國產(chǎn)800 合金U 形傳熱管綜合性能分析*

蔡志剛，張耀耀，閆生志，曹 萍，羅 霞，王 方，王永東

（1. 浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313028；2. 哈電集團（秦皇島）重型裝備有限公司，河北 秦皇島 066206；3. 上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海 200233）

800 合金是一種相對低鎳、高抗腐蝕性能、純奧氏體組織的鐵鎳基耐蝕合金，800 合金w（Ni）為25%~30%，w（Cr）為20%~23%，w（Fe）≥39.5%，其10 000 h 持久斷裂性能相對Incoloy 600 合金提高了4.5%，其冷加工性能與Incoloy 600 和奧氏體不銹鋼相當，其加工硬化率高于低碳鋼，但低于304 鋼，與Incoloy 600 合金類似［1-8］。國內(nèi)外對Incoloy 800合金的抗腐蝕性能做了大量的研究，結(jié)果表明：800SP 傳熱管抗應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）性能顯著優(yōu)于Incoloy 600 合金傳熱管，與690TT 傳熱管相當。800 合金優(yōu)良的加工性能和抗腐蝕性能使其具備作為核電蒸汽發(fā)生器傳熱管的基本條件。相對690 合金，800 合金作為一種節(jié)鎳型合金，在核電蒸汽發(fā)生器傳熱管應(yīng)用方面仍具有較強的競爭力。

核電蒸汽發(fā)生器用Incoloy 800 合金傳熱管（簡稱800 傳熱管）主要應(yīng)用于壓水堆核電站［9-10］，例如我國秦山核電站，巴基斯坦恰希瑪核電站C1、C2、C3、C4 四臺機組。300 MW 核電機組800 傳熱管主要規(guī)格見表1［9］。

表1 300 MW 核電機組800 傳熱管主要規(guī)格

2012 年，浙江久立特材科技股份有限公司（簡稱久立特材）順利完成核電蒸汽發(fā)生器用800 合金傳熱管國產(chǎn)化，其各項性能指標與進口同類管材相當，滿足采購技術(shù)條件要求，并通過了中國核能行業(yè)協(xié)會的科技成果鑒定，成功應(yīng)用于巴基斯坦恰希瑪核電站C3、C4 機組，該兩臺機組分別于2016 年10月和2017 年9 月正式并網(wǎng)發(fā)電?，F(xiàn)對國產(chǎn)800合金U 形傳熱管綜合性能進行分析。

1 綜合性能分析

1.1 化學成分

將82 爐的成品管材，每爐取1 個試樣進行成品化學成分分析，取樣位置為直管端部，檢驗標準ASTM E 1473—2016《鎳、鈷和高溫合金的化學分析的標準試驗方法》和ASTM E 1019—2018《鋼及鐵、鎳、鈷合金中碳、硫、氮、氧含量的測試方法》。各爐的核級800 傳熱管熔煉和成品化學成分均符合表2 所示采購技術(shù)條件的要求［9］。

表2 800 傳熱管化學成分（質(zhì)量分數(shù)）要求 %

對82 爐的碳含量進行統(tǒng)計分析，交貨各爐批的碳含量控制在0.011%～0.016%，均小于0.02%，滿足采購技術(shù)條件要求，并且波動范圍僅為0.005%，說明冶煉過程中工藝控制非常穩(wěn)定，同時穩(wěn)定的碳含量為熱處理工藝的穩(wěn)定提供了保證。

對82 爐批的硫含量進行統(tǒng)計分析，交貨各爐批的硫含量控制較為穩(wěn)定，硫含量均小于0.002%，符合采購技術(shù)條件要求，且絕大部分爐批的硫含量在（5～10）×10-6，說明冶煉過程中工藝控制非常穩(wěn)定，電渣重熔渣系選擇合理。較低的硫含量保證了合金具有較高的純凈度，使成品管材中硫化物等有害相大大減少，有利于提高管材抗腐蝕性能。

對各爐批鐵、鎳、鉻含量及Ti/C 和Ti/（C，N）進行統(tǒng)計分析，各爐批鐵、鎳、鉻含量控制較為穩(wěn)定。其中，鐵含量在40.48%～42.73%；鎳含量在32.59%～34.89%，平均鎳含量為33.96%，符合采購技術(shù)條件要求；鉻含量在21.94%～22.91%，平均鉻含量為22.61%，符合采購技術(shù)條件要求。實際生產(chǎn)過程中，鎳、鉻含量均按中上限控制。較高的鎳鉻含量有利于改善成品管材表面鈍化膜成分和結(jié)構(gòu)，提高800 傳熱管抗腐蝕性能。由于材料的彈性模量主要與材料的化學成分有關(guān)，因此穩(wěn)定的化學成分控制有利于穩(wěn)定材料的彈性模量，對控制彎管時的關(guān)鍵參數(shù)“過彎角”有重要意義。

