核電站熱交換器用換熱直管的生產工藝及性能

焦少陽，路曉暉，王 坤，王寶順

（1.中國核電工程有限公司，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備，其換熱管所用材料主要是00Cr19Ni10鋼。換熱管的制造工藝復雜，技術要求高，制造難度大，長期以來我國核電站熱交換器用換熱管主要依賴進口［1－3］，這不僅增加了我國熱交換器制造企業的生產成本，同時也影響到了產品的交貨周期。因此，換熱管的國產化具有十分重要的戰略意義。

針對目前我國核電快速發展的現狀，根據“法國核島設備設計建造協會（AFCEN）”起草的“壓水堆核島機械設備的設計與建造規范（2000年＋2002補遺版）”RCC－M M3303中有關熱交換器用無縫鋼管的要求，作者單位成功試生產了一批規格為φ19.05mm×1.375mm 的00Cr19Ni10鋼換熱直管，為該管的國產化奠定了基礎。作者主要介紹了換熱管的制造工藝，并根據換熱直管的采購要求對生產的換熱直管進行了化學成分、力學性能、耐腐蝕性能和晶粒度等方面的測試，并采用超聲波檢測了該換熱直管的質量，期望能為國產核電用換熱直管的開發提供參考依據。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

在長料無心剝皮機上將規格為φ300mm的鍛態00Cr19Ni10鋼坯外表面氧化皮去除，剝皮后的棒料表面無裂紋和車刀紋等缺陷。然后在深孔鉆鏜床上鉆孔，之后將坯料送入環形爐中加熱至850℃，到溫再放入感應爐中加熱至約1 180℃；再將其送至立式擴孔機上進行擴孔，然后再二次感應加熱到約1 200℃，保溫數分鐘后在35MN型臥式擠壓機上進行熱擠壓，得到φ100mm×9mm的管坯，并對管坯進行淬火處理；之后切除兩端的不圓整部分，再在二輥冷管軋機組上進行軋制，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式輥底熱處理爐中于1 050～1 150℃進行固溶處理，連續式輥底熱處理爐的爐膛氣氛呈弱氧化性；最后經矯直、酸洗、表面尺寸檢查、超聲波內部探傷后，在成品換熱直管上截取試樣，進行化學成分、力學性能、工藝性能和耐腐蝕性能的測試，并觀察其微觀組織。

1.2 試驗方法

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

力學性能試驗包括室溫拉伸試驗和高溫拉伸試驗，試驗設備均為 WAW－300型液壓萬能試驗機。室溫拉伸試驗按照GB／T 228－2002進行，試樣為該標準中規定的S7管段試樣，試驗的應變速率為0.002s－1；高溫拉伸試驗按照GB／T 4338－2006的要求在350℃下進行，試樣尺寸同室溫拉伸試樣，屈服前的加載速率為80MPa·min－1。

工藝性能試驗包括壓扁試驗和擴口試驗，試驗設備均為WAW－300型液壓萬能試驗機。壓扁試驗按照GB／T 246－1997進行，試樣為50mm長的管段，壓扁試驗過程分為兩個階段，第一階段將試樣壓至兩平板間距為7.12mm，第二階段繼續施壓直到試樣破裂或內壁相互接觸為止。擴口試驗按照GB／T 242－1997進行，試樣為35mm長的管段，試驗時采用頂角為60°的圓錐頂頭將試樣管段的外徑擴口35%，然后觀察擴口管段的表面是否有裂紋或開裂。

耐腐蝕性能試驗包括晶間腐蝕試驗和開環試驗。晶間腐蝕試驗前需將鋼管進行敏化處理，敏化溫度為700℃，敏化時間為30min，其中升溫至規定溫度的時間不超過5min，保溫后試樣在爐內以（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的規定進行晶間腐蝕試驗［4－5］，試樣為30mm長的管段；晶間腐蝕試驗的腐蝕介質為由10%分析純硫酸銅、10%純硫酸和80%蒸餾水（體積分數）組成的的混合溶液；在晶間腐蝕試驗過程中，為了避免溶液產生過沸，在燒瓶內放入一些玻璃珠，同時為了縮短腐蝕試驗時間，在腐蝕溶液中加入純度不低于99.5%的銅屑，試驗時間為24h；然后對腐蝕試樣進行聲響跌落試驗和壓扁試驗（壓至兩管壁間的距離等于管壁厚的4倍，即5.5mm），以評定試樣是否具有晶間腐蝕特征。開環試驗按照RCC－M MC1361進行，試樣為100mm長的管段；沿縱向一條母線剖開，然后在試樣中心測量垂直于縱向鋸開面軸向的方向上管段直徑的增大量，并根據式（1）計算殘余拉應力。

