CN104328272A

CN104328272A - 一种提高20控Cr无缝钢管抗冲刷腐蚀性能的喷丸处理方法

Info

Publication number: CN104328272A
Application number: CN201410540199.7A
Authority: CN
Inventors: 刘永长; 余黎明; 马宗青; 李冲; 王东坡
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2014-10-13
Filing date: 2014-10-13
Publication date: 2015-02-04

Abstract

本发明一种提高20控Cr无缝钢管抗冲刷腐蚀性能的喷丸处理方法；对20控Cr无缝钢管内壁进行室温超声喷丸处理，超声冲击振幅为10～100％、撞针直径为1.5～5毫米；时间为30～90分钟；然后对超声喷丸处理后的20控Cr无缝钢管内表面进行清理。随着超声喷丸处理工艺中撞针直径的增大、冲击振幅的增大，冲击处理的时间越长，20控Cr无缝钢管内壁的抗冲刷腐蚀性能先增加，随后保持不变或略有降低，这充分说明喷丸处理工艺，即冲击振幅和撞针直径，显著改变核电用20控Cr无缝钢管的残余应力状态，从而显著影响钢管的抗冲刷腐蚀性能，同时也表明该方法在生产过程中的通用性和重要性。

Description

一种提高20控Cr无缝钢管抗冲刷腐蚀性能的喷丸处理方法

技术领域

本发明属20控Cr钢管表面强化技术领域，特别涉及一种20控Cr无缝钢管室温喷丸处理来提高钢管内壁高温和室温抗冲刷腐蚀性能的处理方法。

背景技术

随着中国经济的快速发展，电力供应日趋紧张。在大力发展先进燃煤发电技术的同时，核电作为一种清洁能源得到了世界各国的高度重视和大力发展。按照中国核电中长期发展规划的要求，中国每年将新建3～4台100万千瓦核电机组，已成为世界在建核电项目最多的国家。

核电常规岛建设需要大量符合核电质量要求、直径大于219毫米的20控Cr无缝钢管。早期我国核电常规岛的建设均是采用国外进口的20控Cr无缝钢管，国产钢管存在质量控制不稳定的不足，给核电站的安全可靠运行带来了一定的风险，迫切需要发展先进的无缝钢管质量控制技术。核电站安全的重点在于防止核辐射泄漏，因此世界各国对核电站设备的设计、制造、检查等各环节都有很严格的要求。美国所采用的规范是联邦法规10CFR Part 50指定的ASME锅炉和压力容器规范；法国对核岛设备制订了RCC系列规范。美国用于核电站的碳钢管为SA106B，法国为TU42C、TU48C、或欧洲标准P280GH等。这些用于核电的碳钢管的化学成分、性能与用于火电的有所不同，对产品的生产过程和质量保证体系要求也更严格。中国核电站设计采用RCC系列规范，其中20控Cr钢是国内根据核电站使用环境要求，在国标20G的化学成分基础上添加0.15～0.30％Cr所形成的核电专用钢种，主要用于生产核电站的低压给水管道等部件，表1为20控Cr钢的主要化学成分。尽管20控Cr钢管部件高温运行参数较低，但质量稳定性要求极高，特别是要求具有良好的抗冲刷腐蚀性能和低温冲击性能。日本关西电力公司核电机组由于石墨组织的出现，导致服役过程钢管的抗冲刷腐蚀能力急剧下降，所引发的高温管道泄露事故警示着在20控Cr无缝钢管生产过程重视管道内壁抗冲刷腐蚀性能的改进，从而避免严重的管道泄露安全事故的发生。

表120控Cr钢常规化学成分(％)

