CN110355230B - 一种耐高温熔盐腐蚀u型换热管 - Google Patents

一种耐高温熔盐腐蚀u型换热管 Download PDF

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Abstract

本发明属于熔盐核反应堆用设备技术领域，尤其涉及一种耐高温熔盐腐蚀U型换热管。本发明通过特定的原料配比、制备工艺，以及选择性地进行特定消应力退火操作的方式，达到有效制备熔盐核反应堆用U型换热管的效果。本发明具有U型换热管耐高温、耐熔盐腐蚀效果好，整体制备工艺合理有效，弯曲半径为11倍外径这个是否需要消应力退火操作的临界值选取合适，11倍以上的U型换热管无需退火、节约能源，以及U型换热管整体结构性能优越的优点。

Description

一种耐高温熔盐腐蚀U型换热管
技术领域
本发明属于熔盐核反应堆用设备技术领域，尤其涉及一种耐高温熔盐腐蚀U型换热管。
背景技术
熔盐核反应堆，是第四代核反应堆中的一种主力堆型，具有高的安全性及燃料利用率，是未来核电领域的重点发展方向，其中用到的U型换热管需要经受高达700℃的设计温度，和作为热交换介质的氟盐的极强腐蚀，现有常见的U型换热管材质解决方案是高Mo、低Cr的镍钼铬合金。
另一方面，上述镍钼铬合金容易析出较多的富Mo相，会导致合金热、冷变形抗力增大，热加工区间变窄，使得加工过程中易出现开裂等现象，因此常规钢管生产工艺及原料配比难以实现小口径特性的上述U型换热管的制造。
此外，在利用直管进行弯制后，现有技术中无论弯曲半径的大小，都进行消应力退火，这在U.型管弯曲半径较大、残余应力数值相对较小时是一种多余操作，因此行业中缺少一个消应力退火操作的临界值标定，以及一个合适的消应力退火温度范围。
专利公开号为CN102240898A，公开日为2011.11.16的中国发明专利公开了一种用于提取污水温度的换热管的制备方法，由以下步骤组成：(1)不锈钢卷板为原料经过开卷机上料；(2)来自开卷机的板材进入平板机平整；(3)来自平板机的板材进入辊形机经过6道辊形后成形；(4)辊压成形后的板材进入切断机按着工艺要求进行切断；(5)点焊机按着工艺要求对来自步骤(4)的成形的换热管合格半成品进行辊焊前的成型组合；(6)辊动碾压焊机按着工艺要求对来自步骤(5)的换热管的焊接部位进行碾压焊接；(7)整形机对来自步骤(6)焊接成形后的换热管进行整形。
但是该发明专利中的换热管存在管体力学性能和耐腐蚀性能差的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐高温熔盐腐蚀U型换热管，其能通过特定的原料配比、制备工艺，以及选择性地进行特定消应力退火操作的方式，达到有效制备熔盐核反应堆用U型换热管的效果。本发明具有U型换热管耐高温、耐熔盐腐蚀效果好，整体制备工艺合理有效，弯曲半径为11倍外径这个是否需要消应力退火操作的临界值选取合适，11倍以上的U型换热管无需退火、节约能源，以及U型换热管整体结构性能优越的优点。
本发明解决上述问题采用的技术方案是：一种耐高温熔盐腐蚀U型换热管，原料包括镍、钼以及铬，还包括以下各组分：碳、硅以及铁，各组分按重量计分别是15-18%的钼、6-8%的铬、0.04-0.08%的碳、0.2-0.4%的硅以及3-4.5%的铁。
进一步优选的技术方案在于：所述U型换热管的原料中钼含量为15-17.5%；铬含量为6-7%；碳含量为0.04-0.06%；硅含量为0.2-0.3%。
在本发明中，通过调整Si、Cr、Mo的成分比例，进而减小合金热、冷变形抗力，增大热加工区间，并适当调整生产工艺，最终使得加工过程中不易开裂，提高产品合格率，满足所述U型换热管耐高温熔盐腐蚀以及整体结构性能强的要求。
进一步优选的技术方案在于：所述U型换热管的外径为9-25mm，壁厚为1-3mm，弯曲半径为外径的2-15倍。
在本发明中，所述U型换热管的口径尺寸为几毫米至十几毫米，该相对较小的口径，是普通的镍钼铬合金所制备不出来的，现有的镍钼铬合金在该较小范围口径的制备要求下生产的换热管，都存在一定程度的屈服强度不足、延伸率不足，以及容易断裂开裂的问题，本发明生产的小口径U型换热管正好填补了行业中现有技术的不足。
进一步优选的技术方案在于：所述U型换热管通过热挤压、冷轧以及弯制三步制得，所述热挤压步骤中先用环形炉对管坯进行加热，加热温度为950-1150℃，加热时间为1.5-2.5h，再用感应炉进行加热，加热温度为1140-1230℃；所述冷轧步骤中的中间退火温度为1100-1220℃，最终退火温度为1140-1210℃。
