A335P22大口徑核電用無縫鋼管產品性能研究

張俊萍，肖功業(yè)，何 彪，趙慶權，王國亮，許磊磊

(天津鋼管集團股份有限公司技術中心，天津300301)

1 引言

隨著全球對環(huán)境、氣候變暖等問題的日益關注，二氧化碳排放已經成為制約全球經濟社會發(fā)展的瓶頸。核電作為一種清潔安全、技術成熟、供應能力強的低碳能源之一，在未來的能源結構調整中將發(fā)揮積極而重要的作用［1］［2］。我國在大力發(fā)展核電站的同時，提出了核電站國產化的要求。近幾年來天津鋼管集團股份有限公司(以下簡稱TP-CO)積極推動核電管國產化進程，與中廣核工程公司共同研發(fā)了用于替代進口核電站用管的A335 P22核電管。核電站雖然運行參數相對火電站要低，但由于需要在高溫強輻射和腐蝕條件下工作，故材料應具有良好的力學性能、輻射穩(wěn)定性、與核燃料的相容性、高的熱導率等［3］。在任何情況下不允許容器破壞和泄漏，安全級別高，因此確保性能良好、質量穩(wěn)定即為課題組對于A335P22核電管的研發(fā)的首要任務。

A335 P22屬21/4Cr-1Mo型鐵素體熱強鋼，其基本性能主要依據的標準及規(guī)范為ASTM A335M/A335M標準以及GB 5310－2008標準，應用于核電管常規(guī)島部分的高壓缸排氣管等［4］。本文重點介紹了TPCO產A335P22核電管研制的工藝過程及產品性能等。文中所提到的核電技術協議為基于ASTM A335M/A335M以及GB 5310－2008標準所制定的更為嚴格的核電標準。

2 試驗材料及方法

試驗用材料為TPCO采用電爐冶煉+爐外精煉的鎮(zhèn)靜鋼，經熱軋、熱處理、精整到成品管的方法生產的無縫鋼管，交貨狀態(tài)為正火+回火，由于A335P22核電管通常含有較高的Cr、Mo，如果采用連鑄方式生產管坯，會造成管坯表面質量及內部質量不好，嚴重時會產生通體裂紋(尤其是大斷面管坯)，因此需要采用模鑄、鍛造的方式生產。TPCO依據核電技術協議并結合公司實際制定如下制管工藝流程:EAF→LF→VD→模鑄→鍛造→退火→管坯加熱→穿孔→PQF連軋→定徑→探傷→正火→回火→矯直→修磨→探傷→水壓試驗→除銹→測長、稱重、噴標→外涂漆，內涂油→戴帽→入庫。

2.1 化學成分設計

對A335P22核電管的低溫沖擊韌性進行研究發(fā)現，隨鋼中Cr、Mn含量的增加和組織中先共析鐵素體的減少，鋼的低溫沖擊韌性明顯提高，因此要適當提高鋼中Cr、Mn的含量。由于該鋼含有較多的鉻，因此它的抗高溫氧化，抗高溫腐蝕性能均優(yōu)于一般的低合金珠光體型耐熱鋼［5］。故生產中應注意控制Cr含量，以滿足抗“FAC(流動加速腐蝕)”的要求，另外過低的C含量使得高溫強度降低，但C含量過高，則可焊性降低，同時降低高溫塑性。我公司最終成品管的C含量在0.11%左右。

另外，磷在A335P22鋼中有晶界偏聚行為，磷在晶界的偏聚行為可導致非硬化脆性，從而造成晶間的斷裂，減低使用性能，也會提高材料的韌脆轉變溫度，對材料性能的影響相當大，因此要嚴格控制P的含量［6］。我公司A335P22核電管成品元素含量分別為:C:0.10%～0.13%;Si:0.27%～0.37%;Mn:0.45%～0.52%;Cr:2.15% ～2.40.%;Mo:0.94%～1.03%;P:0.006%～0.010%;S:0.001% ～0.006%。

