低鎳鉻合金鑄鐵材料在海水閥門上的應用

2014-09-11 曹曉寧中廣核工程有限公司

　　介紹了低鎳鉻合金鑄鐵+重防腐涂料在核電站耐海水閥門領(lǐng)域的使用情況。基于臺山核電項目CRF 系統(tǒng)蝶閥主體材料采用低鎳鉻合金鑄鐵，對比分析了低鎳鉻合金鑄鐵+ 重防腐涂料、碳鋼襯膠、雙相不銹鋼及銅合金等常用耐海水腐蝕性材料在使用性、工藝性和成本等方面的差異。

1、概述

　　海水作為核電站冷卻水源，其優(yōu)點是取之不竭且溫度隨季節(jié)變化較小，但由于受其氯離子含量高等因素的影響，對金屬的腐蝕性較強。與核電站主體配套的CRF、SEN、SRI 及CFI 等系統(tǒng)用DN800 ～DN3 200 大口徑蝶閥，在閥門主體耐海水腐蝕性選材要求上尤其具備典型性。目前，國外產(chǎn)品多采用低合金鑄鐵，并涂覆涂料、襯里以及電化學腐蝕等措施來提高抗腐能力。在國內(nèi)核電，低鎳鉻合金鑄鐵DN1 600 耐海水閥最早被應用秦山一期，在第三代EPR 臺山核電站，低鎳鉻合金鑄鐵( STQNiCr) 再次被應用于CRF 循環(huán)水系統(tǒng)DN3 200 口徑的蝶閥。

2、低鎳鉻合金鑄鐵

　　2.1、化學成分

　　在秦山核電站的應用上，主要依據(jù)核電工況系統(tǒng)的要求并參考國外同類鑄鐵產(chǎn)品的化學成分而確定的。秦山核電站與臺山核電站低鎳鉻合金鑄鐵水閥的Ni、Cr 成分及其化學成分如表1。

表1 低鎳鉻合金鑄鐵水閥用材料化學成分 Wt%

低鎳鉻合金鑄鐵水閥用材料化學成分

　　隨著國內(nèi)熔煉、鑄造技術(shù)和設(shè)備的不斷發(fā)展，目前國內(nèi)低鎳鉻合金鑄鐵的發(fā)展也日趨成熟與提高，與低鎳鉻合金鑄鐵發(fā)展初期相比，無論從熔煉過程還是鑄造工藝上，S、P 元素的控制量更加精細。其中，元素Re 和Mg 具有脫氣、脫硫和消除其他有害雜質(zhì)的作用，能改善材料的鑄態(tài)組織，而有效調(diào)節(jié)元素Ni、Cr 含量則可獲得合理的組織與性能。

　　2.2、力學性能

　　臺山核電用低鎳鉻合金鑄鐵的力學性能與常規(guī)球磨鑄鐵、碳鋼和不銹鋼的對比如表2。

表2 力學性能對比

力學性能對比

　　由表2 可知，通過在鑄鐵中加入少量合金元素Ni、Cr，使得鑄鐵的力學性能有顯著提高，且與常規(guī)的碳鋼、不銹鋼材料力學性能相當。

　　2.3、合金元素對鑄鐵性能的影響

　　合金元素對于鑄鐵組織的影響一般發(fā)生在兩個階段。一是影響凝固階段中初生奧氏體的生長、共晶轉(zhuǎn)變方式以及共晶相的形態(tài)特點。二是在固態(tài)相變階段影響奧氏體轉(zhuǎn)變速率、轉(zhuǎn)變方式以及所形成的組織特征。低鎳鉻合金鑄鐵中，Ni 是促進石墨化元素，Cr 是反石墨化元素，即碳化物形成元素。鑄鐵中Ni 和Cr 的同時加入，顯著影響鑄鐵的固態(tài)相變過程。

　　元素Ni 能以任何比例溶于液態(tài)及固態(tài)的鐵中，在鑄鐵中不與碳形成碳化物，而是存于鐵素體和奧氏體中。Ni 的加入可降低奧氏體各元素的擴散速度，并降低奧氏體共析轉(zhuǎn)變臨界速率和轉(zhuǎn)變溫度，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)認為有利于促使珠光體的形成和細化。少量Ni 的加入還能穩(wěn)定珠光體和減少鐵素體含量，可有效延長珠光體轉(zhuǎn)變孕育期，有助于取得均勻而一體的結(jié)構(gòu)和良好的綜合力學性能。

