核電站熱交換器用換熱直管的生產(chǎn)工藝及性能

焦少陽(yáng)，路曉暉，王 坤，王寶順

（1.中國(guó)核電工程有限公司，北京100840；2.浙江久立特材科技股份有限公司，湖州313008）

0 引 言

熱交換器是壓水堆核電站中的重要設(shè)備，其換熱管所用材料主要是00Cr19Ni10鋼。換熱管的制造工藝復(fù)雜，技術(shù)要求高，制造難度大，長(zhǎng)期以來我國(guó)核電站熱交換器用換熱管主要依賴進(jìn)口［1－3］，這不僅增加了我國(guó)熱交換器制造企業(yè)的生產(chǎn)成本，同時(shí)也影響到了產(chǎn)品的交貨周期。因此，換熱管的國(guó)產(chǎn)化具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

針對(duì)目前我國(guó)核電快速發(fā)展的現(xiàn)狀，根據(jù)“法國(guó)核島設(shè)備設(shè)計(jì)建造協(xié)會(huì)（AFCEN）”起草的“壓水堆核島機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)與建造規(guī)范（2000年＋2002補(bǔ)遺版）”RCC－M M3303中有關(guān)熱交換器用無(wú)縫鋼管的要求，作者單位成功試生產(chǎn)了一批規(guī)格為φ19.05mm×1.375mm 的00Cr19Ni10鋼換熱直管，為該管的國(guó)產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。作者主要介紹了換熱管的制造工藝，并根據(jù)換熱直管的采購(gòu)要求對(duì)生產(chǎn)的換熱直管進(jìn)行了化學(xué)成分、力學(xué)性能、耐腐蝕性能和晶粒度等方面的測(cè)試，并采用超聲波檢測(cè)了該換熱直管的質(zhì)量，期望能為國(guó)產(chǎn)核電用換熱直管的開發(fā)提供參考依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

在長(zhǎng)料無(wú)心剝皮機(jī)上將規(guī)格為φ300mm的鍛態(tài)00Cr19Ni10鋼坯外表面氧化皮去除，剝皮后的棒料表面無(wú)裂紋和車刀紋等缺陷。然后在深孔鉆鏜床上鉆孔，之后將坯料送入環(huán)形爐中加熱至850℃，到溫再放入感應(yīng)爐中加熱至約1 180℃；再將其送至立式擴(kuò)孔機(jī)上進(jìn)行擴(kuò)孔，然后再二次感應(yīng)加熱到約1 200℃，保溫?cái)?shù)分鐘后在35MN型臥式擠壓機(jī)上進(jìn)行熱擠壓，得到φ100mm×9mm的管坯，并對(duì)管坯進(jìn)行淬火處理；之后切除兩端的不圓整部分，再在二輥冷管軋機(jī)組上進(jìn)行軋制，第1，2，3道次冷軋后管的尺寸分別為φ60mm×5.3mm，φ30mm×2.8mm，φ19.05mm×1.375mm（成品尺寸），每道次冷軋后均需在連續(xù)式輥底熱處理爐中于1 050～1 150℃進(jìn)行固溶處理，連續(xù)式輥底熱處理爐的爐膛氣氛呈弱氧化性；最后經(jīng)矯直、酸洗、表面尺寸檢查、超聲波內(nèi)部探傷后，在成品換熱直管上截取試樣，進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能、工藝性能和耐腐蝕性能的測(cè)試，并觀察其微觀組織。

1.2 試驗(yàn)方法

按照GB／T 20066－2001從圓鋼坯和成品換熱直管（以下簡(jiǎn)稱換熱直管）上截取試樣，并按照GB／T 11170－2008的要求在M5000型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析。

力學(xué)性能試驗(yàn)包括室溫拉伸試驗(yàn)和高溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備均為 WAW－300型液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。室溫拉伸試驗(yàn)按照GB／T 228－2002進(jìn)行，試樣為該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的S7管段試樣，試驗(yàn)的應(yīng)變速率為0.002s－1；高溫拉伸試驗(yàn)按照GB／T 4338－2006的要求在350℃下進(jìn)行，試樣尺寸同室溫拉伸試樣，屈服前的加載速率為80MPa·min－1。

