電力 工 業(yè) 是 國 民經(jīng) 濟(jì) 可 持 續(xù) 發(fā) 展 的先 行 工 業(yè) ，隨著 國 民經(jīng)濟(jì) 發(fā) 展和人 民生 活水平 的提 高 ，對 電力 的需求 越 來 越 大 。 目前 ，火 力發(fā) 電仍 然 是 我

國電力生產(chǎn)的主體。

火 電用煤是 煤 炭 消耗 的大 戶 ，能 源 和 環(huán) 境 問 題一 直是 中 國經(jīng)濟(jì) 發(fā)展過 程 中的熱點(diǎn) 和難 點(diǎn) 。因此 ，逐 步改 變 中國 的能源結(jié) 構(gòu) ，并 且提 高煤 電轉(zhuǎn) 換效率 ，是我 國應(yīng) 對全 球氣候 變 化 ，實(shí) 現(xiàn)節(jié) 能減排 目標(biāo) 的重要 舉措 。表 1為 中國近 年 電源構(gòu) 成 。

核 電是 一 種 安 全 、清 潔 、經(jīng) 濟(jì) 、可 靠?得?能 源 。

用核 電替 代部 分化 石 燃 料 發(fā) 電 ，可 以節(jié) 約 化 石 燃料 的消耗 ，有利 于環(huán) 境保護(hù) ，對 實(shí)施可 持續(xù) 發(fā)展 戰(zhàn)略、改善人 民生活質(zhì)量大有益處 。在煤電、氣電還

有核 電 的能量 轉(zhuǎn)換 過程 中都需 要使用 高溫 結(jié)構(gòu) 材料 。性能 優(yōu)異 的耐 熱鋼 和高溫 合金材 料 已經(jīng)成 為 電力 工業(yè) 發(fā)展 的技 術(shù)關(guān)鍵 。

l 中國核 電的現(xiàn)狀和發(fā)展

近年 來 由于能 源 總 需 求量 猛 增 、燃 煤 產(chǎn) 生 的 環(huán) 境污染 問題 及對 國外 資源 過度依 存 的能源供 應(yīng)

安 全 問題 ，為核 電在 中 國的 發(fā)展 提 供 了前 所 未 有

的契機(jī) 。

從 目前在建和擬建核 電項(xiàng) 目來看 ，預(yù)計(jì)2016年將 有 4 256萬千 瓦 核 電機(jī)組 投 產(chǎn) ，核 電裝機(jī) 容量將 達(dá) 5 163萬 千 瓦 。預(yù) 計(jì) 到 2020年 國 內(nèi) 核 電運(yùn) 行裝 機(jī)容 量有 望 達(dá)到 約 8 000萬 千瓦 。 目 前 ，我 國在沿 海地 區(qū)在 建 和 擬建 的核 電機(jī)組 包 括秦 山二期擴(kuò)建工程兩個(gè)機(jī)組 ，方家 山核 電項(xiàng) 目兩個(gè) 機(jī)組 ，廣東 大亞 灣兩個(gè) 機(jī)組 ，遼 寧紅 沿河 四個(gè)百 萬 千 瓦的核 電機(jī)組 ，福 建寧德 和福 清 的六個(gè) 機(jī)組 ， 還 有 2009年 開 工 的浙 江 三 門 、山東 海 陽 、廣東?臺(tái)山 、山 東榮成 、海 南 昌江 。此外 ，湖 北 大畈 、湖南 桃花 江 、江西 彭澤 這幾 個(gè)項(xiàng) 目已獲得 批 復(fù) ，我 國是 世 界 上 目前在 建 核 電機(jī)組 最 多的 國家 。

2 核 電機(jī) 組 用 材

核工業(yè) 用 材 主要指 反應(yīng) 堆用 高 溫合金 。這些 合 金 主要 用作 蒸 汽 發(fā) 生 器傳 熱管 、元件 格 架 和壓 緊彈 簧 以及高 溫氣 冷堆 和 部分 快堆 的過 熱器 與再 熱器 傳熱 管零 部 件 。

