核電站用核級08X18H10T不銹鋼管的國產(chǎn)化

鄭 越，馬可騰，崔 嵐，張 躍，馬小軍

（1.中國核電工程有限公司，北京100840；2.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京100082；3.中興能源裝備股份有限公司，南通226126）

0 引 言

我國某核電站采用了俄羅斯的AES-91型核電機(jī)組，該機(jī)組是在總結(jié)VVER-1000／V320型機(jī)組設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，按照國際現(xiàn)行的核安全法規(guī)，并采用一些先進(jìn)技術(shù)而完成的改進(jìn)型設(shè)計(jì)。例如，反應(yīng)堆采用雙層安全殼、采用全數(shù)字化儀控系統(tǒng)、增加堆芯熔融物捕集器等，在安全標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)性能上具有起點(diǎn)高、技術(shù)先進(jìn)等特點(diǎn)［1］。

該核電站的總體設(shè)計(jì)方為俄羅斯，部分核島和常規(guī)島設(shè)計(jì)的分包方為中方，核島部分俄羅斯原設(shè)計(jì)的設(shè)備和管道用不銹鋼材料主要為08X18H10T鋼。08X18H10T 鋼為含鈦的奧氏不銹鋼，相當(dāng)于美國ASME 標(biāo)準(zhǔn)的TP321鋼、及我國國家標(biāo)準(zhǔn)中的0Cr18Ni11Ti 鋼及法國 RCC-M 標(biāo)準(zhǔn)的Z8CNT18-11鋼。為了便于國內(nèi)采購，在設(shè)計(jì)時(shí)選用了ASME SA-312中TP321 鋼替代俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)中的08X18H10T 鋼。轉(zhuǎn)化的TP321 鋼在技術(shù)要求中除滿足ASME 第II卷的要求之外，還應(yīng)滿足ASME第III卷第一冊ND 分卷中3 級部件的規(guī)定，同時(shí)結(jié)合俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)Ty 14-3-197的規(guī)定，使核級TP321鋼既滿足ASME 設(shè)計(jì)規(guī)范，同時(shí)力學(xué)性能也要達(dá)到08X18H10T 鋼的規(guī)定要求。

標(biāo)準(zhǔn)中的08X18H10T 鋼與TP321 鋼在化學(xué)成分上相差不大，均為含穩(wěn)定化元素鈦的奧氏體不銹鋼。兩者對主要合金元素碳、鎳、鉻、鈦等的規(guī)定差別不大，對有害元素磷、硫的規(guī)定上俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)Ty 14-3-197對08X18H10T 的要求更為嚴(yán)格，且與國內(nèi)核電站用核級奧氏體不銹鋼的要求一致。主要差別在于對力學(xué)性能的規(guī)定：08X18H10T 鋼的力學(xué)性能要求比 TP321 鋼的嚴(yán)格，尤其是08X18H10T 鋼要求的350 ℃高溫屈服強(qiáng)度指標(biāo)比較苛刻，一般工業(yè)用TP321鋼在此溫度下的屈服強(qiáng)度很難達(dá)到要求。為了使國產(chǎn)TP321 鋼達(dá)到08X18H10T 鋼的性能要求，作者主要探討化學(xué)成分、制造工藝以及熱處理工藝對TP321 鋼室溫和350 ℃高溫拉伸性能、顯微組織和晶粒度以及抗晶間腐蝕性能的影響，主要目的是通過研究TP321鋼性能的影響因素來優(yōu)化生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)核電站用核級不銹鋼管的國產(chǎn)化。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

從表1可知，轉(zhuǎn)化TP321鋼的化學(xué)成分中除鈦的含量保留ASME SA-312規(guī)定外，其它元素指標(biāo)均與08X18H10T 的規(guī)定值保持一致。

根據(jù)俄羅斯的設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)化鋼的拉伸性能應(yīng)不低于08X18H10T 鋼的規(guī)定值。從表2 可知，轉(zhuǎn)化TP321鋼的力學(xué)性能既滿足ASME SA-312 對TP321鋼的規(guī)定，又達(dá)到08X18H10T 鋼的要求。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of the test steel（mass） %

