低镍铬合金铸铁材料在海水阀门上的应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中广核工程有限公司 作者:曹晓宁

  介绍了低镍铬合金铸铁+重防腐涂料在核电站耐海水阀门领域的使用情况。基于台山核电项目CRF 系统蝶阀主体材料采用低镍铬合金铸铁,对比分析了低镍铬合金铸铁+ 重防腐涂料、碳钢衬胶、双相不锈钢及铜合金等常用耐海水腐蚀性材料在使用性、工艺性和成本等方面的差异。

1、概述

  海水作为核电站冷却水源,其优点是取之不竭且温度随季节变化较小,但由于受其氯离子含量高等因素的影响,对金属的腐蚀性较强。与核电站主体配套的CRF、SEN、SRI 及CFI 等系统用DN800 ~DN3 200 大口径蝶阀,在阀门主体耐海水腐蚀性选材要求上尤其具备典型性。目前,国外产品多采用低合金铸铁,并涂覆涂料、衬里以及电化学腐蚀等措施来提高抗腐能力。在国内核电,低镍铬合金铸铁DN1 600 耐海水阀最早被应用秦山一期,在第三代EPR 台山核电站,低镍铬合金铸铁( STQNiCr) 再次被应用于CRF 循环水系统DN3 200 口径的蝶阀。

2、低镍铬合金铸铁

  2.1、化学成分

  在秦山核电站的应用上,主要依据核电工况系统的要求并参考国外同类铸铁产品的化学成分而确定的。秦山核电站与台山核电站低镍铬合金铸铁水阀的Ni、Cr 成分及其化学成分如表1。

表1 低镍铬合金铸铁水阀用材料化学成分 Wt%

低镍铬合金铸铁水阀用材料化学成分

  随着国内熔炼、铸造技术和设备的不断发展,目前国内低镍铬合金铸铁的发展也日趋成熟与提高,与低镍铬合金铸铁发展初期相比,无论从熔炼过程还是铸造工艺上,S、P 元素的控制量更加精细。其中,元素Re 和Mg 具有脱气、脱硫和消除其他有害杂质的作用,能改善材料的铸态组织,而有效调节元素Ni、Cr 含量则可获得合理的组织与性能。

  2.2、力学性能

  台山核电用低镍铬合金铸铁的力学性能与常规球磨铸铁、碳钢和不锈钢的对比如表2。

表2 力学性能对比

力学性能对比

  由表2 可知,通过在铸铁中加入少量合金元素Ni、Cr,使得铸铁的力学性能有显著提高,且与常规的碳钢、不锈钢材料力学性能相当。

  2.3、合金元素对铸铁性能的影响

  合金元素对于铸铁组织的影响一般发生在两个阶段。一是影响凝固阶段中初生奥氏体的生长、共晶转变方式以及共晶相的形态特点。二是在固态相变阶段影响奥氏体转变速率、转变方式以及所形成的组织特征。低镍铬合金铸铁中,Ni 是促进石墨化元素,Cr 是反石墨化元素,即碳化物形成元素。铸铁中Ni 和Cr 的同时加入,显著影响铸铁的固态相变过程。

  元素Ni 能以任何比例溶于液态及固态的铁中,在铸铁中不与碳形成碳化物,而是存于铁素体和奥氏体中。Ni 的加入可降低奥氏体各元素的扩散速度,并降低奥氏体共析转变临界速率和转变温度,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为有利于促使珠光体的形成和细化。少量Ni 的加入还能稳定珠光体和减少铁素体含量,可有效延长珠光体转变孕育期,有助于取得均匀而一体的结构和良好的综合力学性能。

  元素Cr 是最强烈的碳化物稳定元素之一,对铸铁固态相变影响体现3 个方面。①抑制铁素体形成,减少游离铁素体含量,促进珠光体形成。②延长珠光体孕育期,推迟共析转变,改善铸铁的硬化性能。③可促进柔软的铁素体转变成珠光体组织,使铸铁中具有极细的片状共晶石墨存在,可使石墨的大小和铸铁的晶粒更均匀。

