核动力装置阀门材料需求优化方案

核动力装置阀门材料应保证阀门零件在介质工作温度下的持久强度，应具有在给定介质下的耐磨性和耐蚀性，以及热稳定性和耐热性。根据阀门工作的条件和作用，对零件的主要材料提出了一整套要求。

温度是决定阀门工作条件和选择零件材料的最重要因素之一。在表6-1中给出了核动力装置上采用的结构材料的极限温度。一般地说阀门的壳体材料应与它相连接的管道材料相当。因此，对壳体零件的材料与管道材料的基本要求也是一致的。但是，也可能有例外，如辅助管路上的阀门。

一回路管道是耐蚀的奥氏体钢12Cr18Ni9制造的，也可以采用珠光体钢，但在内表面采用奥氏体钢12Cr18Ni9做保护衬里。按照水冷却剂的参数，管道的材料本来可以用珠光体钢，但为了保证具有高的耐蚀性，则必须采用奥氏体钢。水冷核动力装置的堆外管道是用碳钢或珠光体低合金钢制做的，因为介质的工作参数允许采用这些钢。

表6-1 核动力装置上采用的结构材料的极限温度

钢和其他结构材料相比具有一系列优点，因此，它在阀门的零件上获得了最广泛的应用。钢具有高强度和高塑性，而塑性能展平零件上各个点的应力，因而可减少它突然破裂的危险，这对于高温高压阀门和其他重要阀门具有特别重要的意义。用不同元素使钢合金化可获得某些特殊的性质，如耐蚀性和耐热性等。热处理可以在很大范围内调整钢的硬度和耐磨性以及诸如此类的性质。由此可见，钢是制造阀门的重要材料。

动力装置上钢的强度不仅在常温工作介质下应当得到保证，而且在高温下持续工作时应得到保证。由于介质直接与壳体零件、阀瓣和阀杆相接触，因而它们的温度可达到与介质相同的温度。为了评价钢和其他材料的强度，可利用下列一组力学性能参数：

抗拉强度R_m——断裂时材料所能承受的最大应力与试件的初始断面之比。

屈服强度R_eL——相应于残余伸长0.2%的应力。

蠕变极限σ——工作了10⁵h后引起的总变形为1%的应力或1×10^-7[mm/（mm·h）]的应力。由于在很多情况下蠕变现象不影响或不明显影响到零件（阀杆）的工作性能，因而一般蠕变极限取10⁴h后的1%或1×10^-6[mm/（mm·h）]。

持久强度极限σ_CH——在给定的持久考验条件下，于10⁵h（或10⁴h）内导致试件破坏的应力。

钢的塑性是按断裂时的伸长率、断面收缩和冲击韧度来评定的。

断裂时的伸长率A是以断裂时试件长度的伸长量与其原长之比值，以百分比表示的，试验中取试件的标距为直径之比为10∶1（A₁₀）或5∶1（A₅）。

断面收缩Z是试件在断裂时横断面收缩量与试件初始截面的比值，以百分比表示。

材料的冲击韧度a_K是以单位J/cm²表示的。它表征材料抵抗动载荷的能力，并以断裂时消耗在试件断裂处每单位横截面上的能量来确定。

当确定零件的变形时，可运用下列特征参数：

抗拉弹性模量E——当材料的长度增加一倍时在材料内应产生的公称应力。

剪切模量G=E/[2（1+μ）]

式中 μ——泊松数，它是横向相对变形与纵向相对变形的比值，钢的μ=0.25～0.33。

对高参数蒸汽所选用的绝大多数的钢和合金不具有均衡组织。一般应在选择它们的化学元素含量（质量分数）和热处理工艺时，主要考虑保证具有最高的持久强度极限。因此，随着时间的推移，将发生组织向均衡状态趋近和改变材料力学性能的情况。这种老化过程会随着温度的提高和持续时间的增长而加速。由于这种因素作用的结果，就产生了金属的热脆性——脆化。力学性能的改变和脆化趋势一般按材料在一定温度下冲击韧度的变化来评价。当选择阀门的材料时，特别是处在与液态金属冷却剂钠相接触的金属，更应当考察到这种特性，因为和金属作用的钠流可以改变金属的塑性。

在阀门上产生的热应力提高了由于介质压力作用而产生的应力，但如果把机械应力和热应力简单的相加是不对的，必须将它们分别予以估算。

加热—冷却热交替的形式及频繁的温度循环作用在金属上的结果，能产生热疲劳，由于温度的循环交替而破坏金属。对于普通的塑性钢，短时间作用的热应力不会有危险，但多次重复能产生损伤。持久极限并不表明材料能承受持久作用的循环应力。持久塑性是代表材料工作能力的更确切的性能。具有持久极限高的材料，但如果其持久塑性低，在热应力循环次数很少时就可能受到破坏。集中应力对塑性材料造成的危险性较小。

