CN106938285A - 一种不锈钢方管的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不锈钢方管的制造方法，管坯采用锻造圆锭，经热挤压、冷变形、热处理、表面处理得到成品；具体为：（1）将不锈钢管坯通过热挤压和冷轧/冷拔的无缝成型工艺得到与成品尺寸相对应的半成品圆管；（2）半成品圆管通过两道次拉拔的方法得到符合尺寸要求的方管；第一道次为空拔，第二道次为短芯棒衬拔；（3）热处理：成品采用辊底式热处理炉进行固溶热处理，热处理过程共分为4段。本发明产品可应用于AP1000、CAP1000、CAP1400、华龙一号等第三代核反应堆的余热排出换热器上，具有特殊的截面形状、高耐蚀性能、高表面光洁度、高外形尺寸精度并要求通过严格的超声波探伤和渗透探伤检验。
Description
技术领域
本发明涉及一种不锈钢方管的制造方法，属于钢铁材料成型技术领域。
背景技术
余热排出换热器是第三代裂变核反应堆的核心安全部件，用于紧急情况下排出热量保护堆芯，目前我国主要发展的堆型AP1000、CAP1000、CAP1400、华龙一号等均采用相似的余热排出换热器设计。本文涉及的不锈钢方管是余热排出换热器的主要结构部件之一。
由于此部件接触海水且在反应堆运行周期内不进行检修更换，要求产品具有高耐蚀性特别是耐氯化物腐蚀的性能；耐均匀腐蚀和点腐蚀性能要求高表面光洁度；同时要求通过严格的超声波探伤和渗透探伤检验，保证产品内部和表面无裂纹、夹杂物等缺陷，降低应力腐蚀的风险。
目前，异形不锈钢管的制造方法主要有热挤压直接成型、冷弯成型后焊接、焊接圆管辊轧、无缝管滚模拉拔、无缝管固定模拉拔等几种。由于核电应用环境的安全性要求，焊接成型要求焊缝全长保证无缺陷，对焊接工艺和无损检测提出极高的要求，工艺成本较高；同时焊接残余应力对耐蚀性能和外形尺寸也有不利影响。
对于几种无缝生产工艺，由于高尺寸精度和表面质量要求，热挤压直接成型无法满足要求（热挤压管壁厚精度在±0.5mm以上，且表面粗糙度较高）；而滚模拉拔适于拔制带棱角的异形管。对于此大圆弧角方形截面管，适于用无缝管固定模拉拔成型。
发明内容
本发明旨在提供一种不锈钢方管的制造方法，是一种特殊截面形状的不锈钢方管的制造方法，可应用于AP1000、CAP1000、CAP1400、华龙一号等第三代核反应堆的余热排出换热器上，具有特殊的截面形状、高耐蚀性能、高表面光洁度、高外形尺寸精度并要求通过严格的超声波探伤和渗透探伤检验。
为保证产品的尺寸精度、耐蚀性能和均匀无缺陷的组织性能，我们设计了热挤压不锈钢无缝管加固定模冷拔的工艺方法，通过热挤压细化组织晶粒，避免裂纹、折叠等缺陷产生；固定模冷拔得到精确的外形尺寸，提高表面光洁度；通过固溶热处理消除加工应力，提高材料的耐蚀性能，同时得到较好的表面质量。
产品尺寸公差要求为：（1）边长公差±1.6mm；（2）壁厚公差-0.2~+0.8mm；（3）圆弧角±1mm。平面部分凹凸度要求不超过边长的0.6%；弯曲度要求每米不大于1mm，总弯曲度不大于总长的0.2%；端面切斜度要求≤3mm；如图1所示。
产品力学性能要求见表1。
表1 产品力学性能要求
产品要求通过晶间腐蚀试验，试验标准RCC-M MC1310，敏化处理采用A法处理，检验标准M3306。敏化处理制度：保温温度为650℃±10℃。经试验的试样按规定弯曲后，在10倍放大镜下观察其弯曲外表面，应无因晶间腐蚀而产生的裂纹。
不锈钢方管的制造过程包括以下工序：管坯→热挤压→冷加工→保护气氛固溶退火热处理→清洗→渗透检验→超声波检验→目视及尺寸检验→包装。