在本发明中，调整了加热工艺，使得材料热塑性增加，提高了成材率 降低了“闷车”的风险，而且冷轧步骤采用前后两步式退火操作，相对的后期退火温度的选择范围更小，保证管材在冷轧过程中具有较好冷加工性能的同时，成品管具有较大的屈服强度。
进一步优选的技术方案在于：所述弯制步骤中，对弯曲半径在2-7倍外径范围内的所述U型换热管的弯曲部位进行消应力退火，退火温度为1000-1200℃，对弯曲半径在8-10倍外径范围内的所述U型换热管的弯曲部位进行消应力退火，退火温度为300-900℃，对弯曲半径在11倍外径及以上的所述U型换热管不进行消应力退火。
进一步优选的技术方案在于：所述消应力退火操作后，所述U型换热管的外弧减壁率为1.5-2%。
进一步优选的技术方案在于：所述消应力退火操作后，所述U型换热管的残余应力数值为20-40Mpa。
在本发明中，按弯曲半径R是外径D倍数不同的标准，划分2D、4D、6D、8D、10D以及11D这几组，将小口径的U型换热管分组实验，对上述不同尺寸的U型换热管分别进行弯管机弯制操作。
弯制后测得在弯头顶处的残余应力数值是随着弯曲半径的增加而减小的，而11D的U型管在不退火的情况下，残余应力数值也是在20-40Mpa这个范围内的，但是10D不行，残余应力数值大于40Mpa，因此11D是弯制步骤中退火与否的临界值，可以最终保证U型管性能合格又能相对节约能源的优点。
另一方面，对7.5D、9D以及11D这三组的U型管进行应力退火后纵向金相组织观察，7.5D和11D的组织均回复到正常晶粒，但是9D-10D组按照1000-1200℃退火后出现了晶粒的异常长大，为此，采用相对较低温度300~900℃退火制度，使得晶粒不会出现异常长大且能降低弯曲段的残余应力。
在本发明中，所述外弧减壁率以及残余应力数值的限定范围为消应力退火操作后的合格标准，11D以上的U型换热管在不进行应力退火操作下也能达到上述标准。
进一步优选的技术方案在于：所述U型换热管两个直管段长度差≤0.8mm。
进一步优选的技术方案在于：所述U型换热管在650℃条件下的屈服强度≥195MPa，延伸率≥30%；在700℃条件下的屈服强度≥190MPa，延伸率≥30%。
在本发明中，所述U型换热管在外径为9-25mm，壁厚为1-3mm的条件下具有上述尺寸差以及屈服强度值和延伸率的高标准，这是现有的镍钼铬合金、现有的弯制工艺所不能得到的，正是本发明的创造性体现，低于上述屈服强度和延伸率的标准后，换热管则会出现结构强度不足，以及使用寿命短的问题。
进一步优选的技术方案在于：所述U型换热管的高温熔盐腐蚀速度＜5μm/a。
在现有使用中，对U型换热管的高温熔盐腐蚀速率要求是＜20μm/a，本发明中的所述U型换热管具有温熔盐腐蚀速度＜5μm/a的突出优点，这是所有的现有制管方式都达不到的。
本发明通过特定的原料配比、制备工艺，以及选择性地进行特定消应力退火操作的方式，达到有效制备熔盐核反应堆用U型换热管的效果。本发明具有U型换热管耐高温、耐熔盐腐蚀效果好，整体制备工艺合理有效，弯曲半径为11倍外径这个是否需要消应力退火操作的临界值选取合适，11倍以上的U型换热管无需退火、节约能源，以及U型换热管整体结构性能优越的优点。
附图发明
图1为本发明中不同弯曲半径与外径的比值下各组U型管在退火前后的环向残余应力折线图。
图2为本发明中7.5D、9D以及11D三组的去应力退火纵向金相组织图。
具体实施方式
以下所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明的范围进行限定。
实施例1
结合附图1以及2，一种耐高温熔盐腐蚀U型换热管，包括按重量计的以下各组分：16.2%的钼、6%的铬、3%的铁、0.04%的碳、0.28%的硅。
所述U型换热管的外径为13.72mm，壁厚为1.65mm，弯曲半径为外径的2-15倍。
所述U型换热管通过热挤压、冷轧以及弯制三步制得，所述热挤压步骤中先用环形炉对管坯进行加热，加热温度为950℃，加热时间为1.5h，再用感应炉进行加热，加热温度为1180℃；所述冷轧步骤中的中间退火温度为1120℃，最终退火温度为1180℃。
所述弯制步骤中，对弯曲半径在2-7倍外径范围内的所述U型换热管的弯曲部位进行消应力退火，退火温度为1180℃，对弯曲半径在8-10倍外径范围内的所述U型换热管的弯曲部位进行消应力退火，退火温度为600℃，对弯曲半径在11倍外径及以上的所述U型换热管不进行消应力退火。
所述消应力退火操作后，所述U型换热管的外弧减壁率为1.5%。所述消应力退火操作后，所述U型换热管的残余应力数值为20Mpa。
