近年來，我國關(guān)鍵基礎(chǔ)鋼鐵新材料的質(zhì)量、性能、綠色化水平顯著提高，新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也為鋼鐵企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級提供了新的契機(jī)，同時，鋼鐵企業(yè)也要建立健全上下游產(chǎn)業(yè)合作機(jī)制，加快鋼鐵新材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。未來高性能、高技術(shù)、高品質(zhì)的“三高”鋼鐵新材料將成為鋼鐵行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的主攻方向。為加快推進(jìn)我國鋼鐵新材料的研發(fā)，本報特組織此次新材料專題報道，以期從生產(chǎn)和應(yīng)用方面，推動鋼鐵新材料制造技術(shù)的迭代升級。

近年來，中國加快了核電的發(fā)展步伐。發(fā)展核電不僅可以改善我國的能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)，更有利于保障國家能源安全和經(jīng)濟(jì)安全。根據(jù)國家《核電中長期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，中國核電裝機(jī)容量將達(dá)到在運5800萬千瓦。但是截止2018年6月，中國大陸在役電站39座，裝機(jī)容量約3800萬千瓦，在全國電力供應(yīng)中的占比約4%；在建機(jī)組18臺，裝機(jī)容量約2000萬千瓦。由此可見，核電當(dāng)前建設(shè)進(jìn)度距規(guī)劃目標(biāo)缺口較大，為完成規(guī)劃目標(biāo)，到2020年每年至少開工建設(shè)6-8臺機(jī)組，才能達(dá)到西方發(fā)達(dá)國家核電占比水平。

2018年4月底，AP1000全球首堆三門1號核電機(jī)組、臺山EPR核電機(jī)組分別獲得國家核安全局的裝料許可，6月底三門1號、臺山EPR機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，這意味著我國核電建設(shè)將迎來新的發(fā)展時期。

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世界核電技術(shù)的發(fā)展

當(dāng)前世界核電技術(shù)發(fā)展大體可以分為四代，第一代技術(shù)主要是1950-1960年間開發(fā)的原型堆核電站；第二代技術(shù)主要是在1960-1990年間開發(fā)建設(shè)的大型商用核電站，目前全世界在運核電機(jī)組絕大多數(shù)是第二代技術(shù)；第三代技術(shù)主要是1990-2010年以來發(fā)展的AP1000、EPR、CAP1400和華龍一號，其中AP1000、EPR機(jī)組于2018年6月首次并網(wǎng)成功，即將滿功率并網(wǎng)發(fā)電。國產(chǎn)第三代核電機(jī)組如CAP1400、華龍一號示范電站也在如火如荼建設(shè)中。此外，全世界都在積極研究和發(fā)展第四代核電技術(shù)，如氣冷快堆、鈉冷快堆、鉛冷快堆、超高溫氣冷堆、超臨界水堆和熔鹽堆；第五代技術(shù)，如核聚變反應(yīng)堆在多國聯(lián)合下，也在積極研發(fā)過程中。這些先進(jìn)核電技術(shù)中特別是國產(chǎn)核電技術(shù)中，涉及許多關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵材料，如高性能鋼管、鍛件需要實現(xiàn)國產(chǎn)化，才能縮小我國與世界先進(jìn)國家在核電領(lǐng)域的差距，并為大型商業(yè)核電站的國產(chǎn)化奠定基礎(chǔ)。

因此，預(yù)計未來5年核電設(shè)備用不銹鋼管將迎來很好的發(fā)展機(jī)遇。壓水堆核電站用材中，需要大量的高性能鋼管、鍛件、管件等材料，涉及到的材料種類也非常多，如合金鋼、不銹鋼、鋯合金、鈦合金、鎳基合金等。

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核電用各類不銹鋼管

核島是核電站安全殼內(nèi)的核反應(yīng)堆與反應(yīng)堆相關(guān)的各個系統(tǒng)的總稱，包括核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)、安全殼噴淋系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等。核島系統(tǒng)中需要大量的高性能不銹鋼管。

