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蒸發器傳熱管對核電站的安全運行起著極其重要的作用。為了不斷提高核電廠的安全性和經濟性，蒸發器傳熱管用材料的優化、抗腐蝕性能極為重要。經過五十多年的發展，Inconel 690材料以其顯著的抗氧化和優異的抗應力腐蝕能力被認為是最有前途的第三代核電站蒸汽發生器傳熱管材。由于核電站蒸發器傳熱管技術含量高，生產難度大，目前我國的核電站蒸發器用傳熱管Inconel 690仍然全部依賴進口，是亟待國產化的關鍵材料。國際上Inconel 690合金管的供給主要由法國Valinox、日本住友和瑞典Sandvik三大公司壟斷，其生產技術處于嚴格保密狀態。目前我國已有少數鋼鐵企業開始進行Inconel 690合金管的研究，隨著核電產業的發展，若能實現核電蒸發器傳熱管的國產化，對核電事業發展和鋼鐵工業產品結構調整都具有重要的促進作用。
1 核電站蒸發器傳熱管用材料的選擇
核電站通常由一回路和二回路兩大系統組成，其中蒸發器是核電站的關鍵設備，是連接一、二回路的樞紐。蒸發器傳熱管內流動介質是高純水，通過高純水的循環流動，把反應堆中核裂變所產生的熱量載至蒸發器，再通過數以千計的傳熱管把熱量傳給二回路介質水，使之沸騰產生高壓蒸汽，再由高壓蒸汽驅動汽輪發電機組發電。由于蒸發器U型傳熱管內外表面分別在兩種不同介質下工作，其使用條件也各不相同，所以對其要求十分苛刻。一座100萬千瓦級的普通核電站需用各種鋼管1255t，其中，反應堆蒸發器用U型傳熱管為200t。傳熱管的可靠性直接影響到核動力裝置的技術性能和安全性。
蒸發器傳熱管的材料基本上經歷了以下三個階段：
第一階段是在20世紀50-60年代，核電發展的初期，主要選用18-8不銹鋼管。早期的壓水堆核電站所用的蒸發器傳熱管均采用18-8型鉻鎳不銹鋼。但這種鋼的抗氯離子腐蝕性能差，出現大量鋼管破裂事故。
第二階段是在20世紀70年代，根據石化工程經驗，選用耐應力腐蝕的Inconel 600鎳基合金管；Inconel 600鎳基合金在l970-1972年間又發生了苛性堿應力腐蝕破損事故。西歐一些國家從1972年開始采用第三代耐應力腐蝕材料Incoloy 800合金代替Inconel 600鎳基合金。Incoloy 800合金的Ni含量大大低于Inconel 600鎳基合金，所以節約了大量的鎳。在高溫高壓水中，由于這種合金的鎳含量處于一個既不產生穿晶又不產生晶間應力腐蝕破裂的范圍，而且Incoloy 800合金的價格大大低于Inconel 600鎳基合金，所以Incoloy 800合金成為繼18-8型不銹鋼和Inconel 600鎳基合金之后，可用于壓水堆蒸發器的第三代合金。
第三階段是20世紀80年代以后，為了解決Inconel 600合金管在蒸發器介質中的應力腐蝕問題，法、美、日等國聯合開發了耐應力腐蝕性能優良的第四代Inconel 690。Inconel 690是一種具有優異抗多種水性介質和高溫氣氛侵蝕能力的鎳基合金。該合金在純水和低濃度苛性堿溶液中具有比Inconel 600、Incoloy 800和18-8不銹鋼優異的抗應力腐蝕開裂性能，還具有高的強度、良好的冶金穩定性和優良的加工特性，因而成為核蒸發器壓水反應堆的重要材料。20世紀90年代初開始，高抗腐蝕的Inconel 690管材正式應用于工程中。
我國發展核電以來，核蒸發器傳熱管材基本上是引進國外管材。引進管材的品種隨合作對象和當時的技術狀態而變化，最初采用18-8型不銹鋼管，之后自行設計的秦山一期核電站與歐洲聯系較多，選用的是當時德國人看好的Incoloy 800合金管，法國設計的大亞灣核電站選用了當時開發成功不久的Inconel 690管材，秦山二期和嶺澳核電站都選用了當前最流行的Inconel 690管材。
目前幾乎所有新設計和在建核電站的蒸發器都選用了Inconel 690管材作為傳熱管，并且許多原來使用18-8不銹鋼管或Inconel 600合金管的蒸發器機組也紛紛更換為Inconel 690傳熱管。
2 Inonel 690材料的化學成分