组分	含量(wt.％)
		C	0.17～0.24
Si	0.17～0.37
		Mn	0.35～0.65

Cr	0.15～0.30
		Ni	≤0.25
Cu	≤0.25
		Al	≤0.015

在核电用20控Cr钢管生产中，产品的低温抗冲击性能可以通过化学成分和制造过程的精细组织控制来实现，如合金中Cr组元的增加、熔体精炼工艺的改进、热处理精细组织控制、球状石墨相消除等。研究表明：20控Cr无缝钢管的抗冲刷腐蚀性能的改进也可以通过增加Cr组元含量来实现，考虑到Cr组元含量的增加会导致钢管制造成本乃至核电站建设成本的增加，同时在核电无缝钢管产品规范中对Cr含量有较为严格的限制，因此，发展不改变钢管合金成分的表面强化处理的先进制造方法具有得天独厚的优势。

超声冲击处理方法是利用超声波使变幅杆产生高频振动，驱使弹丸对工件表面进行撞击来获得更深的残余压应力层。以往超声喷丸冲击处理常常用于消除部件表面或焊缝区有害残余拉应力，引进有益压应力来改善材料力学性能、疲劳性能和抗H₂S应力腐蚀性能，较少用于高温压力管道内壁处理来提高抗冲刷腐蚀性能的报导。超声冲击处理是改变金属制品表面残余应力的一般方法并在超高强钢、金属焊缝疲劳寿命提高方面取得了成功应用，如将残余应力由拉应力改变为压应力后大幅提高了超高强钢的疲劳寿命，并已经成功应用于飞机起落架的制造；在钢材焊缝处理中，超声喷丸处理常用于焊缝残余应力的消除；针对深海油气输送管线钢和高硫超深井管线钢需要提高抗H₂S应力腐蚀性能的要求，在钢材成分设计中注重添加高抗硫腐蚀的合金元素(如Cr、Mo和V等)和严格限制P、S等杂质元素外，采用超声冲击处理来改变残余应力状态并提高钢管抗H₂S应力腐蚀性能取得了较好的效果，但是，改处理方法存在一个门槛压应力值，抗H₂S应力腐蚀性能的提高需在高抗硫钢管表面获得一个大于门槛压应力值的残余应力。随着日本核电20控Cr无缝钢管高压核电管道泄露事故的发生，如何提高核电20控Cr钢管的抗冲刷腐蚀性能已成功核电机组安全运行的关键所在。鉴于冲刷腐蚀与H₂S应力腐蚀机制存在明显的不同，抗冲刷腐蚀性能的改进取决于表明致密氧化膜的形成和残余应力状态大小，在本发明实践中，对核电用20控Cr无缝钢管内壁进行超声冲击处理将残余应力消除或改变为压应力后，可促进表面致密氧化膜的形成，从而大幅提高了钢管的室温和高温抗冲刷腐蚀性能。

发明内容

本发明提出的是一种提高20控Cr无缝钢管抗冲刷腐蚀性能的喷丸处理方法，其目的就是通过对20控Cr无缝钢管内壁进行喷丸处理后得到残余压应力分布，在选定冲击振幅(0～100％)、撞针直径(1.5～5毫米)处理30～90分钟后，冲击头以每秒约2万次的频率冲击无缝钢管内壁得到最佳的室温和高温(工作温度：250度)抗冲刷腐蚀性能，避免发生腐蚀失效而导致管道泄露，推进其在核电常规岛建设中的安全应用。

通过以下实验得出本发明的技术方案：

将按表1合金成分核电常规岛目前使用的20控Cr无缝钢管壁进行超声喷丸冲击处理；喷丸处理过程示意图见图1所示，首先是将直径略小于钢管内径的导轨安装在钢管内部，在导轨上安置行走小车，行走小车上安装携带不同直径冲击针的喷丸枪，小车在导轨运动一周将完成一圈钢管内部的冲击处理，然后向前移动导轨，完成下一圈的喷丸冲击处理，注意要确保每一圈冲击处理表面与下一圈搭接，这样依次进行，便完成了整个钢管内壁的喷丸冲击处理过程。

