A335P22大口徑核電用無縫鋼管產(chǎn)品性能研究

張俊萍，肖功業(yè)，何 彪，趙慶權(quán)，王國亮，許磊磊

(天津鋼管集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，天津300301)

1 引言

隨著全球?qū)Νh(huán)境、氣候變暖等問題的日益關(guān)注，二氧化碳排放已經(jīng)成為制約全球經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的瓶頸。核電作為一種清潔安全、技術(shù)成熟、供應(yīng)能力強(qiáng)的低碳能源之一，在未來的能源結(jié)構(gòu)調(diào)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(chǎn)化的要求。近幾年來天津鋼管集團(tuán)股份有限公司(以下簡稱TP-CO)積極推動核電管國產(chǎn)化進(jìn)程，與中廣核工程公司共同研發(fā)了用于替代進(jìn)口核電站用管的A335 P22核電管。核電站雖然運(yùn)行參數(shù)相對火電站要低，但由于需要在高溫強(qiáng)輻射和腐蝕條件下工作，故材料應(yīng)具有良好的力學(xué)性能、輻射穩(wěn)定性、與核燃料的相容性、高的熱導(dǎo)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(zhì)量穩(wěn)定即為課題組對于A335P22核電管的研發(fā)的首要任務(wù)。

A335 P22屬21/4Cr-1Mo型鐵素體熱強(qiáng)鋼，其基本性能主要依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范為ASTM A335M/A335M標(biāo)準(zhǔn)以及GB 5310－2008標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)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(chǎn)A335P22核電管研制的工藝過程及產(chǎn)品性能等。文中所提到的核電技術(shù)協(xié)議為基于ASTM A335M/A335M以及GB 5310－2008標(biāo)準(zhǔn)所制定的更為嚴(yán)格的核電標(biāo)準(zhǔn)。

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(jīng)熱軋、熱處理、精整到成品管的方法生產(chǎn)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(chǎn)管坯，會造成管坯表面質(zhì)量及內(nèi)部質(zhì)量不好，嚴(yán)重時會產(chǎn)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(chǎn)。TPCO依據(jù)核電技術(shù)協(xié)議并結(jié)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(biāo)→外涂漆，內(nèi)涂油→戴帽→入庫。

2.1 化學(xué)成分設(shè)計

對A335P22核電管的低溫沖擊韌性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，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(dāng)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(chǎn)中應(yīng)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(qiáng)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(dǎo)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(zhuǎn)變溫度，對材料性能的影響相當(dāng)大，因此要嚴(yán)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(shù)協(xié)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(jié)合我公司爐型和設(shè)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(jìn)行不同工藝參數(shù)的熱處理工藝試驗，圖1、2為不同熱處理制度與力學(xué)性能的關(guān)系曲線。

2.2.2 結(jié)果分析

結(jié)果表明，回火溫度為740℃保溫時間60min時，當(dāng)正火溫度≤940℃時，隨著正火溫度的升高對鋼管強(qiáng)度影響不大，延伸率有所增加，但當(dāng)正火溫度達(dá)到960℃以上，此時合金元素充分固溶，強(qiáng)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(xué)性能關(guān)系曲線

根據(jù)試驗分析結(jié)果，并結(jié)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(yīng)不少于1h的熱處理工藝來組織批量生產(chǎn)。

2.3 A335 P22大口徑核電管的總體性能對比分析

選取TPCO生產(chǎn)的規(guī)格為φ406.40mm×12.70mm的A335P22核電管進(jìn)行幾何尺寸分析，并與日本住友生產(chǎn)的 P22，規(guī)格為φ470.00mm×27.50mm和 φ679.00mm×39.00mm的成品鋼管進(jìn)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(biāo)無法測量，故只有我公司產(chǎn)品尺寸數(shù)據(jù)見表1。

由表1中的測量結(jié)果可以看出，TPCO產(chǎn)高，強(qiáng)度下降，但仍有很大富余度，延伸率升高。工業(yè)生產(chǎn)中回火溫度可適當(dāng)調(diào)高保證在740℃左右為宜，同時從試驗數(shù)據(jù)可知，隨回火保溫時間的延長，強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)要求，且鋼管尺寸均勻性較好，滿足核電技術(shù)協(xié)議的要求。

