技術(shù)類《材料學(xué)水化學(xué)》第3部分-壓力容器材料

3壓力容器材料主要內(nèi)容3.1壓力容器材料3.2壓力容器材料性能3.3壓力容器制造工藝和輻照監(jiān)督要求1)了解壓力容器在壓水堆核電廠的重要性。2)了解壓力容器鋼的特點，了解壓力容器制造的關(guān)鍵工藝3)了解壓力容器進行全壽期監(jiān)督的重要性以及監(jiān)督的方法。3.1壓力容器材料PWR壓力容器第三道安全屏障容納冷卻劑、支持堆芯、密封放射性和維持堆內(nèi)運行壓力等。體積龐大、不可更換、決定了電廠壽命工作條件15～17MPa300oC中子輻射相似部件蒸汽發(fā)生器壓力殼穩(wěn)壓器壓力殼主泵壓力殼百萬千萬級壓水堆壓力容器壓水堆壓力容器是核島主設(shè)備，一回路的承壓邊界設(shè)計/工作壓力17.2/15.5MPa，溫度343oC，水出口325oC；1000MWe壓力容器尺寸：活性段內(nèi)徑約4.0m，壁厚約210mm，高度約12.7m，總重量約330噸；以往設(shè)計壽命一般為40年，當(dāng)今要求達到60年；壓力容器為核一級設(shè)備，因體積龐大、材料感生放射性，壽期內(nèi)不可更換，決定了電廠的壽命；嚴酷的使用環(huán)境堆芯活性段的壓力容器受到強中子輻照、伽馬射線輻照一回路冷卻劑含有腐蝕性的硼酸(反應(yīng)性補償劑，可溶毒物)、氫氧化鋰(pH值調(diào)節(jié)劑)LOCA事件時的應(yīng)急冷卻水注入時承壓熱沖擊，甚至堆芯熔毀時承受高溫蠕變…壓力容器主要部件用材要求1000MWe反應(yīng)堆壓力容器主要部件大致規(guī)格及用材要求對壓力容器的要求設(shè)計、選材、制造核檢驗要符合規(guī)范要求：ASME規(guī)范第三卷鍋爐壓力容器規(guī)范中要求對核壓力容器極其所在的一回路進行“分析設(shè)計”，即根據(jù)“正常”、“異?！薄ⅰ熬o急”和“事故”不同工況的后果和危害程度確定其安全系數(shù)和許用應(yīng)力。為了防止壓力容器在役期間發(fā)生脆性斷裂，美國聯(lián)邦法規(guī)10CFR50附錄H及ASTM-E185要求，在水堆核電站中必須安放輻照脆化隨堆監(jiān)督試樣管，定期檢驗調(diào)整參考溫度ART的變化，并以此不斷修訂開停堆的運行限制曲線。法國RCC-M規(guī)范H、M、Z分冊

德國KTA3Q01.1及3201.2規(guī)范我國HAF法規(guī)要求(HAF102等)在這些標(biāo)準(zhǔn)中，雖然涉及的內(nèi)容很多，但重點都是集中缺陷和RTNDT的要求上對容器材料性能的主要要求GBT15443-95拉伸性能：室溫：s0.2>400MPa,sb>670MPa,d5>20%350oC:s0.2>300MPa,sb>552MPa沖擊韌性基本要求：RTNDT<=-12oC，上平臺能量>130J，壽命末期預(yù)期調(diào)整溫度ART<93oC指定溫度下的韌性要求(單位：J/cm2)為防止壓力容器在役期間發(fā)生脆性斷裂，10CFR50附錄H及ASTM-E185要求，反應(yīng)堆臨界時候，容器的溫度不應(yīng)低于水壓實驗的最低允許溫度，也不應(yīng)該低于ART+33oC取樣方向0oC20oC-20oC三個試樣最小平均值和試樣長度方向垂直于加工方向≥70≥130≥50平行于加工方向≥100≥150≥70壓力容器材料開發(fā)歷史美國輕水堆第一代用的是鍋爐鋼A212B，配套煅材為A350Lfa，1956年后改用Mn-Mo鋼A302B，煅材為A336后因核電站向大型化發(fā)展，壓力容器也隨之增大和增厚，為保證厚截面鋼的綜合性能，60年代中期又改用淬透性Mn-Mo-Ni鋼A533B（煅材為A508II）,同時將熱處理由?；臑檎{(diào)質(zhì)（淬火＋高溫回火）。由于壁厚增加和面對活性區(qū)的縱向焊縫輻照性能差，因此將壓力容器由板焊結(jié)構(gòu)改為環(huán)煅容器，材料是A508II。但自1970年發(fā)現(xiàn)A508II堆焊層下有再熱裂紋之后，又發(fā)展了A508III鋼，它是在A508II基礎(chǔ)上，通過減少硬化元素C、Mo、Cr含量，使堆焊不銹鋼里襯時，降低了基體上產(chǎn)生裂紋的傾向。為彌補因減少硬化元素而降低的強度和淬透性，特提高了A508鋼中的Mn含量，因Mn易增大鋼中偏析，故又降低了磷、硫含量。壓力容器材料發(fā)展歷史為：A212B→A302B→A533B→A508II→A508III。我國用的是A508III鋼。3.2壓力容器材料性能材料開發(fā)中性能改進途徑各國的A508III鋼對應(yīng)牌號及其成分各國PWR壓力容器鋼拉伸性能比較材料標(biāo)準(zhǔn)室溫高溫(350oC)σb/MPaσ0.2/MPaδ5(％)ψ(％)σb/MPaσ0.2/MPaδ5(％)A533B

