)床廠和核工業(yè)第二研究設(shè)計(jì)院（現(xiàn)中國(guó)核電工程有限公司）共同合作，著手進(jìn)行球墨鑄鐵乏燃料運(yùn)輸容器的研制工作。容器采用厚大斷面球墨鑄鐵為主體結(jié)構(gòu)和屏蔽材料。這種以球墨鑄鐵為主要屏蔽和結(jié)構(gòu)材料的乏燃料運(yùn)輸容器的設(shè)計(jì)和研究在我國(guó)尚屬首

7、次。經(jīng)過(guò)對(duì)球墨鑄鐵化學(xué)成分、鑄造工藝的實(shí)驗(yàn)室摸索和生產(chǎn)條件下的大型模擬試驗(yàn)，制定出容器用球墨鑄鐵合理的化學(xué)成分和鑄造工藝。試驗(yàn)容器制造完成以后，進(jìn)行了嚴(yán)格的檢查和試驗(yàn)，如圖1 所示。容器各項(xiàng)指標(biāo)均符合器技術(shù)條件以及 GB11806放射性物質(zhì)安全運(yùn)輸規(guī)定4 。球墨鑄鐵乏燃料運(yùn)輸容器屬于單一殼體材料的容器，容器整體性好，材料費(fèi)用少，制造成本低，不需要其他屏蔽材料。其加工較容易，制造周期? 短，有其他類(lèi)型容器所不具備的優(yōu)勢(shì)。容器的研制成功使我國(guó)乏燃料運(yùn)輸容器設(shè)計(jì)和厚大截面、低溫韌性球墨鑄鐵水平上了一個(gè)新臺(tái)階，在技術(shù)上有重大突破，其成果和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可在球墨鑄鐵高完整性容器上推廣使用。1.2 球墨鑄鐵高完

8、整性容器國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀目前，德國(guó)已成功開(kāi)發(fā)出CASTOR、 TN 系列商用球鐵容器，除在本國(guó)使用外，還在西歐各國(guó)被廣泛接受和使用。日本、英國(guó)和法國(guó)也相繼開(kāi)展了大量深入細(xì)致的研究工作并取得了突破性進(jìn)展。美國(guó)對(duì)球鐵容器技術(shù)的研究相對(duì)較少，但NRC已經(jīng)批準(zhǔn)乏燃料貯存容器的使用。德國(guó)的球墨鑄鐵高完整性容器（ MOSAIK）研發(fā)工作始于1974 年， 1976 年由 GNS公司設(shè)計(jì)、 SNT公司制造的MOSAIK廢物系列容器開(kāi)發(fā)成功，至今生產(chǎn)的約6000 多個(gè)容器已用于多個(gè)核電站 5 。MOSAIK 容器由球墨鑄鐵制成，為了接受不同種類(lèi)的廢物，容器有不同的型號(hào)，不同的容器、壁厚、蓋的系列產(chǎn)品，必要時(shí)也可增

9、加不同厚度的鉛襯套和過(guò)濾器系統(tǒng)。用 MOSAIK球墨鑄鐵容器貯存和運(yùn)輸放射性廢物，對(duì)于相同放射性水平的廢物用該容器包裝的體積比其他廢物容器小。部分型號(hào) MOSAIK 容器結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。在德國(guó)和日本，針對(duì)球墨鑄鐵容器進(jìn)行了大量的跌落試驗(yàn)，容器類(lèi)型包括MOSAIK、CASTOR，POLLUX容器。在美國(guó)針對(duì) MOSAIK I和 MOSAIK KfK球墨鑄鐵容器在環(huán)境溫度為 -29 下進(jìn)行了 11 次跌落試驗(yàn)。 其中 MOSAIK I 型和 MOSAIK KfK型空容器質(zhì)量分別為 2960kg 和 5402kg。MOSAIK容器在跌落試驗(yàn)中保持了結(jié)構(gòu)的完整性，保證容器在事故條件下的安全性。2