2.2 熱處理工藝制度

2.2.1 工藝摸索

核電技術協議規(guī)定A335P22核電管熱處理制度為:正火(900～960℃)+回火(≥675℃)。規(guī)范中給出的熱處理溫度范圍較大，結合我公司爐型和設備工況，研究不同熱處理制度對該鋼種性能的影響，摸索最佳狀態(tài)熱處理工藝具有實際意義。對規(guī)格為φ406.40mm×12.70mm的 A335P22核電管進行不同工藝參數的熱處理工藝試驗，圖1、2為不同熱處理制度與力學性能的關系曲線。

2.2.2 結果分析

結果表明，回火溫度為740℃保溫時間60min時，當正火溫度≤940℃時，隨著正火溫度的升高對鋼管強度影響不大，延伸率有所增加，但當正火溫度達到960℃以上，此時合金元素充分固溶，強度上升，但晶粒長大，延伸率明顯降低。因此，正火溫度選940℃更適宜，此溫度下正火后，材料隨回火溫度升

圖1 不同正火溫度與力學性能關系曲線

根據試驗分析結果，并結合工業(yè)爐工況，制定最佳熱處理工藝制度為，正火溫度930～950℃，保溫時間按1.5min/mm，不少于30min，回火溫度740℃，保溫時間應不少于1h的熱處理工藝來組織批量生產。

2.3 A335 P22大口徑核電管的總體性能對比分析

選取TPCO生產的規(guī)格為φ406.40mm×12.70mm的A335P22核電管進行幾何尺寸分析，并與日本住友生產的 P22，規(guī)格為φ470.00mm×27.50mm和 φ679.00mm×39.00mm的成品鋼管進行性能解剖對比分析。

2.3.1 尺寸檢測

檢查方法:每相隔45°位置測量一個壁厚值，共8點;外徑測定:在每相隔90°測量一個值，共四個。由于所取日本住友鋼管為片狀試樣，故對其鋼管外徑偏差及壁厚不均度等指標無法測量，故只有我公司產品尺寸數據見表1。

由表1中的測量結果可以看出，TPCO產高，強度下降，但仍有很大富余度，延伸率升高。工業(yè)生產中回火溫度可適當調高保證在740℃左右為宜，同時從試驗數據可知，隨回火保溫時間的延長，強度變化不大，但韌性略有升高。品無論鋼管壁厚還是外徑均滿足標準要求，且鋼管尺寸均勻性較好，滿足核電技術協議的要求。

圖2 不同回火溫度與力學性能關系曲線

2.3.2 A335P22核電管化學成分

對上述TPCO產品與住友產品進行了化學成分分析并與住友產品進行了對比，分析結果如表2。結果表明，TPCO產品各種元素含量與住友相比控制良好、水平相當，滿足核電技術協議的的要求。

2.3.3 顯微組織、晶粒度和非金屬夾雜物

對成品管進行晶粒度、非金屬夾雜物以及顯微組織檢驗，并與住友產品進行了對比。非金屬夾雜物按GB/T10561中A法評級;晶粒度按 GB/T6394標準檢驗;顯微組織按GB/T13298標準進行評定。檢驗結果見表3，金相組織照片見圖3a～c。

表3和圖3a～c可以看出，與住友相比我公司產品中的金屬夾雜物含量較低，鋼的純凈度高，組織均勻，晶粒度比住友細小，因此，A335P22大口徑核電管的金相檢驗結果完全符合標準的要求。

2.3.4 力學性能檢驗

對上述產地A335P22鋼管進行縱向力學性能檢驗，結果如表4。

表1 尺寸測量及偏差

表2 鋼管化學成分元素含量分析對比(wt%)

表3 金相檢驗結果

圖3a～c TPCO A335P22核電管與住友P22鋼管顯微組織形貌

表4 力學性能結果

從表4可見，TPCO生產的該批A335P22核電管室溫力學性能良好，且在強度具有較多富余量的前提下，塑性仍然足夠，滿足核電標準的要求。與住友產品相比，TPCO生產的A335P22核電管各項力學性能的性能良好，延伸率比住友產品要高，沖擊性能相當。