在壓 水反 應(yīng) 堆 (PWR)核 電 站 中 ，最 關(guān) 鍵 的 材 料是 蒸 汽發(fā) 生器 中的傳熱 管用 高 溫合金 。

蒸 發(fā) 器是 壓水 堆核 電站 中一 、二 回路 熱 量 交 換 的關(guān) 鍵 設(shè)

備 ，其 傳 熱 管 管 材 的服 役 條 件 惡 劣 ，既 有 管 內(nèi)外

一?、?二 回路 工作 介質(zhì) 問 的壓力 差 ，又有 高溫 水介 質(zhì) 中包 括 均勻 腐 蝕 、點(diǎn) 腐 蝕 、縫 隙 腐蝕 、晶 問腐 蝕 和 應(yīng) 力腐 蝕破 裂 (SCC)在 內(nèi)的綜 合 腐蝕 。而其 中尤以應(yīng)力 腐蝕 破 裂 為蒸發(fā) 器傳 熱管 最 主要 的破 裂形式 ，許 多 反應(yīng)堆 都 出現(xiàn) 過此 類 問題 ，有 的甚至 發(fā)生 部分 機(jī)組 更換 發(fā) 生器管 子 的情 況 。

蒸發(fā) 器傳 熱管 損傷 會(huì)影 響反 應(yīng) 堆 的正 常 運(yùn)行 ，造 成 被 迫 降低 功率 、甚 至停 堆 事 故 ，帶 來 巨 大 的經(jīng) 濟(jì) 損 失 ，還 可 能威脅 到 核 電站 的安全 運(yùn)行 。

早 期 的傳熱 管是 使用 304不銹 鋼 或 316不 銹 鋼 材料 。在 使用 過程 中由于 出現(xiàn) 嚴(yán)重 的應(yīng) 力腐 蝕開 裂 ，造 成 多 次 停 堆 事 故 。 以 后 ，改 為 Inconel600或 Incoloy 800合 金 ，使 用 效 果 較 好 ，但 耐 蝕 性 能 仍 不 夠 理想 。

由于 Inconel 690具 有 較 好 的抗 應(yīng) 力腐 蝕性 能 ，被 認(rèn) 為 是 最適 用 壓水 堆 核 電機(jī) 組蒸 汽發(fā) 生 器 的傳 熱 管 材 料 而 受 到 重 視 。在 20世紀(jì) 80年 代 末 ，法 國先 采 用 抗 腐 蝕 性 能 優(yōu) 異 的inconel 690代 替 Inconel 600制 作 新 一 代蒸 汽 發(fā)生器 傳熱 管 ，以后 美 國和 日本 也相繼 仿 用 ，收到 很好效 果 。

從前 ，我 國核 電 廠建 設(shè) 全 部 依 靠 進(jìn) 口這 種 鋼

管 。2015年成 立?可 生產(chǎn) 這種 鋼管 。2012年 ，國 產(chǎn) 核 電 690U 形 管 ，在廣 西 防城港 核 電 1號機(jī) 組 1號 蒸 汽 發(fā) 生 器 上成 功 實(shí)現(xiàn) 穿管 。

這 是 核 電 690U 形 管 國產(chǎn) 化以來 在我 國 核 電機(jī) 組 上 的首 次 安 裝 應(yīng) 用 。 目前 ，禎賦生產(chǎn) 的 690U 管售 價(jià) 在 每 噸 7O～80萬 元 左 右 ，比直 接進(jìn) 口便 宜

2／3。據(jù) 了解 ，一 個(gè) 蒸 汽 發(fā)生?器 在使 用 國產(chǎn)化 690U 管 后 成 本將 減 少至 約 0．9億 元 。 國家計(jì)劃 至 2020年 ，核 電總 裝機(jī) 容量 達(dá)到 7 000萬千 瓦 ，如 果 按 每 臺(tái)百 萬 千 瓦 機(jī) 組用 150 t傳熱 管 的用量 計(jì) 算 ，市場 需 求 量 巨 大 。我 國要 實(shí) 現(xiàn)從 核 電大 國 向核 電技 術(shù) 強(qiáng) 國跨 越 ，自主開 發(fā) 傳熱管 用 690合 金是 無法 回避 的重 大課題 。

