CN114632837B - 一种高温气冷堆蒸汽发生器螺旋换热管制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温气冷堆蒸汽发生器螺旋换热管制备方法，其特征在于包括穿孔及荒管退火；荒管酸洗、检验；多道次中间管冷轧及热处理；成品冷拔及成品热处理；矫直及检验；螺旋管成形；消应力热处理及检验等步骤。采用本发明方法制备的螺旋换热管具有长度长，尺寸精度和表面质量高，同时具有良好力学性能，能够满足高温气冷堆蒸汽发生器的使用需要。

Description

一种高温气冷堆蒸汽发生器螺旋换热管制备方法
技术领域
本发明涉及合金钢超长无缝管及多头螺旋管制造技术领域，特别是涉及一种高温气冷堆直流式蒸汽发生器用超长多头螺旋合金钢换热管制备方法。
背景技术
核电作为一种安全、清洁、低碳和高效的能源，一直以来受到高度重视。目前，全球在建核电站已逐步过渡到第三代核电技术，更为安全的第四代核能系统已成为核能研究人员在未来多年内重点研究的课题。第四代核电技术中高温气冷堆因其具有固有安全性，不需要场外应急安全等，具有固有安全性的反应堆在任何的事故情况下，反应堆都不会熔化，也不会造成大量放射性释放。被称为永不熔毁的堆芯。
自上世纪八十年代中以来清华大学开展了 10MW高温气冷实验堆（HTR-10）的研究与开发。蒸发器是高温气冷堆示范电站的核心部件，由19个螺旋管束组件组成，每个组件有五层共35支多头螺旋管构成，其中ASME SA-213 T22单支换热管长度达60米，且呈多头螺旋状，精度要求高，制造难度极大，属世界首创。2007年随着清华大学对高温气冷堆蒸汽发生器设计方案的优化，蒸汽发生器用传热管的长度及尺寸精度等做了大幅度的调整，其中传热管的单支长度从原35米增加至60米，尺寸要求也从原来仅对内径、壁厚的要求增加到内径、壁厚、外径三个要素同时控制，且技术指标由参照火电站用高压锅炉管提高到具有国际先进水平。
发明内容
本发明目的在于针对高温气冷堆的设计要求，提供一种具有良好的组织及力学性能、优良的螺旋成形和尺寸精度和表面质量的用于高温气冷堆蒸汽发生器螺旋换热管制备方法。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种高温气冷堆蒸汽发生器螺旋换热管制备方法，其特征在于包括下述步骤：
（1）穿孔及荒管退火：
将T22材质圆钢管坯加热穿孔形成无缝荒管；再对荒管进行退火热处理；
荒管酸洗、检验：
（2）将步骤（1）形成的荒管进行酸洗去除表面氧化皮，然后清水冲洗净，并吹干；同时对荒管进行表面质量检验；
（3）多道次中间管冷轧及热处理：
将步骤（2）检验合格的荒管进行多道次冷轧缩径和退火热处理；
（4）成品冷拔及成品热处理：
将步骤（3）的中间管进行冷拔成成品管，冷拔后进行去油并进行保护气氛成品正火热处理+回火热处理，形成成品换热管；
（5）矫直及检验：
对步骤（4）中的成品管进行矫直，然后分别进行超声波检验、涡流检验、理化性能检验、水压实验、表面目视及尺寸检验；
（6）螺旋管成形：
将检验合格的成品直管进行螺旋成形，将螺旋管两端的直管进行弯管，然后再周向弯到螺旋管面上；
（7）消应力热处理及检验：
将成形的螺旋管固定后，放入真空热处理炉进行消应力热处理；将热处理后的螺旋管进行清洁，再经几何尺寸和表面质量检验合格后完成螺旋换热管的制备。
其进一步特征在于：所述步骤（3）中采用两道次中间管冷轧及热处理；检验合格的荒管进行一道次冷轧缩径，变形量控制在60%～70%，冷轧Q值为1.2±0.2；冷轧后进行去油、退火热处理，然后进行矫直、酸洗、检验、修磨、倒角处理；
再对冷轧后的中间管进行二道次冷轧缩径，变形量控制在75%～85%，Q值为1.2±0.2；然后进行保护气氛退火热处理，再进行矫直、检验、修磨、倒角处理。
