介紹了低鎳鉻合金鑄鐵+重防腐涂料在核電站耐海水閥門(mén)領(lǐng)域的使用情況?；谂_(tái)山核電項(xiàng)目CRF 系統(tǒng)蝶閥主體材料采用低鎳鉻合金鑄鐵，對(duì)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(diǎn)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(duì)金屬的腐蝕性較強(qiáng)。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(mén)主體耐海水腐蝕性選材要求上尤其具備典型性。目前，國(guó)外產(chǎn)品多采用低合金鑄鐵，并涂覆涂料、襯里以及電化學(xué)腐蝕等措施來(lái)提高抗腐能力。在國(guó)內(nèi)核電，低鎳鉻合金鑄鐵DN1 600 耐海水閥早被應(yīng)用秦山一期，上海申弘閥門(mén)有限公司主營(yíng)閥門(mén)有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導(dǎo)式減壓閥,空氣減壓閥,氮?dú)鉁p壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過(guò)濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調(diào)節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動(dòng)閥門(mén)、電動(dòng)閥門(mén)、高壓閥門(mén)、中壓閥門(mén)、低壓閥門(mén)、水力控制閥、真空閥門(mén)、襯膠閥門(mén)、襯氟閥門(mén)。在第三代EPR 臺(tái)山核電站，低鎳鉻合金鑄鐵( STQNiCr) 再次被應(yīng)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(xué)成分
在秦山核電站的應(yīng)用上，主要依據(jù)核電工況系統(tǒng)的要求并參考國(guó)外同類(lèi)鑄鐵產(chǎn)品的化學(xué)成分而確定的。秦山核電站與臺(tái)山核電站低鎳鉻合金鑄鐵水閥的Ni、Cr 成分及其化學(xué)成分如表1。
表1 低鎳鉻合金鑄鐵水閥用材料化學(xué)成分 Wt%
低鎳鉻合金鑄鐵水閥用材料化學(xué)成分
隨著國(guó)內(nèi)熔煉、鑄造技術(shù)和設(shè)備的不斷發(fā)展，目前國(guó)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(wú)論從熔煉過(guò)程還是鑄造工藝上，S、P 元素的控制量更加精細(xì)。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(xué)性能
臺(tái)山核電用低鎳鉻合金鑄鐵的力學(xué)性能與常規(guī)球磨鑄鐵、碳鋼和不銹鋼的對(duì)比如表2。
表2 力學(xué)性能對(duì)比
力學(xué)性能對(duì)比
由表2 可知，通過(guò)在鑄鐵中加入少量合金元素Ni、Cr，使得鑄鐵的力學(xué)性能有顯著提高，且與常規(guī)的碳鋼、不銹鋼材料力學(xué)性能相當(dāng)。
2.3、合金元素對(duì)鑄鐵性能的影響
合金元素對(duì)于鑄鐵組織的影響一般發(fā)生在兩個(gè)階段。一是影響凝固階段中初生奧氏體的生長(zhǎng)、共晶轉(zhuǎn)變方式以及共晶相的形態(tài)特點(diǎn)。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(jìn)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(shí)加入，顯著影響鑄鐵的固態(tài)相變過(guò)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(kuò)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.chvacuum。。ｃｏｍ/)認(rèn)為有利于促使珠光體的形成和細(xì)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(zhǎng)珠光體轉(zhuǎn)變?cè)杏?，有助于取得均勻而一體的結(jié)構(gòu)和良好的綜合力學(xué)性能。
元素Cr 是強(qiáng)烈的碳化物穩(wěn)定元素之一，對(duì)鑄鐵固態(tài)相變影響體現(xiàn)3 個(gè)方面。①抑制鐵素體形成，減少游離鐵素體含量，促進(jìn)珠光體形成。②延長(zhǎng)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(jìn)柔軟的鐵素體轉(zhuǎn)變成珠光體組織，使鑄鐵中具有極細(xì)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(yīng)用情況
對(duì)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(gè)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(xiàn)維護(hù)檢修的便捷性及經(jīng)濟(jì)性等因素。目前，國(guó)內(nèi)低鎳鉻合金鑄鐵已廣泛應(yīng)用于水利、水電、石油化工等行業(yè)，并已取得較豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并逐步應(yīng)用于核電循環(huán)水系統(tǒng)閥門(mén)。
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(dǎo)致金屬材料的腐蝕性比普通海水更劇烈，因此閥門(mén)選材時(shí)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(mén)過(guò)流表面具有足夠的抗海水腐蝕能力、耐沖刷磨損能力，臺(tái)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(shí)現(xiàn)了雙重防腐技術(shù)。

3、閥門(mén)選材的對(duì)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(mén)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(shí)現(xiàn)了過(guò)流部件與海水的隔離，但在實(shí)際工況運(yùn)行中，由于海水流速?zèng)_擊、橡膠老化等因素影響，常常會(huì)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(mén)需要將設(shè)備返廠(chǎng)才能實(shí)現(xiàn)橡膠襯里的更換，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)維修，檢修周期長(zhǎng)，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(diǎn)蝕和縫隙腐蝕敏感性的缺陷，強(qiáng)度、韌性較好，且耐局部腐蝕，特別是耐晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕等能力有顯著提高。但是，由于其昂貴的價(jià)格，對(duì)于核電站常規(guī)島循環(huán)水系統(tǒng)DN800 ～ 3 200 的大口徑閥門(mén)主體選材不是合適的選擇。
3.3、銅合金
閥門(mén)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(kuò)散，在海水中具有較好的耐點(diǎn)蝕和耐縫隙腐蝕性能。但與雙相不銹鋼一樣，銅合金的價(jià)格也較高且鑄造工藝性要求較高，對(duì)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(mén)選材的綜合性能對(duì)比
耐海水閥門(mén)選材的綜合性能對(duì)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(shí)加入和共同作用下，終獲得珠光體基體和細(xì)化的A 型石墨組織，從而改善鑄鐵的宏觀(guān)綜合性能，提高鑄件的強(qiáng)度和硬度，增強(qiáng)耐海水腐蝕性能。同時(shí)，由于合金元素相對(duì)較少，生產(chǎn)成本也較低，因此適合于制造大口徑海水閥門(mén)。而與常規(guī)的防腐涂料不同，重防腐涂料適用于更加嚴(yán)苛的環(huán)境且能達(dá)到比常規(guī)涂料更長(zhǎng)的保護(hù)期，其附著能力和防腐能力也更強(qiáng)，并且可在潮濕表面施工，對(duì)于核電工程搶修來(lái)說(shuō)更加顯示了其不同于常規(guī)的*性。
綜合上述4 種耐海水閥門(mén)選材，對(duì)比綜合性能指標(biāo)如表3。
4、結(jié)語(yǔ)
在核電站循環(huán)水冷卻系統(tǒng)中，對(duì)于大口徑海水閥門(mén)主體選材，采用低鎳鉻合金鑄鐵加重防腐涂料的選材方式既能滿(mǎn)足海水腐蝕工況需求且成本低廉，同時(shí)，生產(chǎn)過(guò)程閥體、閥瓣的鑄造性能較好，表面防腐涂層的涂覆工藝較為簡(jiǎn)單且壽命較長(zhǎng)，涂層的在線(xiàn)維修方便，可推廣使用。

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本文相關(guān)的論文有：中國(guó)閥門(mén)產(chǎn)值遞增