　　元素Cr 是最強烈的碳化物穩(wěn)定元素之一，對鑄鐵固態(tài)相變影響體現(xiàn)3 個方面。①抑制鐵素體形成，減少游離鐵素體含量，促進珠光體形成。②延長珠光體孕育期，推遲共析轉(zhuǎn)變，改善鑄鐵的硬化性能。③可促進柔軟的鐵素體轉(zhuǎn)變成珠光體組織，使鑄鐵中具有極細的片狀共晶石墨存在，可使石墨的大小和鑄鐵的晶粒更均勻。

　　2.4、應用情況

　　對于電站系統(tǒng)大口徑蝶閥，其閥體、蝶板等主體材料通常占整個閥重的90%，因此在材料選擇上，需綜合考慮其使用性能、制造工藝性、在線維護檢修的便捷性及經(jīng)濟性等因素。目前，國內(nèi)低鎳鉻合金鑄鐵已廣泛應用于水利、水電、石油化工等行業(yè)，并已取得較豐富的運行經(jīng)驗，并逐步應用于核電循環(huán)水系統(tǒng)閥門。

　　與常規(guī)水系統(tǒng)介質(zhì)不同，核電站循環(huán)水系統(tǒng)海水介質(zhì)中高濃度的Cl 離子含量( 17g /L) 、海生物和泥沙及介質(zhì)流速等影響，導致金屬材料的腐蝕性比普通海水更劇烈，因此閥門選材時不僅需考慮耐腐蝕性能外，還需綜合考慮其抗沖刷能力。為了保證閥門過流表面具有足夠的抗海水腐蝕能力、耐沖刷磨損能力，臺山循環(huán)水蝶閥選材還引入了重防腐涂料涂覆工藝，采用低鎳鉻合金鑄鐵+ 重防腐涂料相結(jié)合，從而實現(xiàn)了雙重防腐技術(shù)。

3、閥門選材的對比分析

　　3.1、普通碳鋼

　　碳鋼本身不耐海水腐蝕，核電海水閥中普遍采用碳鋼加內(nèi)襯橡膠的技術(shù)。核電閥門中常用的襯膠材料是EPDM，采用整體硫化的方式包覆在閥體和閥瓣上，雖然較好地實現(xiàn)了過流部件與海水的隔離，但在實際工況運行中，由于海水流速沖擊、橡膠老化等因素影響，常常會發(fā)生局部脫落、變形的現(xiàn)象，而一旦產(chǎn)生橡膠脫落或變形，碳鋼基體的腐蝕也隨之發(fā)生。此外，由于全襯里的閥門需要將設(shè)備返廠才能實現(xiàn)橡膠襯里的更換，無法實現(xiàn)在線維修，檢修周期長，不適用于大口徑海水閥使用。

　　3.2、雙相不銹鋼

　　與傳統(tǒng)的奧氏體或鐵素體不銹鋼相比，雙相不銹鋼克服了點蝕和縫隙腐蝕敏感性的缺陷，強度、韌性較好，且耐局部腐蝕，特別是耐晶間腐蝕、應力腐蝕、點蝕、縫隙腐蝕等能力有顯著提高。但是，由于其昂貴的價格，對于核電站常規(guī)島循環(huán)水系統(tǒng)DN800 ～ 3 200 的大口徑閥門主體選材不是合適的選擇。

　　3.3、銅合金

　　閥門選材中常用的銅合金主要有黃銅、錫青銅和鋁青銅，這些銅合金在海洋環(huán)境中能生成一層腐蝕產(chǎn)物膜，這層薄膜阻礙了氧向金屬表面的擴散，在海水中具有較好的耐點蝕和耐縫隙腐蝕性能。但與雙相不銹鋼一樣，銅合金的價格也較高且鑄造工藝性要求較高，對于大口徑的海水閥也不是較為合適的選擇。

表3 耐海水閥門選材的綜合性能對比

耐海水閥門選材的綜合性能對比

　　3.4、低鎳鉻合金鑄鐵+ 重防腐涂料

　　鑄鐵中少量Ni、Cr 元素的同時加入和共同作用下，最終獲得珠光體基體和細化的A 型石墨組織，從而改善鑄鐵的宏觀綜合性能，提高鑄件的強度和硬度，增強耐海水腐蝕性能。同時，由于合金元素相對較少，生產(chǎn)成本也較低，因此適合于制造大口徑海水閥門。而與常規(guī)的防腐涂料不同，重防腐涂料適用于更加嚴苛的環(huán)境且能達到比常規(guī)涂料更長的保護期，其附著能力和防腐能力也更強，并且可在潮濕表面施工，對于核電工程搶修來說更加顯示了其不同于常規(guī)的優(yōu)越性。

　　綜合上述4 種耐海水閥門選材，對比綜合性能指標如表3。