所述U型换热管两个直管段长度差为0.2mm。所述U型换热管在650℃条件下的屈服强度为225MPa，延伸率为35%。所述U型换热管在700℃条件下的屈服强度为218MPa，延伸率为34%。所述U型换热管的高温熔盐腐蚀速度为3.5μm/a。
在本实施例中，特定组成的所述U型换热管，在通过上述工艺制备后，所述U型换热管具有结构强度大，以及在熔融氟盐核反应堆中耐高温至700℃，以及耐腐蚀效果好、腐蚀速率远低于行业要求的优点，满足核反应堆中的换热使用需求。
实施例2
结合附图1以及2，一种耐高温熔盐腐蚀U型换热管，包括按重量计的以下各组分：16%的钼、7%的铬、4%的铁、0.05%的碳、0.01%的铜、0.2%的硅。
所述U型换热管的外径为15mm，壁厚为2mm，弯曲半径为外径的2-15倍。
所述U型换热管通过热挤压、冷轧以及弯制三步制得，所述热挤压步骤中先用环形炉对管坯进行加热，加热温度为1000℃，加热时间为2.0h，再用感应炉进行加热，加热温度为1160℃；所述冷轧步骤中的中间退火温度为1190℃，最终退火温度为1180℃。
所述弯制步骤中，对弯曲半径在2-7倍外径范围内的所述U型换热管的弯曲部位进行消应力退火，退火温度为1100℃，对弯曲半径在8-10倍外径范围内的所述U型换热管的弯曲部位进行消应力退火，退火温度为700℃，对弯曲半径在11倍外径及以上的所述U型换热管不进行消应力退火。
所述U型换热管的外弧减壁率为1.6%。所述消应力退火操作后，所述U型换热管的残余应力数值为30Mpa。
所述U型换热管两个直管段长度差为0.3mm。所述U型换热管在650℃条件下的屈服强度为232MPa，延伸率为37%。所述U型换热管在700℃条件下的屈服强度为229MPa，延伸率为35%。所述U型换热管的高温熔盐腐蚀速度为3.2μm/a。
在本实施例中，特定组成的所述U型换热管，在通过上述工艺制备后，所述U型换热管具有结构强度大，以及在熔融氟盐核反应堆中耐高温至700℃，以及耐腐蚀效果好、腐蚀速率远低于行业要求的优点，满足核反应堆中的换热使用需求。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种修改。这些都是不具有创造性的修改，只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种耐高温熔盐腐蚀U型换热管，原料包括镍、钼以及铬，其特征在于还包括以下各组分：碳、硅以及铁，各组分按重量计分别是15-18%的钼、6-8%的铬、0.04-0.08%的碳、0.2-0.4%的硅以及3-4.5%的铁；
所述U型换热管通过热挤压、冷轧以及弯制三步制得，所述热挤压步骤中先用环形炉对管坯进行加热，加热温度为950-1150℃，加热时间为1.5-2.5h，再用感应炉进行加热，加热温度为1140-1230℃；所述冷轧步骤中的中间退火温度为1100-1220℃，最终退火温度为1140-1210℃；
所述弯制步骤中，对弯曲半径在2-7倍外径范围内的所述U型换热管的弯曲部位进行消应力退火，退火温度为1000-1200℃，对弯曲半径在8-10倍外径范围内的所述U型换热管的弯曲部位进行消应力退火，退火温度为300-900℃，对弯曲半径在11倍外径及以上的所述U型换热管不进行消应力退火。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温熔盐腐蚀U型换热管，其特征在于还包括按重量计的以下各组分：所述U型换热管的原料中钼含量为15-17.5%；铬含量为6-7%；碳含量为0.04-0.06%；硅含量为0.2-0.3%。
3.根据权利要求1所述的一种耐高温熔盐腐蚀U型换热管，其特征在于：所述U型换热管的外径为9-25mm，壁厚为1-3mm，弯曲半径为外径的2-15倍。
4.根据权利要求1所述的一种耐高温熔盐腐蚀U型换热管，其特征在于：所述消应力退火操作后，所述U型换热管的外弧减壁率为1.5-2%。
5.根据权利要求1所述的一种耐高温熔盐腐蚀U型换热管，其特征在于：所述消应力退火操作后，所述U型换热管的残余应力数值为20-40Mpa。
6.根据权利要求1所述的一种耐高温熔盐腐蚀U型换热管，其特征在于：所述U型换热管两个直管段长度差≤0.8mm。
7.根据权利要求1所述的一种耐高温熔盐腐蚀U型换热管，其特征在于：所述U型换热管在650℃条件下的屈服强度≥195MPa，延伸率≥30%；在700℃条件下的屈服强度≥190MPa，延伸率≥30%。
8.根据权利要求1所述的一种耐高温熔盐腐蚀U型换热管，其特征在于：所述U型换热管的高温熔盐腐蚀速度＜5μm/a。
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