CN102691002A

CN102691002A - 一种核电用可焊碳钢无缝管及其生产方法

Info

Publication number: CN102691002A
Application number: CN2012101854626A
Authority: CN
Inventors: 王金龙; 马爱清; 张行刚; 张学颖; 张娜
Original assignee: Baotou Iron and Steel Group Co Ltd
Current assignee: Baotou Iron and Steel Group Co Ltd; Inner Mongolia Baotou Steel Union Co Ltd
Priority date: 2012-06-01
Filing date: 2012-06-01
Publication date: 2012-09-26

Abstract

本发明涉及一种核电用可焊碳钢无缝管及其生产方法，其特征是无缝钢管材料的质量百分比化学成分为：C 0.06～0.20；Mn 1.10～1.50；Si 0.10～0.35；Cr 0.20～0.30；Ni 0.20～0.30；Cu≤0.10；N≤0.008；P≤0.015；S≤0.005；Al_tot 0.02～0.04；O≤0.003，其余为Fe及不可避免的杂质，质量百分数总计100％；碳当量C_eq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.48。无缝钢管的热处理采用淬火+回火工艺，淬火加热温度为850～900℃，保温时间为40～60min，采用不超过30℃水作为淬火冷却介质；回火温度为620～660℃，保温时间为壁厚每1mm不少于1min，但不小于30min，然后在静止空气中冷却。本发明的优点是：成分简单、生产效率高、经济效益好，适合于规模化生产，具有良好的推广价值。

Description

一种核电用可焊碳钢无缝管及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种核电用可焊碳钢无缝管及其生产方法，属于冶金材料领域。

背景技术

核电是一种安全、经济、清洁、可靠的替代能源，在未来的能源结构调整中将发挥积极而重要的作用。目前，国家已把发展核电放在优先地位。核电站用钢是包括用于核电站的核岛、常规岛、电站辅助设备等设备制造用钢铁材料。核电用钢由于使用条件特殊，所以安全等级要求高，绝不允许发生泄漏。常规岛主蒸汽系统的作用是传输从蒸汽发生器中带出的蒸汽，主蒸汽管道的设计温度是316℃，处于蠕变温度以下，在运行中不产生蠕变，但在传输蒸汽过程中会产生流动加速腐蚀(FAC)现象。所以主蒸汽管道关键的寿命损耗机制是腐蚀、冲蚀等。另外，主蒸汽管道用钢要具有良好的焊接性能，使钢在简单可行的焊接条件下，钢材焊接后不产生裂纹，并获得良好的焊缝区的性能，以保证在传输蒸汽过程中不发生任何泄漏。因此，开发出一种抗流动加速腐蚀并具有良好可焊性的无缝钢管是非常有必要的，而且成分要尽量简单，以便于生产，提高经济效益。到目前为止，还未有与本发明体系类似的发明专利。

发明内容

本发明的目的是提供一种成分简单、便于生产，且具有抗流动加速腐蚀性能和良好可焊性的核电用可焊碳钢无缝管及其生产方法。

为实现上述目的，本发明是通过如下措施来实现：

一种核电用可焊碳钢无缝管，其特征在于，构成材料的质量百分比化学成分为：C 0.06～0.20；Mn 1.10～1.50；Si 0.10～0.35；Cr 0.20～0.30；Ni 0.20～0.30；Cu≤0.10；N≤0.008；P≤0.015；S≤0.005；Al_tot 0.02～0.04；O≤0.003，其余为Fe及不可避免的杂质，质量百分数总计100％。材料最佳的质量百分化学成分为：C 0.11；Mn 1.45；Si 0.25；Cr 0.25；Ni 0.30；Al_tot 0.03，其余为Fe及不可避免的杂质，质量百分数总计100％。

C的含量是保证强度满足标准要求的主要元素，C含量低，则强度可能满足不了要求，而C含量高会降低钢的可焊性，同时会提高辐照脆化性，所以C控制在0.06～0.20％范围内较适宜。Mn是主要合金元素，除了起强化基体作用外，还能有效地提高钢的淬透性，但Mn含量较高时，有使钢晶粒粗化的倾向，并增加钢的回火脆性和敏感性，因此将Mn控制在1.10～1.50％范围内。

Cr和Fe形成连续固溶体，与碳形成多种碳化物，它可以取代一部分Fe而而形成复合渗碳体(Fe，Cr)₃C，Cr的复杂碳化物(Fe，Cr)₇C₃、(Fe，Cr)₂₃C₆对于钢的性能有显著地影响，特别是耐磨性。流体加速腐蚀速率与流体温度、流速、pH值、电极电位、合金元素以及热力学等影响因素有关。Cr可提高铁素体的电极电位，从而提高其耐蚀性。Cr还促进在钢的表面形成致密的氧化膜，将金属表面与腐蚀介质隔开，从而阻碍其腐蚀过程。因此Cr可以有效的抑制FAC现象的发生。在等温转变时，Cr能有效地延长奥氏体转变的孕育期，也就是减缓奥氏体的分解速度，从而提高钢的淬透性。当钢中的Cr含量增加时，相对减薄率降低，Cr含量接近0.2％时，相对减薄率下降到0.1％。基于这个关系，本设计体系核电用可焊碳钢无缝管的Cr含量不小于0.2％。从经济和使用性能要求的角度，加入小于0.3％的铬可以提高低碳钢管道的抗腐蚀能力，以减少壁厚损失并从而减少到容器壁内表面上的氧化皮沉淀。因此将Cr控制在0.20～0.30％范围内较合适。

