CN109825675A - 用于快堆蒸汽发生器的换热管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于快堆蒸汽发生器的换热管及其制备方法，其特征在于，所述换热管的材料包括2.25Cr‑1Mo钢；其中，所述换热管包含：质量百分比均不大于0.01％的As、Sn、Sb、Bi、Pb；以及质量百分比分别不大于0.005％、0.008％、0.002％、0.00015％的S、P、O、H。

Description

用于快堆蒸汽发生器的换热管及其制备方法

技术领域

本发明的实施例涉及核工程领域，特别涉及一种用于快堆蒸汽发生器的换热管及其制备方法。

背景技术

蒸汽发生器是快堆最为关键的设备之一，其功能是实现二回路(液态金属载热剂)和三回路(水/蒸汽)之间的换热。蒸汽发生器材料的可靠性会影响设备的可靠，甚至会严重影响电厂安全及运行效率。

快堆蒸汽发生器的换热管运行工况比较苛刻复杂，需要面临高温、高压、流致振动、微动磨损、热疲劳、水蒸汽氧化腐蚀等问题。这要求换热管必须具备良好的热强性、抗疲劳性、塑性及韧性。

2.25Cr-1Mo钢是一种低合金耐热钢，具有较高的热强性和组织稳定性，其中Cr和Mo的质量分数分别在2.25％和1％左右。2.25Cr-1Mo钢在高温气冷堆、石化及火电行业已广泛应用，但在快堆领域，国内尚无制造这种材料的经验。2.25Cr-1Mo钢在不同应用领域的化学成分具有差异，并且在快堆蒸汽发生器应用上有更高的要求。

现有技术中用于高温气冷堆的换热管一般采用电炉、氧气转炉加炉外精炼或电渣重熔法进行冶炼，之后再冷轧，并进行正火和回火的交货热处理，该制造工艺在石岛湾高温气冷堆蒸汽发生器用SA213 T22换热管中有体现。采用该冶炼工艺会使得对管材中夹杂物及气体含量的控制水平较差，影响材料的疲劳性能及第二类回火脆性，长期使用中易发生珠光体球化和石墨化，显著降低钢的蠕变强度和持久强度，同时难以保证批次稳定性。

国内加氢反应器与火电机组锅炉管主要利用纯氧顶吹转炉或电炉冶炼，纯净度同样不高，电炉冶炼毛管外表面易出现折叠缺陷，毛管内外表面质量较差。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种用于快堆蒸汽发生器的换热管及其制备方法，以解决上述技术问题中的至少一个方面。

根据本发明的一个方面，提出一种用于快堆蒸汽发生器的换热管，其特征在于，所述换热管的材料包括2.25Cr-1Mo钢；其中，所述换热管包含：质量百分比均不大于0.01％的As、Sn、Sb、Bi、Pb；以及质量百分比分别不大于0.005％、0.008％、0.002％、0.00015％的S、P、O、H。

根据本发明的另一方面，提出一种用于快堆蒸汽发生器的换热管的制备方法，包括以下步骤：冶炼：采用真空感应与真空自耗相结合的双真空冶炼工艺进行冶炼，以得到钢锭；锻造：对冶炼得到的钢锭进行锻造，以得到圆棒坯，其中锻造比不小于3；热穿孔：在1000～1300℃的均热温度下对圆棒坯进行保温5～20min后，进行热穿孔，以得到管坯；冷轧：对管坯进行冷轧，冷轧道次数设置为三次，控制每道次冷轧的变形量为40％～70％；热处理：对冷轧后的管材进行正火+回火热处理。

根据一些实施方式，所述冶炼步骤的真空度控制为不超过2.7Pa。

根据一些实施方式，所述冷轧步骤中，第一道次冷轧的变形量控制为40％～50％；第二道次冷轧的变形量控制为60％～70％；以及第三道次冷轧的变形量控制为60％～70％。

根据一些实施方式，所述冷轧步骤还包括：在各道次冷轧之间对管坯进行中间退火。

根据一些实施方式，第一道次冷轧后在大气中进行中间退火；第二道次冷轧后在保护气氛下进行光亮退火，其中，保护气氛为氮气和氢气，光亮退火的温度为750～800℃，保温时间为40～80min。