式中：σ為殘余拉應力，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。

超聲波內部探傷按照RCC－M MC2500進行，對每一根換熱直管在最終酸洗后用TUD600型超聲波探測機進行內部探傷，超聲波探傷時標準對比樣管的內外刻槽深度為0.1mm，探傷后切除兩端200mm的盲區；超聲波探傷過程的接受準則按照RCC－M M3303執行。

耐壓性能試驗按照GB／T 241－2007進行，對每一根換熱直管在超聲探測后進行耐壓性能試驗，試驗介質為鹽水，氯離子含量不超過25μg·kg－1，試驗壓力為16.0MPa，保壓時間為10s。

晶粒度檢測依據GB／T 6394－2002進行，從換熱直管上截取長度為30mm的管段檢測橫截面的晶粒度，腐蝕溶劑為由300mL HCl、500g FeCl3和700mL H2O組成的混合溶液，腐蝕時間2s，然后在CMM－40E型光學顯微鏡上測晶粒度。

采用TR200型粗糙度儀測換熱直管的表面粗糙度；用游標卡尺進行尺寸測量。

2 試驗結果與討論

2.1 化學成分

圓鋼坯和換熱直管的化學成分如表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，這表明采購的鋼坯成分是合格的，同時較低的磷和硫含量也為換熱直管的產品質量和熱加工提供了保證。另外，還對硼含量和鈷含量進行檢測，結果均滿足硼含量小于0.001 8%、鈷含量小于0.20%的要求。

2.2 力學性能

由表2可以看出，換熱直管的拉伸性能滿足規定的要求。

2.3 工藝性能

壓扁性能試驗結果表明，不論在壓扁的第一階段還是第二階段，管段試樣均未出現裂紋或有開裂現象，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成分（質量分數）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

擴口性能試驗結果表明，在擴口后的管段表面無裂紋或開裂，這表明換熱直管的擴口性能符合規定要求。

2.4 耐腐蝕性能

晶間腐蝕試驗過程中的聲響跌落試驗和壓扁試驗結果表明，腐蝕后的試樣跌落在金屬表面上能夠發出清脆的金屬聲，且經敏化和腐蝕后的試樣在壓扁過程中無表面裂紋，這表明其耐晶間腐蝕性能符合采購要求。

開環試驗結果表明換熱直管的殘余拉應力為35～67MPa，均符合RCC－M M3303的要求（低于70MPa）。

2.5 產品質量

利用超聲波探傷儀對每根換熱直管進行探傷，結果表明其內部無不可接受的缺陷，這說明換熱直管的內部質量優異，同時也說明采用本工藝生產的換熱直管質量穩定、可靠。

2.6 耐壓性能

耐壓試驗過程中沒有發現漏水，這表明換熱直管的水壓試驗符合采購要求。

2.7 晶粒度

換熱直管的晶粒度為5.0～6.0級，滿足RCCM M3303對晶粒度等級大于等于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，無變形殘余組織，這表明其在最后的固溶熱處理過程中發生了充分的再結晶，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規定的不超過3.2μm的要求，同時尺寸也在采購要求的范圍之內。

另外，目視檢測了換熱直管的表面質量，未發現換熱直管表面有劃痕、碰傷或其它有害缺陷，同時表面也無氧化物，這表明其具有良好的表面質量。

3 結 論

采用熱擠壓和冷軋工藝生產的換熱直管質量符合核電站換熱直管的采購要求，可用作核級換熱直管使用。

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［2］牛忠華，龔建中.不銹鋼換熱管在高壓加熱器的應用［J］.電站輔機，2006，3（1）：7－9.

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