2.1蒸汽發(fā)生器U形傳熱管

蒸汽發(fā)生器傳熱管是核電站一回路壓力邊界的重要組成部分，也是防止放射性裂變產(chǎn)物外泄的主要屏障，蒸汽發(fā)生器傳熱管在服役過程中，要承受高溫高壓和介質(zhì)腐蝕磨損等，其質(zhì)量是保證蒸汽發(fā)生器安全、可靠運行的關(guān)鍵。據(jù)統(tǒng)計，約30％的壓水堆非計劃停堆，都是由于蒸汽發(fā)生器傳熱管的腐蝕破損所致。

目前，蒸汽發(fā)生器傳熱管選材主要有800合金與690合金。蒸汽發(fā)生器傳熱管由于對表面質(zhì)量、尺寸控制、熱處理制度、組織控制等要求高，存在較高的技術(shù)壁壘，國內(nèi)外的生產(chǎn)廠家很少，國外目前主要是法國瓦盧瑞克、日本住友金屬和瑞典山特維克三家公司，國內(nèi)主要是浙江久立和寶銀兩家公司。

第三代核電技術(shù)的蒸汽發(fā)生器傳熱管主要選材是690合金，一臺百萬千瓦的機(jī)組需要傳熱管大約1萬多支，總重約200多噸，規(guī)格主要有Ф19.05mm×1.09mm等。蒸汽發(fā)生器傳熱管的主要生產(chǎn)工藝流程包括鋼坯冶煉鍛造、熱擠壓成形、冷加工成形、固溶熱處理和TT熱處理、無損探傷和彎管成形等。

目前，久立已經(jīng)完成了華龍一號、CAP1400以及出口海外項目所需的690合金蒸汽發(fā)生器傳熱管的制造和安裝，并得到客戶的好評。

2.2核島用其他不銹鋼管

一回路主管道是核電站正常、非正常、事故和試驗工況下防止核裂變產(chǎn)物外泄至安全殼的重要屏障。主管道通常要求耐高溫、耐高壓和耐腐蝕。早期主管道普遍采用18-8型奧氏體不銹鋼，但是存在強(qiáng)度不足和晶間腐蝕等問題。隨后發(fā)展的鑄造雙相不銹鋼主管道由于存在老化現(xiàn)象等不足，目前第三代核電AP1000等一回路主管道采用整體鍛造成形的316LN奧氏體不銹鋼，具有強(qiáng)度高、塑韌性好等特點，目前國內(nèi)廠家基本掌握了大型鋼錠冶煉、大型不銹鋼材料整體鍛造、管段整體加工成形等關(guān)鍵技術(shù)并實現(xiàn)了國產(chǎn)化。

非能動安全原理是第三代核電技術(shù)的一個顯著特點，非能動余熱排出熱交換器是堆芯冷卻系統(tǒng)的核心設(shè)備，對反應(yīng)堆的安全運行起著重要作用。其中，非能動余熱排出熱交換器上下封頭之間通過C形熱交換器管進(jìn)行聯(lián)接，換熱管的材質(zhì)主要有TP304L和690合金等，規(guī)格主要有Ф19.05mm×1.24mm、Ф19.05mm×1.65mm等，每臺百萬千瓦機(jī)組需要C形傳熱管材約1t。

反應(yīng)堆壓力容器是主回路冷卻劑壓力邊界屏障中的一個重要設(shè)備，為核安全一級設(shè)備，在核電廠服役期內(nèi)不可更換，其壽命決定了整個核電廠的服役年限。由于容器包容高溫、高壓且具有放射性的工作介質(zhì)，要求在各種工況下，結(jié)構(gòu)均能保持完整，不發(fā)生斷裂、泄漏等現(xiàn)象，因此，反應(yīng)堆壓力容器的密封設(shè)計和選材，對于設(shè)備的安全運行至關(guān)重要。

目前，反應(yīng)堆壓力容器密封設(shè)計上，筒體與頂蓋之間用雙通道金屬O形環(huán)密封，即在上法蘭密封面開雙道環(huán)槽，形成內(nèi)、中、外三島，布置內(nèi)、外兩道金屬O形環(huán)，形成雙通道金屬O形環(huán)密封。第三代核電技術(shù)中，O形密封環(huán)主要采用718合金無縫管，規(guī)格主要有Ф30mm×1.2mm、Ф12.7mm×1.27mm等。