10、球墨鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)、準(zhǔn)則或規(guī)范2.1 國(guó)內(nèi)球墨鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)我國(guó)球墨鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 1348-2009球墨鑄鐵件 。該標(biāo)準(zhǔn)修改 1988 版時(shí)，采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 1083：2004球墨鑄鐵 分類(lèi)，同時(shí)參照了美國(guó)ASTM A536-2004球墨鑄鐵件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和日本JIS G5502-2001球墨鑄鐵件等國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)條款。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了球墨鑄鐵件的技術(shù)要求，例如球墨鑄鐵牌號(hào)、球墨鑄鐵的低溫沖擊性能指標(biāo)、附鑄試塊和單鑄試塊、試樣規(guī)格、取樣批次的規(guī)定、球墨鑄鐵韌性、鑄件本體屈服強(qiáng)度值、硬度與抗拉強(qiáng)度關(guān)系曲線、球墨鑄鐵物理性能等。該標(biāo)準(zhǔn)適用于砂型或?qū)嵝耘c砂型相當(dāng)?shù)蔫T型中鑄造的普通和低合金球墨鑄鐵件。對(duì)于

11、特種鑄造方法生產(chǎn)的球墨鑄鐵件可參照使用此標(biāo)準(zhǔn)。2.2 國(guó)外球墨鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際上現(xiàn)行的球墨鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)有：ISO 1083：2004球墨鑄鐵分類(lèi)、歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 1563球墨鑄鐵、歐盟 EN 12680-3球墨鑄鐵件超聲波檢驗(yàn)。美國(guó)球墨鑄鐵相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有： ASTM A536-2004、 ASTM A874/A874M-98 （ 2009）、 ASME Code Case N-670-1等。其中 ASTM A874/A874M-98 （2009）：Standard Specification for Ferritic Ductile Iron Castings Suitable for Low-Temper

12、ature Service 規(guī)定了適用于低溫 -40的球墨鑄鐵件的技術(shù)要求。 ASME Code Case N-670-1：“ Use of ductile cast iron conforming to ASTM A874/874 or JIS G 5504-2005 for transport containments ” Section III， Div. 3.適用于壁厚在 300-530mm 、設(shè)計(jì)壓力 7MPa、設(shè)計(jì)溫度在 -29 345之間的球墨鑄鐵件。日本的球墨鑄鐵相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有：JIS G5502-2001球墨鑄鐵件和 JIS G5504 2005 Heavy-walled Fer

13、ritic Spheroidal Graphite Iron Castings for Low Temperature Service。其中 JIS G5502-2001球墨鑄鐵件中規(guī)定了壁厚小于等于200mm 的球墨鑄鐵件的技術(shù)要求，包括化學(xué)成分、機(jī)械性能、取樣方法等。JISG5504 2005 規(guī)定了壁厚小于等于550mm 適用于低溫 -40的球墨鑄鐵件的技術(shù)要求，包括化學(xué)成分、機(jī)械性能、取樣方法等。3 球墨鑄鐵高完整性容器材料性能要求3.1 球墨鑄鐵高完整性容器耐腐蝕性能高完整性體容器的內(nèi)容物為中低放放射性廢物，其中銫-137 半衰期為 30 年，考慮 10 個(gè)半衰期，高完整性容器的壽命

14、要求為 300 年。高完整性容器作為處置容器，分為地面長(zhǎng)期貯存和地下處置兩種。由于所處的環(huán)境條件不同，地面貯存需要考慮空氣介質(zhì)影響，沿海地區(qū)還要考鹽霧因素；地下處置需要考慮SO3-、CO3-、Cl-、NO3-等離子及微生物的影響，同時(shí)容器還要承受106Gy 放射性輻照。 這些外部環(huán)境條件對(duì)于容器在 300 年壽命中的性能提出了嚴(yán)格要求，尤其是耐腐蝕和耐輻照性能。球墨鑄鐵材料與高完整性容器的交聯(lián)高密度聚乙烯材料、混凝土材料兩種材料相比，具有自身的金屬特性，而且低、中放射性廢物輻射強(qiáng)度相對(duì)低，球墨鑄鐵本身性能不因?yàn)檩椛溆绊懚l(fā)生改變。金屬對(duì)處置環(huán)境的溫度、壓力、濕度的要求相對(duì)寬松，但溫度、壓力、濕

