材料微观组织表征及性能分析3-2环境实例

环境对核电关键材料断裂韧性的影响环境对核电关键材料断裂韧性的影响环境对核电关键材料断裂韧性的影响项目编号：项目编号：2006CB6050002006CB605000项目名称：核电关键材料的环境行为与失效机理项目名称：核电关键材料的环境行为与失效机理课题编号：课题编号：2006CB6050052006CB605005课题名称：环境对核电关键材料断裂韧性的影响课题名称：环境对核电关键材料断裂韧性的影响课题负责人：王课题负责人：王磊磊（东北大学）（东北大学）Outline‹课题背景与研究意义‹研究目标‹研究进展‹研究成果研究背景与研究意义能源产业是国民经济的基础，是制约我国经济持续、快速发展的重要环节。从发达国家的发展历程来看，按照美国的消费水平，人均能源消费量要达到7t油当量；我国的主要问题是解决产业的升级换代与居民的住、行问题。按照相关机构的研究成果，如果届时我国基本上实现了工业化，人民生活水平全面达到小康水平，其能源需求可能远远超过30亿t标准煤。能源＆国民经济摘自《我国的核电中长期发展规划》研究背景与研究意义从国内的资源条件来看：¾石油产量已接近经济开发上限，难以大量增产。¾天然气目前产量不多，人均资源量也远远低于世界平均水平。¾煤炭资源总量不少，但人均仍低于世界平均水平。¾显然，中国的能源发展将面临着如何满足长期而巨大的能源需求压力的挑战。能源＆国民经济摘自《我国的核电中长期发展规划》研究背景与研究意义能源问题已成为世界各国经济发展必须面对的重大课题。在未来发展的20年里，必须采取有力措施，调整能源结构，平衡地区发展，开发新型能源，加强节能管理和法规建设，综合运用各种宏观调控政策，我国才有可能在开创前所未有的能源发展道路方面取得重大进展。能源＆国民经济摘自《我国的核电中长期发展规划》研究背景与研究意义中国现状目前我国人均发电量远远低于发达国家和一些发展中国家。“十一五”期间，我国经济仍将保持9%左右的发展势头，随着国民经济的发展，人民对生活水平和环保的要求越来越高。因此，大力发展核能、水能、风能等清洁能源势在必行。能源＆国民经济摘自《我国的核电中长期发展规划》研究背景与研究意义1991年12月，我国自行设计和建造的第—座300MW原型核电厂——秦山核电站建成发电，从国外引进技术、设备，具有20世纪80年代后期国际先进水平的第一座大型商用核电厂(2×900MW)——广东大亚湾核电站的两个机组也于1994年2月和6月先后投产。两项核电工程的建成标志着我国核电已经起步。我国核电的起步＆发展研究背景与研究意义我国核电的起步＆发展5050频率,Hz930300净输出电功率,MW985330总输出电功率,MW2895966反应堆热功率,MW大亚湾秦山功率研究背景与研究意义我国核电的起步＆发展327.6315.2压力容器出口温度℃292.4288.8压力容器入口温度℃15.515.2运行压力MPa32环路数反应堆冷却系统Zr-4Zr-4包壳材料Ag-In-CdAg-In-Cd中子吸收体2420每个控制组件吸收棒数6137棒束型控制组件72.535.9铀总重t167121燃料组件数量AFA先进燃料组件AFA燃料组件燃料组件型号大亚湾秦山反应堆堆芯研究背景与研究意义我国核电的起步＆发展核电是当代先进能源的一种，它的开发应用已成为影响社会和经济发展的一个重要因素。为保证国民经济持续、稳定、协调发展，必须努力发展核电。我国发展核电的基本方针是“以我为主、中外合作”，已运营的秦山二期双环路600MPa压水型反应推，以大亚湾核电厂为参考电厂，向国际技术标准靠拢，采用每条环路电功率为300MW的标准设计，由两条环路达到单堆电功率600MW，逐步实现核电厂的标准化、系统化和设备研制的国产化。在建的岭澳核电厂(2×1000MW)和田湾核电厂(2×1000MW)全为压水堆型，还有加拿大承建的加压重水堆，在21世纪一定能使我国核电有较快的发展。