表2 試驗(yàn)鋼的拉伸性能Tab.2 Tensile properties of the test steel

試驗(yàn)用TP321 鋼管的尺寸為φ108 mm×9mm，為中興能源裝備股份有限公司制造，圖1為TP321鋼管的制造工藝流程。

作者重點(diǎn)研究的制造工藝方案：采用冷加工工藝，主要是在TP321鋼管原有制造工藝的基礎(chǔ)上，采用大尺寸坯料，并增加一道冷軋、中間熱處理和一道冷拔工藝；熱處理采用固溶處理，即在1 100 ℃左右保溫不同時(shí)間（9，15，20，25min）后水冷，隨后不進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理，研究拉伸性能的變化規(guī)律。

室溫拉伸和350℃高溫拉伸試樣為條狀弧形試樣，在鋼管的一端縱向截取，各截取4個(gè)試樣；拉伸試樣尺寸參照ASTME8規(guī)定的6號試樣，寬度為25mm，厚度為鋼管壁厚，原始標(biāo)距為50mm，如圖2所示。金相試樣在鋼管的一端橫向截取，截取2個(gè)試樣。

圖1 TP321鋼管的制造工藝流程Fig.1 Manufacturing process flow of TP321steel pipes

圖2 拉伸試樣尺寸Fig.2 Dimensions of the tensile specimen

1.2 試驗(yàn)方法

化學(xué)成分用M5000 型直讀光譜儀按ASTM A751的規(guī)定采用光譜法進(jìn)行分析。

室溫拉伸和高溫拉伸試驗(yàn)均采用AG-100KNG型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)。室溫拉伸試驗(yàn)按照ASTM E8的規(guī)定進(jìn)行，拉伸速度為0.15mm·min-1；高溫拉伸試驗(yàn)按照ASTM E21的要求在350 ℃下進(jìn)行，應(yīng)變速率為0.005min-1。

顯微組織用Nikon OPTIPHOT-100S 型光學(xué)顯微鏡觀察。按ASTM E112的規(guī)定測定晶粒度，試樣觀察面在10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）草酸溶液中、10V 電壓下電解60s，以觀察面失去金屬反光光澤為宜。晶間腐蝕試驗(yàn)按ASTM A262中的E 法進(jìn)行評定，試樣在650℃下敏化1h，在Cu-CuSO4-16%H2SO4溶液中沸騰15h，然后在不超過試樣厚度的彎曲半徑下彎曲180°觀察是否產(chǎn)生裂紋。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 制造工藝參數(shù)的改進(jìn)

2.1.1 制造工藝的調(diào)整

在TP321鋼管制造工藝流程中，影響力學(xué)性能的關(guān)鍵工序?yàn)殇撳V的鍛壓和荒管的冷軋（冷拔）。一般來說，奧氏體不銹鋼不能通過相變進(jìn)行強(qiáng)化，只能通過鍛壓和冷軋（冷拔）將鑄態(tài)下原始粗大的柱狀晶和等軸晶破壞，減少顯微（枝晶）偏析，使鑄錠內(nèi)原有的內(nèi)部氣孔和疏松能夠接合得更加緊密［4］；同時(shí)使晶體產(chǎn)生點(diǎn)陣畸變、位錯(cuò)、亞結(jié)構(gòu)等缺陷，使鋼管在固溶處理過程中奧氏體晶粒再結(jié)晶的形核點(diǎn)增多，從而細(xì)化晶粒，達(dá)到提高鋼管的力學(xué)性能以及組織和成分均勻性的目的。

