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新材料專題近年來(lái),我國(guó)關(guān)鍵基礎(chǔ)鋼鐵新材料的質(zhì)量、性能、綠色化水平顯著提高,新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也為鋼鐵企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了新的契機(jī),同時(shí),鋼鐵企業(yè)也要建立健全上下游產(chǎn)業(yè)合作機(jī)制,加快鋼鐵新材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。未來(lái)高性能、高技術(shù)、高品質(zhì)的“三高”鋼鐵新材料將成為鋼鐵行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的主攻方向。為加快推進(jìn)我國(guó)鋼鐵新材料的研發(fā),本報(bào)特組織此次新材料專題報(bào)道,以期從生產(chǎn)和應(yīng)用方面,推動(dòng)鋼鐵新材料制造技術(shù)的迭代升級(jí)。
近年來(lái),中國(guó)加快了核電的發(fā)展步伐。發(fā)展核電不僅可以改善我國(guó)的能源供應(yīng)結(jié)構(gòu),更有利于保障國(guó)家能源安全和經(jīng)濟(jì)安全。根據(jù)國(guó)家《核電中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》,到2020年,中國(guó)核電裝機(jī)容量將達(dá)到在運(yùn)5800萬(wàn)千瓦。但是截止2018年6月,中國(guó)大陸在役電站39座,裝機(jī)容量約3800萬(wàn)千瓦,在全國(guó)電力供應(yīng)中的占比約4%;在建機(jī)組18臺(tái),裝機(jī)容量約2000萬(wàn)千瓦。由此可見(jiàn),核電當(dāng)前建設(shè)進(jìn)度距規(guī)劃目標(biāo)缺口較大,為完成規(guī)劃目標(biāo),到2020年每年至少開(kāi)工建設(shè)6-8臺(tái)機(jī)組,才能達(dá)到西方發(fā)達(dá)國(guó)家核電占比水平。
2018年4月底,AP1000全球首堆三門1號(hào)核電機(jī)組、臺(tái)山EPR核電機(jī)組分別獲得國(guó)家核安全局的裝料許可,6月底三門1號(hào)、臺(tái)山EPR機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電,這意味著我國(guó)核電建設(shè)將迎來(lái)新的發(fā)展時(shí)期。
當(dāng)前世界核電技術(shù)發(fā)展大體可以分為四代,第一代技術(shù)主要是1950-1960年間開(kāi)發(fā)的原型堆核電站;第二代技術(shù)主要是在1960-1990年間開(kāi)發(fā)建設(shè)的大型商用核電站,目前全世界在運(yùn)核電機(jī)組絕大多數(shù)是第二代技術(shù);第三代技術(shù)主要是1990-2010年以來(lái)發(fā)展的AP1000、EPR、CAP1400和華龍一號(hào),其中AP1000、EPR機(jī)組于2018年6月首次并網(wǎng)成功,即將滿功率并網(wǎng)發(fā)電。國(guó)產(chǎn)第三代核電機(jī)組如CAP1400、華龍一號(hào)示范電站也在如火如荼建設(shè)中。此外,全世界都在積極研究和發(fā)展第四代核電技術(shù),如氣冷快堆、鈉冷快堆、鉛冷快堆、超高溫氣冷堆、超臨界水堆和熔鹽堆;第五代技術(shù),如核聚變反應(yīng)堆在多國(guó)聯(lián)合下,也在積極研發(fā)過(guò)程中。這些先進(jìn)核電技術(shù)中特別是國(guó)產(chǎn)核電技術(shù)中,涉及許多關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵材料,如高性能鋼管、鍛件需要實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化,才能縮小我國(guó)與世界先進(jìn)國(guó)家在核電領(lǐng)域的差距,并為大型商業(yè)核電站的國(guó)產(chǎn)化奠定基礎(chǔ)。
因此,預(yù)計(jì)未來(lái)5年核電設(shè)備用不銹鋼管將迎來(lái)很好的發(fā)展機(jī)遇。壓水堆核電站用材中,需要大量的高性能鋼管、鍛件、管件等材料,涉及到的材料種類也非常多,如合金鋼、不銹鋼、鋯合金、鈦合金、鎳基合金等。