研究背景与研究意义我国已成为世界能源生产和消费大国，一次能源消费量居第2位，一次能源生产量居第3位。2002年我国一次能源产量为13.87亿t标准煤，其中煤炭产量13.8t吨,居世界第1位；原油1.67亿吨，居世界第5位；天然气产量居世界第16位；发电装机容量3.57亿千瓦，发电量居世界第2位，其中水电居世界第4位。国家发改委能源所分析预测，2020年，我国一次能源的需求在25～33亿t标煤，是2000年的2倍；2050年，我国为实现达到中等发达国家水平的目标，人均GDP达1万美元，届时我国能源需求量约为50亿t标煤。我国“十一五“能源＆核电研究背景与研究意义我国“十一五“能源＆核电未来我国能源将面临更大的挑战。预测2020年我国石油对外依存度将超过55%，天然气的进口依存度为25～40%。2020年后，我国国内能源供应缺口将进一步扩大。中国能源需求的快速增长对能源资源的可供量，以及国家的能源安全提出了严峻的挑战。能源供需的矛盾已经成为制约我国经济健康发展的重要因素。研究背景与研究意义我国“十一五“能源＆核电2006年3月，温家宝总理主持召开的国务院常务会议，审议并通过了《核电中长期发展规划(2005-2020年)》，明确积极推进核电建设是国家重要的能源战略。4月中澳签署了《中澳和平利用核能合作协定》、《核材料转让协定》。协议约定中国将从铀矿储量占全球40%的澳大利亚进口核材料用于核电。国内现有3个核电基地：浙江秦山核电基地、广东大亚湾核电基地、江苏田湾核电基地。我国计划开发两个新的核电基地：浙江三门核电基地和广东阳江核电基地。研究背景与研究意义我国“十一五“能源＆核电已启动秦山二期扩建2×60万kW和岭东2×100万kW4台核电机组建设，明确:4台机组要坚持走以我为主、自主设计、自主制造、国外公司咨询的道路，确定国产化率约70%。加上巴基斯坦恰希玛二期1×30万千瓦机组，我国将有5台核电站设备的设计制造和建设任务。预计到2020年，我国核电发电量将目前占总发电量的1.6%增至4%。按2020年发电能力10万亿kW计算，到2020年我国核电发电装机容量将达到4000万kW，除去现装机的870万kW，2005～2020年间，我国核电将以年均200万kW的速度发展。研究背景与研究意义核电概况研究背景与研究意义核电概况岭澳核电站大亚湾核电站研究背景与研究意义核电概况压水堆核电站的发电原理研究背景与研究意义核电概况蒸汽发生器剖面图核反应器抛面图研究背景与研究意义核电概况¾我国建100万kW级装机容量的核电设备，需要与国外企业合作，通过技术等领域的合作，提升我国的核电水平，这是国外企业参与我核电建设市场竞争的大好商机。¾国外企业对我国31座核电站建设计划的投资规模测算，认为保守地计算也需650亿美元左右。所以国际能源机构预测，在2030年之前，全球新一轮核电投资建设高峰期所需要的2000亿美元投资中，中国的核电站建设在2020年之前就将占其中的近1/3。¾在全球新一轮核电建设高峰过程中，中国将成为核电建设市场扩大和增长的最主要拉动力。按IAEA机构统计，到2020年，我国的核电装机容量和核电发电设备能力将跃升到列美国、法国和日本之后的第四位。研究背景与研究意义¾过去的25年中强化材料计划的原因是：核系统比常规电站有更高的安全要求；¾对安全日益增长的关注推动了严格的新设计标准的发展，其目的是保证在异常载荷（地震、飞机失事、管道破裂、冷却剂化学状况等等）条件下的结构完整性；¾许多情况下并没有现成的数据可用，传统的材料试验方法也必须修改。建立用于这些要求的数据是一持续的任务核电主要材料研究背景与研究意义核电主要材料硬质合金，无Co的替代物SMA41SQV1ASPCH2JISSGV49JISspv50Alloy600(Alloy690)SUS304LSUS316LSCS16/SCS19SUS304LSUS316LSFVQ1ASFVQ1A日本硬质合金，无Co的替代物ST2016GS混凝土08Ch18N10T08Ch18N10T08Ch18N12T10GN2MFA06Ch10N3DL15Ch2MFA15Ch2NMFAAust.cladd.