圖2 不同回火溫度與力學(xué)性能關(guān)系曲線

2.3.2 A335P22核電管化學(xué)成分

對上述TPCO產(chǎn)品與住友產(chǎn)品進(jìn)行了化學(xué)成分分析并與住友產(chǎn)品進(jìn)行了對比，分析結(jié)果如表2。結(jié)果表明，TPCO產(chǎn)品各種元素含量與住友相比控制良好、水平相當(dāng)，滿足核電技術(shù)協(xié)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(jìn)行晶粒度、非金屬夾雜物以及顯微組織檢驗，并與住友產(chǎn)品進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)檢驗;顯微組織按GB/T13298標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評定。檢驗結(jié)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(chǎn)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(xì)小，因此，A335P22大口徑核電管的金相檢驗結(jié)果完全符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.3.4 力學(xué)性能檢驗

對上述產(chǎn)地A335P22鋼管進(jìn)行縱向力學(xué)性能檢驗，結(jié)果如表4。

表1 尺寸測量及偏差

表2 鋼管化學(xué)成分元素含量分析對比(wt%)

表3 金相檢驗結(jié)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(xué)性能結(jié)果

從表4可見，TPCO生產(chǎn)的該批A335P22核電管室溫力學(xué)性能良好，且在強(qiáng)度具有較多富余量的前提下，塑性仍然足夠，滿足核電標(biāo)準(zhǔn)的要求。與住友產(chǎn)品相比，TPCO生產(chǎn)的A335P22核電管各項力學(xué)性能的性能良好，延伸率比住友產(chǎn)品要高，沖擊性能相當(dāng)。

2.3.5 系列沖擊試驗對比

脆性轉(zhuǎn)變溫度是評價一個鋼種性能好壞的重要指標(biāo)。轉(zhuǎn)變溫度過高，則有可能在應(yīng)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(jìn)行系列沖擊韌性試驗并與日本住友產(chǎn)品進(jìn)行對比分析，以研究其韌脆轉(zhuǎn)變溫度，將系列沖擊值和斷面剪切比進(jìn)行Boltzmann函數(shù)擬和分析，其結(jié)果見圖4a～c。試驗結(jié)果表明，日本住友產(chǎn)品韌脆轉(zhuǎn)變溫度分別為 －4℃和－3℃，而TPCO A335P22核電管韌脆轉(zhuǎn)變溫度為－25℃，可見TPCO產(chǎn)品脆性轉(zhuǎn)變溫度較住友產(chǎn)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(xì)，因此脆性轉(zhuǎn)變溫度低。實驗結(jié)果完全符合A335P22核電管技術(shù)協(xié)議要求。

圖4 A335P22核電管系列沖擊值和斷面剪切比與住友產(chǎn)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(biāo)，反映其在工作狀態(tài)下的性能。對TPCO生產(chǎn)的該爐 A335P22核電管在200℃到550℃之間的高溫短時拉伸性能進(jìn)行了測試，并與日本住友生產(chǎn)的P22鋼管進(jìn)行了對比，見圖5a～c所示，試驗方法執(zhí)行GB/T4338。核電管技術(shù)協(xié)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(chǎn)的A335P22核電管的短時高溫拉伸強(qiáng)度完全符合核電標(biāo)準(zhǔn)的要求。由以上數(shù)據(jù)可以看出，TPCO生產(chǎn)的A335P22核電管的抗拉強(qiáng)度在各溫度下都比日本住友公司產(chǎn)品要高，屈服強(qiáng)度比住友低，但都滿足要求。相應(yīng)的，屈強(qiáng)比TPCO的鋼管要比住友低，因此高溫下裂紋擴(kuò)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(chǎn)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(chǎn)品。

圖5a～c 高溫短時拉伸力學(xué)性能對比

2.3.7 持久強(qiáng)度

在RD2－3高溫蠕變持久試驗機(jī)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(chǎn)的A335 P22核電管進(jìn)行540℃的持久強(qiáng)度系列試驗，得到持久強(qiáng)度外推曲線見圖6。

對于10萬h的持久強(qiáng)度，GB5310－2008中12Cr2MoG推薦540℃為81MPa，TPCO產(chǎn)品外推值為 88.8MPa。可見，TPCO生產(chǎn)的A335P22核電管540℃持久強(qiáng)度完全滿足GB5310－2008的要求。

3 結(jié)語

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

(2)與住友產(chǎn)品相比天津鋼管集團(tuán)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(xì)小，結(jié)果完全符合技術(shù)協(xié)議的要求。

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

圖6 A335 P22核電管持久強(qiáng)度外推曲線

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

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