核電熱交換器用耐蝕鈦焊管制備工藝研究

張望成，魯蓉蓉，曾憲山

(湖南湘投金天新材料有限公司，湖南 益陽 413000)

鈦及鈦合金密度小、熱導率適中，在海水和海洋大氣環(huán)境中具有良好的耐蝕性。鈦焊管作為一種優(yōu)異的高性能耐蝕換熱管，被廣泛應(yīng)用于核電熱交換器中，以應(yīng)對冷卻介質(zhì)——海水的侵蝕，保證核電設(shè)備的安全、穩(wěn)定運行[1-3]。

高性能耐蝕換熱管是核電熱交換器的核心材料，但其關(guān)鍵制備技術(shù)長期以來被美國、日本等國家壟斷[2]，直接影響我國核電產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前，國產(chǎn)鈦焊管存在的主要問題是焊縫質(zhì)量難以達到核電用標準。為保障我國核電產(chǎn)業(yè)長遠、安全發(fā)展，高性能耐蝕鈦焊管國產(chǎn)化的需求日益迫切。核電熱交換器用高性能耐蝕鈦焊管的完全自主生產(chǎn)，將打破長期依賴進口的局面，為我國核電全面國產(chǎn)化和快速發(fā)展提供重要保障，并為我國核電走出國門奠定基礎(chǔ)。

本研究采用“W+雙半徑”反彎成型和非熔化極鎢極氬弧焊(TIG焊)工藝試制高品質(zhì)耐蝕鈦焊管，以期為核電熱交換器用耐蝕鈦焊管的工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

1 實 驗

1.1 材料與工藝

實驗所用純鈦帶由湖南湘投金天科技集團生產(chǎn)，其化學成分如表1所示。

表1 純鈦帶化學成分(w/%)Table 1 Chemical composition of pure titanium strip

采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的JT50自動化連續(xù)鈦焊管生產(chǎn)線進行生產(chǎn)，成品規(guī)格為φ25.4 mm×0.5 mm，工藝流程為：帶材→卷曲成型→焊接→定徑→在線退火→渦流探傷→激光測徑→主線定尺切斷(性能檢驗)→超聲波探傷→水下氣密試驗。

針對鈦彈性模量低，卷曲成型后回彈大的特點，采用“W+雙半徑”反彎成型法匹配“窄間隙排輥”技術(shù)卷曲成型。通過理論模擬分析和實際生產(chǎn)試制，開發(fā)了用于制備核電熱交換器用耐蝕鈦焊管的“高速成型變形回彈補償”技術(shù)。圖1為自行設(shè)計的“W+雙半徑”反彎成型法專用軋輥簡圖。

圖1 軋輥設(shè)計簡圖Fig.1 Schematic diagram of roller

采用TIG焊直流正接法進行焊接[4，5]。為避免焊接過程中焊縫發(fā)生氧化，焊合室、焊槍和換熱管均采用氬氣(純度≥99.99%)保護。焊接用鎢極直徑為3.2 mm，在5 m/min的管材試制速度下，進行了3組焊管試制，其中：1#樣管焊接電流150 A,焊接電壓14 V；2#樣管焊接電流140 A,焊接電壓12 V；3#樣管焊接電流120 A,焊接電壓11 V。

1.2 樣品檢測

從1#、2#、3#樣管中分別取1支，然后在每支樣管上截取10個試樣分別用于化學成分、力學性能、焊縫宏觀形貌、金相組織以及工藝性能的檢測和分析，其中拉伸試樣3個，壓扁試樣2個。鈦焊管取樣部位及尺寸如圖2所示。

圖2 焊管取樣部位及尺寸示意圖Fig.2 Schematic diagram of sampling position and size of welded tubes

化學成分分析采用LECO 氧氮氫聯(lián)測儀和紅外碳硫測定儀；工藝性能檢測采用CDT1305型電子壓力試驗機；焊縫宏觀形貌和金相組織觀察采用XJZ-6A型金相顯微鏡；拉伸性能檢測采用CMT5105型電子萬能試驗機(100 kN)；硬度檢測采用Wolpert 402MVA型自動轉(zhuǎn)塔顯微維氏硬度計。

對所有鈦焊管均進行渦流探傷和超聲波探傷檢測。超聲波探傷采用Echomac FD-4E超聲波探傷儀。人工缺陷寬度0.25 mm，長度12.7 mm，深度0.10 mm，缺口位于焊縫。鈦焊管若存在1個或多個的信號振幅等于或大于樣管缺陷最低參照信號的50%，則判定為不合格管。渦流探傷采用EDDYCHEK-5型渦流探傷儀，標準通孔直徑≤0.80 mm，縱向間距300 mm，周向間隔120°，3個孔均位于基材。鈦焊管若存在1個或多個的信號振幅等于或大于樣管缺陷最低參照信號的50%，則判定為不合格管。

2 結(jié)果與分析

2.1 化學成分

鈦焊管的化學成分對其各項性能有重要影響。鈦作為一種活潑金屬，在高溫下與氧、氮、氫的反應(yīng)速度極快，在300 ℃以上快速吸氫，600 ℃以上快速吸氧，700 ℃以上快速吸氮[6-9]。焊接過程中如果保護不當，極易發(fā)生吸氣，影響焊縫性能，造成焊縫強度過高和產(chǎn)生吸氫腐蝕。表2為試制的鈦焊管雜質(zhì)元素含量檢測結(jié)果。由表2可知，鈦焊管中Fe、O等雜質(zhì)元素含量低于DB MS4550T標準上限要求。

