國產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.上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233；3.上海電氣電站設備有限公司，上海 201306）

核電是一種有良好應用前景的清潔能源?，F有商業化核電廠中，常規島負責將核島產生的熱能轉化為汽輪機的機械能，作用類比火電廠的汽機島。然而與火電廠汽機島相比，核電廠常規島必須在汽輪機高壓缸與低壓缸之間設置汽水分離再熱器（moisture separation reheater，MSR）[1-3]。這是因為核島產生的蒸汽溫度最高僅為320 ℃左右，處于亞臨界態，蒸汽品味較低。因此，MSR 對去除循環蒸汽中的液體和提升電廠效率、可靠性、經濟性都有重要作用。

由TP439 翅片管組成的U 型管束，是MSR 實現蒸汽強制加熱的關鍵部件[4]。雖然翅片管在火電廠的低溫省煤器等部件中多有應用，但常規島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，為制造過程進一步增加了難度。因此，雖然國產TP439 管材已應用在高壓加熱器等電廠設備中[7]，但翅片管卻長期依賴進口[8]。

依托科技部先進壓水堆重大科技專項支持，上海核工程研究設計院有限公司聯合上海電氣電站設備有限公司（上海輔機廠）、哈電集團（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MSR 設備制造單位，以及浙江久立特材科技有限公司（久立特材），共同開展了MSR 翅片管的國產化研制，進一步提升了國內核電工程的自主化率。本文研究了國產翅片管的制造與理化性能。

1 試驗

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MSR 用設備設計需求，對低翅片管進行彎制，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。試制時分別采用進口及國產兩種帶材。國產帶材由太原鋼鐵有限公司生產。兩種帶材的主要合金成分如表1 所示。

表1 兩種帶材的化學成分（質量分數/%）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。借鑒高加管經驗，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，焊接系統配備為久立自行研制的焊縫追蹤系統。焊接時都采用高純氬氣進行保護，且所采用的焊接工藝參數提前按ASME BPVC 第IX 卷進行工藝評定。對焊接得到的光管進行在線光亮熱處理后獲得母管。

為確保母管工藝性能，從母管上取樣進行壓扁試驗、反向彎曲試驗、卷邊試驗等。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的加載方向有特殊規定。進行壓扁試驗時，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，在焊縫兩側距離90°處沿著縱向剖分開，將試樣展平，卷邊試驗的卷邊率應為15%。

在檢驗合格的母管上，采用專用翅片軋制機軋制翅片。完成翅片軋制后，采用久立專利技術對管材表面的油污進行清洗，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，檢驗合格后利用彎管機彎成U 型，形成類似圖1 的形狀。彎制后對U 型彎頭區域進行去應力熱處理，并進行終檢。

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

按照相關標準規定，從U 型管的直管段取樣，進行室溫拉伸試驗，以驗證翅片管的拉伸性能。拉伸試樣參照ASTM BPVC II SA-370 規定的管狀試樣，拉伸試驗的其他參數參照ASTM E8 規定。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 法進行晶間腐蝕試驗。試驗時，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，分別進行壓扁試驗（壓扁系數0.08）。通過20 倍觀察確定是否出現裂紋。

2 結果與討論

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 焊管的制造在國內已有較好的基礎，國產TP439 焊管已廣泛應用于高、低加熱器等電廠設備中。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，且母管內側（焊縫背面）余高不得過高，以滿足翅片加工的要求。

從進口某品牌相同規格的翅片管（15 批）中抽取若干，檢驗其焊縫內側余高，如圖2 所示。內側余高不超過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。影響翅片管內側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。例如，國外MSR 翅片管供應商普遍不具備母管生產能力，因此，母管卷焊完成后需打包成卷，轉運至翅片軋制生產線，盤管拉直并截斷后方可用于翅片軋制，整個過程可能對母管背面余高造成影響。而對于國產翅片管，母管制造由連續鋼帶在自動化生產線上完成，降低了母管盤拉造成焊縫損傷的風險。

圖2 進口翅片管焊縫的內側余高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。實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 焊縫內側余高對比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

