【12】轻水堆核电站奥氏体不锈钢铸件的热老化及其老化管理

...

第26卷 第6期(增刊) 2 0 0 5 年12月

文章编号：0258-0926(2005)06(S1)-0093-04

核 动 力 工 程

Nuclear Power Engineering

Vol. 26. No. 6(S1) Dec. 2 0 0 5

轻水堆核电站奥氏体不锈钢铸件的

热老化及其老化管理

（1. 大亚湾核电运营管理有限责任公司，广东深圳，518124；2. 苏州热工研究院，江苏苏州，215004）

刘 鹏1，薛 飞2，戴忠华1，陈世均1，

朱文彬1，汪小龙2，遆文新2

摘要：在轻水堆核电站中，奥氏体不锈钢铸件(CASS)在运行温度下长期工作将面临热老化问题。本文对热老化的机理进行了描述，并针对核电站的热老化问题，给出了老化管理工作的主要步骤，即部件敏感性甄别、老化状态评估和ISI大纲更新；结合CASS热老化的老化管理实践，对我国核电站的热老化管理工作提出了建议。

关键词：奥氏体不锈钢铸件；热老化；老化管理；评估 中图分类号：TL36 文献标识码：A

1 引 言

奥氏体不锈钢铸件(CASS)是轻水堆的常用材料。在反应堆运行温度下长期服役，CASS的断裂韧性将随服役时间的延长而下降，这种现象称为热老化。

热老化导致材料的临界裂纹尺寸减小，韧脆转变温度上升，增大了脆性断裂的概率。若材料的断裂韧性降低到非常低的水平，同时部件有较明显的缺陷(铸造缺陷或运行中产生的缺陷，如裂纹)，则奥氏体不锈钢部件的结构完整性将受到威胁。

2 CASS热老化机理

不锈钢铸件在经历焊后热处理或退火慢冷却过程后，易产生沿晶应力腐蚀裂纹(IGSCC)。实践表明，铁素体(主要指δ铁素体，以区别于低温形成的α铁素体)含量高的CASS比铁素体含量低的CASS更能够抵抗IGSCC。为了避免应力腐蚀，轻水堆环境中的CASS必须保证铁素体含量高于一定水平。但是，过高的铁素体含量又将带来热老化问题。

CASS热老化现象最突出的情况出现在环境

收稿日期：2005-08-24；修回日期：2005-09-19

温度为475℃时(比轻水堆的主冷却剂管线的运行温度高很多)，此时，由于奥氏体-铁素体相界大量C、N化合物沉淀相的析出，导致材料断裂韧性的严重下降。这种现象也称作475℃脆化。但是，在轻水堆运行温度下长期服役的CASS也会发生热老化。低温热老化导致的铸造不锈钢韧性下降的原因有：①铁素体中出现富含Cr的α初始相、富含Ni和Si的G相；②高N钢的奥氏体-铁素体相的交界处析出C化物或N化物。

α初始相是通过Spinodal分解过程形成的，生成了两种晶格结构相同但组分和性质不同的相(即富Feα相和富Crα相)。这种相分离的过程发生在铁素体区域中几纳米量级的极小尺度范围，必须使用原子探针才能检测到α初始相的存在。另外，在运行温度下经过数年的老化，α相也可通过形核和长大的过程出现。这两种α相形成过程可能单独存在，也可能同时存在，其取决于铁素体的化学组成(主要是Cr的含量)。

部件材料的这种相变，直接导致了铁素体的脆化，从而导致材料断裂韧性的下降。同时，在高温下长期运行，材料还会形成富Ni和富Si的G相。铁素体中的G相通过形核并长大的过程出

...