表2 鈦焊管雜質(zhì)元素含量(w/%)Table 2 Impurity elements content of titanium welded tubes

2.2 力學性能

對試制的鈦焊管進行拉伸試驗，其結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，試制的鈦焊管各項技術(shù)指標均在DB MS4550T標準要求范圍內(nèi)，且延伸率遠大于標準要求的下限值。鈦焊管延伸率較高可能與本次試制所用鈦帶中的Fe、O元素含量低于標準要求有關(guān)。

表3 鈦焊管的室溫力學性能Table 3 Room temperature mechanical properties of titanium welded tubes

表4為鈦焊管橫截面不同位置的硬度檢測結(jié)果。由表4可知，生產(chǎn)的鈦焊管焊縫位置整體硬度高于母材，同時焊縫與母材之間的硬度差均小于294 MPa，滿足核電熱交換器用鈦焊管焊縫硬度要求。焊縫位置為鑄造組織，內(nèi)部存在較多的晶體缺陷，而母材為再結(jié)晶的等軸晶，內(nèi)部缺陷相對較少，因而焊縫硬度高于母材[11]。當焊縫與母材的硬度差異較小時，有利于鈦焊管與管板的脹接。

表4 鈦焊管顯微硬度檢測結(jié)果(MPa)Table 4 Micro-hardness of titanium welded tubes

2.3 宏觀形貌及金相組織

圖3為3個換熱管試樣焊縫的宏觀形貌。從圖3可以看出，焊縫與母材過渡平滑，熔合線減薄和內(nèi)焊縫余高均較小，焊縫位置無咬邊、裂紋等缺陷。

圖3 不同鈦焊管焊縫的宏觀形貌Fig.3 Welded joints macroscopic of different titanium welded tubes: (a) 1#； (b) 2#； (c) 3#

焊縫熔合線位置是鈦焊管的薄弱點，該位置壁厚最薄，是鈦焊管在服役或脹接過程中最容易發(fā)生失效的位置，因此，焊縫熔合線減薄量也是核電熱交換器用鈦焊管的關(guān)鍵指標。

核電熱交換器用換熱管的使用工況與海水淡化等領(lǐng)域用換熱管有所不同。在核電領(lǐng)域，海水介質(zhì)在換熱管管內(nèi)流動；而在海水淡化領(lǐng)域，海水介質(zhì)在管外流動。為防止換熱管管內(nèi)結(jié)垢和被海水沖蝕，需要控制內(nèi)焊縫余高，以降低換熱管失效的可能性。

表5為試制的鈦焊管焊縫熔合線壁厚和焊縫余高實測值。從表5可以看出，試制的鈦焊管焊縫熔合線壁厚和焊縫余高都分別滿足不小于管材公稱壁厚的90%和不大于0.1 mm的要求。其中，3#樣管的各項指標均優(yōu)于1#和2#樣管，焊接質(zhì)量最好。這是由于1#和2#樣管的焊接電流較大，焊縫熔池較寬，熔池金屬下墜，出現(xiàn)焊縫熔合線減薄和焊縫余高較高的現(xiàn)象。

表5 不同鈦焊管熔合線壁厚和焊縫余高(mm)Table 5 Wall thickness of fusion line and weld reinforcement of different titanium welded tubes

圖4為3#樣管軸向截面的金相組織。圖4a為鈦焊管母材區(qū)域組織，為等軸α組織，組織均勻；圖4b、4c分別是母材向焊縫熔合區(qū)域左、右過渡的熱影響區(qū)，該區(qū)域晶粒由母材向焊縫逐漸增大。圖4d為焊縫熔合區(qū)金相組織，從晶粒上看，焊縫熔合區(qū)晶粒呈鋸齒狀，晶粒明顯大于母材。鈦焊管在焊接時存在急速加熱和冷卻的過程，存在溫度差異，因此焊縫處形成鋸齒狀的晶粒，同時在焊接熱輸入的影響下，焊縫熔化金屬凝固再結(jié)晶并逐漸長大，導致焊縫晶粒明顯大于母材[11]。

圖4 3#樣管軸向截面的金相組織Fig.4 Microstructures of 3# titanium welded tube of axial section：(a) base metal；(b) heat affected zone on the left；(c) heat affected zone on the right；(d) welded joint

2.4 工藝性能

對3#樣管進行壓扁、反向彎曲、擴口工藝性能檢測，典型試樣檢測結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，不論是壓扁、反向彎曲還是擴口(擴口率為25%)，鈦焊管都未出現(xiàn)任何裂紋和斷裂現(xiàn)象，滿足標準要求。

圖5 經(jīng)工藝性能檢測后3#樣管的照片F(xiàn)ig.5 Photos of 3# titanium welded tube after process performance test

2.5 無損檢測

按核電熱交換器對換熱管的要求，對試制的3#樣管進行渦流探傷和超聲波探傷檢測，均未發(fā)現(xiàn)可疑和不合格管材，完全滿足核電熱交換器的使用要求。

3 結(jié) 論

采用“W+雙半徑”反彎成型，當焊接電流為120 A、焊接電壓為11 V時，制得的鈦焊管焊縫與母材過渡平滑，熔合線減薄和內(nèi)焊縫余高均較小，焊縫接頭質(zhì)量最好，同時化學成分、組織和性能等各項指標均滿足核電熱交換器用鈦焊管標準要求。