利用進口帶材進行翅片管試制。從U 型管的直管段取樣進行拉伸試驗，以代表翅片管的性能。試驗時按照ASME BPVC SA-370 規定采用管狀試樣。帶材與母管的拉伸性能列于表2 中。從表2 可以看出，U 型管的抗拉強度與母管較為接近，而屈服強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

材料強度的變化與其在加工過程中的熱處理過程密切相關。在制造母管時，帶材卷焊完成后，首先進行定徑、矯形并清洗。在惰性氣體保護條件下進行中溫在線光亮退火，并調整母管力學性能，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，對整管進行一次低溫回火，以達到最終性能。

2.2.2 國產與進口原材料力學性能對比

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

國產帶材與進口帶材制造出的翅片管性能都能夠滿足要求值。表3 中進一步將采用國產帶材試制出的翅片管與采用進口帶材試制出的翅片管進行比較，發現國產帶材翅片管強度較低。進口帶材翅片管晶粒稍粗大，細晶強化已不是貢獻強度的主要因素。

表3 進口與國產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。該成分對應國標牌號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，分別經歷多次熱處理，會導致碳化物的形核。TiC 的彌散強化是翅片管中的另一強化機制。根據表1 中的成分分析結果，國產帶材由于熔煉條件較為先進，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，是國產帶材翅片管強度相對較低的主要原因。關于TiC 的形貌可參考439 合金焊接接頭熱影響區的微觀表征結果。經歷了焊接過程的熱輸入后，在金相顯微鏡下，熱影響區鐵素體晶粒內部呈“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。

2.2.3 國產管材與進口管材性能比較

為了評價制造工藝的批次穩定性，利用久立特材新建的翅片管生產線，采用國產帶材，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際MSR 設備制造要求。3 個批次翅片管的拉伸性能見表4。進口與國產翅片管的拉伸性能比較見圖6。

圖6 進口翅片管與國產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 個批次的國產翅片管性能一致性良好，且3 個批次的國產翅片管拉伸性能都滿足設計要求，說明采用的工藝穩定性較好。為進一步對國產翅片管與進口翅片管的性能進行比較，從某進口品牌翅片管中，抽取來自6 個熔煉爐的12 批次，取樣進行拉伸試驗，分別與表4 中國產翅片管的各項指標進行比較。國產翅片管性能與進口產品整體持平，但采用國產帶材制造的一組翹片管的屈服強度和抗拉強度都低于進口產品。3 個批次的國產翅片管拉伸性能都滿足設計要求。

2.3 翅片加工

在檢驗合格的母管上進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，檢驗時可通過翅片的幾何參數進行描述，例如翅片的高度、密度、半高寬、翅片區厚度等。對18 個批次的進口翅片管的翅片高度和翅片區厚度進行測量，結果見圖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 個批次國產翅片管的測量結果列于表5 中。國產翅片管的翅片高度、翅片區厚度與進口產品基本一致。其他幾何參數也與進口產品基本相同。

表5 3 個批次國產翅片管翅片尺寸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 進口翅片管的翅片形狀參數Fig.8 Fin shape parameters of imported finned tubes

2.4 耐腐蝕性

應力腐蝕開裂是TP439 翹片發生失效的重要原因之一[11]。晶間腐蝕試驗結果表明，在國產與進口帶材制造的翅片管上取樣，在選定的腐蝕試驗條件下，耐晶間腐蝕試驗都能夠合格。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構因素討論如下。如前所述，由于C、Ti 元素的含量更低，利用國產帶材制造出的翅片管的抗拉強度與屈服強度略低于進口翅片管，但都能滿足設計要求。同時，加工中的熱過程導致了TiC 在鐵素體晶粒內部的析出在晶界附近會形成“貧碳區”，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果表明，在滿足設計要求的情況下，較低的屈服強度有利于提升抗應力腐蝕能力[12]。因此，國產翅片管的耐腐蝕性優于進口翅片管。

3 結論

本文介紹了國產MSR 翅片管的試制，并將國產翅片管的檢驗結果與進口翅片管的相關性能進行比較，得出以下結論：

（1）采用進口及國產原材料研制出的國產翅片管都能夠滿足設計及標準要求，翅片尺寸、理化性能等與進口產品相當。

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

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