對各爐批Ti/C 和Ti/（C，N）進行統(tǒng)計分析結(jié)果，各爐批Ti/C 和Ti/（C，N）控制較為穩(wěn)定：Ti/C在20.0～44.3，平均31.9，符合采購技術(shù)條件要求；Ti/（C，N）在12.5～22.4，平均17.8，符合采購技術(shù)條件要求。較高的Ti/C 和Ti/（C，N）保證了合金具有較好的抗晶間腐蝕性能。

1.2 力學性能

直管加工完成后，每批取2 根管材，并在每根管上共取4 個試樣，其中2 個室溫拉伸和2 個350 ℃高溫拉伸試樣。拉伸試樣應(yīng)為全尺寸管材縱向試樣。室溫拉伸試驗按ASTM E 8—2003《金屬材料拉伸試驗的標準試驗方法》進行；350 ℃高溫拉伸試驗按ASTM E 21—1998《金屬材料高溫抗拉試驗的標準試驗方法》進行。

試驗發(fā)現(xiàn)：①室溫屈服強度均在366～413 MPa，室溫抗拉強度均在601～674 MPa，室溫伸長率35%左右，滿足采購技術(shù)條件規(guī)定的室溫屈服強度Rp0.2=334～471 MPa、抗拉強度Rm＝567～697 MPa、伸長率A≥30%的要求；②350 ℃屈服強度均在304～394 MPa，滿足規(guī)定的屈服強度Rp0.2≥295 MPa 的要求。穩(wěn)定的室溫力學性能為后續(xù)冷彎成形成彎管提供了很好的性能保證。

1.3 組織狀態(tài)

將每批管材任取1 個試樣按ASTM E 112—2013《平均晶粒度測定的標準試驗方法》要求進行晶粒度測定，試樣是全壁厚的橫向試樣，要求晶粒度為7 級或更細。實測所有批次的晶粒度在7.5～8.5，晶粒度級差小于1.0 級，符合采購技術(shù)條件中規(guī)定的7 級或更細要求。800 傳熱管金相組織如圖1 所示，相同橫截面上，近內(nèi)表面、中間、近外表面晶粒度級差不超過0.5 級，說明管材組織均勻，為穩(wěn)定的綜合性能提供了保證。

圖1 800 傳熱管金相組織

1.4 表面質(zhì)量

噴丸前后內(nèi)外表面粗糙度Ra 統(tǒng)計分析如圖2所示。噴丸前內(nèi)表面粗糙度Ra=0.30～0.78 μm，平均內(nèi)表面粗糙度Ra=0.49 μm，外表面Ra=0.21～0.75 μm，平均外表面Ra=0.35 μm，均滿足采購技術(shù)條件規(guī)定的內(nèi)外表面粗糙度Ra≤1.60 μm 的要求。較低的內(nèi)表面粗糙度有利于減少一回路介質(zhì)流阻，提高換熱效率；較低的外表面粗糙度有利于改善噴丸表面形貌，提高噴丸表面質(zhì)量。噴丸后管材外表面粗糙度Ra=1.56～2.15 μm，符合采購技術(shù)條件規(guī)定的外表面粗糙度Ra≤3.2 μm 要求。

圖2 噴丸前后內(nèi)外表面粗糙度Ra 統(tǒng)計分析

1.5 噴丸及殘余應(yīng)力分析

1.5.1 噴丸表面形貌

噴丸是核電蒸汽發(fā)生器用800 合金傳熱管的特有工藝，主要是使前期冷拔過程中表面形成的殘余拉應(yīng)力改變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力，以提高800 傳熱管表面抗應(yīng)力腐蝕開裂性能［10-11］。采用自動噴丸機對U 形管外表面噴丸處理，噴丸后典型形貌如圖3 所示。800 傳熱管噴丸覆蓋率不低于90%；噴丸后外表面較為粗糙，主要是由丸粒沖擊造成的凹坑和相互擠壓形成的臺階組成；噴丸凹坑的大小主要由噴丸壓力和丸粒尺寸決定，由于工藝控制相對穩(wěn)定，凹坑直徑主要集中在50～160 μm，深度6～20 μm。

圖3 噴丸后典型形貌

1.5.2 噴丸后殘余應(yīng)力分布

噴丸表面殘余壓應(yīng)力委托上海交通大學材料科學與工程學院X 射線應(yīng)力分析與應(yīng)用實驗室檢測，采用Proto-LXRD 型X 射線應(yīng)力分析儀，借助Proto8188 型電解拋光機對材料剝層，檢測執(zhí)行ASTM E 915—1996《殘余應(yīng)力測量用X 射線衍射儀校準檢定的測試方法》和ASTM E 1426—2014《殘余應(yīng)力X 射線缺陷測量效果彈性參數(shù)測定的試驗方法》標準。噴丸直管段不同深度的殘余壓應(yīng)力分布情況如圖4 所示，層深為0 時（即外表面）殘余壓應(yīng)力為533～608 MPa，隨著深層的增加，殘余壓應(yīng)力逐漸遞減，當層深達到0.12 mm，殘余壓應(yīng)力仍超過150 MPa，當層深為0.16 mm，部分位置仍保持殘余壓應(yīng)力狀態(tài)，但部分位置開始產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力?？傮w檢測結(jié)果符合采購技術(shù)條件中規(guī)定的表面壓應(yīng)力目標值450～650 MPa，表面壓應(yīng)力深度≥0.12 mm 的要求。

