國產(chǎn)MSR 翅片管的試制與性能

方焰冰， 趙冠楠，吉 海，曹 健，王永東，王弘昶， 矯 明， 廖家麒， 李經(jīng)懷

（1.浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313012；2.上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233；3.上海電氣電站設(shè)備有限公司，上海 201306）

核電是一種有良好應(yīng)用前景的清潔能源?，F(xiàn)有商業(yè)化核電廠中，常規(guī)島負(fù)責(zé)將核島產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為汽輪機(jī)的機(jī)械能，作用類比火電廠的汽機(jī)島。然而與火電廠汽機(jī)島相比，核電廠常規(guī)島必須在汽輪機(jī)高壓缸與低壓缸之間設(shè)置汽水分離再熱器（moisture separation reheater，MSR）[1-3]。這是因?yàn)楹藣u產(chǎn)生的蒸汽溫度最高僅為320 ℃左右，處于亞臨界態(tài)，蒸汽品味較低。因此，MSR 對去除循環(huán)蒸汽中的液體和提升電廠效率、可靠性、經(jīng)濟(jì)性都有重要作用。

由TP439 翅片管組成的U 型管束，是MSR 實(shí)現(xiàn)蒸汽強(qiáng)制加熱的關(guān)鍵部件[4]。雖然翅片管在火電廠的低溫省煤器等部件中多有應(yīng)用，但常規(guī)島MSR 用TP439 翅片管卻與其他翅片管有顯著不同。MSR 用翅片管是U 型“低翅片管”[5-6]，其翅片在光管上直接軋制得到，翅片外徑與光管段外徑基本平齊。管束單只較長，為制造過程進(jìn)一步增加了難度。因此，雖然國產(chǎn)TP439 管材已應(yīng)用在高壓加熱器等電廠設(shè)備中[7]，但翅片管卻長期依賴進(jìn)口[8]。

依托科技部先進(jìn)壓水堆重大科技專項(xiàng)支持，上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司聯(lián)合上海電氣電站設(shè)備有限公司（上海輔機(jī)廠）、哈電集團(tuán)（秦皇島）重型裝備有限公司、東方電氣（廣州）重型裝備有限公司三家國內(nèi)MSR 設(shè)備制造單位，以及浙江久立特材科技有限公司（久立特材），共同開展了MSR 翅片管的國產(chǎn)化研制，進(jìn)一步提升了國內(nèi)核電工程的自主化率。本文研究了國產(chǎn)翅片管的制造與理化性能。

1 試驗(yàn)

MSR 翅片管為帶有翅片段的U 型管，其制造分為以下3 個階段：（1）母管制造，利用439 不銹鋼帶材全自動成形、焊接及檢測得到母管；（2）翅片，在合格母管上軋制出與母管本體一體化翅片，獲得翅片管；（3）彎管，根據(jù)MSR 用設(shè)備設(shè)計(jì)需求，對低翅片管進(jìn)行彎制，得到U 型管。

母管制造所用439 不銹鋼帶材按照ASME BPVC SA-240 制造，檢驗(yàn)合格。鋼帶名義厚度為1.65 mm。制造鋼帶所用合金鑄錠采用電爐熔融+AOD 精煉工藝制備。試制時分別采用進(jìn)口及國產(chǎn)兩種帶材。國產(chǎn)帶材由太原鋼鐵有限公司生產(chǎn)。兩種帶材的主要合金成分如表1 所示。

表1 兩種帶材的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Tab.1 Chemical compositions of two kinds of strips（mass fraction/%）

將鋼帶裁成一定寬度，在自動卷管機(jī)上卷制成型，形成自然坡口，并采用在線自動焊方法得到全焊透對接焊縫。借鑒高加管經(jīng)驗(yàn)，焊接時分別采用氬弧焊與激光焊兩種方式[9]。采用激光焊時，為確保將光束的偏移量控制在±0.10 mm 以內(nèi)，焊接系統(tǒng)配備為久立自行研制的焊縫追蹤系統(tǒng)。焊接時都采用高純氬氣進(jìn)行保護(hù)，且所采用的焊接工藝參數(shù)提前按ASME BPVC 第IX 卷進(jìn)行工藝評定。對焊接得到的光管進(jìn)行在線光亮熱處理后獲得母管。