表3為制造工藝對鋼管拉伸強(qiáng)度的影響。A 工藝為常用冷加工工藝，即將規(guī)格φ140mm×14mm熱軋穿孔的荒管冷軋一道，在適當(dāng)?shù)臏囟群蜁r(shí)間進(jìn)行中間熱處理后，再冷拔至φ108mm×9mm，最終在1 100 ℃進(jìn)行固溶處理保溫15min；B 工藝通過將坯料熱穿孔成規(guī)格為φ194mm×18mm，并在A工藝的基礎(chǔ)上增加一道最終冷軋、中間熱處理和一道最終冷拔工序，隨后進(jìn)行與A 工藝相同的固溶處理。根據(jù)表3 可知，A 工藝制備的TP321 鋼管拉伸強(qiáng)度沒有達(dá)到俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)的要求，B 工藝制備的鋼管拉伸強(qiáng)度有了明顯的提高。因此，為了使TP321鋼的室溫和350 ℃拉伸強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的要求，可以采用大尺寸坯料并增加冷軋／冷拔道次。

表3 冷加工對TP321鋼管拉伸強(qiáng)度的影響Tab.3 The influence of cold work ontensile strength of TP321steel pipes MPa

2.1.2 固溶時(shí)間的調(diào)整

通常TP321 鋼管的熱處理工藝主要有兩種。一種為固溶處理；另一種為固溶處理加穩(wěn)定化熱處理。經(jīng)穩(wěn)定化處理后的TP321鋼雖然能將鈦的穩(wěn)定化作用發(fā)揮到最大，提高抗晶間腐蝕性能，但其室溫抗拉強(qiáng)度和350 ℃屈服強(qiáng)度會降低，難以達(dá)到技術(shù)條件要求的規(guī)定值。主要原因是強(qiáng)碳化物形成元素鈦與更多的碳結(jié)合形成TiC，降低了碳在TP321鋼中的強(qiáng)化程度。此外，TiC 在加熱保溫過程中也會聚集長大，TiC 比Cr23C6硬度高、脆性大，對材料的力學(xué)性能會產(chǎn)生不利影響［5］。因此，TP321鋼熱處理工藝采用固溶處理，隨后不進(jìn)行穩(wěn)定化處理。

若不采用穩(wěn)定化熱處理，為了提高TP321鋼的抗晶間腐蝕性能，同時(shí)保證其力學(xué)性能，只能將碳含量降低到適當(dāng)水平。因此，在衡量TP321鋼的抗晶間腐蝕性能和力學(xué)性能時(shí)，如前面所述，應(yīng)該將鈦、碳比設(shè)置在適當(dāng)范圍內(nèi)，鈦、碳比過高或過低都不能同時(shí)保證抗晶間腐蝕性能和力學(xué)性能。

從表4 可知，TP321 鋼的室溫抗拉強(qiáng)度和350 ℃高溫屈服強(qiáng)度均隨著固溶時(shí)間的延長而降低。主要原因一方面是由于奧氏體晶粒長大造成力學(xué)性能的降低；另一方面鈦的化合物進(jìn)一步溶解導(dǎo)致阻礙位錯(cuò)運(yùn)動的效果減弱。在選擇保溫時(shí)間時(shí)要保證固溶效果，同時(shí)又要考慮奧氏體晶粒長大以及鈦的化合物進(jìn)一步溶解引起力學(xué)性能性能的降低。因此，在B工藝的基礎(chǔ)上，將最終固溶處理的保溫時(shí)間調(diào)整為11min左右，表5為調(diào)整后新工藝下生產(chǎn)的爐號為B12102-1＃、規(guī)格為φ108 mm×9 mm的TP321鋼管的拉伸性能。根據(jù)表5可知，其拉伸性能不僅滿足 ASME 的規(guī)定，而且滿足08X18H10T 鋼的要求。

表4 固溶時(shí)間對TP321鋼管拉伸強(qiáng)度的影響Tab.4 The influence of solution treatment time on tensile strength of TP321steel pipes MPa

表5 調(diào)整后工藝B制備的TP321鋼管拉伸性能Tab.5 The tensile properties of TP321steel pipes prepared by modified process B