3 Ineonel 691)合 金

Inconel 690 合 金 是 一 種 奧 氏 體 型 高 鉻 (3O )鎳 基 耐蝕 合 金 ，690合 金 以其 優(yōu) 異 的 耐蝕 性 能及較 高 的強(qiáng)度 逐漸 取代 了對 晶問腐 蝕 (IGA)及 晶 間 應(yīng) 力 腐 蝕 開 裂 (IGSCC)敏 感 的 Inconel 600合金 和 18—8型奧 氏體 不銹 鋼 ，成 為理 想 的 核電蒸 汽發(fā) 生器管 材用 料 。690合金 屬 于低層 錯(cuò) 能 地面 心 立方 結(jié) 構(gòu) 。在

一個(gè)很 寬 范 圍的腐 蝕性水 介 質(zhì)和高 溫氣 氛環(huán)境 中具有 優(yōu) 異 的抗 蝕 性 ；具 有 高強(qiáng) 度 ，好 的冶 金 穩(wěn) 定 性 ，優(yōu) 良的制 造 性 能 。

在 高 溫下 有 好 的 蠕變 斷 裂 強(qiáng)度 ，在 長 時(shí)間高 溫 、輻 照情 況下 ，不產(chǎn) 生脆化 相 。 在 高溫氣 體 環(huán)境 下 ，Inconel 690合 金有 好 的抵 抗氧 化和硫 化 的能 力 。耐 高 溫硫 腐 蝕 ，也 是 其一 個(gè) 亮 點(diǎn) 。

此 外 ，它不僅 在 含 氯 化 物溶 液 和 氫 氧 化鈉 溶液 中 ，具 有 比 304不 銹 鋼 、Incoloy 800合 金 、In—conel 600合金優(yōu)異的抗應(yīng)力腐蝕開裂能力 ，特別是 在各 種類 型 的 高溫 水 中 ，Inconel 690合 金 也 顯 示 出了低 的腐 蝕 速 率 和 優(yōu) 異 的應(yīng) 力 腐 蝕 開 裂 抗 力 。

由于 Inconel 690合 金有 顯 著 的 抗 氧化 能 力 及具 有優(yōu) 異 的抗 應(yīng) 力腐 蝕 能 力 ，因而 被 廣泛 應(yīng) 用于 核 電蒸 汽 機(jī)組 中 。

Inconel 690合 金 平 衡 態(tài) 主 要 析 出 相 為 富 鉻 M。。C 和富 TiM (CN)。化 學(xué) 元 素 中 碳 含量 變 化對 M。。c 相 析 出行 為影 響 顯 著 ，鉻 、鐵 次 之 ，鈦 、

鋁 影 響較小 。隨著 碳 含 量 增 加 ，Mz。Cs最 大 析 出量 明顯 增加 ，其 完全溶 解 溫度升 高 。

Inconel 690與 Inconel 600合 金 在 化 學(xué) 成 分 上的主要 區(qū)別 為 Inconel 690將 Cr含 量 從 15．5提高到 28 ～3O％(質(zhì)量分?jǐn)?shù) )，相應(yīng) 降低 了 Ni含量 (> 58 (質(zhì)量 分 數(shù) ))。相 對 于 Inconel 600合金 而言 ，Inconel 690具 有 成 分不 復(fù) 雜 且性 能 優(yōu)

異 的特點(diǎn) 。表 2為三種 蒸發(fā) 器傳 熱管用 材料 的 主 要化 學(xué)成 分 。

3．1 Inconel 690合金 的生產(chǎn) 加工Inconel 690合 金 的重 要 性 能 是 抗 晶 應(yīng) 力

腐蝕?的?能力 。而 晶 界 的鉻 貧 化 、雜 質(zhì) 向 晶界 的偏析 、品 問碳化 物及 對應(yīng) 力集 中 的力學(xué)效 應(yīng) 。都是引起 材 料腐蝕 的 網(wǎng)核 電蒸發(fā) 器傳 熱 管 表 面 質(zhì)量 要 求 高 。 寸 控 制 嚴(yán)格 ，需要 對制 管 的工 藝進(jìn) 行優(yōu) 化研究 ，包 括擠 壓 、冷拔 、冷 軋 、彎管 的制造 工 藝 及 中 間產(chǎn) 昌 的退火 工藝 。