本发明提供了一种不锈钢方管的制造方法，包括从管坯到成品的全流程生产工艺，达到较高的尺寸精度、耐蚀性能和组织性能要求，可以应用于AP1000、CAP1000、CAP1400、华龙一号等第三代核反应堆余热排出换热器，具有特殊的截面形状、高耐蚀性能、高表面光洁度、高外形尺寸精度并要求通过严格的超声波探伤和渗透探伤检验。
本发明提供了一种不锈钢方管的制造方法，具体包括以下步骤：
（1）圆管加工工艺
圆钢坯通过热挤压和冷轧/冷拔的无缝成型工艺得到与成品尺寸相对应的半成品圆管，采用热挤压工艺可保证成品具有均匀的组织性能，减少内螺旋、裂纹、重皮等缺陷，提高表面质量；
（2）方管加工工艺
半成品圆管通过两道次拉拔的方法得到符合尺寸要求的方管。第一道次为空拔，第二道次为短芯棒衬拔。在拉拔模变形带和产品内外壁上涂抹SHELL 3#冷加工润滑脂，达到吸收变形热、减小摩擦力和保护产品表面的效果。
（3）热处理
成品采用辊底式热处理炉进行固溶热处理，热处理过程共分为4段。第一段为预热段，加热速率不得高于55℃/min，加热时间18~20min，根据环境温度进行调整；第二段为加热段，预热温度1020℃±15℃，加热时间12min；第三段为均热段，均热保温温度1080℃±15℃，均热保温时间按照最大壁厚1.5min/mm。第四段为保温完成后快速冷却进行固溶处理，使成品晶粒尺寸均匀。
上述方管加工工艺中，所述变形模具设计为：
第一道次拉拔采用弧形模，拉拔模入口时应尽量增加初始接触面积，以避免截面变形过程中失稳。入口锥是由四个二次曲面组成的喇叭口，二次曲面与定径带方柱体的表面相交形成过渡区。入口锥角45°→12°渐变，过渡带为“舌形”，打磨连接部至圆滑无棱角，
第二道次拉拔采用采用锥形外模和柱形内模，外模的入口处设计了12°的锥角，外模定径带长度25mm，内模前端倒角5×45°，角部倒角7×45°，定径段长度100mm。
材质选择为YG8外模+钢质模套+T8A内模。
上述制造方法中，所述步骤（2）第一道次拉拔周边压缩系数η为1.06~1.14；
上述制造方法中，所述步骤（2）第二道次减壁量为0.3-0.6mm，延伸系数为1.1-1.2。
本发明采用的不锈钢管坯，其包括以下质量分数的元素：
C：≤0.065；
Mn：≤2.00；
P：≤0.035；
S：≤0.005；
Si：≤1.00；
Ni：8.00-10.50；
Cr：18.00-20.00；
Co：≤0.05；
本发明的产品采用230mm、290mm或450mm直径的锻造圆锭，经热挤压、冷变形、热处理、表面处理得到成品；本发明的核心技术内容为冷变形和热处理工艺。
通过热挤压和冷轧得到与成品尺寸相对应的半成品圆管，如AP1000反应堆所用的203×203×12.7mm方管，对应半成品圆管尺寸为Φ264×14mm；CAP1000反应堆所用的220×220×12mm方管，对应半成品圆管尺寸为Φ293×14.5mm；AP1400反应堆所用的250×250×15mm方管，对应半成品圆管尺寸为Φ270×14.5mm。
采用热挤压工艺可细化晶粒，保证成品具有均匀的组织性能，减少内螺旋、裂纹、重皮等缺陷，提高表面质量。
冷变形的关键工艺为圆变方冷拔，包括变形道次设计、拉拔模设计、润滑方法等。
圆管通过空拔成方管过程中，金属质点的运动主要是横向移动，靠拉拔外模给予的径向压力实现的。圆管空拔时如管体受到径向均布压力q超过临界压力q k时，管壁将发生塑性弯曲即失稳，设计成品截面形状将被破坏。临界压力q k可按下式计算
(1)
S圆管壁厚，R圆管半径