15、度對(duì)金屬材料的長(zhǎng)期腐蝕性能會(huì)產(chǎn)生影響，所以不再對(duì)材料本身提出進(jìn)行耐熱性能、阻燃性能、耐 輻照性能、生物降解性能、蠕變性能、抗?jié)B透性能、抗凍性能和化學(xué)穩(wěn)定性能等專(zhuān)門(mén)測(cè)試和試驗(yàn)的要求，僅從耐腐蝕的角度對(duì)容器長(zhǎng)期壽命提出性能要求。為了研究球墨鑄鐵材料的耐腐蝕性能，北京科技大學(xué)于2013 年進(jìn)行了球墨鑄鐵腐蝕實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件分別為常溫、高溫及電化學(xué)腐蝕。 通過(guò)對(duì) QT400 和 QT350 兩種球墨鑄鐵樣品的宏觀腐蝕形貌分析、 腐蝕產(chǎn)物膜XRD分析、腐蝕速率分析，總結(jié)形成了球墨鑄鐵耐腐蝕性能檢測(cè)方法，并得出結(jié)論：球墨鑄鐵材料在試驗(yàn)條件和真實(shí)服役過(guò)程中的腐蝕類(lèi)型均為均勻腐蝕。容器300 年壽期內(nèi)，球墨鑄鐵

16、材料的最大腐蝕深度為 22.5mm6 。3.2 球墨鑄鐵高完整性容器化學(xué)成分及力學(xué)性能球墨鑄鐵材料的化學(xué)成分對(duì)于其力學(xué)性能有影響，例如控制硅含量對(duì)獲得合理的屈服和抗拉強(qiáng)度是必要的。當(dāng)珠光體含量在 20%以下時(shí)，球墨鑄鐵材料的抗拉和屈服強(qiáng)度取決于硅含量的多少；為保證球墨鑄鐵材料具有良好的延性和斷裂韌性，最大珠光體含量應(yīng)限制在 20%以下， ?F 素體含量控制在 80%以上，球化率大于 90%。國(guó)內(nèi)球墨鑄鐵的生產(chǎn)工藝和原材料都有很大的提高，生產(chǎn)設(shè)備已經(jīng)具有國(guó)際先進(jìn)水平。影響球化、影響珠光體的 12 種微量雜質(zhì)元素的總和可以控制在 0.1%以內(nèi)。部分標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的球墨鑄鐵化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1、表

17、2。由于容器僅用于處置，不作為運(yùn)輸容器使用，內(nèi)容物放射性不超過(guò)中放廢物的限值，一般不屬于B 型貨包，僅需要進(jìn)行 1.2m 跌落試驗(yàn)確定容器性能，可選擇 GB1348-2009球墨鑄鐵件中QT400 或者 QT350 系列 200mm 厚或 150mm厚的球墨鑄鐵進(jìn)行制造。容器橫截面可選擇方形或圓形形狀，具體設(shè)計(jì)需綜合考慮容器耐蝕、耐輻照、力學(xué)、操作、放置等多個(gè)方面。日本現(xiàn)有的球墨鑄鐵容器選用QT400-18 材料，截面為 1.5m ×1.5m ，壁厚為 150mm 的方形容器，設(shè)計(jì)壽命50 年。4 討論與建議球墨鑄鐵容器屬于單一殼體材料的容器，容器整體性好、強(qiáng)度高，材料費(fèi)用少，制造成

18、本低，其加工容易，制造周期較短，這些優(yōu)點(diǎn)使球墨鑄鐵容器成為高完整性容器研制的可選方案之一。國(guó)內(nèi)研制成功的球墨鑄鐵乏燃料運(yùn)輸容器為球墨鑄鐵高完整性容器的研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。球墨鑄鐵容器在預(yù)期 300 年長(zhǎng)期貯存期間的耐腐蝕性能尚需繼續(xù)研究。目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有低溫用球墨鑄鐵容器材料標(biāo)準(zhǔn)，建議盡早開(kāi)展低溫用球墨鑄鐵容器材料標(biāo)準(zhǔn)編制工作。建議適時(shí)開(kāi)展球墨鑄鐵容器長(zhǎng)期貯存的腐蝕性能研究，同時(shí)考慮抗腐蝕方案。參考文獻(xiàn)：1 陳式 .放射性廢物安全通論M. 北京：原子能出版社，2006.2Siempelkamp Nukleartechnik. Castor-Nuclear WasteTransport Producti