O形密封環(huán)用718合金無縫管，由于對表面質(zhì)量、尺寸控制、熱處理制度、回彈性能等要求高，存在較高的技術(shù)壁壘，主要由美國公司壟斷，存在產(chǎn)品供貨周期長，價格昂貴等特點。久立自2014年以來，成功開發(fā)了密封環(huán)用718合金無縫管，具有表面質(zhì)量好、尺寸精度高、回彈性能優(yōu)異等特點。此外，在彎制O形環(huán)后焊接時，只存在一個焊接點，從而降低了熱處理、檢測等難度，目前，該產(chǎn)品已經(jīng)成功用于國內(nèi)核電站。

2.3常規(guī)島用不銹鋼管

核電廠大多沿海而建，回路使用大量的海水作為冷卻介質(zhì)。由于鈦固有的性能，鈦焊管憑借優(yōu)異的耐腐蝕、抗沖刷、熱導(dǎo)性、機(jī)械性能好等特點，特別適合用作海水或污染嚴(yán)重的淡水作為冷卻介質(zhì)的凝汽器用管。在百萬千瓦級的核電機(jī)組凝汽器中，每臺機(jī)組用到的鈦管約為200t，但由于鈦管加工制造難度大，主要是焊接成型、熱處理工藝?yán)щy。國外廠家主要有美國和日本等制造企業(yè)生產(chǎn)，國內(nèi)目前核電站凝汽器用鈦管大多依賴進(jìn)口，國內(nèi)鈦焊管市場缺口很大。

因此，研究高質(zhì)量的薄壁鈦焊管生產(chǎn)工藝，滿足不斷增長的國內(nèi)建設(shè)需求，是當(dāng)前焊管生產(chǎn)行業(yè)形勢所需。目前的冷凝器用管規(guī)格主要有Ф22mm×0.5mm，鈦材主要是TA2（Gr.2）。

高壓給水加熱器是回?zé)嵯到y(tǒng)中重要的給水加熱設(shè)備，對機(jī)組二回路運行的經(jīng)濟(jì)性起到重要作用，換熱器通常采用U形換熱管。TP439鐵素體不銹鋼具有高強(qiáng)度、抗沖刷和磨損性能好，且價格較低，抗氯離子腐蝕性能好，常作為U形換熱器管的主要選材，并在國外核電機(jī)組中得到普遍使用。

目前，一臺百萬千瓦核電機(jī)組的TP439焊接U形管用量約150t，所需產(chǎn)品主要規(guī)格有Ф16mm×1.5mm。

2.4先進(jìn)堆型用不銹鋼管

在大力建設(shè)第三代商用核電站的同時，國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)都在大力研究和建設(shè)第四代、第五代核電技術(shù)的試驗堆和示范堆，主要有釷基熔鹽堆、鈉冷快堆、鉛鉍快堆、高溫氣冷堆、核聚變堆等堆型。在試驗堆和示范堆的建設(shè)過程中，也需要用到各種高性能不銹鋼管材，材質(zhì)涉及到不銹鋼、鎳基合金等。

釷基熔鹽堆是六種第四代核電備選堆型之一，具有常壓、無水冷卻，不需要制作燃料元件，可實現(xiàn)在線加燃料和在線后處理等特點。但同時具有服役溫度高、熔鹽腐蝕性強(qiáng)等問題。對主管道、換熱管道材料提出了很高要求。目前，主要選材是鎳-鉻-鉬合金，如GH3535合金，GH3535合金換熱管的制造具有冶煉困難、易偏析、熱加工困難等問題，國內(nèi)外生產(chǎn)制造廠家也很少。

鈉冷快堆也是六種第四代核電備選堆型之一，是我國核能三步發(fā)展規(guī)劃的第二步，也是我國核能閉式循環(huán)的重要一環(huán)。鈉冷快堆與壓水堆相比，具有溫度更高（500℃以上）、輻照劑量更高等特點。因此，對堆芯組件結(jié)構(gòu)材料，如不銹鋼包殼管提出了更高的要求。此外，鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器、熱交換器等管路也需要大量的高性能的奧氏體不銹鋼管，如316Ti、316H等。鈉冷快堆中涉及到的高性能不銹鋼管規(guī)格主要有Ф6.0mm×0.4mm、Ф22 mm×1.4mm等。