INCONEL690材料密度硬度成分

电力 工 业 是 国 民经 济 可 持 续 发 展 的先 行 工 业 ，随着 国 民经济 发 展和人 民生 活水平 的提 高 ，对 电力 的需求 越 来 越 大 。 目前 ，火 力发 电仍 然 是 我

国电力生产的主体。

火 电用煤是 煤 炭 消耗 的大 户 ，能 源 和 环 境 问 题一 直是 中 国经济 发展过 程 中的热点 和难 点 。因此 ，逐 步改 变 中国 的能源结 构 ，并 且提 高煤 电转 换效率 ，是我 国应 对全 球气候 变 化 ，实 现节 能减排 目标 的重要 举措 。表 1为 中国近 年 电源构 成 。

核 电是 一 种 安 全 、清 洁 、经 济 、可 靠 得 能 源 。

用核 电替 代部 分化 石 燃 料 发 电 ，可 以节 约 化 石 燃料 的消耗 ，有利 于环 境保护 ，对 实施可 持续 发展 战略、改善人 民生活质量大有益处 。在煤电、气电还

有核 电 的能量 转换 过程 中都需 要使用 高温 结构 材料 。性能 优异 的耐 热钢 和高温 合金材 料 已经成 为 电力 工业 发展 的技 术关键 。

l 中国核 电的现状和发展

近年 来 由于能 源 总 需 求量 猛 增 、燃 煤 产 生 的 环 境污染 问题 及对 国外 资源 过度依 存 的能源供 应

安 全 问题 ，为核 电在 中 国的 发展 提 供 了前 所 未 有

的契机 。

从 目前在建和拟建核 电项 目来看 ，预计2016年将 有 4 256万千 瓦 核 电机组 投 产 ，核 电装机 容量将 达 5 163万 千 瓦 。预 计 到 2020年 国 内 核 电运 行装 机容 量有 望 达到 约 8 000万 千瓦 。 目 前 ，我 国在沿 海地 区在 建 和 拟建 的核 电机组 包 括秦 山二期扩建工程两个机组 ，方家 山核 电项 目两个 机组 ，广东 大亚 湾两个 机组 ，辽 宁红 沿河 四个百 万 千 瓦的核 电机组 ，福 建宁德 和福 清 的六个 机组 ， 还 有 2009年 开 工 的浙 江 三 门 、山东 海 阳 、广东 台山 、山 东荣成 、海 南 昌江 。此外 ，湖 北 大畈 、湖南 桃花 江 、江西 彭泽 这几 个项 目已获得 批 复 ，我 国是 世 界 上 目前在 建 核 电机组 最 多的 国家 。

2 核 电机 组 用 材

核工业 用 材 主要指 反应 堆用 高 温合金 。这些 合 金 主要 用作 蒸 汽 发 生 器传 热管 、元件 格 架 和压 紧弹 簧 以及高 温气 冷堆 和 部分 快堆 的过 热器 与再 热器 传热 管零 部 件 。

在压 水反 应 堆 (PWR)核 电 站 中 ，最 关 键 的 材 料是 蒸 汽发 生器 中的传热 管用 高 温合金 。

蒸 发 器是 压水 堆核 电站 中一 、二 回路 热 量 交 换 的关 键 设

备 ，其 传 热 管 管 材 的服 役 条 件 恶 劣 ，既 有 管 内外

一 、 二 回路 工作 介质 问 的压力 差 ，又有 高温 水介 质 中包 括 均匀 腐 蚀 、点 腐 蚀 、缝 隙 腐蚀 、晶 问腐 蚀 和 应 力腐 蚀破 裂 (SCC)在 内的综 合 腐蚀 。而其 中尤以应力 腐蚀 破 裂 为蒸发 器传 热管 最 主要 的破 裂形式 ，许 多 反应堆 都 出现 过此 类 问题 ，有 的甚至 发生 部分 机组 更换 发 生器管 子 的情 况 。

蒸发 器传 热管 损伤 会影 响反 应 堆 的正 常 运行 ，造 成 被 迫 降低 功率 、甚 至停 堆 事 故 ，带 来 巨 大 的经 济 损 失 ，还 可 能威胁 到 核 电站 的安全 运行 。