工藝性能試驗(yàn)包括壓扁試驗(yàn)和擴(kuò)口試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備均為WAW－300型液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。壓扁試驗(yàn)按照GB／T 246－1997進(jìn)行，試樣為50mm長(zhǎng)的管段，壓扁試驗(yàn)過程分為兩個(gè)階段，第一階段將試樣壓至兩平板間距為7.12mm，第二階段繼續(xù)施壓直到試樣破裂或內(nèi)壁相互接觸為止。擴(kuò)口試驗(yàn)按照GB／T 242－1997進(jìn)行，試樣為35mm長(zhǎng)的管段，試驗(yàn)時(shí)采用頂角為60°的圓錐頂頭將試樣管段的外徑擴(kuò)口35%，然后觀察擴(kuò)口管段的表面是否有裂紋或開裂。

耐腐蝕性能試驗(yàn)包括晶間腐蝕試驗(yàn)和開環(huán)試驗(yàn)。晶間腐蝕試驗(yàn)前需將鋼管進(jìn)行敏化處理，敏化溫度為700℃，敏化時(shí)間為30min，其中升溫至規(guī)定溫度的時(shí)間不超過5min，保溫后試樣在爐內(nèi)以（60±5）℃·h－1的速率緩冷至500℃，然后在空氣中冷卻。之后按照RCC－M MC1310的規(guī)定進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)［4－5］，試樣為30mm長(zhǎng)的管段；晶間腐蝕試驗(yàn)的腐蝕介質(zhì)為由10%分析純硫酸銅、10%純硫酸和80%蒸餾水（體積分?jǐn)?shù)）組成的的混合溶液；在晶間腐蝕試驗(yàn)過程中，為了避免溶液產(chǎn)生過沸，在燒瓶?jī)?nèi)放入一些玻璃珠，同時(shí)為了縮短腐蝕試驗(yàn)時(shí)間，在腐蝕溶液中加入純度不低于99.5%的銅屑，試驗(yàn)時(shí)間為24h；然后對(duì)腐蝕試樣進(jìn)行聲響跌落試驗(yàn)和壓扁試驗(yàn)（壓至兩管壁間的距離等于管壁厚的4倍，即5.5mm），以評(píng)定試樣是否具有晶間腐蝕特征。開環(huán)試驗(yàn)按照RCC－M MC1361進(jìn)行，試樣為100mm長(zhǎng)的管段；沿縱向一條母線剖開，然后在試樣中心測(cè)量垂直于縱向鋸開面軸向的方向上管段直徑的增大量，并根據(jù)式（1）計(jì)算殘余拉應(yīng)力。

式中：σ為殘余拉應(yīng)力，MPa；E為彈性模量，2×105MPa；μ為泊松比，0.3；e為管材厚度，1.375mm；Δφ為管材直徑的增大量，mm；Df為縱向切開后的管段直徑，mm；D0為管段原始直徑，19.05mm。

超聲波內(nèi)部探傷按照RCC－M MC2500進(jìn)行，對(duì)每一根換熱直管在最終酸洗后用TUD600型超聲波探測(cè)機(jī)進(jìn)行內(nèi)部探傷，超聲波探傷時(shí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比樣管的內(nèi)外刻槽深度為0.1mm，探傷后切除兩端200mm的盲區(qū)；超聲波探傷過程的接受準(zhǔn)則按照RCC－M M3303執(zhí)行。

耐壓性能試驗(yàn)按照GB／T 241－2007進(jìn)行，對(duì)每一根換熱直管在超聲探測(cè)后進(jìn)行耐壓性能試驗(yàn)，試驗(yàn)介質(zhì)為鹽水，氯離子含量不超過25μg·kg－1，試驗(yàn)壓力為16.0MPa，保壓時(shí)間為10s。

晶粒度檢測(cè)依據(jù)GB／T 6394－2002進(jìn)行，從換熱直管上截取長(zhǎng)度為30mm的管段檢測(cè)橫截面的晶粒度，腐蝕溶劑為由300mL HCl、500g FeCl3和700mL H2O組成的混合溶液，腐蝕時(shí)間2s，然后在CMM－40E型光學(xué)顯微鏡上測(cè)晶粒度。