苏联硬质合金，无Co的替代物SA350Cr.LF2SA516Cr.70SA333Cr.6SA352Cr.LCBSACr170Alloy600(Alloy690)AlSl304LAlSl316NGAlSl316LSA533Gr.BCl.1SA508CL.2SA508CL.3美国硬质合金Tu42CTu48c混凝土Alloy600(Alloy690)Z3CN20.09-MZ2CN19.10Z2CN18.1216MnD518MnD5奥氏体堆焊层,308L,309L法国硬质合金，无Co的替代物15MnNi6319MnAL6VWStE255/355C22.8St35.815Mo.3Gs-C25Alloy800(mod)X6CrNiNb1810G-X5CrNiNb189Alloy718AlloyX75020MnMoNi5522NiMoCr37奥氏体堆焊层X6CrNiNb1810德国耐磨部件和表面硬化水蒸气循环安全壳蒸汽发生器管核辅助和外围系统堆内构件反应堆冷系统的其它部件反应堆压力容器国家‹揭示核岛典型材料在核电环境中的断裂特性，及其在环境促进破裂动力学中的意义‹弄清PWR构件用材料的环境致裂规律及关键影响因素，找到环境致裂途径和控制机理，丰富结构材料环境致裂理论‹采用适合的实验室方法和理论分析方法研究其与环境、力学和材料因素的关系，为寿命预测建立数据基础研究目标‹确定材料的组分、工艺、组织设计与材料的力学/环境行为之间的关系‹确定材料的力学/环境行为与观组织结构之间的关系‹构筑材料的力学/环境性能预测系统，形成以材料保证学为基础的材料的力学/环境性能预测及材料设计专家系统研究目标研究目标裂纹形核·扩展·断裂调整加工参数控制热处理参数组织(金相,SEM)结构(X射线)成分(EPMA,锇歇)裂纹萌生/扩展原因,断裂机理(找出最薄弱点)材料环境下的力学行为合金最佳强韧，寿命预测体系研究技术路线框图信息反馈(克服最薄弱点)新相(SEM)研究进展¾¾氢氢¾¾温度温度¾¾含氢温水含氢温水¾¾硼酸溶液硼酸溶液环环境境材材料料GH690GH690GH690304不锈钢304304不锈钢不锈钢SA5083SA5083SA5083氢、含氢温水、温度、硼酸溶液——断裂韧性、断裂行为氢、含氢温水、温度、硼酸溶液氢、含氢温水、温度、硼酸溶液————断裂韧性、断裂行为断裂韧性、断裂行为温度——断裂韧性、断裂行为温度温度————断裂韧性、断裂行为断裂韧性、断裂行为氢、含氢温水、温度——断裂韧性、断裂行为氢、含氢温水、温度氢、含氢温水、温度————断裂韧性、断裂行为断裂韧性、断裂行为研究进展氢对氢对GH690GH690合金断裂韧性和断裂行为的影响合金断裂韧性和断裂行为的影响0.00.20.40.60.81.01.202004006008001000120014000.00.20.40.60.81.01.20200400600800100012001400CrackExtension,mmJ,kJ/m2JQ=99kJ/m2JQ=168kJ/m2JQ=350kJ/m2JQ=811kJ/m2J=4σf(Δa)Bluntingline3.8ppm10.5ppm25.7ppm38.1ppm不同氢含量不同氢含量GH690GH690合金的合金的JJ--ΔΔaa曲线曲线研究进展氢对氢对GH690GH690合金断裂韧性和断裂行为的影响合金断裂韧性和断裂行为的影响carbideasreceived,polishedasreceived,etched10.5μg/gH,polished10.5μg/gH,etched25.7μg/gH,polished25.7μg/gH,etched38.1μg/gH,polished1μm38.1μg/gH,etched研究进展氢对氢对GH690GH690合金断裂韧性和断裂行为的影响合金断裂韧性和断裂行为的影响揭示了氢