当选择钢和其他的结构材料时，材料的下列工艺性能具有重要的意义：

可铸性——材料具有获得复杂形状、高密度、高质量铸件的可能性，在其内部介质压力作用下保证铸件的密封性。

可焊性——材料具有用焊接连接的可能性，其焊接应具有足够的强度，无疏松、脆性等缺陷。(www.xing528.com)

可加工性——不采用特殊的方法，而是用刀具加工零件的可能性，用普通的切削加工方法就能获得高质量的加工表面。

可锻性——材料具有使用锻造和热压来制造零件毛坯的可能性。

研磨性——当材料相互研磨或与第三种物体研磨时不出现裂纹。无需特别延长研磨时间就能获得Ra值不高于0.1μm的表面粗糙度。

此外，材料应允许采用零件表面热硬化和化学热硬化的可能性（淬火、渗碳、渗氮、镀镍磷等）。

材料的运行—物理特性可由钢和其他材料的下列性能来评价：

耐蚀性——零件材料能抵抗介质化学作用的能力。

耐磨性——在给定的条件（温度、有润滑剂、磨料等）下，当零件与其连接的部件相摩擦时，材料能保持零件的尺寸和形状的能力。

相连零件的金属在渗入介质的条件下不应有可咬入性（冷焊）和裂纹。

耐侵蚀性——零件材料具有抗介质气蚀作用的能力，以防止气蚀作用破坏零件。

在某些情况下，对金属还提出了这样一些要求：如不磁化。不具有某些合金元素组分，如钴和其他具有活性很强和半衰期很长的元素。

根据规程，当阀体零件需要与管道连接时，其材料应具有足够的可焊性、强度和塑性，以保证设备在给定的条件下能可靠的长期工作，其中还必须考虑在工作介质作用下金属性能所发生的变化。前苏联将所用的材料限制在表6-2上所规定的温度极限内。

有时允许使用材料在更高的参数下工作，以及允许使用新材料，但这只能在核安全局的同意下，设计单位、相应的材料主管部门、阀门制造厂、安装或检修单位共同协商的基础上来决定。在这种情况下应提供有关金属的物理性能、腐蚀和工艺性能等方面的数据（包括可焊性和热处理规范）、提供20℃和工作温度下的有关力学性能（瞬时抗拉强度、屈服强度、伸长率、断面收缩率、蠕变特性、持久强度、持久塑性、疲劳强度和脆性）。对于奥氏体钢还要提供抗晶间腐蚀的数据。

材料和半成品的质量与性能应满足相应的标准和技术条件的要求。并应有供应厂的产品质量证明书。在产品质量证明书上应注明半成品在供应厂所进行的热处理规范。阀门制造厂应对制造阀门需要进厂的材料和半成品，应按清单并根据每个部件制造工艺条件的需要，对质量进行进厂检验。奥氏体钢的半成品和材料还应检查抗晶间腐蚀的能力。

供阀门的制造、安装和检修用的材料和半成品应打上不同的标志，这种标志在产品完全制造好以前一直保留，它应能确定材料的牌号和炉号，可用任意不影响零件工作能力的方法在材料上打标记。

表6-2 对于不同钢种的材料所容许的极限工作温度（前苏联）

∗ 供非焊接结构用。

随着动力装置工作参数的不断提高，研制出了并不断使用阀门零件用的新材料。在这些材料能适应的温度极限范围内，对新材料在下列强度特性方面提出了一定的要求：瞬时抗拉强度、屈服强度、伸长率、断面收缩率、均匀收缩率、蠕变、持久强度、疲劳强度（对有循环负荷的元件）、脆性临界温度、老化和循环疲劳的结果而产生的脆性临界温度和持久塑性。

每一种材料建议采用的温度和它的工作条件，建立按上述特性制订的档案。从上述特性的前4项（R_m、R_eL、A、Z）所确定的力学性能应从20℃到至少比建议采用的最高工作温度还高50℃的温度范围内都进行测试研究。冲击韧度应从材料脆性临界温度到上述温度的范围内进行测试验和研究。

在高温下工作的材料应具有蠕变和持久强度的实验数据，并能按曲线外推到10⁵h。

对于必须焊接的材料，应提供焊接工艺规程，并提供焊接工艺评定记录。

同样应提供有关材料的物理力学性能方面的下列资料：各种温度下的弹性模量；在相应温度间隔内的平均热膨胀系数；在相应温度下的热导率。

当根据技术要求需采用合金钢铸件时，除应检验的它的力学性能和化学元素含量（质量分数）外，还应进行金相学方面的检测（检验热处理后的宏观和微观结构），并检验抗晶间腐蚀的能力。

由奥氏体钢制成用来连接法兰的紧固件（螺栓、双头螺柱、螺母）也应当用与法兰同样等级的奥氏体钢来制造。当工作温度不高于50℃时，或者当结构的工作能力由计算或实验数据得到证实时，可容许采用不同线胀系数的材料来做紧固件。螺母和双头螺柱（螺栓）应具有不同的硬度。用来做紧固件的合金钢应经过热处理。