σ s 圆管屈服强度；E t 圆管正切模量；N大于等于2的整数。
以203×203×12.7mm方管为例，根据（1）式计算，如采用圆管一道次空拔成方管的工艺，临界压力q k=69.2 kN；而根据试验中拉拔力算得定径段管壁受到径向均布压力q=89kN>q k；即难以保证拉拔后各边充满孔型。
由于空拔成方管时边部与角部金属流动速度不同，会造成边部与角部壁厚不同的现象。衬拉对方形四角支撑较好，提高了拔制稳定性。但采用圆管一道次带内模衬拉成成品的工艺，由于圆变方变形与减壁变形同时进行，拉拔力过大会导致拉拔头断裂。
综上对于大尺寸不锈钢方管，合适的工艺是采用圆管定径定壁后一道次空拔至较大尺寸方管，加一道次衬拉至最终尺寸。
对于异形管空拔变形过程，周边压缩系数η是最关键的参数。周边压缩系数η表示拉拔前圆管周长与成品管周长的关系，只有将周边压缩系数控制在一个适当范围才能保证空拔后产品截面形状。
（2）
D 0圆管直径，L n拉拔后截面周长
对于大尺寸不锈钢方管，η取1.06~1.14。
第一道次变形周边压缩系数设为η 1。为选取最优化的η 1值，采用PRO/E软件建立拉拔件和拉拔模模型，采用MARC有限元软件对拉拔过程进行变形模拟。取η 1从1.00至1.20，间隔0.01共21个数值，分别模拟模拟拉拔后产品截面形状。以203×203×12.7mm方管为例，分析模拟结果，η 1<1.08时四角无法完全充满孔型，η 1＞1.15时四边会产生内凹，最后选取η 1=1.10。
第二道次衬拉最重要的参数为减壁量。如果没有减壁，当管壁与芯棒接触之前已出现管壁失稳，由于不锈钢管的弹性恢复，失稳情况不可能得到完全纠正。通常小尺寸异形管拉拔减壁量取0.05~0.3mm，对核电用不锈钢方管产品来说，会导致拔制后各边平面度较差。对于不锈钢管，增大减壁量可消除第一道次空拔过程中产生的不均匀壁厚增加；同时会加大变形延伸系数，保证成品管晶粒度≥4。以203×203×12.7mm方管为例，经过反复试验，最终设定减壁量0.5mm，延伸系数1.173。
为提高拉拔过程的稳定性，第一道次空拔模采用弧形模。在第一道次拔制时，圆管进入模孔时圆周上各点并非同时与模壁接触，为减少沿周长上变形的不同时性，设计拉拔模入口时应尽量增加初始接触面积，以避免截面变形过程中失稳。入口锥是由四个二次曲面组成的喇叭口，二次曲面与定径带方柱体的表面相交形成过渡区，如图2。
弧形模参数如图3、4所示。
弧边相对于定径带高度
(3)
入口锥面任一截面的弧方形弧边的曲率半径
(4)
d 弧边宽度，L入口锥长度，L x截面与入口平面距离，α入口锥角
R 1 入口锥出口平面弧边曲率半径，R 2 入口锥入口平面弧边曲率半径
q 弧边与定径带相贯线宽度，q=2~7mm
A-A面为入口锥入口平面，B-B面为入口锥出口平面对于圆变方变形，当入口锥角α过大时，轴向延伸小，容易出现边部过充满和平面凹陷的缺陷；根据有限元计算结果，设计了45°→12°渐变入口锥角。为使四边圆滑过渡，设计了“舌形”过渡带，同时打磨连接部至圆滑无棱角。
在模具材质选择上，由于此管拉拔力较大，在试验中钢模磨损很快，每根拉拔后都需打磨外模过渡段和定径段，每个模具寿命仅为3~8根，成本反而高于硬质合金模。对于此产品，选择YG8外模+钢质模套+T8A内模的材质较为适合。
对第二道次方管衬拉，通过模拟不同变形段参数设计的拉拔力，选取了拉拔力最小最稳定的模具设计。以203×203×12.7mm方管为例，在外模的入口处设计了12°的锥角，且入口处宽度为233.9mm，大于方管外部的宽度225mm，保证了第一道圆变方后的方管能够较平缓的进入外模定径带。采用锥形外模和柱形内模，外模定径带长度25mm，内模前端倒角5×45°，角部倒角7×45°，定径段长度100mm。