A508-3美國ASME551/690551/724≥345≥345≥18≥18≥38≥38≥526

－≥285≥285≥16≥1620MnMoNi55德國

TuV≥559≥392≥19≥45≥490≥314≥1416MND5法國RCCM550/670≥400≥20－≥497≥300－SFVV3日本JIS≥549≥345≥18≥38－－－15Kh2NMFA-A俄國rocr≥620≥500≥15≥55≥550≥450≥14中國A508-3GB-T15443-95552/670≥400≥20≥45≥552≥300－斷裂韌性－落錘實驗－Pellini法試樣厚度為所試鋼板的全厚度(一般12～25mm，RCC-M要求為16mm)，且保留一軋制面，在板寬中點沿長度方向堆焊一脆性堆焊層。在堆焊層中間開一缺口，缺口的方向與試驗的拉力方向相垂直，以便引發(fā)裂紋。試驗之前試樣在所選的低溫條件下保溫30-45分鐘，然后迅速移至支座上，用落錘對其沖擊。落錘實驗所用試樣尺寸大，接近實際部件服役條件，因此，實驗結(jié)果更準(zhǔn)確。落錘法測定材料的NDT是由W.S.Pellini發(fā)明的。V形缺口試樣沖擊實驗

－－唯一認可的容器材料韌性評判標(biāo)準(zhǔn)SampleholderPendulumedgePendulumSampleholdermeterNotchsize單位:mmCharpyimpacttestingmachine堆內(nèi)輻照監(jiān)督Charpy-V沖擊試樣Testpiece沖擊試樣輻照監(jiān)督管包含基體和焊縫兩種材料輻照對沖擊性能曲線的影響Temperature(℃)Absorptionenergy(kgf?m)DBTT

韌脆轉(zhuǎn)變溫度參考零塑性溫度RTNDTl.先由落錘試驗測出NDT；2.選擇一個TNDT溫度略大于NDT，然后在TNDT＋33oC下作三個Cv沖擊試驗，當(dāng)沖斷功≥68J，側(cè)膨脹值≥0.9mm（相當(dāng)于35mil）時，確認TNDT就是RTNDT。3.當(dāng)三個試樣結(jié)果不滿足上述規(guī)定條件時，以三個試樣為一組在更高的溫度下做補充試驗，每次提高5oC，找到一個滿足上述條件的溫度TCV，用滿足上述TCV溫度減去33℃，即為所求的參考零塑性溫度RTNDT。由上可知，RTNDT是經(jīng)過一個68J韌性指標(biāo)和一個塑性指標(biāo)（0.9m膨脹量）互相鑒定并有三個試樣作對證才確認的，所以比NDT更加可靠和安全。RTNDT相當(dāng)于68J和35mil兩條線交點A，也即一個確定值，而不是一個波動值很大的范圍帶，這就克服了受冶金因素影響所帶來的偶然性。參考零塑性溫度的調(diào)整

ART--AdjustedReferenceTemperature因FTE＝RTNDT+33℃是防止脆性斷裂的最常用判據(jù)，所以只要準(zhǔn)確測出輻照后的RTNDT，即可防止運行中的核壓力容器發(fā)生脆性斷裂．盡管RTNDT的確定比較嚴格，但試驗偏差不能忽略，所以需對塑性參考后的RTNDT進行修正，稱此為調(diào)整零塑性參考溫度ART，即：式中：ART相當(dāng)于輻照后的RTNDT；