Inonel 690合金（名義成分Ni-30Cr-9Fe）是一種含C量不大于0.03%、Cr含量大約30%的奧氏體型鎳基耐蝕合金。Inconel 690與Inconel 600合金化學成分的主要區別在于Inconel 690提高了Cr含量(28%-30%)，相應降低了Ni含量(>58%)，Inconel 600合金含15.5%Cr。相對于Inconel 600合金而言，Inconel 690具有成分不復雜且性能優異的特點。
3 Inconel 690材料的耐蝕性
Inconel 690材料雖然具有較好的耐均勻腐蝕性能，但是晶間腐蝕和晶間應力腐蝕開裂仍是制約傳熱管壽命的關鍵問題。國外核電站運行經驗表明，大約30%-40%的壓水反應堆因為蒸發器傳熱管損傷而影響正常運行、降低功率運行或被迫停堆，甚至更換蒸發器。因此，減少腐蝕破損以保證蒸發器傳熱管的安全工作極為重要。
3.1 Inconel 690材料的合金成分腐蝕
Inconel 690材料中Cr含量的增加，有利于防止晶界處產生貧Cr區，從而對晶間腐蝕和應力腐蝕的敏感性大大降低，而且還可以使合金表面膜中Cr濃度增加，形成致密、穩定、粘結性和塑性均良好的表面膜。當Cr含量達到28%以上時，在一般的核電廠水化學環境下，Inconel 690材料抗應力腐蝕破壞能力較高。但是，在近中性及堿性條件下，即在壓水堆的一回路和二回路系統的范圍內，Cr會優先從Inconel 690合金中溶解，而合金中Cr含量的減少，會嚴重威脅鈍態膜對合金的保護作用，使其腐蝕敏感性增加。
3.2 Inconel 690材料在一回路介質中的腐蝕產物釋放
減少反應堆外放射性劑量對核反應堆而言極其重要。而堆外大部分劑量的來源是一回路系統材料腐蝕釋放到冷卻劑中的放射性腐蝕產物，在一回路系統中與冷卻劑接觸面積最大的結構材料是蒸發器傳熱管。四種核蒸發器傳熱管材在模擬核電站一回路介質靜態條件下的均勻腐蝕速率和金屬釋放速率。
Inconel 690管的腐蝕產物釋放速率遠低于Inconel 600合金管。Inconel 690(2)合金管的均勻腐蝕速率和金屬釋放速率明顯高于Inconel 690(1)合金管，從材料狀態上看，兩種Inconel 690管都經過了固溶特殊熱處理，而不同的是Inconel 690(1)合金管經過了表面拋光處理，Inconel 690(2)合金管未進行拋光處理。顯然，表面質量的差別直接影響了管材的均勻腐蝕性能，因此，提高傳熱管材料的表面質量，能夠顯著降低合金管在一回路介質中的均勻腐蝕速率和金屬釋放速率。法國對壓水堆(PWR)核電站中蒸發器管在各種腐蝕工況下進行了比較試驗情況如
3.3鉛致應力腐蝕開裂
壓水堆管道堵塞原因主要是脹接處或滾軋過渡區域以及小半徑U型彎管部位的一次側腐蝕。所有蒸汽發生器的管子全部脹接在管板上。大多數的腐蝕缺陷主要出現在滾軋過渡區域，在這個區域內，缺陷通常表現為短的縱向裂紋。當鎳含量增加到60%時，應力腐蝕的趨勢大大降低。另外，在700℃施以10h以上的熱處理將不易發生應力腐蝕破裂。
但是，在特定的腐蝕環境中，Inconel 690材料經足夠長時間的腐蝕后，腐蝕失效不可避免。專家認為，Inconel 690中含有較高的鉻含量使此合金固有的反應活性更強，材料在其鈍態膜遭破壞的環境中，如含鉛或還原性硫的苛性環境下，應力腐蝕開裂有可能發生。很多核電站蒸發器破裂時都發現有鉛，因此應對這些潛在的腐蝕問題給予足夠的重視。
在末添加PbO的強堿溶液中，Inconel 690材料的耐蝕性比Inconel 600合金及Incoloy 800合金的耐蝕性都好，但在含0.01mol/L的PbO的10%NaOH溶液中，Inconel 690材料比Inconel 600材料的開裂敏感性大。
4 結語
核電蒸發器傳熱管用材料經過了Inconel 600、Incoloy 800和Inconel 690的演變過程。Inconel 690材料以其顯著的抗氧化能力和優異的抗應力腐蝕能力等性能被廣泛應用于核電蒸發器傳熱管中。由于核電蒸發器傳熱管技術要求高，生產難度大，目前世界上只有法國Valinox、瑞典Sandvik、日本的住友等少數幾家公司生產Inconel 690合金管材，幾乎壟斷了蒸發器高性能傳熱管材供給市場。
目前，我國核電蒸發器傳熱管的研究剛剛起步，Inconel 690材料的化學成分控制在現有的工業生產條件下能夠得到有效的控制，對Inconel 690材料性能的控制，特別是對其腐蝕性能的控制是提高材料綜合性能的關鍵。 . |