2.2 化學(xué)成分

表6為工藝調(diào)整后制備TP321鋼的化學(xué)成分。由于最終熱處理沒有采用穩(wěn)定化處理方案，即不能通過穩(wěn)定化元素鈦與鋼中的碳形成TiC，減少鉻與碳結(jié)合形成Cr23C6從晶界析出的機(jī)會，以提高TP321鋼的抗晶間腐蝕性能。碳含量也是影響TP321力學(xué)性能的主要因素，碳含量增加可提高不銹鋼的強(qiáng)度，但抗晶間腐蝕性能下降。一般來說，采用穩(wěn)定化處理可通過鈦的穩(wěn)定化作用抵消碳含量提高對抗晶間腐蝕性能的不利影響；另一種是進(jìn)行固溶處理，隨后不進(jìn)行穩(wěn)定化處理，由于鈦的穩(wěn)定化作用不能得到最大程度的發(fā)揮，因此碳含量不能過高，否則抗晶間腐蝕性能會下降［6］。因此作者將碳含量調(diào)整為0.048%。

表6 調(diào)整后工藝B制備的TP321鋼管化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.6 Chemical composition of TP321steel pipes prepared by modified process B（mass） %

2.3 顯微組織

從圖3 可見，調(diào)整后工藝B 制備的TP321 鋼管，基體組織為奧氏體，在奧氏體晶界和晶粒內(nèi)部分布少量第二相，這些第二相主要為TiN、TiC、Al2O3等化合物［7］。這些析出相在低應(yīng)力下可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動，提高材料的強(qiáng)度，但如果第二相的尺寸和分布不均勻，就可能變成應(yīng)力集中源。此外，TiC 的穩(wěn)定化作用可以降低晶間腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，在化學(xué)成分的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮足夠鈦對碳的固定作用，也要考慮稍過量鈦對提高強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，以及過量鈦對材料塑韌性的不利影響［6］。

圖3 調(diào)整后工藝B制備TP321鋼管的顯微組織Fig.3 Microstructure of TP321steel pipes prepared by modified process B：（a）low magnification and（b）high magnification

俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)對08X18H10T 鋼鑄錠中δ鐵素體含量（體積分?jǐn)?shù)）做了如下規(guī)定：采用計(jì)算法時(shí)為3.6%～14.4%；采用磁飽和法時(shí)為2%～8%。鑄錠中的鐵素體含量主要與鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量有關(guān)［8］，因此，在冶煉時(shí)需要TP321鋼的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量元素進(jìn)行控制。根據(jù)TP321鋼化學(xué)成分實(shí)測結(jié)果，并結(jié)合Kakhovskii圖（修訂的Schaeffler圖）［8］測定TP321鋼坯中δ鐵素體含量。測得TP321鋼坯的鎳當(dāng)量為13.2%，鉻當(dāng)量為19.1% ，其δ鐵素體體積分?jǐn)?shù)在4%左右，滿足08X18H10T 的規(guī)定要求。

相關(guān)研究證明，奧氏體鋼中含有一定量的δ鐵素體可以提高其屈服強(qiáng)度，及抗晶間腐蝕性能，鐵素體-奧氏體間的界面能比奧氏體-奧氏體間的低，由于鐵素體中含鉻量高且鉻移動速度快，自鐵素體中移動過來的鉻原子可以很快補(bǔ)充到Cr23C6附近的貧鉻部位，使鉻含量能較快恢復(fù)到不會產(chǎn)生腐蝕時(shí)的含量［4］。此外，奧氏體鋼在進(jìn)行焊接操作時(shí)，焊接接頭含有一定量的δ鐵素體可使奧氏體晶粒長大受到阻礙，打亂柱狀晶的方向，細(xì)化晶粒，促進(jìn)雜質(zhì)均勻分布，從而減少焊接熱裂紋的產(chǎn)生［9］。