為確保母管工藝性能，從母管上取樣進(jìn)行壓扁試驗(yàn)、反向彎曲試驗(yàn)、卷邊試驗(yàn)等。由于翅片管試制采用的是焊管，所以對取樣位置及部分試驗(yàn)的加載方向有特殊規(guī)定。進(jìn)行壓扁試驗(yàn)時，將焊縫置于與加力方向成90°的位置(最大彎曲處)；反向彎曲時，在焊縫兩側(cè)距離90°處沿著縱向剖分開，將試樣展平，卷邊試驗(yàn)的卷邊率應(yīng)為15%。

在檢驗(yàn)合格的母管上，采用專用翅片軋制機(jī)軋制翅片。完成翅片軋制后，采用久立專利技術(shù)對管材表面的油污進(jìn)行清洗，通過三維影像儀對翅片形狀測量。在整根母管上軋制兩段等長的翅片段，檢驗(yàn)合格后利用彎管機(jī)彎成U 型，形成類似圖1 的形狀。彎制后對U 型彎頭區(qū)域進(jìn)行去應(yīng)力熱處理，并進(jìn)行終檢。

圖1 MSR 翅片管形狀示意圖Fig.1 Shape schematic diagram of MSR fin tube

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，從U 型管的直管段取樣，進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，以驗(yàn)證翅片管的拉伸性能。拉伸試樣參照ASTM BPVC II SA-370 規(guī)定的管狀試樣，拉伸試驗(yàn)的其他參數(shù)參照ASTM E8 規(guī)定。從非翅片段取樣，沿橫向剖開，觀察焊縫余高；從翅片段取樣，沿縱軸剖開，對翅片形狀進(jìn)行觀察。

為確保翅片管的耐腐蝕性滿足要求，從翅片管的非翅片段取樣，按照ASTM A763 Z 法進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)時，將100 g CuSO4·5H2O 溶解在700 mL 蒸餾水中，添加100 mL H2SO4，再加入1 000 mL蒸餾水稀釋。將試樣與少量銅屑同時加入到溶液中，煮沸24 h。將樣品從溶液中取出后，分別進(jìn)行壓扁試驗(yàn)（壓扁系數(shù)0.08）。通過20 倍觀察確定是否出現(xiàn)裂紋。

2 結(jié)果與討論

2.1 焊接方法的影響

在MSR 翅片管的制造中，翅片在母管上整體軋制而成，因此，母管必須具備極高的壁厚均勻性。由于焊管的壁厚均勻性主要取決于帶材，無縫管的壁厚均勻性受限于管材成型工藝，因此，MSR 翅片管制造都采用焊管。TP439 焊管的制造在國內(nèi)已有較好的基礎(chǔ)，國產(chǎn)TP439 焊管已廣泛應(yīng)用于高、低加熱器等電廠設(shè)備中。然而，MSR 翅片管制造所用光管對母管的焊接工藝提出了更高的要求。母管的焊接必須確保單面焊、雙面成型，且母管內(nèi)側(cè)（焊縫背面）余高不得過高，以滿足翅片加工的要求。

從進(jìn)口某品牌相同規(guī)格的翅片管（15 批）中抽取若干，檢驗(yàn)其焊縫內(nèi)側(cè)余高，如圖2 所示。內(nèi)側(cè)余高不超過0.10 mm，平均值僅為0.04 mm。不同批次翅片管的背面余高有一定偏差。影響翅片管內(nèi)側(cè)余高的因素除焊接工藝及成型工藝外，還與其他非工藝因素有關(guān)。例如，國外MSR 翅片管供應(yīng)商普遍不具備母管生產(chǎn)能力，因此，母管卷焊完成后需打包成卷，轉(zhuǎn)運(yùn)至翅片軋制生產(chǎn)線，盤管拉直并截?cái)嗪蠓娇捎糜诔崞堉?，整個過程可能對母管背面余高造成影響。而對于國產(chǎn)翅片管，母管制造由連續(xù)鋼帶在自動化生產(chǎn)線上完成，降低了母管盤拉造成焊縫損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 進(jìn)口翅片管焊縫的內(nèi)側(cè)余高Fig.2 Internal bead of imported MSR finned tube welds

圖3 為鎢極氬弧焊與激光焊背面成型焊縫的金相組織。可以看出，采用鎢極氬弧焊時獲得的母管焊縫背面余高較高，且激光焊得到的焊縫背面余高與母材間過度更為平滑。圖4 可見激光焊得到的焊縫晶粒更細(xì)。實(shí)測用于制造母管的帶材晶粒度為6～7 級，而采用鎢極氬弧焊得到的焊縫組織晶粒度相對較粗。因此，采用激光焊將顯著提升母管及翅片管的綜合性能。