  2.4、应用情况

  对于电站系统大口径蝶阀,其阀体、蝶板等主体材料通常占整个阀重的90%,因此在材料选择上,需综合考虑其使用性能、制造工艺性、在线维护检修的便捷性及经济性等因素。目前,国内低镍铬合金铸铁已广泛应用于水利、水电、石油化工等行业,并已取得较丰富的运行经验,并逐步应用于核电循环水系统阀门。

  与常规水系统介质不同,核电站循环水系统海水介质中高浓度的Cl 离子含量( 17g /L) 、海生物和泥沙及介质流速等影响,导致金属材料的腐蚀性比普通海水更剧烈,因此阀门选材时不仅需考虑耐腐蚀性能外,还需综合考虑其抗冲刷能力。为了保证阀门过流表面具有足够的抗海水腐蚀能力、耐冲刷磨损能力,台山循环水蝶阀选材还引入了重防腐涂料涂覆工艺,采用低镍铬合金铸铁+ 重防腐涂料相结合,从而实现了双重防腐技术。

3、阀门选材的对比分析

  3.1、普通碳钢

  碳钢本身不耐海水腐蚀,核电海水阀中普遍采用碳钢加内衬橡胶的技术。核电阀门中常用的衬胶材料是EPDM,采用整体硫化的方式包覆在阀体和阀瓣上,虽然较好地实现了过流部件与海水的隔离,但在实际工况运行中,由于海水流速冲击、橡胶老化等因素影响,常常会发生局部脱落、变形的现象,而一旦产生橡胶脱落或变形,碳钢基体的腐蚀也随之发生。此外,由于全衬里的阀门需要将设备返厂才能实现橡胶衬里的更换,无法实现在线维修,检修周期长,不适用于大口径海水阀使用。

  3.2、双相不锈钢

  与传统的奥氏体或铁素体不锈钢相比,双相不锈钢克服了点蚀和缝隙腐蚀敏感性的缺陷,强度、韧性较好,且耐局部腐蚀,特别是耐晶间腐蚀、应力腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀等能力有显著提高。但是,由于其昂贵的价格,对于核电站常规岛循环水系统DN800 ~ 3 200 的大口径阀门主体选材不是合适的选择。

  3.3、铜合金

  阀门选材中常用的铜合金主要有黄铜、锡青铜和铝青铜,这些铜合金在海洋环境中能生成一层腐蚀产物膜,这层薄膜阻碍了氧向金属表面的扩散,在海水中具有较好的耐点蚀和耐缝隙腐蚀性能。但与双相不锈钢一样,铜合金的价格也较高且铸造工艺性要求较高,对于大口径的海水阀也不是较为合适的选择。

表3 耐海水阀门选材的综合性能对比

耐海水阀门选材的综合性能对比

  3.4、低镍铬合金铸铁+ 重防腐涂料

  铸铁中少量Ni、Cr 元素的同时加入和共同作用下,最终获得珠光体基体和细化的A 型石墨组织,从而改善铸铁的宏观综合性能,提高铸件的强度和硬度,增强耐海水腐蚀性能。同时,由于合金元素相对较少,生产成本也较低,因此适合于制造大口径海水阀门。而与常规的防腐涂料不同,重防腐涂料适用于更加严苛的环境且能达到比常规涂料更长的保护期,其附着能力和防腐能力也更强,并且可在潮湿表面施工,对于核电工程抢修来说更加显示了其不同于常规的优越性。

  综合上述4 种耐海水阀门选材,对比综合性能指标如表3。

4、结语

  在核电站循环水冷却系统中,对于大口径海水阀门主体选材,采用低镍铬合金铸铁加重防腐涂料的选材方式既能满足海水腐蚀工况需求且成本低廉,同时,生产过程阀体、阀瓣的铸造性能较好,表面防腐涂层的涂覆工艺较为简单且寿命较长,涂层的在线维修方便,可推广使用。

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