在中间管的冷轧过程中采用2个道次冷轧变形，引入冷轧过程Q值概念，Q=（lnSu-lnS0）/（（ln（Du-Su）-ln（D0-S0）），其中D0——冷轧前外径，Du——冷轧后外径，S0——冷轧前壁厚，Su——冷轧后壁厚。Q值反应了管材外径减小程度与壁厚减小程度的比例，必须保证Q值在合理范围内，才能使管材减径和减壁均匀，使金属流变也更均匀，从而管材内外表面质量（特别是光洁度）达到最佳状态，在此，将Q值控制在1.2±0.2范围内，第一道次变形量控制在60%～70%，由于成品管长度达60米，前2个道次采用变形量较大的冷轧，其中第二个道次变量达80%左右，轧制延伸率达5倍，解决了轧制前管子过长容易失稳造成表面质量下降和尺寸精度差的问题。成品采用无芯冷拔使成品管外径精度的一致得到保证，为后续多头螺旋管成型尺寸高精度提供了有利条件，且避免了超长管内壁清洁的难题。每个道次合金钢管在冷轧前必须对其一端内、外壁进行倒角处理，以使合金钢管在进行大变形冷轧时减小应力集中现象，防止头部发生开裂，影响产品质量。
进一步的：所述二道次冷轧缩径后的退火保护气氛为氮气和氢气。热处理采用氮气和氢气保护，使得热处理后的中间管表面无氧化皮，避免小口径管酸洗难的问题。
进一步的：两个道次的冷轧过程中，冷轧芯棒定径区域长度为100±10mm。为确保成品管尺寸精度和表面光洁度，适当减小芯棒定径区域的长度，而增加管材轧制变形区，从而使单位长度内的减径减小，防止管材在冷轧初期咬入段管材内壁失稳起皱而形成“轧折”等缺陷。
优选的：所述步骤（1）中圆钢管坯加热温度为1150~1230℃，荒管退火温度为760±15℃，保温85~95min后空气冷却；
所述步骤（3）中第一道次退火温度为760±15℃，保温60~70min后空气冷却；第二道次退火温度为760±15℃，保温50~60min后空气冷却；
所述步骤（4）中正火热处理温度为940±5℃，保温时间20~25min后炉内快速冷却至小于50℃出炉；回火热处理温度为760±5℃，保温时间40~45min后炉内冷却至小于50℃出炉。
成品管的正火和回火热处理均采用氮气+氢气保护，并调整氮气和氢气的比例，使合金钢表面形成一层精密的高温氧化膜，确保后续制造过程中不易锈蚀，满足表面质量要求。为保证荒管和中间管低强度和优良的塑性，便于后续冷轧或冷拔加工，荒管和中间管退火热处理保温温度均采用了在接近合金钢临界点，并根据壁厚设计了合理的保温时间和冷却方式。
优选的：所述步骤（4）矫直过程中，成品管不旋转直线前进，矫直机辊子以成品管子为中心绕着管子周向运动，避免矫直对超长直管表面的损伤。
优选的：所述步骤（5）中水压测试后对管内充加热的氮气进行干燥。
优选的：所述步骤（6）中螺旋成形采用多头螺旋管成型机多根螺旋管同时成形。
本发明采用T22合金钢防止合金钢在热加工变形过程中因低熔点元素融化而产生裂纹等缺陷以及降低合金钢的塑韧性、高温持久强度及疲劳性能，保证成品的质量。采用大变形量的无芯冷拔，控制冷拔时的Q值使管材减径和减壁均匀，使金属流变也更均匀，保证成品的表面质量和尺寸精度。在成品管热处理中采用气氛保护，防止锈蚀。消应力处理采用真空热处理，避免热处理过程中螺旋管表面产生氧化现象，且固定架对每支螺旋管进行端部位置、螺旋直径、螺距进行固定，经消应力热处理后的螺旋管尺寸精度进一步提高。采用本发明方法制备的螺旋换热管具有长度长，尺寸精度和表面质量高，同时具有良好力学性能，能够满足高温气冷堆蒸汽发生器的使用需要。
附图说明
图 1为本发明工艺流程示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种高温气冷堆蒸汽发生器用多头螺旋换热管的制备方法，具体包括：
（1）穿孔及荒管退火：
将按要求采购的直径90mmT22合金钢材质的管坯（圆钢）通过加热至1150~1230℃穿孔形成Ф92×12mm无缝管（荒管），然后对荒管进行退火热处理，热处理温度760±15℃，保温85~95min后空气冷却。
（2）荒管酸洗、检验：
将步骤（1）形成的荒管浸泡于温度为30~50℃的15%硫酸中洗去荒管表面穿孔形成的氧化皮，然后清水冲洗净，并热水中浸泡后吹干。同时，对荒管进行表面质量检验。