2.3.5 系列沖擊試驗對比

脆性轉變溫度是評價一個鋼種性能好壞的重要指標。轉變溫度過高，則有可能在應用過程中發(fā)生脆性斷裂，造成事故。采用系列沖擊的方法對該批A335P22核電管進行系列沖擊韌性試驗并與日本住友產品進行對比分析，以研究其韌脆轉變溫度，將系列沖擊值和斷面剪切比進行Boltzmann函數擬和分析，其結果見圖4a～c。試驗結果表明，日本住友產品韌脆轉變溫度分別為 －4℃和－3℃，而TPCO A335P22核電管韌脆轉變溫度為－25℃，可見TPCO產品脆性轉變溫度較住友產品相比要低很多，這是由于該爐A335P22核電管的P含量控制低(0.010%)，且晶粒較細，因此脆性轉變溫度低。實驗結果完全符合A335P22核電管技術協議要求。

圖4 A335P22核電管系列沖擊值和斷面剪切比與住友產品對比分析圖

2.3.6 短時高溫拉伸

短時高溫性能是核電管的一個重要性能指標，反映其在工作狀態(tài)下的性能。對TPCO生產的該爐 A335P22核電管在200℃到550℃之間的高溫短時拉伸性能進行了測試，并與日本住友生產的P22鋼管進行了對比，見圖5a～c所示，試驗方法執(zhí)行GB/T4338。核電管技術協議規(guī)定A335P22核電管短時高溫拉伸350℃屈服點≧185MPa，由圖可見TPCO生產的A335P22核電管的短時高溫拉伸強度完全符合核電標準的要求。由以上數據可以看出，TPCO生產的A335P22核電管的抗拉強度在各溫度下都比日本住友公司產品要高，屈服強度比住友低，但都滿足要求。相應的，屈強比TPCO的鋼管要比住友低，因此高溫下裂紋擴展敏感性小，使用安全性能要高。同時在500℃以后，鋼管的延伸率比日本住友公司要高。因此，TPCO生產的A335P22核電管高溫拉伸綜合性能要優(yōu)于日本住友公司的產品。

圖5a～c 高溫短時拉伸力學性能對比

2.3.7 持久強度

在RD2－3高溫蠕變持久試驗機上，按照GB/T2039－1997《金屬高溫拉伸蠕變及持久試驗方法》，對TPCO生產的A335 P22核電管進行540℃的持久強度系列試驗，得到持久強度外推曲線見圖6。

對于10萬h的持久強度，GB5310－2008中12Cr2MoG推薦540℃為81MPa，TPCO產品外推值為 88.8MPa?？梢?，TPCO生產的A335P22核電管540℃持久強度完全滿足GB5310－2008的要求。

3 結語

(1)天津鋼管集團股份有限公司生產的核電站常規(guī)島用A335P22核電管所檢驗的鋼管的化學成分、力學性能都能很好滿足或高于核電技術協議的要求，并且化學成分合理，S、P 含量低。

(2)與住友產品相比天津鋼管集團股份有限公司A335 P22核電管的金屬夾雜物含量較低，鋼的純凈度高，組織均勻，晶粒度比住友細小，結果完全符合技術協議的要求。

(3)天津鋼管集團股份有限公司生產A335P22核電管各項性能指標與國外的日本住友等著名廠家相比，性能相當，已達到國際領先水平。

圖6 A335 P22核電管持久強度外推曲線

(4)開發(fā)成功的A335P22核電管使國內核電站用A335P22核電管實現了國產化，打破了國外的壟斷，降低了國內核電站的制造成本。

［1］成海濤，郭元蓉．核電用管現狀及國產化進展［J］．鋼管，2008，37(4):31 －35．

［2］ 趙彥芬，文新，汪小龍，等，核電站用鋼管及其國產化［J］．鋼管，2007，36(2):11 －14．

［3］ 付美平．A335P22主蒸汽管道焊接工藝研究［J］．云南電力技術，2001，29(1):31 －33．

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［6］ 劉瑞良．2．25Cr1Mo鋼中磷的平衡晶界偏聚及其對鋼的韌脆轉變溫度的影響［D］．哈爾濱工業(yè)大學碩士學位論文，2006．