核島是核電站安全殼內(nèi)的核反應(yīng)堆與反應(yīng)堆相關(guān)的各個(gè)系統(tǒng)的總稱,包括核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)、安全殼噴淋系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等。核島系統(tǒng)中需要大量的高性能不銹鋼管。
蒸汽發(fā)生器傳熱管是核電站一回路壓力邊界的重要組成部分,也是防止放射性裂變產(chǎn)物外泄的主要屏障,蒸汽發(fā)生器傳熱管在服役過(guò)程中,要承受高溫高壓和介質(zhì)腐蝕磨損等,其質(zhì)量是保證蒸汽發(fā)生器安全、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。據(jù)統(tǒng)計(jì),約30%的壓水堆非計(jì)劃停堆,都是由于蒸汽發(fā)生器傳熱管的腐蝕破損所致。
目前,蒸汽發(fā)生器傳熱管選材主要有800合金與690合金。蒸汽發(fā)生器傳熱管由于對(duì)表面質(zhì)量、尺寸控制、熱處理制度、組織控制等要求高,存在較高的技術(shù)壁壘,國(guó)內(nèi)外的生產(chǎn)廠家很少,國(guó)外目前主要是法國(guó)瓦盧瑞克、日本住友金屬和瑞典山特維克三家公司,國(guó)內(nèi)主要是浙江久立和寶銀兩家公司。
第三代核電技術(shù)的蒸汽發(fā)生器傳熱管主要選材是690合金,一臺(tái)百萬(wàn)千瓦的機(jī)組需要傳熱管大約1萬(wàn)多支,總重約200多噸,規(guī)格主要有Ф19.05mm×1.09mm等。蒸汽發(fā)生器傳熱管的主要生產(chǎn)工藝流程包括鋼坯冶煉鍛造、熱擠壓成形、冷加工成形、固溶熱處理和TT熱處理、無(wú)損探傷和彎管成形等。
目前,久立已經(jīng)完成了華龍一號(hào)、CAP1400以及出口海外項(xiàng)目所需的690合金蒸汽發(fā)生器傳熱管的制造和安裝,并得到客戶的好評(píng)。
一回路主管道是核電站正常、非正常、事故和試驗(yàn)工況下防止核裂變產(chǎn)物外泄至安全殼的重要屏障。主管道通常要求耐高溫、耐高壓和耐腐蝕。早期主管道普遍采用18-8型奧氏體不銹鋼,但是存在強(qiáng)度不足和晶間腐蝕等問(wèn)題。隨后發(fā)展的鑄造雙相不銹鋼主管道由于存在老化現(xiàn)象等不足,目前第三代核電AP1000等一回路主管道采用整體鍛造成形的316LN奧氏體不銹鋼,具有強(qiáng)度高、塑韌性好等特點(diǎn),目前國(guó)內(nèi)廠家基本掌握了大型鋼錠冶煉、大型不銹鋼材料整體鍛造、管段整體加工成形等關(guān)鍵技術(shù)并實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。
非能動(dòng)安全原理是第三代核電技術(shù)的一個(gè)顯著特點(diǎn),非能動(dòng)余熱排出熱交換器是堆芯冷卻系統(tǒng)的核心設(shè)備,對(duì)反應(yīng)堆的安全運(yùn)行起著重要作用。其中,非能動(dòng)余熱排出熱交換器上下封頭之間通過(guò)C形熱交換器管進(jìn)行聯(lián)接,換熱管的材質(zhì)主要有TP304L和690合金等,規(guī)格主要有Ф19.05mm×1.24mm、Ф19.05mm×1.65mm等,每臺(tái)百萬(wàn)千瓦機(jī)組需要C形傳熱管材約1t。
反應(yīng)堆壓力容器是主回路冷卻劑壓力邊界屏障中的一個(gè)重要設(shè)備,為核安全一級(jí)設(shè)備,在核電廠服役期內(nèi)不可更換,其壽命決定了整個(gè)核電廠的服役年限。由于容器包容高溫、高壓且具有放射性的工作介質(zhì),要求在各種工況下,結(jié)構(gòu)均能保持完整,不發(fā)生斷裂、泄漏等現(xiàn)象,因此,反應(yīng)堆壓力容器的密封設(shè)計(jì)和選材,對(duì)于設(shè)備的安全運(yùn)行至關(guān)重要。
目前,反應(yīng)堆壓力容器密封設(shè)計(jì)上,筒體與頂蓋之間用雙通道金屬O形環(huán)密封,即在上法蘭密封面開(kāi)雙道環(huán)槽,形成內(nèi)、中、外三島,布置內(nèi)、外兩道金屬O形環(huán),形成雙通道金屬O形環(huán)密封。第三代核電技術(shù)中,O形密封環(huán)主要采用718合金無(wú)縫管,規(guī)格主要有Ф30mm×1.2mm、Ф12.7mm×1.27mm等。
O形密封環(huán)用718合金無(wú)縫管,由于對(duì)表面質(zhì)量、尺寸控制、熱處理制度、回彈性能等要求高,存在較高的技術(shù)壁壘,主要由美國(guó)公司壟斷,存在產(chǎn)品供貨周期長(zhǎng),價(jià)格昂貴等特點(diǎn)。久立自2014年以來(lái),成功開(kāi)發(fā)了密封環(huán)用718合金無(wú)縫管,具有表面質(zhì)量好、尺寸精度高、回彈性能優(yōu)異等特點(diǎn)。此外,在彎制O形環(huán)后焊接時(shí),只存在一個(gè)焊接點(diǎn),從而降低了熱處理、檢測(cè)等難度,目前,該產(chǎn)品已經(jīng)成功用于國(guó)內(nèi)核電站。