2.4 晶粒度

ASME SA-312對TP321鋼的晶粒度沒有強(qiáng)制要求。而Ty 14-3-197標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定直徑不超過76mm的交貨狀態(tài)08X18H10T 鋼管，其晶粒度不小于5級；直徑大于76 mm 的交貨狀態(tài)08X18H10T 鋼管，其晶粒度不小于4級［3］。綜合以往的設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn)，作者將按ASTM E112標(biāo)準(zhǔn)測定不低于4級作為TP321鋼的目標(biāo)晶粒度。

從圖4可見，調(diào)整后工藝B制備的TP321鋼管經(jīng)水冷后，其晶粒度按ASTM E112標(biāo)準(zhǔn)測定為4.5級左右；鋼管的晶粒尺寸比較均勻，無明顯的局部晶粒長大現(xiàn)象。

圖4 調(diào)整后工藝B制備TP321鋼管的晶粒形貌Fig.4 Grain morphology in TP321steel pipes prepared by modified process B

2.5 抗晶間腐蝕性能

從圖5可以看出，試驗(yàn)鋼管管內(nèi)外壁試樣沒有發(fā)現(xiàn)任何開裂現(xiàn)象，晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果合格。

3 結(jié) 論

（1）在TP321鋼管厚制造工藝中增大坯料尺寸并在原有工藝的基礎(chǔ)上增加一道冷軋、中間熱處理、一道冷拔工藝，在1 100 ℃進(jìn)行固溶保溫11min，隨后水冷，使TP321鋼管的室溫抗拉強(qiáng)度可由原有工藝的540 MPa提高到556 MPa，350 ℃屈服強(qiáng)度由170MPa提高到250MPa，晶粒度達(dá)到4.5級。

圖5 TP321鋼管試樣彎曲后晶間腐蝕形貌Fig.5 The intergranular corrosion morphology of specimens of TP321steel pipe after bending：（a）inner surface of the pipe and（b）exterior surface of the pipe

（2）對TP321鋼中鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量素進(jìn)行控制可將鑄錠中的δ鐵素體含量控制在4%左右，同時(shí)將鈦、碳含量設(shè)置在適當(dāng)范圍內(nèi)，既能保證TP321鋼管的拉伸性能，又能保證抗晶間腐蝕性能。

（3）通過對TP321鋼管化學(xué)成分、制造工藝以及熱處理工藝進(jìn)行控制，目前國內(nèi)已經(jīng)能夠生產(chǎn)出滿足核電站標(biāo)準(zhǔn)要求的核級奧氏體不銹鋼管。

［1］顧穎賓.田灣核電站運(yùn)行管理實(shí)踐［J］.中國核電，2005，3（2）：108-117.

［2］ASME SA-312Standard specification for seamless，welded，and heavily cold worked austenitic stainless steel pipes［S］.USA：The American Society of Mechanical Engineers，2010.

［3］Ty14-3-197High-quality surface and corrosion resistant seamless pipes［S］.Russia：The Ministry of Metallurgical Industry of Russia，2004.

［4］張文華.不銹鋼及其熱處理［M］.沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2010：65-74.

［5］張文華.穩(wěn)定化熱處理對含鈦奧氏體不銹鋼力學(xué)性能的影響［J］.金屬熱處理，2001，26（12）：31-33.

［6］趙樸.1Cr18Ni9Ti不銹鋼的晶間腐蝕性能與Ti，C比關(guān)系［J］.鋼鐵研究學(xué)報(bào)，1996，8（3）：34-37.

［7］鄭宏光.鈦穩(wěn)定化不銹鋼中夾雜物的形成和變化［J］.鋼鐵，2005，40（5）：21-24.

［8］KAKHOVSKII N I，LIPODAEV V N，F(xiàn)ADEEVA G V.The arc welding of stable austenitic corrosion-resisting steels and alloys［J］.Avtomaticheskaya Svarka，1980，33（5）：55-57.

［9］KATAYAMA S，F(xiàn)UJIMOTO T，MATSUNAWA A.Correlation among solidification process，microstructure，microsegregation and solidification cracking susceptibility in stainless steel weld metals［J］.Transactions of JWRI，1985，14（1）：101-123.