Ni和C不形成碳化物，它是形成和稳定奥氏体的主要合金元素。Ni与Fe以互溶的形式存在于钢中的α相和γ相中，起到强化作用，并通过细化α相的晶粒，改善钢的低温性能，特别是韧性，而且还有助于提高热轧钢的强度。Ni由于降低临界转变温度和降低钢中各元素的扩散速度，因而提高钢的淬透性。为了使碳钢的性能波动范围不致过大，Ni含量一般限制在0.3％以内。因此Ni含量选择在0.20～0.30％范围内较合适。

钢中含有铜，可以在提高强度的同时不造成钢的脆化，但含铜钢在热加工过程中易产生铜脆现象。当含有Ni元素，并且Ni/Cu达到某一特定值时，Ni可以消除钢中的铜脆现象。因此在本发明体系中，可以使用含铜废钢生产钢坯，也可根据生产实际情况微量加入。但Cu含量应控制在不大于0.10％较适宜。Al除起到脱氧作用外，Al和N结合所形成弥散的AlN粒子能起阻止奥氏体晶粒长大作用。为获得奥氏体晶粒长大倾向比较小的钢，必须保证钢中有0.02～0.04％的酸溶铝。因此Al_tot含量控制在0.02～0.04％范围内较合适。P对辐照脆化非常敏感，因此要求钢中的P含量要低于0.015％。S在钢中形成S化物夹杂，降低了钢的冲击韧性，影响钢的焊接性能，因此要求钢中的S含量应限制在0.005％以下。另外，焊缝熔化区中S、P含量较高，在凝固过程中将产生热裂纹，所以必须控制S、P的含量。材料最佳的质量百分化学成分是通过数值模拟计算和试验确定的最优成分含量组合。

所述无缝管构成材料中碳当量C_eq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.48。碳当量是评估钢焊接性好坏的概念，即把单个合金元素对热影响区硬化倾向的作用折算成碳的作用，再与钢中碳的质量分数加在一起，用这个碳当量来判断钢的焊接性。实践证明，碳当量大于0.4～0.5％时，钢就不具有良好的焊接性。在本发明体系内，碳当量不大于0.48时，具有较好的焊接性能。

无缝钢管生产主要工艺为：铁水→转炉冶炼→LF精炼→VD脱气→圆坯连铸→穿孔→轧管→定径→热处理。其中：关键控制工序为热处理工序采用淬火+回火工艺，淬火加热温度为850～900℃，保温时间为40～60min，采用不超过30℃水作为淬火冷却介质；回火温度为620～660℃，保温时间为壁厚每1mm不少于1min，总保温时间不小于30min，然后在静止空气中冷却。

淬火可以显著提高钢的强度和硬度，为了消除淬火钢的残余内应力，得到不同强度、硬度和韧性配合的性能，需要配以不同温度的回火。淬火加热温度的选择应以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则。淬火冷却介质为水，水温对水的冷却特性影响很大，水温升高，高温区的冷却速度显著下降，而低温区的冷却速度仍然很高。因此淬火时水温不应超过30℃。

本发明的优点是：通过选择合适的Cr、Ni含量及其他元素含量，并控制碳当量，使钢具有抗流动加速腐蚀性能、较好的机械性能及焊接性能。产品适用于核电工程中的常规岛主蒸汽系统，本发明成分简单、生产效率高、经济效益好，适合于规模化生产，具有良好的推广价值。

具体实施方式

各实例化学成分如表1所列。

表1 各实例化学成分(wt.％)

注：O、N、S、P含量符合体系设计要求

各实例所生产无缝管壁厚为50mm。淬火加热温度为880℃，保温时间为60min；回火温度为640℃，保温时间为60min。各实例夹杂及金相组织如表2所示，拉伸性能如表3所示。

表2各实例夹杂及金相组织

注：表中P珠光体，F为铁素体

表3各实例拉伸性能

实例1、实例2、实例3、实例4的0℃夏比V型缺口冲击吸收能量分别为160J、152J、172J、166J。

从表2、表3及冲击试验可以发现，各实例具有较好的夹杂及金相组织，具有较好的力学性能，可适用在核电工程中的常规岛主蒸汽系统。实例1具有较好的综合力学性能，夹杂细小，晶粒组织均匀细小。

Claims

1.一种核电用可焊碳钢无缝管，其特征在于，构成材料的质量百分比化学成分为：C 0.06～0.20；Mn 1.10～1.50；Si 0.10～0.35；Cr 0.20～0.30；Ni 0.20～0.30；Cu≤0.10；N≤0.008；P≤0.015；S≤0.005；Al_tot 0.02～0.04；O≤0.003，其余为Fe及不可避免的杂质，质量百分数总计100％。

2.根据权利要求1所述的核电用可焊碳钢无缝管，其特征在于，构成材料的质量百分化学成分为：C 0.11；Mn 1.45；Si 0.25；Cr 0.25；Ni 0.30；Al_tot0.03，其余为Fe及不可避免的杂质，质量百分数总计100％。

3.根据权利要求1所述的核电用可焊碳钢无缝管，其特征在于，所述无缝管构成材料中碳当量C_eq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.48。

4.一个根据权利要求1、2、3任一权利要求所述的核电用可焊碳钢无缝管的生产方法，其特征在于，无缝管的工艺为：铁水→转炉冶炼→LF精炼→VD脱气→圆坯连铸→穿孔→轧管→定径→热处理；其中：热处理工序采用淬火+回火工艺，淬火加热温度为850～900℃，保温时间为40～60min，采用不超过30℃水作为淬火冷却介质；回火温度为620～660℃，保温时间为壁厚每1mm不少于1min，总保温时间不小于30min，然后在静止空气中冷却。