RTNDT＝輻照前的參考零塑性溫度；

σ1＝輻照前實測RTNDT的標(biāo)準(zhǔn)偏差；

σ△＝測△RTNDT時的標(biāo)準(zhǔn)偏差；對母材σ△＝9.4oC，對焊縫σ△＝15.6oC，但σ△值不能大于0.5×△RTNDT。規(guī)范要求壓力容器材料壽期末ART≤93℃，高于此值必須經(jīng)過嚴格評審和安全分析才能再運行。否則，即退役。防止熱沖擊的韌性要求如果一回路發(fā)生失水事故，堆芯溫度將會急劇上升，接著應(yīng)急冷卻系統(tǒng)向堆內(nèi)立即注入大量水，在這種先急熱后急冷的過程中，必然在壓力容器內(nèi)因熱沖擊而顯著產(chǎn)生應(yīng)力，故稱此為承壓熱沖擊，簡稱PTS。為防止核壓力容器在高溫狀態(tài)下急速過冷引起破壞有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)特規(guī)定以下要求：應(yīng)對容器束帶區(qū)每條焊縫、鍛件或板材按以下公式進行RTPTS計算并取兩公式中的最小值：式中：I=輻照前RTNDT，M=裕度；對(1)式，RTNDT為實測值時M=27oC，否則M=33oC；對(2)式，RTNDT為實測值時M=0，否則M=19oC;Cu，Ni為鋼中含量的百分數(shù)，f是注量1019n/cm2的系數(shù)，另外，NRC-RG1.99規(guī)定對煅件縱向焊縫限值為132oC，環(huán)向焊縫限值為149oC。(1)(2)3.3壓力容器制作工藝和輻照監(jiān)督壓力容器輻照監(jiān)督材料試樣母材焊縫熱影響區(qū)夏比V沖擊121212拉伸試樣33－反應(yīng)堆壓力容器活性段在長期經(jīng)受能量>1MeV以上快中子轟擊后會發(fā)生：鋼的強度尤其是屈服強度上升，鋼的屈強比將越近于1；鋼的塑性降低，延伸率和斷面收縮率將趨近于零；鋼的韌性降低，表現(xiàn)在Charpy－V型缺口試樣的沖擊韌性方面為無延性轉(zhuǎn)變溫度升高，上平臺功下降。壓力容器上需要監(jiān)督的材料部位：活性區(qū)中線偏下部金屬－受到的通量最大，

達到1011n/cm2·sec數(shù)量級；活性區(qū)下部環(huán)向焊縫－通量最大的焊縫，

達到1010n/cm2·sec數(shù)量級；活性區(qū)下部環(huán)向焊縫靠活性區(qū)的熱影響區(qū)；活性區(qū)

環(huán)向焊縫ASTME185要求輻照監(jiān)督最少的試樣數(shù)量輻照監(jiān)督管1測溫盒；2劑量盒；3熔焊封口

4母材沖擊；5焊縫沖擊；6熱影響區(qū)沖擊

7母材拉伸；8焊縫拉伸；9熱影響區(qū)拉伸輻照監(jiān)督管(奧氏體不銹鋼外套)內(nèi)一般裝有：拉伸試樣、沖擊試樣，有的還有緊湊拉伸試樣，

(有的采用小型拉伸和沖擊試樣)；測溫盒(測溫錐－記錄經(jīng)受的最高溫度)輻照劑量盒AP1000每個輻照監(jiān)督管中含有的試樣數(shù)量：拉伸試樣9個沖擊試樣60個緊湊拉伸試樣6個代表母材、焊縫金屬和焊接熱影響區(qū)金屬控制棒組件導(dǎo)向管熱電偶引出管支撐柱熱電偶引出管上部堆芯支撐板上部堆芯支撐柱堆芯槽冷卻劑入口上部堆芯板堆芯圍板照射試驗片支架導(dǎo)向管堆芯圍板安裝板熱屏蔽下部堆芯板下部堆芯支撐柱橫向支撐下部堆芯支撐板堆內(nèi)儀表導(dǎo)向管減震器輻照監(jiān)督管的布置輻照監(jiān)督管的位置一般在熱屏蔽與壓力容器內(nèi)壁之間，接受的輻照量大于壓力容器壁，超前因子一般為2～4;法國設(shè)計的1000MW級堆型一般有六根輻照監(jiān)督管，其中三根超前因子為2.86，另外三根為3.45左右。西屋公司AP1000有8根監(jiān)督管，位于吊蘭筒體外側(cè)堆芯中部：環(huán)向焊縫縱向焊縫接管鍛件環(huán)向焊縫環(huán)形鍛件反應(yīng)堆壓力容器的活性段制造卷板焊接的容器活性段焊縫數(shù)量多，縱向焊縫輻照脆化傾向嚴重，對壓力容器的安全性造成重大影響。鍛造園環(huán)焊接的活性段焊縫數(shù)量大大減少，僅有環(huán)向焊縫，抗輻照輻照脆化大大增強，制造工藝簡化。壓力容器不銹鋼安全端異種材料焊接主要問題bcc與fcc不同晶體結(jié)構(gòu)的材料焊接

焊接應(yīng)力很大、熱膨脹率相差遠，

導(dǎo)熱系數(shù)不同焊接材料鎳基堆焊一般采用焊條：AWSENiCrFe-3型INCONEL182帶極：采用AMSERNiCr3型INCONEL82焊條要求含P，S量嚴格控制，從而盡量避免裂紋焊接方法鎳基堆焊可采用熱絲TIG焊材料常用焊接材料化學(xué)成分

(wt%)CSiMnPSFeCrNiCuAlTiNb+TaMoAl+TiAlloy1320.050.222.80.0050.0049.715.069.9<0.01――1.8――Alloy820.0300.213.080.0010.0021.3918.3273.940.02―0.332.61――Alloy1820.601.07.00.030.01510.015.060.0<0.5―<1.01.~2.5――Alloy1520.0260.344.520.0040.0028.1428.6756.360.010.17