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領域的使用情況。基于臺山核電項目CRF 系統蝶閥主體材料采用低鎳鉻合金鑄鐵，對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，應用在循環水冷卻系統，而且介質是海水。一般的閥門材質不適用海水介質。采用ooCr25Ni6M02N，材質能耐海水，但成本高，是鎳鉻鑄鐵的幾倍或十幾倍。通過多年的工況運行證實，鎳鉻鑄鐵材質耐海水腐蝕，性能良好。 目前國家各大電廠都使用大量蝶閥，應用在循環水冷卻系統，而且介質是海水。一般的閥門材質不適用海水介質。采用ooCr25Ni6M02N，材質能耐海水，但成本高，是鎳鉻鑄鐵的幾倍或十幾倍。通過多年的工況運行證實，鎳鉻球鐵材質耐海水腐蝕，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，其優點是取之不竭且溫度隨季節變化較小，但由于受其氯離子含量高等因素的影響，對金屬的腐蝕性較強。與核電站主體配套的CRF、SEN、SRI 及CFI 等系統用DN800 ～DN3 200 大口徑蝶閥，在閥門主體耐海水腐蝕性選材要求上尤其具備典型性。目前，國外產品多采用低合金鑄鐵，并涂覆涂料、襯里以及電化學腐蝕等措施來提高抗腐能力。在國內核電，低鎳鉻合金鑄鐵DN1 600 耐海水閥早被應用秦山一期，在第三代EPR 臺山核電站，低鎳鉻合金鑄鐵( STQNiCr) 再次被應用于CRF 循環水系統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的合金來解決。如HT250Ni2的金相組織為珠光體大于百分之九十八，呈細片狀，百分之七十五至百分之九十為片狀石墨，長度30～120μm,二元磷共晶小于百分之一為單一的珠光體，晶界沒有碳化物析出，有效的避免了晶界腐蝕。按GB9439的規定，N牌號的灰鑄鐵，其抗拉強度為N-( n+100 )，實際抗拉強度為250～350Mpa之間，其耐壓性*可以保證。另外鐵水經過孕育處理后，不僅基體組織均勻細化，同時內應力顯著降低，可避免應力腐蝕。 必須強調的是鎳與鉻的加入量，鎳在共晶溫度時的石墨化系數為+0.4，鉻的石墨化系數-1.2,為防止晶界有碳化物析出，Ni:Cr > 3:1, 還應留有余量消除Mn形成碳化物的作用。實踐已證明在灰鑄鐵中含有百分之零點五的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。
我司專業生產的鎳鉻鑄鐵蝶閥，其應用于海水的閥門厚度的平均腐蝕速率≤0.5mm/a , 從而延長了使用壽命，有效解決了海水介質閥門的耐腐蝕難題。 
2、海水鎳鉻合金鑄鐵蝶閥低鎳鉻合金鑄鐵
2.1、化學成分
在秦山核電站的應用上，主要依據核電工況系統的要求并參考國外同類鑄鐵產品的化學成分而確定的。秦山核電站與臺山核電站低鎳鉻合金鑄鐵水閥的Ni、Cr 成分及其化學成分如表1。表1 低鎳鉻合金鑄鐵水閥用材料化學成分 Wt%
隨著國內熔煉、鑄造技術和設備的不斷發展，目前國內低鎳鉻合金鑄鐵的發展也日趨成熟與提高，與低鎳鉻合金鑄鐵發展初期相比，無論從熔煉過程還是鑄造工藝上，S、P 元素的控制量更加精細。其中，元素Re 和Mg 具有脫氣、脫硫和消除其他有害雜質的作用，能改善材料的鑄態組織，而有效調節元素Ni、Cr 含量則可獲得合理的組織與性能。
2.2、力學性能
臺山核電用低鎳鉻合金鑄鐵的力學性能與常規球磨鑄鐵、碳鋼和不銹鋼的對比如表2。表2 力學性能對比由表2 可知，通過在鑄鐵中加入少量合金元素Ni、Cr，使得鑄鐵的力學性能有顯著提高，且與常規的碳鋼、不銹鋼材料力學性能相當。 
2.3、合金元素對鑄鐵性能的影響
合金元素對于鑄鐵組織的影響一般發生在兩個階段。一是影響凝固階段中初生奧氏體的生長、共晶轉變方式以及共晶相的形態特點。二是在固態相變階段影響奧氏體轉變速率、轉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 的同時加入，顯著影響鑄鐵的固態相變過程。
元素Ni 能以任何比例溶于液態及固態的鐵中，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散速度，并降低奧氏體共析轉變臨界速率和轉變溫度，認為有利于促使珠光體的形成和細化。少量Ni 的加入還能穩定珠光體和減少鐵素體含量，可有效延長珠光體轉變孕育期，有助于取得均勻而一體的結構和良好的綜合力學性能。
元素Cr 是烈的碳化物穩定元素之一，對鑄鐵固態相變影響體現3 個方面。
①抑制鐵素體形成，減少游離鐵素體含量，促進珠光體形成。
②延長珠光體孕育期，推遲共析轉變，改善鑄鐵的硬化性能。
③可促進柔軟的鐵素體轉變成珠光體組織，使鑄鐵中具有極細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用情況
