海水鎳鉻合金鑄鐵蝶閥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。大電廠都使用大量蝶閥，應(yīng)用在循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，而且介質(zhì)是海水。一般的閥門(mén)材質(zhì)不適用海水介質(zhì)。采用ooCr25Ni6M02N，材質(zhì)能耐海水，但成本高，是鎳鉻鑄鐵的幾倍或十幾倍。通過(guò)多年的工況運(yùn)行證實(shí)，鎳鉻鑄鐵材質(zhì)耐海水腐蝕，性能良好。 目前國(guó)家各大電廠都使用大量蝶閥，應(yīng)用在循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，而且介質(zhì)是海水。一般的閥門(mén)材質(zhì)不適用海水介質(zhì)。采用ooCr25Ni6M02N，材質(zhì)能耐海水，但成本高，是鎳鉻鑄鐵的幾倍或十幾倍。通過(guò)多年的工況運(yùn)行證實(shí)，鎳鉻球鐵材質(zhì)耐海水腐蝕，性能良好。
1、海水鎳鉻合金鑄鐵蝶閥概述
　　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，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。提高鑄鐵耐海水腐蝕的能力，較好的途徑是選用孕育鑄鐵加適當(dāng)?shù)暮辖饋?lái)解決。如HT250Ni2的金相組織為珠光體大于百分之九十八，呈細(xì)片狀，百分之七十五至百分之九十為片狀石墨，長(zhǎng)度30～120μm,二元磷共晶小于百分之一為單一的珠光體，晶界沒(méi)有碳化物析出，有效的避免了晶界腐蝕。按GB9439的規(guī)定，N牌號(hào)的灰鑄鐵，其抗拉強(qiáng)度為N-( n+100 )，實(shí)際抗拉強(qiáng)度為250～350Mpa之間，其耐壓性*可以保證。另外鐵水經(jīng)過(guò)孕育處理后，不僅基體組織均勻細(xì)化，同時(shí)內(nèi)應(yīng)力顯著降低，可避免應(yīng)力腐蝕。 必須強(qiáng)調(diào)的是鎳與鉻的加入量，鎳在共晶溫度時(shí)的石墨化系數(shù)為+0.4，鉻的石墨化系數(shù)-1.2,為防止晶界有碳化物析出，Ni:Cr > 3:1, 還應(yīng)留有余量消除Mn形成碳化物的作用。實(shí)踐已證明在灰鑄鐵中含有百分之零點(diǎn)五的Cr, 便形成大量的碳化物，以至切削困難，所以含Cr量不是越多越好。
我司專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)的鎳鉻鑄鐵蝶閥，其應(yīng)用于海水的閥門(mén)厚度的平均腐蝕速率≤0.5mm/a , 從而延長(zhǎng)了使用壽命，有效解決了海水介質(zhì)閥門(mén)的耐腐蝕難題。

2、海水鎳鉻合金鑄鐵蝶閥低鎳鉻合金鑄鐵
　　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%

　　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，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冢兄谌〉镁鶆蚨惑w的結(jié)構(gòu)和良好的綜合力學(xué)性能。
　　元素Cr 是烈的碳化物穩(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、海水鎳鉻合金鑄鐵蝶閥應(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、海水鎳鉻合金鑄鐵蝶閥閥門(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

　　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、海水鎳鉻合金鑄鐵蝶閥結(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。提高球鐵耐海水腐蝕的能力，較好的途徑是選用孕育鑄鐵加適當(dāng)?shù)暮辖饋?lái)解決。如HT250Ni2的金相組織為珠光體大于百分之九十八，呈細(xì)片狀，百分之七十五至百分之九十為片狀石墨，長(zhǎng)度30～120μm,二元磷共晶小于百分之一為單一的珠光體，晶界沒(méi)有碳化物析出，有效的避免了晶界腐蝕。按GB9439的規(guī)定，N牌號(hào)的灰鑄鐵，其抗拉強(qiáng)度為N-( n+100 )，實(shí)際抗拉強(qiáng)度為250～350Mpa之間，其耐壓性*可以保證。另外鐵水經(jīng)過(guò)孕育處理后，不僅基體組織均勻細(xì)化，同時(shí)內(nèi)應(yīng)力顯著降低，可避免應(yīng)力腐蝕。 必須強(qiáng)調(diào)的是鎳與鉻的加入量，鎳在共晶溫度時(shí)的石墨化系數(shù)為+0.4，鉻的石墨化系數(shù)-1.2,為防止晶界有碳化物析出，Ni:Cr > 3:1, 還應(yīng)留有余量消除Mn形成碳化物的作用。實(shí)踐已證明在灰鑄鐵中含有百分之零點(diǎn)五的Cr, 便形成大量的碳化物，以至切削困難，所以含Cr量不是越多越好。
我司專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)的鎳鉻球鐵蝶閥鑄件，其應(yīng)用于海水的閥門(mén)厚度的平均腐蝕速率≤0.5mm/a , 從而延長(zhǎng)了使用壽命，有效解決了海水介質(zhì)閥門(mén)的耐腐蝕難題。有大部軸套及一些螺母,蝸母輪,滑塊等零件,原用材貿(mào)是Cql2耐磨鑄鐵(參看 FOCT 1585-42)。近為了節(jié)約鎳銘元素,從57年第4季度末開(kāi)始作了一些代用材料試驗(yàn)。計(jì)作過(guò):1．在原 CMl12耐磨鑄鐵中以銅代鎳;2．M級(jí)鑄鐵等溫淬火。其中以銅代鎳,在57年12月份開(kāi)始;試作數(shù)次,得出的基體組織和機(jī)械性能等基本上與鎳無(wú)甚差別。因此決定按原 Cll12牌號(hào)將要求壓力及速度較低的零件,即行代用投入生產(chǎn)。其后又從生產(chǎn)幾個(gè)月來(lái)的記錄資料分析看來(lái),我們認(rèn)為可以用銅代鎳來(lái)制造Cql12耐磨鑄鐵,故已全 部用銅代鎳生產(chǎn)。