94核 动 力 工 程 Vol. 26. No. 6(S1). 2005

现，C和Mo越多，G相形成的速度越快。G相

对热老化脆性的产生虽无直接影响，但是，G相可能对铸造不锈钢的脆化程度有着间接的影响。

CASS的热老化脆化主要由铁素体相引起，所以铁素体的数量和形态决定了铸造不锈钢的热老化程度。由图1[1]可以看出，CASS组织特征为奥氏体基体上分布着岛状的铁素体。若铁素体含量增至一定值，将会在组织中连通，因此可能在铸件壁厚方向形成贯穿的铁素体脆化路径。

定。对于Mo含量低(重量百分比≤0.5%)的钢，只有静态铸造且铁素体含量＞20%时才会对热老化敏感；静态铸造、铁素体含量≤20%的低Mo钢以及离心铸造的低Mo钢对热老化不敏感。对于高Mo含量(2.0％～3.0％)的钢，静态铸造且铁素体含量＞14%、离心铸造且铁素体含量＞20%时，对热老化敏感；静态铸造的铁素体含量≤14%以及离心铸造的铁素体含量≤20%的高Mo钢对热老化不敏感。NRC对CASS部件热老化敏感性的分析判断如图2所示。

a CF-8级不锈钢(铁素体含量16%)

图2 NRC对CASS部件热老化敏感性分析过程

Fig. 2 Analysis Process of Sensitivity for

CASS Components by NRC

b CF-8M级不锈钢(铁素体含量28%)

图1 离心铸造奥氏体-铁素体不锈钢典型微观

组织(奥氏体基体上分布着岛状的铁素体)

Fig. 1 Typical Microstructures of Centrifugally Cast

Austenitic-Ferritic Stainless Steels, with Islands of Ferrite in an Austenite Matrix

控制CASS中铁素体-奥氏体平衡的主要因素是化学成分。Cr、Si、Mo、Nb等是促进铁素体形成的元素，而Ni、C、Mn、N等则是促进奥氏体形成的元素。因此，目前也有利用元素的化学成份计算Cr当量(Creq)，然后根据Creq来间接判断CASS热老化敏感性的方法。例如，法国电力公司(EDF)给出了Creq计算公式[式(1)]。 Creq =Cr%+Si%+Mo% (1)

式中，元素含量为重量百分比。

据此给出了热老化敏感性的判据：当Creq>23.5%时，部件是热老化敏感性的；当Creq≤23.5%时，部件对热老化不敏感。

铁素体含量的确定有两种方法，一种由部件材料的化学成份根据经验公式进行推算，另一种则为直接测量法。

目前，根据元素含量来计算当量铁素体含量的经验公式较多，例如Schaeffle方法、国际原子能机构(IAEA)和NRC推荐的HULL当量公式等。这些方法都是构造经验公式，通过计算当量Cr

铸造不锈钢热老化后机械性能发生变化，表现为抗拉强度和屈服强度提高、而拉伸塑性下降，抗拉强度增加远比屈服强度增加要快；而且使得铸造不锈钢的断裂韧性下降、铸造不锈钢的韧脆转变温度上升。

3 奥氏体不锈钢热老化管理方法及步骤

3.1 敏感性甄别

根据美国核管会(NRC)GALL(Generic Aging Lessons Learned)中提出的准则，CASS热老化敏感性由铸造方式、Mo含量以及铁素体含量来确

...

刘 鹏等：轻水堆核电站奥氏体不锈钢铸件的热老化及其老化管理 95

元素含量和当量Ni元素含量来计算铁素体含量的。

CASS中铁素体的大小、分布和形态取决于铸造过程的凝固状态。因此，根据化学成份计算得到的当量铁素体含量未必能反映CASS的实际情况。为了能够准确进行评估，可以实际测量有代表性区域的铁素体含量。

3.2 铸造不锈钢部件热老化评估的准则

铸造不锈钢部件热老化评估的准则可参考ASME BPV Section XI卷关于埋弧焊奥氏体不锈钢焊缝的缺陷验收标准，对双相不锈钢进行验收。 3.3 更新ISI大纲

根据部件的评估结果，对当前ISI中有关该部件执行的检验方法、检验频度进行更新。并根据执行新大纲得到的部件检验结果对部件进行重新评估，完成热老化的管理循环。

XI要求的检验，进行内部目视检查。同时，有关CASS热老化状态评估的研究目前正在进行中。

表1 主冷却剂回路CASS部件的热老化敏感性分析Table 1 Analysis of Thermal Aging Sensitivity for

CASS Component of Primary Loop

部 件％冷段直管 热段直段 过渡段直段 热段50°弯头 过渡段40&# …… 此处隐藏：3115字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……