不锈钢核电阀门铸件及其发展趋势

2019-06-04 16:25:52 19

不锈钢核电阀门铸件及其发展趋势作者:管理员    发布于:2015-07-13 19:17:18    文字:【】【】【

1、前言

根据《2013-2017年中国核电阀门行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》数据统计,阀门作为一种耗材,其市场容量将随着核电装机容量的增加而增加,。一般来说,核电阀门新增需求占核电设备总投资的5.2%左右,2010年我国核电新增市场容量约2GW,核电站总投资约806亿元,按照核电设备投资占总投资的比例为60%来计算,2010年核电设备投资共481亿元,其中核电阀门市场需求约为25亿元。根据对我国核电装机容量的预测,测算出2011-2015年核电阀门的市场总容量为235.83亿元,其中新增市场容量为183.35亿元,因此核电阀门铸件需求将逐渐扩大。

2、核电阀门安全分类及比列

核电阀门包括核电站中核岛N1、常规岛CI和电站辅助设施BOP系统中使用的阀门,而根据核电阀门相关标准的规定,核电站阀门安全等级分为核一级、核二级、核三级和NC级,其中核一级要求最高,以中国福清核电工程为例,2个百万千瓦核电机组,所需阀门约2.8万台,其中按阀门使用位置划分,其分布如下:

表一.核级阀门分布

系统

核岛

常规岛

电站辅助设施

数量/万台

1.2

1.3

0.3

比列/%

43

46

11

 

其中按核安全等级划分,其分布如下:

表二.核电阀门安全等级分布

安全级别

核一级

核二级

核三级

NC

数量/万台

0.02

0.78

0.6

1.4

比列/%

0.7

27.9

21.4

50

 

其中按材质划分,其分布如下:

表三. 核电阀门材质分布

材料

碳钢阀门

不锈钢阀门

铜阀门

其它

数量/万台

1.16

1.54

0.1

/

比列/%

41.2%

54.8%

3.8%

0.2%

 

    此外还有资料显示,在核岛中截止阀约占34.55﹪、隔膜阀约占26.80﹪、球阀约占13.29﹪、止回阀约占7.29﹪、蝶阀约占5.14﹪、调节阀约占4.68﹪、闸阀数量约占4.19﹪、安全阀约占2.55﹪、其它阀门约占1.51﹪。

3.核电阀门铸件质量要求

    核电阀门采用专门的核电阀门标准,如针对材料,就专门制订了材料与配套件的“采购技术规格书”标准10种,针对无损探伤,就专门制订了核电阀门用RT、MT、PT、UT四种探伤标准,针对焊接、热处理、清洗、装配、油漆、搬运、防护、包装、运输等,亦专门制订了10种相应的标准,针对核电阀门的检验和试验,专门制订了3种核电阀门用检验和试验用标准,而这些标准要求都远远高于普通阀门。

核电阀门铸件对于钢水的化学成分、均匀度等有较高的要求,而对于气孔、夹杂物等铸造缺陷要求较一般常规产品更加苛刻,因此对于熔炼设备及浇注工艺提出了更高要求,国外普遍使用精炼设备如AOD炉等,此外在铸件工艺上,使用蜡模精密铸造工艺的较多,而对于一些大口径核电阀门铸件,如代表核电阀门最高铸造水平的主蒸汽隔离阀体(DN800)则具有更加苛刻的质量要求。

   以下就四川法拉特不锈钢铸造有限公司生产6A超级双相不锈钢核电阀门铸件为列进行一些介绍。

该批核电阀门使用于台山核电站,其化学成分、机械性能及夹杂物要求如下:

表三.化学成分(%)

6A

C

Si

Mn

P

S

Cr

≤0.03

≤1.0

≤1.0

≤0.03

≤0.025

24.0-26.0

Ni

Mo

Cu

W

N


6.80-8.50

3.0-4.0

0.50-1.0

0.50-1.0

0.20-0.30


 

表四.机械性能

机械性能

屈服强度

抗拉强度

延伸率

冲击值

单位

Ksi/Mpa

Ksi/Mpa

%

AKv(J)

6A

≥65/450

≥100/690

≥25.0

≥60

 

表五.非金属夹杂物

材料

硫化物

硅酸盐

氧化铝

球化氧化物

总级别数

6A

≤0.5级

≤1.5级

≤1.0级

≤2.0级

≤4.5级

备注:不允许有尺寸大于ASTM E45的2.5级的偏析和带状不均匀组织.

