Почему Inconel 690 заменил 600 в парогенераторах АЭС

Оба сплава — никель-хромовые, без молибдена, поэтому их паспорта различаются одной цифрой, которая и определяет применение: хром, 14,0 % против 27,0–31,0 %. Остальное в сравнении следует из этого.

Inconel 690 существует потому, что Inconel 600 не выдержал одну конкретную задачу. Оба — никель-хромовые сплавы: без молибдена, без упрочняющего выделения, поставляются в отожжённом состоянии и выбираются ради коррозионной стойкости, а не ради нагрузки. Разделяет их хром. В наших данных по маркам для 600 указано 14,0 %, для 690 — 27,0–31,0 %, и почти всё остальное в этой заметке следует из одной этой цифры.

В чём была проблема парогенератора

В реакторе с водой под давлением трубки парогенератора служат границей между теплоносителем первого контура и водой второго. Трубки из 600 широко применялись для этой задачи, и на ряде энергоблоков на наружном диаметре развивалось коррозионное растрескивание под напряжением в воде первого контура — в зоне соединения трубки с трубной решёткой и в гибах. Это не общая коррозия. Это локальная трещина, которая начинается там, где разрушается пассивная плёнка, и растёт под действием постоянного растягивающего напряжения, поэтому её определяет состояние плёнки, а не прочность основного металла.

Повышение содержания хрома меняет эту плёнку. На уровне 27,0–31,0 % оксид устойчивее и быстрее восстанавливается, поэтому при той же толщине стенки ресурс получается другим. 690 разрабатывался вокруг этого наблюдения, а не вокруг нового механизма упрочнения — поэтому он является заменой 600 в одном применении, а не общим улучшением этой марки.

Химия и обозначения рядом

Это не близкие родственники с небольшой правкой. В 690 никель держится на уровне 58,0–63,0 %, железо — 7,0–11,0 %; для 600 указано 72,0 никеля, 14,0 хрома и 6,0 железа. Углерод в 690 ограничен 0,05 %, что не даёт карбиду хрома выделяться по границам зёрен в сварной трубке, и пара стандартов на трубку говорит о том же: ASTM B167 присутствует у обоих, но для 690 указаны AMS 5581 и DIN 2.4642, а для 600 — AMS 5580 и DIN 17751.

	Inconel 690	Inconel 600
UNS	N06690	N06600
Европейское обозначение	DIN 2.4642	DIN 2.4816
Никель	58,0 – 63,0 %	72,0 %
Хром	27,0 – 31,0 %	14,0 %
Железо	7,0 – 11,0 %	6,0 %
Углерод	≤ 0,05 %	не указано
Марганец	≤ 0,50 %	не указано
Кремний	≤ 0,50 %	не указано
Сера	≤ 0,015 %	не указано
Плотность	8,19 г/см³	8,47 г/см³
Температура плавления	1343 – 1377 °C	1354 – 1413 °C
Лист и полоса	ASTM B168, ASME SB-168	ASTM B168, AMS 5540, DIN 17750
Круглый прокат	ASTM B166, ASME SB-166	ASTM B166, AMS 5580, DIN 17752
Бесшовная труба	ASTM B167, AMS 5581, DIN 2.4642	ASTM B167, AMS 5580, DIN 17751
Поковки	ASTM B564, ASME SB-564	ASTM B564, DIN 17754

Там, где в ячейке стоит «не указано», наш лист по марке приводит только три основных элемента и даёт их одним значением, без диапазона. Определяющим является сертификат на плавку — запросите его, прежде чем согласовывать чертёж.

На что идёт добавленный хром

Хром образует пассивную плёнку, и в 690 его почти вдвое больше. Это даёт запас в двух местах, которые покупатель действительно чувствует. Первое — высокотемпературная окислительная среда и среда с соединениями серы, где 690 указан как обладающий отличной стойкостью и к окислению, и к сульфидированию. Второе — кислотное воздействие, где он указан для стойкости к серной и азотной кислотам.

Цена этого — никель. При 58,0–63,0 % против 72,0 % 690 отдаёт часть никелевого запаса, который делает 600 удобным в хлоридной коррозионной среде под напряжением и в науглероживающих атмосферах. Железо меняется в другую сторону — 7,0–11,0 % против 6,0 %, — и плотность следует за ним вниз: 8,19 г/см³ против 8,47 г/см³, поэтому трубка, заказанная по тем же размерам, весит немного меньше. Диапазоны плавления перекрываются, но не совпадают: 1343–1377 °C у 690 и 1354–1413 °C у 600 — разница для технологии сварки, а не для расчёта на эксплуатацию.

Изготовление и сварка

Ни одна из марок не упрочняется термической обработкой, поэтому обе поставляются отожжёнными и обе свариваются в отожжённом состоянии. Наши листы по маркам описывают 600 как пригодный для сварки TIG, MIG и контактной, а 690 — как легко обрабатываемый и свариваемый; в цехе разница состоит в дисциплине, а не в сложности. Марка с более высоким хромом меньше прощает загрязнение поверхности между проходами, поэтому межпроходную поверхность очищают и протравливают, а не только в конце. Для трубки под ядерный код применимым документом является AMS 5581, а не AMS 5580, и это решение по закупке, а не по металлургии.

Где 600 всё ещё уместен

600 не устарел. Наш лист по марке допускает его до 1093 °C (2000 °F) без потери механических свойств и указывает стойкость к окислению, науглероживанию и хлоридному коррозионному растрескиванию под напряжением. В печной оснастке, приспособлениях для термообработки, защитных гильзах термопар и химическом оборудовании, работающем с науглероживающим газом, это по-прежнему привычный и более давно освоенный ответ. Смысл сказанного уже, чем кажется: 600 не подходит для коррозионного растрескивания под напряжением в воде первого контура ядерного парогенератора и подходит для многих горячих, «грязных», неядерных задач, которые по привычке проектируют в 690.

Правило выбора

• Трубка парогенератора АЭС, коррозионное растрескивание в воде первого контура: 690 — N06690, бесшовная труба по ASTM B167, AMS 5581, DIN 2.4642.
• Высокотемпературная окислительная или сернистая среда с кислотным конденсатом: 690, уже по одному уровню хрома.
• Науглероживающая или окислительная атмосфера печи до 1093 °C: 600, если в спецификации уже не назван 690.
• Хлоридное коррозионное растрескивание вне первого контура: 600, потому что здесь защитный параметр — никель, а не хром.
• Перетрубление действующего блока: сначала согласуйте исходную спецификацию трубки, затем подтвердите технологию соединения трубки с трубной решёткой — смена марки в середине кампании обнуляет и то, и другое.

Что приложить к заявке

Пришлите размер с толщиной стенки и классом допуска, спецификацию, по которой закупаете, состояние (отожжённое, травлёное, шлифованное) и документ о контроле: 3.1 с химией и механическими результатами по плавке или 3.2 с испытаниями в присутствии инспектора. Добавьте рабочую среду и температуру металла, потому что эти две марки разделяет механизм коррозии, а не прочность, и укажите, попадает ли деталь под ядерный код. С этими фактами мы посчитаем марку, размер плавки под неё и срок поставки — либо прямо скажем, что написанная вами спецификация не решает задачу.

Приведённые значения соответствуют редакции ASTM / EN, указанной в каждом разделе. Для конкретной плавки определяющими являются данные в сертификате EN 10204, который идёт с металлом. Материал подготовлен техническим отделом Shanghai Hangbo Alloy Group.