本報特約–產業追蹤/聚焦世界核電用鋼開發 

中央日報 – 2013年3月4日 上午10:12

隨著煤炭等資源的日益緊缺和環保要求的不斷提高,對於利用核能、水能、風能、太陽能等多種高效清潔能源改善全球環境和氣候已達成共識。尤其是核能利用, 已成為眾多發展中國家縮小與發達國家差距、增強自身經濟實力的主要方向。到目前為止,全世界正在運行的核電機組有436台,總裝機容量為372吉瓦,分佈在31個國家(地區)。核電在全球一次能源消費中的比例接近6%,占世界電力供應總量的15%。大陸目前核電僅占全國電力供應總量的1.2%左右。

 核能具有其特殊性,日本地震引發的福島核洩漏事故給全世界敲響警鐘,核電用鋼的安全性和可靠性顯得愈發重要。從世界核電用鋼發展歷程來看,不同的核電技術有不同的標準和要求。大陸亟須在加快核電用鋼開發的同時,著手建立相應的核電用鋼體系,以滿足今後核電發展的需求。

 核電發展亟須完善標準 嚴格規範

 世界核電發展並非一帆風順。1942年,美國建成了世界上第一座人工核反應爐,開創了核能利用的新紀元;20世紀70年代,工業發達國家以核代油的選擇使核電進入發展高潮;1980年前後發生的三哩島事故和切爾諾貝利事故,使核電發展陷入低谷。此後,人們對核電安全性提出了更高的要求,並不斷增加規則和技術標準,但仍然把核電放在重要的能源位置。2000年,法國核電占本國總發電量的比重達到76.7%,韓國37.9%、日本29%、德國30%、美國19.8%、俄羅斯14.7%。2011年,日本福島事故再一次給全球核電發展蒙上了陰影。但在全球能源供需緊張局勢沒有根本改變的前提下,核電建設必不可少,但發展速度會相對放緩,須制定更新的規則和更加嚴格、完善的標準,提高核電的准入門檻。

 大陸核電雖然起步較晚,但發展迅猛,在建共有28台核電機組,已成為世界在建核電機組最多的國家。根據國家中長期發展規劃,力爭到2020年核電裝機容量占國內電力總裝機容量的5%以上,達到7000萬千瓦∼8000萬千瓦,相當於每年新增5座∼8座百萬千瓦級的核電機組。

核電用鋼向超高強度發展

 世界核電的發展可以劃分為四代。第一代是指和平利用核能的初級階段;第二代是指大型商用的核電機組,形成了自身的系列化和標準化,大陸建成並正在運行的核電機組均屬於此列;第三代充分吸取了第二代的經驗,在安全性和經濟性方面有了更大的提高;第四代則是指具有固有安全特性的核電技術,但目前尚處於概念設計的研發階段,最快也只能在2030年以後才能開始商業應用。依據上述劃分,大陸在建或計畫建設的核電機組基本以二代半和三代技術為主。

 伴隨著核電技術不斷進步和成熟,核電用鋼正沿著一條低強度—中強度—高強度—超高強度的路線發展。以壓水堆壓力容器用鋼為例,美國早期曾採用屈服強度為270兆帕的SA212-B低強度鋼,後來採用了屈服強度為350兆帕的302B和SA533B-1中強度鋼,接著又在核潛艇耐壓殼體用鋼和高壓容器用鋼的基礎上發展了屈服強度為600兆帕的SA543和SA542高強度鋼,目前又在積極著手為開發900兆帕∼1400兆帕級的超高強度用鋼積累資料。在成分選擇方面,核電用鋼主要分為碳鋼和合金鋼兩大領域,其中由於核電站內部的特殊環境,鋼板在具有較好的強度、韌性匹配的同時,更重要的是要承受長期的中子輻射作用。一般來講,鋼中的合金元素越多,其體現出的整體抗中子輻射作用就越弱,世界各國廣泛認同的是Mn-Ni-Mo系低合金高強度鋼,它是在Mn-Mo的基礎上加Ni而發展起來的, 比Mn-Mo型低合金鋼韌性好。為了獲得比較滿意的淬透性,並保證鋼板各項性能能夠達到規定的要求,世界各國對鋼的成分範圍均作了不同程度的調整,但其基本性能相差無幾。國際上較為典型的核電用鋼主要有美國的A508-3、A533(B、D)、德國的BHW35、法國的16MND5和日本的SFVV3等。

 大陸核電用鋼自1973年開始研製,最初是在國產Mn、Mo、Nb鋼種上添加0.6%∼0.9%的Ni改進而成,命名為S271鋼。隨著核電用鋼技術的不斷發展,針對核電建設不同部位的特殊要求分別進行了相應鋼種的成分設計和選材。

 雖然大陸在建核電項目較多,但迄今為止,在核電用鋼方面還沒有形成正式的國家標準,尤其是在關鍵核級設備材料方面, 不得不按國外技術標準進行採購,主要包括法國RCC-M和美國ASME-Ⅲ,而這兩項標準也是目前世界上公認的適合核電用鋼生產和使用的標準。

 儘快實現核電用鋼及其標準國產化

 核電用鋼主要有以下六個方面的特點:

 第一,核電用鋼品種齊全、範圍廣泛。鋼種涵蓋了碳素鋼、合金鋼、不�鋼和鎳基材料等,並且均有較為嚴格的要求。核島設備用鋼長期工作在高溫、高壓等環境,因此要求具有適宜的強度、高韌性和低脆性轉變溫度(NDT)。

 第二,核電用鋼生產難度大,接近世界先進軋機極限水準。主要是鋼板單重重、規格大,屬超寬、超厚、超重型。如CPR1000蒸汽發生器筒體用鋼18MND5,僅一張鋼板單重就接近40噸左右。

 第三,嚴格的化學成分要求。常規島設備用鋼一般要求P、S含量在0.015%以下,而核島設備用鋼則要求P、S含量小於0.01%、0.005%。

 第四,嚴格、複雜的力學性能要求。取樣數量明顯增多,需要在交貨狀態、試類比焊後熱處理(SPWHT)後在高溫、常溫和低溫等不同狀態下的不同位置進行縱、橫向檢驗,如穩壓器用16MND5鋼板,一張鋼板要求最多須檢驗50餘個衝擊試樣。

 第五,在工作溫度下要有良好的組織穩定性、可焊性、冷熱加工性和抗疲勞強度,在反應堆輻照條件下應具有良好的抗輻照脆化敏感性。

 第六,具有嚴格的無損檢測要求。核電設備用鋼大都須進行100%超聲波檢驗,鋼板表面進行磁粉探傷,同時對探傷操作人員資質提出了較高的要求。

 與福島事故發生之前相比,大陸的核電建設會適度放緩,但發展核電的信心不會動搖。據全球知名諮詢公司麥肯錫2011年9 月21日發佈的能源報告中稱,未來20年內大陸核電新裝機容量將占全球的47%。這意味著大陸將進入一個核電建造的高峰期。在這個時期,一方面要儘快實現核電用鋼國產化,另一方面還要儘快實現核電用鋼標準國產化,建立適合大陸自身特點的核電用鋼體系。同時,繼續加強大陸核電用鋼品質保證體系的建設,實現規範化,只有這樣才標誌著大陸核電用鋼實現了真正意義的國產化,核電機組建造也會步入一個成熟期。另外在擁有核電機組自主設計、建造能力的同時,還要像發達國家一樣進行核電技術整體輸出, 這就要求大陸鋼鐵企業與國家核電裝備企業密切合作,以便共同佔領國際市場。

                  (大陸國研網專供,作者:王勇 王長順 孫殿東)

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