對于電站系統大口徑蝶閥，其閥體、蝶板等主體材料通常占整個閥重的90%，因此在材料選擇上，需綜合考慮其使用性能、制造工藝性、在線維護檢修的便捷性及經濟性等因素。目前，國內低鎳鉻合金鑄鐵已廣泛應用于水利、水電、石油化工等行業，并已取得較豐富的運行經驗，并逐步應用于核電循環水系統閥門。
與常規水系統介質不同，核電站循環水系統海水介質中高濃度的Cl 離子含量( 17g /L) 、海生物和泥沙及介質流速等影響，導致金屬材料的腐蝕性比普通海水更劇烈，因此閥門選材時不僅需考慮耐腐蝕性能外，還需綜合考慮其抗沖刷能力。為了保證閥門過流表面具有足夠的抗海水腐蝕能力、耐沖刷磨損能力，臺山循環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+ 重防腐涂料相結合，從而實現了雙重防腐技術。
3、海水鎳鉻合金鑄鐵蝶閥閥門選材的對比分析
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襯橡膠的技術。核電閥門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，雖然較好地實現了過流部件與海水的隔離，但在實際工況運行中，由于海水流速沖擊、橡膠老化等因素影響，常常會發生局部脫落、變形的現象，而一旦產生橡膠脫落或變形，碳鋼基體的腐蝕也隨之發生。此外，由于全襯里的閥門需要將設備返廠才能實現橡膠襯里的更換，無法實現在線維修，檢修周期長，不適用于大口徑海水閥使用。
3.2、雙相不銹鋼
與傳統的奧氏體或鐵素體不銹鋼相比，雙相不銹鋼克服了點蝕和縫隙腐蝕敏感性的缺陷，強度、韌性較好，且耐局部腐蝕，特別是耐晶間腐蝕、應力腐蝕、點蝕、縫隙腐蝕等能力有顯著提高。但是，由于其昂貴的價格，對于核電站常規島循環水系統DN800 ～ 3 200 的大口徑閥門主體選材不是合適的選擇。
3.3、銅合金
閥門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境中能生成一層腐蝕產物膜，這層薄膜阻礙了氧向金屬表面的擴散，在海水中具有較好的耐點蝕和耐縫隙腐蝕性能。但與雙相不銹鋼一樣，銅合金的價格也較高且鑄造工藝性要求較高，對于大口徑的海水閥也不是較為合適的選擇。表3 耐海水閥門選材的綜合性能對比
3.4、低鎳鉻合金鑄鐵+ 重防腐涂料
鑄鐵中少量Ni、Cr 元素的同時加入和共同作用下，終獲得珠光體基體和細化的A 型石墨組織，從而改善鑄鐵的宏觀綜合性能，提高鑄件的強度和硬度，增強耐海水腐蝕性能。同時，由于合金元素相對較少，生產成本也較低，因此適合于制造大口徑海水閥門。而與常規的防腐涂料不同，重防腐涂料適用于更加嚴苛的環境且能達到比常規涂料更長的保護期，其附著能力和防腐能力也更強，并且可在潮濕表面施工，對于核電工程搶修來說更加顯示了其不同于常規的*性。
綜合上述4 種耐海水閥門選材，對比綜合性能指標如表3。 
4、海水鎳鉻合金鑄鐵蝶閥結語
在核電站循環水冷卻系統中，對于大口徑海水閥門主體選材，采用低鎳鉻合金鑄鐵加重防腐涂料的選材方式既能滿足海水腐蝕工況需求且成本低廉，同時，生產過程閥體、閥瓣的鑄造性能較好，表面防腐涂層的涂覆工藝較為簡單且壽命較長，涂層的在線維修方便，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的合金來解決。如HT250Ni2的金相組織為珠光體大于百分之九十八，呈細片狀，百分之七十五至百分之九十為片狀石墨，長度30～120μm,二元磷共晶小于百分之一為單一的珠光體，晶界沒有碳化物析出，有效的避免了晶界腐蝕。按GB9439的規定，N牌號的灰鑄鐵，其抗拉強度為N-( n+100 )，實際抗拉強度為250～350Mpa之間，其耐壓性*可以保證。另外鐵水經過孕育處理后，不僅基體組織均勻細化，同時內應力顯著降低，可避免應力腐蝕。 必須強調的是鎳與鉻的加入量，鎳在共晶溫度時的石墨化系數為+0.4，鉻的石墨化系數-1.2,為防止晶界有碳化物析出，Ni:Cr > 3:1, 還應留有余量消除Mn形成碳化物的作用。實踐已證明在灰鑄鐵中含有百分之零點五的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。
我司專業生產的鎳鉻球鐵蝶閥鑄件，其應用于海水的閥門厚度的平均腐蝕速率≤0.5mm/a , 從而延長了使用壽命，有效解決了海水介質閥門的耐腐蝕難題。有大部軸套及一些螺母,蝸母輪,滑塊等零件,原用材貿是Cql2耐磨鑄鐵(參看 FOCT 1585-42)。近為了節約鎳銘元素,從57年第4季度末開始作了一些代用材料試驗。計作過:1．在原 CMl12耐磨鑄鐵中以銅代鎳;2．M級鑄鐵等溫淬火。其中以銅代鎳,在57年12月份開始;試作數次,得出的基體組織和機械性能等基本上與鎳無甚差別。因此決定按原 Cll12牌號將要求壓力及速度較低的零件,即行代用投入生產。其后又從生產幾個月來的記錄資料分析看來,我們認為可以用銅代鎳來制造Cql12耐磨鑄鐵,故已全 部用銅代鎳生產。
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