圖3 焊縫內(nèi)側(cè)余高對比Fig.3 Comparison of weld internal beads

圖4 焊縫晶粒度對比Fig.4 Comparison of weld grain size

2.2 拉伸性能

2.2.1 加工過程中拉伸性能的變化

利用進(jìn)口帶材進(jìn)行翅片管試制。從U 型管的直管段取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，以代表翅片管的性能。試驗(yàn)時按照ASME BPVC SA-370 規(guī)定采用管狀試樣。帶材與母管的拉伸性能列于表2 中。從表2 可以看出，U 型管的抗拉強(qiáng)度與母管較為接近，而屈服強(qiáng)度介于母管與帶材之間。

表2 翅片管制造過程各階段的拉伸性能Tab.2 Tensile properties of fin tube at various stages of manufacturing process

材料強(qiáng)度的變化與其在加工過程中的熱處理過程密切相關(guān)。在制造母管時，帶材卷焊完成后，首先進(jìn)行定徑、矯形并清洗。在惰性氣體保護(hù)條件下進(jìn)行中溫在線光亮退火，并調(diào)整母管力學(xué)性能，以滿足翅片加工的需要。在完成翅片軋制后，還會再利用在線熱處理裝置，對整管進(jìn)行一次低溫回火，以達(dá)到最終性能。

2.2.2 國產(chǎn)與進(jìn)口原材料力學(xué)性能對比

母管及U 型管的力學(xué)性能與原材料帶材的力學(xué)性能密切相關(guān)。表3 中分別從進(jìn)口與國產(chǎn)帶材的拉伸性能方面進(jìn)行了比較。硬度、晶粒度等指標(biāo)的比較結(jié)果列于表3 中。國產(chǎn)帶材的拉伸性能略高于進(jìn)口帶材。與之相對應(yīng)，國產(chǎn)帶材晶粒度也相對較細(xì)，可能是其強(qiáng)度稍高的原因。

國產(chǎn)帶材與進(jìn)口帶材制造出的翅片管性能都能夠滿足要求值。表3 中進(jìn)一步將采用國產(chǎn)帶材試制出的翅片管與采用進(jìn)口帶材試制出的翅片管進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)帶材翅片管強(qiáng)度較低。進(jìn)口帶材翅片管晶粒稍粗大，細(xì)晶強(qiáng)化已不是貢獻(xiàn)強(qiáng)度的主要因素。

表3 進(jìn)口與國產(chǎn)帶材及其制造出的翅片管性能比較Tab.3 Performance comparison of the imported and domestic strips and the finned tubes made of them

SA-240 TYPE 439 合金的UNS 編號為S43035，是一種典型的鐵素體不銹鋼。該成分對應(yīng)國標(biāo)牌號022Cr18Ti。該合金中，C、Cr、Ti 為主要合金元素，以鐵素體為主要組織。Cr 以溶質(zhì)元素的形式存在于鐵素體基體中，而Ti 則形成碳化物，分布在鐵素體基體上。在翅片管制造過程中，帶材在卷焊后、翅片軋制后，分別經(jīng)歷多次熱處理，會導(dǎo)致碳化物的形核。TiC 的彌散強(qiáng)化是翅片管中的另一強(qiáng)化機(jī)制。根據(jù)表1 中的成分分析結(jié)果，國產(chǎn)帶材由于熔煉條件較為先進(jìn)，因此，其C 含量相對較低，Ti 含量也相對較低。制造出的翹片管中TiC 含量較少，是國產(chǎn)帶材翅片管強(qiáng)度相對較低的主要原因。關(guān)于TiC 的形貌可參考439 合金焊接接頭熱影響區(qū)的微觀表征結(jié)果。經(jīng)歷了焊接過程的熱輸入后，在金相顯微鏡下，熱影響區(qū)鐵素體晶粒內(nèi)部呈“胡椒狀”（圖5 中的Peppery Structure）形貌，能譜顯示該組織與TiC 的存在相關(guān)。

2.2.3 國產(chǎn)管材與進(jìn)口管材性能比較

為了評價制造工藝的批次穩(wěn)定性，利用久立特材新建的翅片管生產(chǎn)線，采用國產(chǎn)帶材，完成了3 個批次的翅片管制造。名義直徑為19.05 mm，母管壁厚為1.65～1.75 mm。U 型管的彎頭半徑按照實(shí)際MSR 設(shè)備制造要求。3 個批次翅片管的拉伸性能見表4。進(jìn)口與國產(chǎn)翅片管的拉伸性能比較見圖6。