通过选定超声喷丸处理工艺参数，即冲击振幅和撞针直径，钢管内壁残余应力状态发生了改变。图2给出了采用撞针直径为5毫米、不同冲击振幅(0～100％)下完成喷丸冲击处理90分钟后20控Cr无缝钢管的残余应力(通过X射线衍射半峰宽方法测定)大小，从中可以发现，随着冲击振幅的增加，钢管内壁表面残余亚压力的数值先是快速增大，冲击振幅增大到60％后压应力值稍微有所降低。

20控Cr无缝钢管内壁应力状态通过超声喷丸处理改变后的室温和高温(工作温度250度)抗冲刷腐蚀性能得到了明显改善。图3给出了撞针直径为4毫米、不同冲击振幅处理30分钟后20控Cr钢管的腐蚀速度大小。从图中可以看出，在室温(25度)和高温(250度)测试条件下，20控Cr无缝钢管的腐蚀速度先是快速降低，冲击振幅为60％时核电用20控Cr无缝钢管的腐蚀速度最低，之后随着冲击振幅的增加，腐蚀速度有所加快。

采用不同直径的撞针进行超声喷丸处理也显著影响20控Cr无缝钢管的抗冲刷腐蚀性能。图4为冲击振幅恒定为60％、冲击处理时间为60分钟时采用1.5～5毫米撞针进行超声喷丸处理后20控Cr无缝钢管的腐蚀速度大小。从中可以发现，不同撞针进行超声喷丸处理后腐蚀速率大小呈现相类似的变化规律，即先是随着撞针直径由1.5毫米增大到3.5毫米，20控Cr无缝钢管的腐蚀速率明显下降，当撞针直径继续增大时，腐蚀速率基本保持恒定。

不同的超声冲击处理时间亦影响20控Cr无缝钢管的抗冲刷腐蚀性能，图5为冲击振幅恒定为50％，撞针直径为4.5毫米，经不同超声冲击处理时间后20控Cr无缝钢管的抗冲刷腐蚀性能的变化规律。从图中可以发现，不同超声喷丸处理时间会导致钢管内壁腐蚀速率先降低，超声喷丸处理时间为70分钟后250oC时腐蚀速度基本保持不变，室温时腐蚀速度有非常小的降低幅度，考虑到生产成本的控制和20控Cr无缝钢管在核电常规岛中主要用于250oC蒸汽管道，此时再进一步增加超声冲击处理时间显得意义不大。

具有技术方案为：

对20控Cr无缝钢管内壁进行室温超声喷丸处理，超声冲击振幅为10～100％、撞针直径为1.5～5毫米；时间为30～90分钟；然后对超声喷丸处理后的20控Cr无缝钢管内表面进行清理。

优选技术方案为：超声冲击振幅为40～60％、撞针直径为3.5～4.5毫米；时间为30～70分钟。

总体说来，随着超声喷丸处理工艺中撞针直径的增大、冲击振幅的增大，冲击处理的时间越长，20控Cr无缝钢管内壁的抗冲刷腐蚀性能先增加，随后保持不变或略有降低，这充分说明喷丸处理工艺，即冲击振幅和撞针直径，显著改变核电用20控Cr无缝钢管的残余应力状态，从而显著影响钢管的抗冲刷腐蚀性能，同时也表明该方法在生产过程中的通用性和重要性。

总之，通过超声喷丸处理工艺来调整核电用20控Cr无缝钢管内壁的应力分布状况，即变拉应力为压缩应力，促进表面致密氧化膜的形成，可大幅改善钢管的抗冲刷腐蚀性能，这也是本发明专利的核心所在。