根据一些实施方式，所述热处理步骤中，正火处理的温度为900～950℃，保温时间为20～30min；以及回火处理的温度为750～800℃，保温时间为30～50min。

根据一些实施方式，所述换热管的尺寸设计为：外径尺寸为15.95mm～16.05mm，壁厚为2.5mm～2.7mm；或者外径尺寸为15.95mm～16.05mm，壁厚为3mm～3.2mm。

根据一些实施方式，还包括：在所述热处理步骤后，对管材进行矫直、检验、清洁、标识及包装。

在根据本发明的实施例的用于快堆蒸汽发生器的换热管及其制备方法中，通过采用真空感应与真空自耗相结合的双真空冶炼工艺进行冶炼，可以有效控制2.25Cr-1Mo钢管的合理化学成分范围，避免杂质元素、气体元素及五害元素过高导致材料的塑性、韧性、持久强度、疲劳性能等下降，同时能够保证管材内外表面质量光洁，防止出现裂纹、折叠；此外，冷轧工艺和热处理工艺能够保证组织的均匀性和合适的晶粒度大小，从而保证换热管的良好性能。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于快堆蒸汽发生器的换热管的制备方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

本发明的用于快堆蒸汽发生器的换热管的材料包括2.25Cr-1Mo钢；其中，所述换热管包含：质量百分比均不大于0.01％的As、Sn、Sb、Bi、Pb；以及质量百分比分别不大于0.005％、0.008％、0.002％、0.00015％的S、P、O、H。所述换热管具体可用于钠冷快堆的蒸汽发生器，钠冷快堆属于第四代核电堆型，其可以增殖核燃料，对铀资源的利用率大大提高；而且，可以将热堆核电厂中产生的大部分长寿命放射性核素通过裂变反应转换成短寿命的裂变产物，实现放射性废物最少化。

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于快堆蒸汽发生器的换热管的制备方法的流程图。如图1所示，所述换热管的制备方法包括以下步骤：

S1，冶炼：采用真空感应与真空自耗相结合的双真空冶炼工艺进行冶炼，以得到钢锭；

S2，锻造：对冶炼得到的钢锭进行锻造，以得到圆棒坯，其中锻造比不小于3；

S3，热穿孔：在1000～1300℃的均热温度下对圆棒坯进行保温5～20min后，进行热穿孔，以得到管坯；

S4，冷轧：对管坯进行冷轧，冷轧道次数设置为三次，控制每道次冷轧的变形量为40％～70％；

S5，热处理：对冷轧后的管材进行正火+回火热处理。

在根据本发明的实施例的用于快堆蒸汽发生器的换热管及其制备方法中，通过采用真空感应与真空自耗相结合的双真空冶炼工艺进行冶炼，可以有效控制2.25Cr-1Mo钢管的合理化学成分范围，避免杂质元素、气体元素及五害元素过高导致材料的塑性、韧性、持久强度、疲劳性能等下降，同时能够保证管材内外表面质量光洁，防止出现裂纹、折叠；此外，冷轧工艺和热处理工艺能够保证组织的均匀性和合适的晶粒度大小，从而保证换热管的良好性能。

工艺决定组织，组织决定性能，以上制备方法的各步骤环环相扣，任何一步选用或控制不当都会影响最终的材料性能。

在冶炼步骤中，原材料可以采用结晶Si、金属Cr、纯铁、光电碳等高纯度的精料，并且冶炼过程的真空度控制为不超过2.7Pa。真空感应冶炼是在真空条件下，利用电磁感应在金属导体内产生涡流加热炉料进行冶炼的方法，便于温度压力控制、可回收易挥发元素并能够准确控制合金成分。真空自耗冶炼是指在真空条件下，被熔材料作为一电极，水冷铜坩埚为另一电极，在两极间引弧，被熔材料被电弧高温熔化而滴入坩埚中，逐步熔化，逐步冷凝成锭子的冶炼方法。由于熔化与冷凝速度较快，因此炼成的合金成分较均匀，偏析较少；在真空中熔炼，可显著脱除氢与部分易挥发杂质；通过上浮作用可明显降低夹杂物含量。先通过真空感应冶炼铸成电极，再利用真空自耗重熔成锭，可提高合金的塑性、高温持久强度及疲劳强度等性能。