 该批阀门铸件要求PREN值(耐点蚀当量)≥40,此外还需进行无损检测,其具体要求如下:

表六.无损检测

缺陷名称

缺陷代号

等级

气孔

A

不低于Ⅱ级

夹砂

B

不低于Ⅱ级

缩孔

CA、CB、CC、CD、

不低于Ⅱ级

热裂纹

D

冷裂纹

E

夹渣、麻孔

F、G

    

 产品在焊接和热处理过程中要求十分严格,焊材均从国外进口,热处理炉温度正负偏差不能超过8℃,炉内温度测量点不低于9处,并且不得与其它金属产品或工装直接接触,以防表面污染,核电阀门铸件有严格的清洁度要求,为此还需准备专门的清洁间,清洁处理后还要求对清洁度进行检查、记录和归挡。

4.核电阀门不锈钢的发展趋势

4.1、低碳化趋势

碳是影响核电阀门不锈钢铸件耐蚀性的最主要元素之一, 特别是奥氏体不锈钢的晶间腐蚀倾向更受碳量直接影响,因此降低不锈钢的含碳量是提高钢的耐蚀性的重要途径,而对于铁素体不锈钢及马氏体不锈钢, 降低碳量也是改善其力学性能, 特别是韧性的重要措施。正因为如此, 低碳和超低碳是当今世界各国不锈钢发展的总体趋势。现代核电阀门用超级不锈钢的碳量均在0.03% 以 下, 有的甚至要求碳量在 0.015 % 以下,此外核电阀门不锈钢在精炼降碳的同时,钢中杂质也得以清除, 这又为核电阀门不锈钢的进一步合金化打下基础, 随着我国不锈钢炉外精炼技术广泛应用, 超低碳不锈钢核电阀门铸件的整体质量水平会有进一步提高。
4.2、增氮化趋势
    现在国际上对于不锈钢的微合金化研究领域,有一个重要方向就是不锈钢的氮合金化,研究表明,氮不仅是强奥氏体形成元素, 在不锈钢中加入少量氮可取代大量昂贵的镍, 而且氮作为合金元素, 既可提高不锈钢的强度, 改善疲劳、蠕变性能,又可明显提高不锈钢耐蚀性, 尤其是耐点蚀和缝隙腐蚀性能等方面对核电阀门铸件性能的提升更有特殊的意义,此外近年来在双相不锈钢方面的研究也较活跃, 而双相不锈钢中一个最重要的特点就是含有0.1%以上的氮元素,而且从第一代双相不锈钢发展进入第三代超级双相不锈钢,氮元素一直呈增加趋势,现在部分双相不锈钢中氮元素含量已经增加到0.3%以上,这都证明了氮元素在不锈钢发展过程中的重要作用和明显的增长趋势。
4.3、高合金化趋势
    不锈钢的高合金化趋势主要是源于核电站对于产品或设备的轻量化要求,而轻量化趋势就要求材料在耐蚀性能和机械性能取得更多的提高,这使得不锈钢材料中铬、镍、铜、钼四大合金元素比例越来越高,如5A、SAF2507、904L等材质。并且近年来,四大合金化元素含量的提高也带动了以哈氏合金、英克耐尔合金、蒙乃尔合金等为代表的镍基合金需求的提高。
4.4、高出品率趋势
    随着国家产业政策向绿色铸造方向发展,对于材料和能源的高效利用提出了更多的要求,为了满足这些要求,人们不得不面临如何提高不锈钢材料的工艺出品率的问题,而从另外一个方面来看,随着模拟凝固及保温冒口等铸造技术的发展,也为工艺出品率的提高创造了一定的条件,因此今后如何利用这些技术来提高不锈钢铸件的工艺出品率将是不锈钢铸造领域内一个重大的课题。
4.5、低硫/磷化趋势
    众所周知,硫和磷都是不锈钢中的有害元素,其中硫以硫化亚铁的形态存在于不锈钢中,而硫化亚铁与铁又能形成低熔点共晶体,在铸件凝固过程中,这种低熔点共晶体夹杂在晶粒与晶粒之间,使产品易在高温状态下形成裂纹,这就是所谓的热脆性,含硫量越高,热脆性就越严重。磷能全部溶于铁素体内,而使铁素体在室温下的强度提高,韧性下降,产生冷脆性,而这些都是核电阀门铸件中应尽量避免的问题。因此在不锈钢核电阀门铸件的发展过程中,磷/硫含量一直呈下降趋势,近年来出现的一些不锈钢牌号,其硫/磷含量已经下降到了0.015%以下。
4.6、气体元素控制化趋势

不锈钢核电阀门铸件中的气体元素主要为氮、氢、氧三种,其中除了氧能通过活泼金属(如铝、钙、硅等)进行脱出外,对于氮元素和氢元素很难进行控制,即使是不锈钢脱氧,也只是一种经验性脱出,很少对最终不锈钢的含氧量进行测量,但近年来随着气体含量测定仪器的逐步应用,以及LF炉、AOD炉、VOD炉等精炼炉的推广使用,使一些高端不锈钢核电阀门铸件的气体元素含量控制越来越容易。

吴枝峰