采用TR200型粗糙度儀測(cè)換熱直管的表面粗糙度；用游標(biāo)卡尺進(jìn)行尺寸測(cè)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)成分

圓鋼坯和換熱直管的化學(xué)成分如表1所示，可以看出兩者成分十分接近，且均符合RCC－M M3303的要求，這表明采購(gòu)的鋼坯成分是合格的，同時(shí)較低的磷和硫含量也為換熱直管的產(chǎn)品質(zhì)量和熱加工提供了保證。另外，還對(duì)硼含量和鈷含量進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果均滿足硼含量小于0.001 8%、鈷含量小于0.20%的要求。

2.2 力學(xué)性能

由表2可以看出，換熱直管的拉伸性能滿足規(guī)定的要求。

2.3 工藝性能

壓扁性能試驗(yàn)結(jié)果表明，不論在壓扁的第一階段還是第二階段，管段試樣均未出現(xiàn)裂紋或有開裂現(xiàn)象，這表明該換熱直管具有合格的加工性能。

表1 圓鋼坯和換熱直管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of round steel and heat exchange tube（mass）%

表2 換熱直管的拉伸性能Tab.2 Tensile properties of heat exchanged tube

擴(kuò)口性能試驗(yàn)結(jié)果表明，在擴(kuò)口后的管段表面無(wú)裂紋或開裂，這表明換熱直管的擴(kuò)口性能符合規(guī)定要求。

2.4 耐腐蝕性能

晶間腐蝕試驗(yàn)過程中的聲響跌落試驗(yàn)和壓扁試驗(yàn)結(jié)果表明，腐蝕后的試樣跌落在金屬表面上能夠發(fā)出清脆的金屬聲，且經(jīng)敏化和腐蝕后的試樣在壓扁過程中無(wú)表面裂紋，這表明其耐晶間腐蝕性能符合采購(gòu)要求。

開環(huán)試驗(yàn)結(jié)果表明換熱直管的殘余拉應(yīng)力為35～67MPa，均符合RCC－M M3303的要求（低于70MPa）。

2.5 產(chǎn)品質(zhì)量

利用超聲波探傷儀對(duì)每根換熱直管進(jìn)行探傷，結(jié)果表明其內(nèi)部無(wú)不可接受的缺陷，這說明換熱直管的內(nèi)部質(zhì)量?jī)?yōu)異，同時(shí)也說明采用本工藝生產(chǎn)的換熱直管質(zhì)量穩(wěn)定、可靠。

2.6 耐壓性能

耐壓試驗(yàn)過程中沒有發(fā)現(xiàn)漏水，這表明換熱直管的水壓試驗(yàn)符合采購(gòu)要求。

2.7 晶粒度

換熱直管的晶粒度為5.0～6.0級(jí)，滿足RCCM M3303對(duì)晶粒度等級(jí)大于等于2的要求。

由圖1可見，換熱直管的晶粒尺寸較為均勻，大都為等軸晶，無(wú)變形殘余組織，這表明其在最后的固溶熱處理過程中發(fā)生了充分的再結(jié)晶，從而保證了鋼管的各向性能趨于一致［6］。

圖1 換熱直管的顯微組織Fig.1 Microstructure of heat exchanger tube

2.8 表面粗糙度及尺寸

換熱直管的表面粗糙度Ra滿足RCC－M M3303規(guī)定的不超過3.2μm的要求，同時(shí)尺寸也在采購(gòu)要求的范圍之內(nèi)。

另外，目視檢測(cè)了換熱直管的表面質(zhì)量，未發(fā)現(xiàn)換熱直管表面有劃痕、碰傷或其它有害缺陷，同時(shí)表面也無(wú)氧化物，這表明其具有良好的表面質(zhì)量。

3 結(jié) 論

采用熱擠壓和冷軋工藝生產(chǎn)的換熱直管質(zhì)量符合核電站換熱直管的采購(gòu)要求，可用作核級(jí)換熱直管使用。

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