在本发明的实施例中，首先将原材料放入真空感应熔炼炉中，待炉内真空度小于2.7Pa时加热原材料，冶炼温度可以为1400～1700℃，经熔炼后将溶液浇铸至模具中得到铸锭，待模具冷却后将铸锭出炉；然后将上述铸锭切除冒口，并加工成自耗电极，再利用真空自耗电弧熔炼炉进行二次冶炼，最终得到钢锭，冶炼步骤需控制钢锭中Cr的质量百分比在2％～2.7％的范围内，Mo的质量百分比在0.9％～1.1％的范围内。

气体元素N、O、H含量，杂质元素S、P含量及五害元素As、Sn、Sb、Bi、Pb的含量过高，会产生冷脆、热脆、氢脆、时效脆化现象，使得材料的塑性、韧性、持久强度、疲劳性能等下降。本发明采用双真空冶炼工艺并采用高纯度的精料作为原料，可以控制合理的化学成分范围。纯铁应使得其S、P含量足够低，避免有害元素含量超标。通过控制真空感应冶炼的真空度，可以严格控制N、O、H等气体元素含量。

锻造是指利用锻造机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。锻造比是锻造时金属变形程度的一种表示方法，通常以金属变形前后的横截面积的比值来表示。本发明对冶炼得到的钢锭进行锻造，以得到圆棒坯。锻造可以分多个火次完成，例如，第一火锻造可以经多次墩粗后得到方坯，第二火锻造可以采用单向拔长锻造得到长方坯，然后第三火锻造可以采用模锻得到圆棒坯。

热穿孔是将圆棒坯加热后通过穿孔得到管坯的变形过程。本发明热穿孔步骤的均热温度可以为1000～1300℃，均热时间可以为5～20min，避免加热制度不当导致管坯出现夹层、纵向裂纹缺陷。热穿孔过程中要注意控制顶头位置，防止顶头在穿轧过程中偏离管坯中心而产生轧卡现象，或者管坯中心出现孔腔，毛管内壁出现内折缺陷。进一步地，热穿孔的温度范围可以为1100～1250℃，在此范围内合金具有较低的强度和较高的塑性，穿孔中使合金的塑性变形在单一的奥氏体下进行。在其他实施例中，热穿孔工艺也可以采用热挤压工艺进行等效替换。

本发明的冷轧步骤中，第一道次冷轧的变形量可以控制为40％～50％；第二道次冷轧的变形量可以控制为60％～70％；以及第三道次冷轧的变形量可以控制为60％～70％。终轧变形量较大是为了获得细小的晶粒。

本发明所制备的换热管可以包括两种尺寸规格：

第一种：外径尺寸为15.95mm～16.05mm，壁厚为2.5mm～2.7mm；即尺寸规格以外径×壁厚的方式表示为Φ16mm×2.5mm，其中外径公差为±0.05mm，壁厚公差为0～+0.20mm；或者

第二种：外径尺寸为15.95mm～16.05mm，壁厚为3mm～3.2mm；即尺寸规格以外径×壁厚的方式表示为Φ16mm×3mm，其中外径公差为±0.05mm，壁厚公差为0～+0.20mm。

对于以上两种规格的管材，各道次冷轧的尺寸可以控制如下：

第一种：由尺寸为Φ80mm的圆棒坯经热穿孔得到尺寸为Φ80×7.5mm的荒管；第一道次冷轧后得到尺寸为Φ57×5.5mm的管材，冷轧变形量设计为40％～50％；第二道次冷轧后得到尺寸为Φ30×3.2mm的管材，冷轧变形量设计为60％～70％；第三道次冷轧后得到尺寸为Φ16×2.5mm的管材，冷轧变形量设计为60％～70％。