早 期 的传热 管是 使用 304不锈 钢 或 316不 锈 钢 材料 。在 使用 过程 中由于 出现 严重 的应 力腐 蚀开 裂 ，造 成 多 次 停 堆 事 故 。 以 后 ，改 为 Inconel600或 Incoloy 800合 金 ，使 用 效 果 较 好 ，但 耐 蚀 性 能 仍 不 够 理想 。

由于 Inconel 690具 有 较 好 的抗 应 力腐 蚀性 能 ，被 认 为 是 最适 用 压水 堆 核 电机 组蒸 汽发 生 器 的传 热 管 材 料 而 受 到 重 视 。在 20世纪 80年 代 末 ，法 国先 采 用 抗 腐 蚀 性 能 优 异 的inconel 690代 替 Inconel 600制 作 新 一 代蒸 汽 发生器 传热 管 ，以后 美 国和 日本 也相继 仿 用 ，收到 很好效 果 。

从前 ，我 国核 电 厂建 设 全 部 依 靠 进 口这 种 钢

管 。2015年成 立 可 生产 这种 钢管 。2012年 ，国 产 核 电 690U 形 管 ，在广 西 防城港 核 电 1号机 组 1号 蒸 汽 发 生 器 上成 功 实现 穿管 。

这 是 核 电 690U 形 管 国产 化以来 在我 国 核 电机 组 上 的首 次 安 装 应 用 。 目前 ，祯赋生产 的 690U 管售 价 在 每 吨 7O～80万 元 左 右 ，比直 接进 口便 宜

2／3。据 了解 ，一 个 蒸 汽 发生 器 在使 用 国产化 690U 管 后 成 本将 减 少至 约 0．9亿 元 。 国家计划 至 2020年 ，核 电总 装机 容量 达到 7 000万千 瓦 ，如 果 按 每 台百 万 千 瓦 机 组用 150 t传热 管 的用量 计 算 ，市场 需 求 量 巨 大 。我 国要 实 现从 核 电大 国 向核 电技 术 强 国跨 越 ，自主开 发 传热管 用 690合 金是 无法 回避 的重 大课题 。

3 Ineonel 691)合 金

Inconel 690 合 金 是 一 种 奥 氏 体 型 高 铬 (3O )镍 基 耐蚀 合 金 ，690合 金 以其 优 异 的 耐蚀 性 能及较 高 的强度 逐渐 取代 了对 晶问腐 蚀 (IGA)及 晶 间 应 力 腐 蚀 开 裂 (IGSCC)敏 感 的 Inconel 600合金 和 18—8型奥 氏体 不锈 钢 ，成 为理 想 的 核电蒸 汽发 生器管 材用 料 。690合金 属 于低层 错 能 地面 心 立方 结 构 。在

一个很 宽 范 围的腐 蚀性水 介 质和高 温气 氛环境 中具有 优 异 的抗 蚀 性 ；具 有 高强 度 ，好 的冶 金 稳 定 性 ，优 良的制 造 性 能 。

在 高 温下 有 好 的 蠕变 断 裂 强度 ，在 长 时间高 温 、辐 照情 况下 ，不产 生脆化 相 。 在 高温气 体 环境 下 ，Inconel 690合 金有 好 的抵 抗氧 化和硫 化 的能 力 。耐 高 温硫 腐 蚀 ，也 是 其一 个 亮 点 。

此 外 ，它不仅 在 含 氯 化 物溶 液 和 氢 氧 化钠 溶液 中 ，具 有 比 304不 锈 钢 、Incoloy 800合 金 、In—conel 600合金优异的抗应力腐蚀开裂能力 ，特别是 在各 种类 型 的 高温 水 中 ，Inconel 690合 金 也 显 示 出了低 的腐 蚀 速 率 和 优 异 的应 力 腐 蚀 开 裂 抗 力 。

由于 Inconel 690合 金有 显 著 的 抗 氧化 能 力 及具 有优 异 的抗 应 力腐 蚀 能 力 ，因而 被 广泛 应 用于 核 电蒸 汽 机组 中 。

Inconel 690合 金 平 衡 态 主 要 析 出 相 为 富 铬 M。。C 和富 TiM (CN)。化 学 元 素 中 碳 含量 变 化对 M。。c 相 析 出行 为影 响 显 著 ，铬 、铁 次 之 ，钛 、