核電廠大多沿海而建,回路使用大量的海水作為冷卻介質(zhì)。由于鈦固有的性能,鈦焊管憑借優(yōu)異的耐腐蝕、抗沖刷、熱導(dǎo)性、機(jī)械性能好等特點(diǎn),特別適合用作海水或污染嚴(yán)重的淡水作為冷卻介質(zhì)的凝汽器用管。在百萬(wàn)千瓦級(jí)的核電機(jī)組凝汽器中,每臺(tái)機(jī)組用到的鈦管約為200t,但由于鈦管加工制造難度大,主要是焊接成型、熱處理工藝?yán)щy。國(guó)外廠家主要有美國(guó)和日本等制造企業(yè)生產(chǎn),國(guó)內(nèi)目前核電站凝汽器用鈦管大多依賴進(jìn)口,國(guó)內(nèi)鈦焊管市場(chǎng)缺口很大。
因此,研究高質(zhì)量的薄壁鈦焊管生產(chǎn)工藝,滿足不斷增長(zhǎng)的國(guó)內(nèi)建設(shè)需求,是當(dāng)前焊管生產(chǎn)行業(yè)形勢(shì)所需。目前的冷凝器用管規(guī)格主要有Ф22mm×0.5mm,鈦材主要是TA2(Gr.2)。
高壓給水加熱器是回?zé)嵯到y(tǒng)中重要的給水加熱設(shè)備,對(duì)機(jī)組二回路運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性起到重要作用,換熱器通常采用U形換熱管。TP439鐵素體不銹鋼具有高強(qiáng)度、抗沖刷和磨損性能好,且價(jià)格較低,抗氯離子腐蝕性能好,常作為U形換熱器管的主要選材,并在國(guó)外核電機(jī)組中得到普遍使用。目前,一臺(tái)百萬(wàn)千瓦核電機(jī)組的TP439焊接U形管用量約150t,所需產(chǎn)品主要規(guī)格有Ф16mm×1.5mm。
在大力建設(shè)第三代商用核電站的同時(shí),國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)都在大力研究和建設(shè)第四代、第五代核電技術(shù)的試驗(yàn)堆和示范堆,主要有釷基熔鹽堆、鈉冷快堆、鉛鉍快堆、高溫氣冷堆、核聚變堆等堆型。在試驗(yàn)堆和示范堆的建設(shè)過(guò)程中,也需要用到各種高性能不銹鋼管材,材質(zhì)涉及到不銹鋼、鎳基合金等。
釷基熔鹽堆是六種第四代核電備選堆型之一,具有常壓、無(wú)水冷卻,不需要制作燃料元件,可實(shí)現(xiàn)在線加燃料和在線后處理等特點(diǎn)。但同時(shí)具有服役溫度高、熔鹽腐蝕性強(qiáng)等問(wèn)題。對(duì)主管道、換熱管道材料提出了很高要求。目前,主要選材是鎳-鉻-鉬合金,如GH3535合金,GH3535合金換熱管的制造具有冶煉困難、易偏析、熱加工困難等問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)制造廠家也很少。
鈉冷快堆也是六種第四代核電備選堆型之一,是我國(guó)核能三步發(fā)展規(guī)劃的第二步,也是我國(guó)核能閉式循環(huán)的重要一環(huán)。鈉冷快堆與壓水堆相比,具有溫度更高(500℃以上)、輻照劑量更高等特點(diǎn)。因此,對(duì)堆芯組件結(jié)構(gòu)材料,如不銹鋼包殼管提出了更高的要求。此外,鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器、熱交換器等管路也需要大量的高性能的奧氏體不銹鋼管,如316Ti、316H等。鈉冷快堆中涉及到的高性能不銹鋼管規(guī)格主要有Ф6.0mm×0.4mm、Ф22 mm×1.4mm等。
浙江久立特材科技股份有限公司長(zhǎng)期以來(lái)致力于核電用高性能不銹鋼管的研發(fā)和生產(chǎn),其相關(guān)產(chǎn)品在國(guó)產(chǎn)和國(guó)外核電機(jī)組上已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,如690合金、800合金蒸汽發(fā)生器U形傳熱管、O形密封環(huán)用718合金管、TP439高加換熱器管、凝汽器鈦焊管、堆內(nèi)構(gòu)件用管、核級(jí)儀表管等,得到廣大用戶的認(rèn)可。
核能是未來(lái)能源發(fā)展的一個(gè)重要方向,隨著第三代和第四代先進(jìn)核電技術(shù)的研究和發(fā)展,核島與常規(guī)島中需要大量的高性能不銹鋼管,特別是隨著“一帶一路”倡議,中國(guó)核電將走向世界,需要國(guó)產(chǎn)化的鋼鐵產(chǎn)品和技術(shù)。因此,鋼鐵企業(yè)必須加強(qiáng)先進(jìn)材料、先進(jìn)制造工藝的研發(fā)和應(yīng)用,開(kāi)發(fā)出一系列先進(jìn)核電技術(shù)所需的高性能不銹鋼管材。