第二种：由尺寸为Φ80mm的圆棒坯经热穿孔得到尺寸为Φ80×7.5mm的荒管；第一道次冷轧后得到尺寸为Φ57×5.5mm的管材，冷轧变形量设计为40％～50％；第二道次冷轧后得到尺寸为Φ30×3.7mm的管材，冷轧变形量设计为60％～70％；第三道次冷轧后得到尺寸为Φ16×3.0mm的管材，冷轧变形量设计为60％～70％。

所述冷轧步骤还包括：在各道次冷轧之间对管坯进行中间退火。第一道次冷轧后在可以大气中进行中间退火；第二道次冷轧后可以在保护气氛下进行光亮退火，其中，保护气氛可以为氮气和氢气，光亮退火的温度可以为750～800℃，保温时间可以为40～80min。光亮退火又叫光亮热处理，是指在热处理过程中，采用气体保护或者是在真空状态，避免或减少被热处理的工件表面与氧气接触而发生氧化，从而达到工件表面的光亮或相对光亮。本发明经热穿孔和冷轧工艺后的管材能够防止表面产生裂纹、折迭、结疤、夹杂及其它有害缺陷。

本发明用于快堆蒸汽发生器的换热管的制备方法的热处理步骤中，正火处理的温度可以为900～950℃，保温时间可以为20～30min；以及回火处理的温度可以为750～800℃，保温时间可以为30～50min。正火+回火热处理是指将正火处理和回火处理联合进行，在对材质进行正火处理后，接着再进行回火处理。采用正火+回火的热处理工艺，可以获得铁素体+珠光体+贝氏体组织，保证管材的晶粒度控制在4级或更细，且晶粒度级差不大于3。晶粒度可用晶粒的平均面积或平均直径表示，工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小，晶粒度级别越高，晶粒越细。

本发明选择合适的冷轧工艺参数及热处理工艺参数，可以保证组织的均匀性和晶粒度的合适大小。各参数控制不当易引起成品管组织不均匀，晶粒粗大以及表面质量和尺寸精度不符合要求的问题。

在所述热处理步骤后，可以对管材进行矫直、检验、清洁、标识及包装，以得到换热管的最终产品。检验可以包括通过拉伸试验、持久强度试验、冲击试验、落锤试验、疲劳试验、硬度试验、化学成成分检测、非金属夹杂物检验、金相检验、外形尺寸检验等以验证材料的性能是否达到技术要求，表面质量需满足ASME要求。本发明所制得钢管内外表面光洁，外表面粗糙度Ra≤1.6μm，内表面粗糙度Ra≤3.2μm。管材的直线度为：每1000mm内的直线度不超过3mm，全长直线度不超过5mm，距离钢管端头500mm内的直线度不超过0.5mm。同一截面上，最大壁厚与最小壁厚之差不超过0.16mm。

在本发明的实施例中，验收圆棒坯后可以进行检验磨修，然后对圆棒坯进行热穿孔；热穿孔之后可以对管坯依次进行退火处理、矫直、酸洗、检验磨修、防锈处理，然后再进行冷轧；第一道次冷轧之后，可以依次进行去油处理、中间退火、矫直、酸洗、检验磨修、防锈处理，然后进行第二道次冷轧；第二道次冷轧之后，可以依次进行去油处理、保护气氛下光亮退火、矫直、表面检查及修磨，然后进行第三道次冷轧；之后依次进行去油处理、切管、正火、回火，完成热处理步骤；之后，对管材依次进行矫直、超声波检验、涡流检验、水压试验、理化试验、表面及尺寸检验、清洁防锈、标识及包装、完工检查。

本发明的用于快堆蒸汽发生器的换热管的制备方法至少具有以下有益效果：

(1)能够将杂质元素含量控制在极低的范围内，其杂质元素控制效果如表1所示。

表1杂质元素控制效果(质量百分比)

(2)能够将夹杂物含量控制在极低的范围内，其夹杂物控制效果如表2所示。

表2夹杂物控制效果

其中，A类表示硫化物类，B类表示氧化铝类，C类表示硅酸盐类，D类表示球状氧化物类。

(3)能够将晶粒度控制在4级或更细，且晶粒度级差不大于3；

(4)所制换热管在室温与350℃、450℃、500℃、530℃、550℃的高温下屈服强度、抗拉强度、模拟焊后热处理高温强度满足设计要求，且硬度不超过85HRB或190HBW；