铝 影 响较小 。随着 碳 含 量 增 加 ，Mz。Cs最 大 析 出量 明显 增加 ，其 完全溶 解 温度升 高 。

Inconel 690与 Inconel 600合 金 在 化 学 成 分 上的主要 区别 为 Inconel 690将 Cr含 量 从 15．5提高到 28 ～3O％(质量分数 )，相应 降低 了 Ni含量 (> 58 (质量 分 数 ))。相 对 于 Inconel 600合金 而言 ，Inconel 690具 有 成 分不 复 杂 且性 能 优

异 的特点 。表 2为三种 蒸发 器传 热管用 材料 的 主 要化 学成 分 。

3．1 Inconel 690合金 的生产 加工Inconel 690合 金 的重 要 性 能 是 抗 晶 应 力

腐蚀 的 能力 。而 晶 界 的铬 贫 化 、杂 质 向 晶界 的偏析 、品 问碳化 物及 对应 力集 中 的力学效 应 。都是引起 材 料腐蚀 的 网核 电蒸发 器传 热 管 表 面 质量 要 求 高 。 寸 控 制 严格 ，需要 对制 管 的工 艺进 行优 化研究 ，包 括挤 压 、冷拔 、冷 轧 、弯管 的制造 工 艺 及 中 间产 昌 的退火 工艺 。

3．1．1 Inconel 690合金 的冶 炼690合 金含 有 高达 约 3O (质量 分 数 )的铬 ，给 冶炼超 纯 净 、均 质 合金 带 来 许 多 困难 。高铬 含量 的 690合金 在凝 固过 程 中容易产 生严 重 的铬偏 析 ，析 出有 害相 。即使 s含 量很低 ，但 在稍低 于液相 线 1 370℃ 的凝 固温度 下 ，690合 金存 在有 强烈 的 Cr，Ti凝 固正 偏 析 。而 在 接 近 固 相线 的1 355℃ ，晶界 处残余 液 相 中不仅 存 在 cr，Ti凝 固 正偏析 ，S，C，N 也产 生 了明 显 的富 集 。同 时还 析 出了细 小 的 Ti C S fCr，Ti)S或 CrS等 有 害相 。

这些 析 出的有 害相 极 可 能会 影 响 合金 的高 温 、室 温 力 学性 能和抗 腐蚀性 能 。s严重 降低 合金 的热 塑 性 ，当合 金 的 S含 量 为 5 pprn的超 纯净 时 ，整 个 加 工温 度 区 间 的热 塑 性 都 超 过 70％。但 随 S含量 的增 加 ，合 金 在 950～ 1 050℃ 出现 热 塑 性 区 (面塑率 小 于 50 )。

断 口 呈现 由韧 性 的 穿 晶断裂 向脆 性 的沿 晶断裂 的转 变趋势 。中国科 学 院联 合江 苏精 密合金 有 限公 司开发 出 一种 CaO坩 埚 真 空感 应 (VIM)加保 护气 氛 电 渣重熔 新技 术 。确保 双联技 术冶炼 690合金 实现了Es]，Eo]含 量 为 几 个 ppm 的 超 纯 净 (小 于 1Oppm)，且 合金 的夹 杂物 明显低 于 国外 进 口传 热管 的水平 ”。

为降低 大 吨位 690合 金 坯 料 的凝 固偏 析 ，提 高坯料 的 高温锻 造性 能 ，以及合 金的 室温塑 性 ，通 过重 溶 渣 系 ，以 及 燃 气 加 保 护 气 氛 电 渣 重 熔 (ESR)新技 术 的 自主研 发 ，使 得 电渣 重 熔 690合金基本不增[0]和Is]。表 3列 出了真空感应冶炼 690合金 电渣 重熔 后元 素 的成 分对 比。

为 了满 足核 动力装 置对 材料 质量 越来越 高 的要求 ，在合金 的冶炼中普遍追求高纯洁度 ，尤其是极 低氧 、硫含 量 的控制 工艺 。硫含 量较 高 时 ，将严重 影 响该 合金 的加工 性能 。较 高氧化 物夹 杂含 量通 常是 镍合 金零 件疲 劳裂纹 的萌 生地及 扩展 的通道 ，从而降低镍基合金 Inconel 690高温持久性能和高温 蠕变 强度 ，使材 料功 能失效 。