由于此产品尺寸大、变形量大，冷拔时会产生大量的变形热，影响润滑效果。在拉拔模变形带和产品内外壁上涂抹SHELL 3#冷加工润滑脂，达到吸收变形热、减小摩擦力和保护产品表面的效果。
成品采用辊底式热处理炉进行固溶热处理，热处理过程共分为4段。第一段为预热段，加热速率不得高于55℃/min，加热时间18~20min，根据环境温度进行调整；第二段为加热段，预热温度1020℃±15℃，加热时间12min；第三段为均热段，均热保温温度1080℃±15℃，均热保温时间按照最大壁厚1.5min/mm。第四段为保温完成后快速冷却进行固溶处理，使成品晶粒尺寸均匀。工艺如图6所示。
本发明的有益效果：
（1）本发明所述的产品经渗透检验、超声波检验、目视及尺寸检验，产品具有特殊的截面形状、高耐蚀性能、高表面光洁度、高外形尺寸精度、组织性能均匀一致无缺陷，各项性能参数完全满足第三代核反应堆的设计要求，可应用于我国各型号的核反应堆用余热排出换热器。
（2）采用本发明技术生产的不锈钢方管整体性能、组织均一，避免了以热轧或焊接成型工艺方式生产的不锈钢方管性能缺点；
（3）产品可代替进口，应用于AP1000、CAP1000、CAP1400、华龙一号等核电站堆型，将带来可观的经济效益。
（4）本发明技术避免了该领域国外技术及产品形成垄断，产品具有广阔的市场推广前景，同时，在推动我国不锈钢产业技术向高精尖、高附加值方向发展，实现钢铁大国向钢铁强国的转型方面，也具有极其重要的社会意义。
附图说明
图1为203×203×12.7mm方管的剖面图。
图2为空拔弧形模的示意图。
图3为图2中空拔弧形模的入口锥曲面参数设计图。
图4为图3中沿A-A线的视图。
图5为203×203×12.7mm方管衬拉外模的主视图。
图6为图5中外模的剖视图。
图7为成品钢管热处理过程曲线图（S为壁厚）。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
本发明的工艺步骤是：
管坯→热挤压→冷加工→保护气氛固溶退火热处理→清洗→渗透检验→超声波检验→目视及尺寸检验→包装。
本发明采用的不锈钢，其成分质量分数为
C：≤0.065；
Mn：≤2.00；
P：≤0.035；
S：≤0.005；
Si：≤1.00；
Ni：8.00-10.50；
Cr：18.00-20.00；
Co：≤0.05；
实施例1
成品尺寸为203×203×12.7mm。采用热挤压+冷变形工艺，采用Φ450mm锻造圆锭，挤压为Φ325×24mm圆管，冷轧得到Φ264×14mm圆管，冷拔得到220×220×14mm方管，冷拔得到203×203×12.7mm方管。经保护气氛固溶退火热处理、清洗，经过渗透检验、超声波检验、目视及尺寸检验，得到成品。
实施例2
成品尺寸为220×220×12mm。采用热挤压+冷变形工艺，采用Φ450mm锻造圆锭，挤压为Φ325×18mm圆管，冷轧得到Φ325×14mm圆管，冷拔得到236×236×14mm方管，冷拔得到220×220×12mm方管。经保护气氛固溶退火热处理、清洗，经过渗透检验、超声波检验、目视及尺寸检验，得到成品。
实施例3
成品尺寸为250×250×15mm。采用热挤压+冷变形工艺，采用Φ450mm锻造圆锭，挤压为Φ325×20mm圆管，冷拔得到Φ325×18mm圆管，冷拔得到270×270×17mm方管，冷拔得到250×250×15mm方管。经保护气氛固溶退火热处理、清洗，经过渗透检验、超声波检验、目视及尺寸检验，得到成品。