(5)换热管的持久强度、低周疲劳极限满足设计要求；

(6)钢管内外表面光洁，外表面粗糙度Ra≤1.6μm，内表面粗糙度Ra≤3.2μm；钢管内外表面无裂纹、发纹、折叠、轧折、结疤、离层、装卸损伤；钢管内外表面上划痕满足划痕标样的要求；

(7)尺寸规格和直线度满足要求。

下面通过具体的实施例进行说明。

实施例1

本实施例的用于快堆蒸汽发生器的换热管尺寸规格为Φ16mm×2.5mm，其中Cr的质量百分比为2.2％，Mo的质量百分比为0.9％。

主要制备工艺如下：

(1)采用真空感应和真空自耗相结合的方式进行双真空熔炼，钢水的成分质量百分比达到上述配比即可出钢浇铸钢锭；

(2)利用锻造机锻造钢锭得到尺寸为Φ80mm的圆棒坯；

(3)对圆棒坯进行加热保温后，利用穿孔顶头对圆棒坯进行穿孔，得到尺寸为Φ80×7.5mm的管坯；

(4)对管坯进行第一道次冷轧，得到尺寸为Φ57×5.5mm的管材，之后进行中间退火处理；对管坯进行第二道次冷轧，得到尺寸为Φ30×3.2mm的管材，之后在保护气氛下进行光亮退火；对管坯进行第三道次冷轧，得到尺寸为Φ16×2.5mm的管材；

(5)对冷轧管进行正火处理，正火温度为900～950℃，保温时间为20～30min；之后对管材进行回火处理，回火温度为750～800℃，保温时间为30～50min；

(6)利用矫直机对热处理后的管材进行矫直；

(7)利用高压气体对矫直后的管材进行内表面清理；

(8)进行超声波无损检测，各项性能检测；

(9)采用激光喷码对包壳管逐根进行标识，然后包装。

所制备换热管的外径为Φ16±0.05mm，壁厚为2.5～2.7mm，直线度满足要求。

虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明的实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。

本领域普通技术人员将理解，在不背离本发明总体构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (9)

1.一种用于快堆蒸汽发生器的换热管，其特征在于，所述换热管的材料包括2.25Cr-1Mo钢；其中，所述换热管包含：

质量百分比均不大于0.01％的As、Sn、Sb、Bi、Pb；以及

质量百分比分别不大于0.005％、0.008％、0.002％、0.00015％的S、P、O、H。

2.一种用于快堆蒸汽发生器的换热管的制备方法，包括以下步骤：

冶炼：采用真空感应与真空自耗相结合的双真空冶炼工艺进行冶炼，以得到钢锭；

锻造：对冶炼得到的钢锭进行锻造，以得到圆棒坯，其中锻造比不小于3；

热穿孔：在1000～1300℃的均热温度下对圆棒坯进行保温5～20min后，进行热穿孔，以得到管坯；

冷轧：对管坯进行冷轧，冷轧道次数设置为三次，控制每道次冷轧的变形量为40％～70％；

热处理：对冷轧后的管材进行正火+回火热处理。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述冶炼步骤的真空度控制为不超过2.7Pa。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述冷轧步骤中，

第一道次冷轧的变形量控制为40％～50％；

第二道次冷轧的变形量控制为60％～70％；以及

第三道次冷轧的变形量控制为60％～70％。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述冷轧步骤还包括：在各道次冷轧之间对管坯进行中间退火。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

第一道次冷轧后在大气中进行中间退火；

第二道次冷轧后在保护气氛下进行光亮退火，其中，保护气氛为氮气和氢气，光亮退火的温度为750～800℃，保温时间为40～80min。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述热处理步骤中，

正火处理的温度为900～950℃，保温时间为20～30min；以及

回火处理的温度为750～800℃，保温时间为30～50min。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述换热管的尺寸设计为：

外径尺寸为15.95mm～16.05mm，壁厚为2.5mm～2.7mm；或者

外径尺寸为15.95mm～16.05mm，壁厚为3mm～3.2mm。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：在所述热处理步骤后，对管材进行矫直、检验、清洁、标识及包装。