3．1．1 Inconel 690合金 的冶 煉690合 金含 有 高達(dá) 約 3O (質(zhì)量 分 數(shù) )的鉻 ，給 冶煉超 純 凈 、均 質(zhì) 合金 帶 來 許 多 困難 。高鉻 含量 的 690合金 在凝 固過 程 中容易產(chǎn) 生嚴(yán) 重 的鉻偏 析 ，析 出有 害相 。即使 s含 量很低 ，但 在稍低 于液相 線 1 370℃ 的凝 固溫度 下 ，690合 金存 在有 強(qiáng)烈 的 Cr，Ti凝 固正 偏 析 。而 在 接 近 固 相線 的1 355℃ ，晶界 處殘余 液 相 中不僅 存 在 cr，Ti凝 固 正偏析 ，S，C，N 也產(chǎn) 生 了明 顯 的富 集 。同 時(shí)還 析 出了細(xì) 小 的 Ti C S fCr，Ti)S或 CrS等 有 害相 。

這些 析 出的有 害相 極 可 能會(huì) 影 響 合金 的高 溫 、室 溫 力 學(xué)性 能和抗 腐蝕性 能 。s嚴(yán)重 降低 合金 的熱 塑 性 ，當(dāng)合 金 的 S含 量 為 5 pprn的超 純凈 時(shí) ，整 個(gè) 加 工溫 度 區(qū) 間 的熱 塑 性 都 超 過 70％。但 隨 S含量 的增 加 ，合 金 在 950～ 1 050℃ 出現(xiàn) 熱 塑 性 區(qū) (面塑率 小 于 50 )。

斷 口 呈現(xiàn) 由韌 性 的 穿 晶斷裂 向脆 性 的沿 晶斷裂 的轉(zhuǎn) 變趨勢 。中國科 學(xué) 院聯(lián) 合江 蘇精 密合金 有 限公 司開發(fā) 出 一種 CaO坩 堝 真 空感 應(yīng) (VIM)加保 護(hù)氣 氛 電 渣重熔 新技 術(shù) 。確保 雙聯(lián)技 術(shù)冶煉 690合金 實(shí)現(xiàn)了Es]，Eo]含 量 為 幾 個(gè) ppm 的 超 純 凈 (小 于 1Oppm)，且 合金 的夾 雜物 明顯低 于 國外 進(jìn) 口傳 熱管 的水平 ”。

為降低 大 噸位 690合 金 坯 料 的凝 固偏 析 ，提 高坯料 的 高溫鍛 造性 能 ，以及合 金的 室溫塑 性 ，通 過重 溶 渣 系 ，以 及 燃 氣 加 保 護(hù) 氣 氛 電 渣 重 熔 (ESR)新技 術(shù) 的 自主研 發(fā) ，使 得 電渣 重 熔 690合金基本不增[0]和Is]。表 3列 出了真空感應(yīng)冶煉 690合金 電渣 重熔 后元 素 的成 分對 比。

為 了滿 足核 動(dòng)力裝 置對 材料 質(zhì)量 越來越 高 的要求 ，在合金 的冶煉中普遍追求高純潔度 ，尤其是極 低氧 、硫含 量 的控制 工藝 。硫含 量較 高 時(shí) ，將嚴(yán)重 影 響該 合金 的加工 性能 。較 高氧化 物夾 雜含 量通 常是 鎳合 金零 件疲 勞裂紋 的萌 生地及 擴(kuò)展 的通道 ，從而降低鎳基合金 Inconel 690高溫持久性能和高溫 蠕變 強(qiáng)度 ，使材 料功 能失效 。