圖4 噴丸直管段不同深度的殘余壓應(yīng)力分布

1.6 可靠性應(yīng)用性能試驗

800 傳熱管是核安全1 級部件，處于一、二回路的壓力邊界，其可靠性應(yīng)用性能的試驗研究具有重要意義。由于目前國內(nèi)外尚未形成統(tǒng)一的、定量的應(yīng)用性能評價指標，因此，對國產(chǎn)800 傳熱管的可靠性應(yīng)用性能的評價只能采用與進口同類產(chǎn)品對比試驗的方式進行（委托第三方專業(yè)機構(gòu)對久立特材生產(chǎn)的800 合金傳熱管和進口同類管材進行可靠性應(yīng)用試驗對比評價）。

模擬一回路均勻腐蝕對比試驗條件如下：5 L靜態(tài)高壓釜；試驗溫度（315±1）℃，飽和蒸汽壓力；硼濃度1 200×10-6，鋰離子濃度2.0×10-6，室溫下調(diào)整pH 至6.95，未注氫；樣管長度為35 mm，使用之前兩端磨拋至鏡面。模擬一回路均勻腐蝕試驗結(jié)果如圖5 所示，結(jié)果表明：國產(chǎn)管材與進口同類管材均勻腐蝕性能相當。

模擬一回路工況慢應(yīng)變速率拉伸試驗（SSRT）條件如下：硼濃度1 200×10-6，鋰離子濃度2.2×10-6，高純氫除氧，溶解氧含量小于5×10-9，溫度（315±1）℃；試驗壓力（15.5±1）MPa。模擬一回路工況SSRT 結(jié)果見表3。結(jié)果表明：國產(chǎn)管材在試驗條件下的拉伸強度、屈服強度以及伸長率等方面均與進口同類管材相當。

濃堿應(yīng)力腐蝕對比試驗條件如下：C 型試樣，預加載2σ0.2，10%NaOH，315 ℃高壓釜，壓力維持（10.6±0.1）MPa，試驗500 h，每100 h 后取樣觀察。結(jié)果表明：國產(chǎn)管材與進口同類管材均未發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，表明其具有良好的抗強堿應(yīng)力腐蝕能力；提高噴丸覆蓋率可以較好地抑制應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生和擴展［11］。

圖5 模擬一回路均勻腐蝕試驗結(jié)果

表3 模擬一回路工況SSRT 結(jié)果

800 傳熱管其他主要可靠性應(yīng)用試驗項目見表4。由表4 可知：國產(chǎn)800 傳熱管可靠性應(yīng)用試驗性能與國外進口同類管材相當。

表4 800 傳熱管可靠性應(yīng)用性能對比試驗

2 無損檢測

彎管前的直管逐支分別按ASME 第Ⅲ卷NB 分卷的要求進行超聲波和渦流探傷。超聲波探傷對比樣管人工傷為U 形槽，深度0.08 mm，寬度0.15 mm，長度1.5 mm；渦流探傷對比樣管人工傷為直徑0.8 mm 的通孔。采用Rota40 超聲波渦流聯(lián)合探傷機組進行探傷，總合格率超過90%。

超聲波渦流聯(lián)合探傷合格的直管應(yīng)采用Bobbin 探頭進行內(nèi)渦流信噪比檢測。內(nèi)渦流信噪比檢測對比樣管人工傷為：位于同一橫截面上、4個相隔90°、直徑0.84 mm 的通孔。內(nèi)渦流檢測設(shè)備為Corestar Omini200 型渦流儀。直管內(nèi)內(nèi)渦流信噪比檢測統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)如圖6 所示，由圖6 可知：最小信噪比在10~50，主要集中在20～35；管材平均信噪比控制在15~80，主要集中在40～60。

圖6 直管內(nèi)渦流信噪比（S/N）統(tǒng)計分析

3 結(jié) 論

（1） 800 合金U 形傳熱管產(chǎn)品的化學成分、力學性能、硬度、組織、晶間腐蝕、表面質(zhì)量、噴丸表面壓應(yīng)力分布以及U 形管尺寸和外形等各項指標均符合采購技術(shù)條件的要求。

（2） 國產(chǎn)蒸汽發(fā)生器用800 合金U 形傳熱管具有較好的無損檢測合格率，內(nèi)渦流檢測最小信噪比集中控制在10～50，管材平均信噪比控制在15～80，滿足采購技術(shù)條件規(guī)定的最小信噪比不小于7 ∶1 的要求，說明國產(chǎn)化批量生產(chǎn)質(zhì)量控制穩(wěn)定。

（3） 國產(chǎn)蒸汽發(fā)生器用800 合金U 形傳熱管可靠性應(yīng)用試驗性能與國外進口的同類管材相當。