圖6 進(jìn)口翅片管與國產(chǎn)翅片管的拉伸性能比較Fig.6 Comparison of tensile properties between imported finned tubes and domestic finned tubes

表4 翅片管室溫拉伸性能Tab.4 Tensile properties of finned tubes at room temperature

從表4 中可以看出，3 個批次的國產(chǎn)翅片管性能一致性良好，且3 個批次的國產(chǎn)翅片管拉伸性能都滿足設(shè)計(jì)要求，說明采用的工藝穩(wěn)定性較好。為進(jìn)一步對國產(chǎn)翅片管與進(jìn)口翅片管的性能進(jìn)行比較，從某進(jìn)口品牌翅片管中，抽取來自6 個熔煉爐的12 批次，取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，分別與表4 中國產(chǎn)翅片管的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行比較。國產(chǎn)翅片管性能與進(jìn)口產(chǎn)品整體持平，但采用國產(chǎn)帶材制造的一組翹片管的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都低于進(jìn)口產(chǎn)品。3 個批次的國產(chǎn)翅片管拉伸性能都滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 翅片加工

在檢驗(yàn)合格的母管上進(jìn)行整體軋制得到翅片管。將翅片管沿軸線剖開，觀察到的典型翅片形狀如圖7 所示。翅片的形狀取決于軋制速度與模具的匹配，檢驗(yàn)時可通過翅片的幾何參數(shù)進(jìn)行描述，例如翅片的高度、密度、半高寬、翅片區(qū)厚度等。對18 個批次的進(jìn)口翅片管的翅片高度和翅片區(qū)厚度進(jìn)行測量，結(jié)果見圖8。翅片平均高度約1.25 mm，翹片底部厚度平均約為1.18 mm。3 個批次國產(chǎn)翅片管的測量結(jié)果列于表5 中。國產(chǎn)翅片管的翅片高度、翅片區(qū)厚度與進(jìn)口產(chǎn)品基本一致。其他幾何參數(shù)也與進(jìn)口產(chǎn)品基本相同。

表5 3 個批次國產(chǎn)翅片管翅片尺寸Tab.5 Fin sizes of 3 batches of domestic finned tubes

圖7 典型翅片形狀Fig.7 Typical fin shape

圖8 進(jìn)口翅片管的翅片形狀參數(shù)Fig.8 Fin shape parameters of imported finned tubes

2.4 耐腐蝕性

應(yīng)力腐蝕開裂是TP439 翹片發(fā)生失效的重要原因之一[11]。晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，在國產(chǎn)與進(jìn)口帶材制造的翅片管上取樣，在選定的腐蝕試驗(yàn)條件下，耐晶間腐蝕試驗(yàn)都能夠合格。無論在U 彎段還是直管段，晶間腐蝕性能都能夠合格。

對影響耐腐蝕性的結(jié)構(gòu)因素討論如下。如前所述，由于C、Ti 元素的含量更低，利用國產(chǎn)帶材制造出的翅片管的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度略低于進(jìn)口翅片管，但都能滿足設(shè)計(jì)要求。同時，加工中的熱過程導(dǎo)致了TiC 在鐵素體晶粒內(nèi)部的析出在晶界附近會形成“貧碳區(qū)”，有助于提升耐腐蝕性。因此，在試制翅片管的過程中，材料的耐腐蝕性得到了提升。另一方面，對其他合金的研究結(jié)果表明，在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，較低的屈服強(qiáng)度有利于提升抗應(yīng)力腐蝕能力[12]。因此，國產(chǎn)翅片管的耐腐蝕性優(yōu)于進(jìn)口翅片管。

3 結(jié)論

本文介紹了國產(chǎn)MSR 翅片管的試制，并將國產(chǎn)翅片管的檢驗(yàn)結(jié)果與進(jìn)口翅片管的相關(guān)性能進(jìn)行比較，得出以下結(jié)論：

（1）采用進(jìn)口及國產(chǎn)原材料研制出的國產(chǎn)翅片管都能夠滿足設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)要求，翅片尺寸、理化性能等與進(jìn)口產(chǎn)品相當(dāng)。

（2）通過采用激光焊技術(shù)，翅片管制造所需母管的焊縫質(zhì)量得到提升，焊縫背面余高較低，焊縫組織更細(xì)小。

（3）由于國產(chǎn)帶材的C、Ti 含量都較低，利用其制造出的翅片管強(qiáng)度略低于進(jìn)口批次，但都具備更優(yōu)的耐腐蝕性。