附图说明

图1为核电用20控Cr无缝钢管内壁完成喷丸冲击处理的简单机构示意图；

图2为20控Cr无缝钢管在不同冲击振幅(0～100％)下喷丸冲击处理90分钟后的残余应力大小图(其中撞针直径为5毫米)；

图3为不同冲击振幅处理后20控Cr无缝钢管内壁的室温和高温腐蚀速率(其中撞针直径为4毫米，超声冲击时间为30分钟)图；

图4采用1.5～5毫米撞针进行超声喷丸处理后20控Cr无缝钢管的腐蚀速度大小(其中冲击振幅恒定为60％，超声冲击时间为60分钟)图；

图5采用冲击振幅为50％，撞针直径为4.5毫米，经30～90分钟超声冲击处理后20控Cr无缝钢管内壁的腐蚀速率大小图。

具体实施方式

本发明的具体技术方案实施例如下：

实施例1：

将按表1合金成分核电常规岛目前使用的20控Cr无缝钢管内壁进行超声喷丸冲击处理，其处理过程见示意图1，选定超声冲击振幅为100％和撞针直径为5毫米，超声喷丸冲击处理时间30分钟来改变钢管内壁残余应力状态，

对超声喷丸处理以后的钢管内壁清理后，钢管内壁测得的室温腐蚀速度为4.65×10^－4mm/年，与未采用超声喷丸处理钢管室温腐蚀速度(7.01×10^－4mm/年)相比，钢管内壁的腐蚀速度仅为处理前的9％，钢管的抗冲刷腐蚀性能明显得到改善。

实施例2：

将按表1合金成分核电常规岛目前使用的20控Cr无缝钢管内壁进行超声喷丸冲击处理，其处理过程见示意图1，选定超声冲击振幅为60％和撞针直径为3.5毫米，超声喷丸冲击处理时间60分钟，来改变钢管内壁残余应力状态。

对超声喷丸处理以后的钢管内壁清理后，测得的钢管内壁室温腐蚀速度为4.11×10^－4mm/年，与未采用超声喷丸处理钢管室温腐蚀速度(7.01×10^－4mm/年)相比改善相对显著。

实施例3：

将按表1合金成分核电常规岛目前使用的20控Cr无缝钢管内壁进行超声喷丸冲击处理，其处理过程见示意图1，选定超声冲击振幅为10％和撞针直径为1.5毫米，超声喷丸冲击处理时间90分钟来改变钢管内壁残余应力状态。

对超声喷丸处理以后的钢管内壁清理后，测得的室温腐蚀速度为6.02×10^－4mm/年，与未采用超声喷丸处理钢管室温腐蚀速度(7.01×10^－4mm/年)相比改善较小。

实施例4：

将按表1合金成分核电常规岛目前使用的20控Cr无缝钢管内壁进行超声喷丸冲击处理，其处理过程见示意图1，选定超声冲击振幅为40％和撞针直径为4.5毫米，超声喷丸冲击处理时间70分钟来改变钢管内壁残余应力状态。

对超声喷丸处理以后的钢管内壁清理后，测得的室温腐蚀速度为4.22×10^－4mm/年，与未采用超声喷丸处理钢管室温腐蚀速度(7.01×10^－4mm/年)相比改善较小。

本发明提出的一种提高核电用20控Cr无缝钢管抗冲刷腐蚀性能的喷丸处理方法，通过控制超声喷丸处理工艺参数来改变无缝钢管的内部残余应力分布状态，获得相对数值较大的压应力来提高钢管的抗冲刷腐蚀性能，确保核电常规岛高温管道的运行安全。已通过实施例进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明的内容、精神和范围内对本文所述的制作方法进行改动或适当变更与组合，来实现本发明的技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims

1.一种提高20控Cr无缝钢管抗冲刷腐蚀性能的喷丸处理方法，其特征是对20控Cr无缝钢管内壁进行室温超声喷丸处理，超声冲击振幅为10～100％、撞针直径为1.5～5毫米；时间为30～90分钟；然后对超声喷丸处理后的20控Cr无缝钢管内表面进行清理。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是超声冲击振幅为40～60％、撞针直径为3.5～4.5毫米；时间为30～70分钟。