对比例1
采用冷弯焊接工艺的同类产品，由于存在全长度焊缝，需采用全长射线探伤保证焊缝质量，耗费大量人力且质量可靠性较差；同时存在较大的焊接残余应力，影响耐腐蚀性能。对比例的产品质量可靠性和制造经济性均不如本发明产品。
对比例2
采用热挤压直接成型的同类产品，壁厚精度在±0.5mm以上，不满足产品壁厚0.2~+0.8mm的要求 且表面粗糙，影响产品耐蚀性能。对比例的产品性能不满足核反应堆使用要求。
Claims (8)
1.一种不锈钢方管的制造方法，其特征在于包括以下内容：
（1）圆管加工工艺
将不锈钢管坯通过热挤压和冷轧/冷拔的无缝成型工艺得到与成品尺寸相对应的半成品圆管；
（2）方管加工工艺
半成品圆管通过两道次拉拔的方法得到符合尺寸要求的方管；第一道次为空拔，第二道次为短芯棒衬拔；
（3）热处理
成品采用辊底式热处理炉进行固溶热处理，热处理过程共分为4段：第一段为预热段，加热速率不得高于55℃/min，加热时间18~20min，根据环境温度进行调整；第二段为加热段，预热温度1020℃±15℃，加热时间12min；第三段为均热段，均热保温温度1080℃±15℃，均热保温时间按照最大壁厚1.5min/mm；第四段为保温完成后快速冷却进行固溶处理，使成品晶粒尺寸均匀。
2.根据权利要求1所述的不锈钢方管的制造方法，其特征在于：所述不锈钢管坯是指直径为230mm、290mm或450mm的锻造圆锭，其包括以下质量分数的元素：
C：≤0.065%；
Mn：≤2.00%；
P：≤0.035%；
S：≤0.005%；
Si：≤1.00%；
Ni：8.00-10.50%；
Cr：18.00-20.00%；
Co：≤0.05%。
3.根据权利要求1所述的不锈钢方管的制造方法，其特征在于：步骤（2）方管加工工艺中，两道次拉拔过程中采用的模具，第一道次拉拔采用弧形模，入口锥是由四个二次曲面组成的喇叭口，二次曲面与定径带方柱体的表面相交形成过渡区，入口锥角45°→12°渐变，过渡带为舌形，打磨连接部至圆滑无棱角；
第二道次拉拔采用锥形外模和柱形内模，外模的入口处设计了12°的锥角，外模定径带长度25mm，内模前端倒角5×45°，角部倒角7×45°，定径段长度100mm。
4.根据权利要求3所述的不锈钢方管的制造方法，其特征在于：所述第二道次拉拔采用的模具材质为：YG8外模+钢质模套+T8A内模。
5.根据权利要求1所述的不锈钢方管的制造方法，其特征在于：步骤（2）中，第一道次拉拔的周边压缩系数η1.06~1.14。
6.根据权利要求1所述的不锈钢方管的制造方法，其特征在于：步骤（2）中，第二道次减壁量0.3-0.6mm，延伸系数1.1-1.2。
7.根据权利要求1所述的不锈钢方管的制造方法，其特征在于：步骤（2）中，在拉拔模变形带和产品内外壁上涂抹SHELL 3#冷加工润滑脂。
8.根据权利要求1所述的不锈钢方管的制造方法，其特征在于：步骤（1）所得半成品圆管的尺寸为：
AP1000反应堆所用的203×203×12.7mm方管，对应半成品圆管尺寸为Φ264×14mm；
CAP1000反应堆所用的220×220×12mm方管，对应半成品圆管尺寸为Φ293×14.5mm；
AP1400反应堆所用的250×250×15mm方管，对应半成品圆管尺寸为Φ270×14.5mm。
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