（3）中间管冷轧1及热处理：
将步骤（2）检验合格的荒管冷轧成规格为Ф60×7mm的长度约8m中间管，冷轧后进行去油并进行退火热处理，热处理温度为760±15℃，保温60~70min后空气冷却，然后进行矫直、酸洗、内外表面检验、修磨、倒角处理等。控制中间管冷轧变形量为60%～65%，Q值为1.2±0.2。
（4）中间管冷轧2及热处理：
将步骤（3）后的中间管再次冷轧成规格为Ф28×3mm的长度约40m中间管，冷轧后进行去油并进行保护气氛退火热处理，热处理温度为760±15℃，保温时间50~60min后炉内冷却至小于50℃出炉，然后进行矫直、内外表面检验、修磨等。控制中间管冷轧变形量为78%～82%，Q值为1.2±0.2。
（5）成品冷拔及成品热处理：
将步骤（4）后的中间管进行冷拔成规格为Ф19×3mm的长度约60m成品管，冷拔后进行去油并进行保护气氛成品热处理。成品热处理分为正火热处理+回火热处理，正火热处理温度为940±5℃，保温时间20~25min后炉内快速冷却至小于50℃出炉，然后再进行回火热处理，回火热处理温度为760±5℃，保温时间40~45min后炉内冷却至小于50℃出炉。控制成品管冷拔变形量为32%～37%。
（6）成品管矫直：
将步骤（5）后规格为Ф19×3mm长度60米成品管进行矫直，通过七辊斜辊矫直机对于60米超长管采用了管子不旋转直线前进，矫直机辊子以管子为中心绕着管子周向运动，避免矫直对超长直管表面的损伤。控制直线度≤1.0mm/m。
（7）超声波检验：
将步骤（1）~（6）完成后的成品管每支进行超声波检验。
（8）涡流检验：
将步骤（7）检验合格后的每支成品管进行涡流检验。
（9）理化性能检验：
将步骤（8）检验合格后的成品管上取样，进行理化检验，包括成品分析、室温拉伸试验、550℃拉伸试验、布氏硬度检测、非金属夹杂物检测、晶粒度检测、金相组织检验。
（10）水压试验：
将步骤（8）检验合格后的每支成品管进行试验压力为35～40MPa水压试验，保压时间不小于10秒。水压试验结束后需对管内充加热的氮气进行干躁。
（11）表面目视及尺寸检验：
将步骤（10）检验合格后的每支成品进行表面目视检验，表面不允许缺陷、无氧化皮、内表面允许轻微变色。检验表面粗糙度、外径、内径、壁厚、直度等指标。
（12）螺旋管成形：
将步骤（8）和（10）检验合格后的成品直管进行螺旋管成形，螺旋成型采用专用超长螺旋管成型机进行多头螺旋管成形，表面不允许存在机械划伤。
（13）螺旋管与直管段过渡弯管：
将步骤（12）的螺旋管分别进行二端直管与螺旋管过渡段的弯管。
（14）消应力热处理：
将步骤（13）的螺旋管先进行固定，固定采用专用固定架，确保螺旋管几何尺寸和形状与图纸要求一致。固定完成后将螺旋管与固定架放入真空热处理炉进行消应力热处理，保温后炉冷至不大于200℃出炉空冷，拆除固定架，对螺旋管采用丙酮清洁。
（15）螺旋管检验：
将步骤（14）螺旋进行几何尺寸和表面质量检验。
上述步骤（3）中，控制中间管冷轧变形量为60%～65%，Q值为1.0±0.2，送进量3～5mm，轧制速度50～60次/min。步骤（4）控制中间管冷轧变形量为78%～82%，Q值为1.0±0.2，送进量2～3mm，轧制速度40～50次/min。
上述步骤（5）中，控制成品管冷拔变形量为32%～37%，拔制速度5～8m/min。
上述步骤（6）中，通过七辊斜辊矫直机对经过成品热处理后的成品管进行矫直，控制直线度≤1.0mm/m。

Claims (8)

1.一种高温气冷堆蒸汽发生器螺旋换热管制备方法，其特征在于包括下述步骤：
（1）穿孔及荒管退火：
将T22材质圆钢管坯加热穿孔形成无缝荒管；再对荒管进行退火热处理；
（2）荒管酸洗、检验：
将步骤（1）形成的荒管进行酸洗去除表面氧化皮，然后清水冲洗净，并吹干；同时对荒管进行表面质量检验；
（3）多道次中间管冷轧及热处理：
将步骤（2）检验合格的荒管进行多道次冷轧缩径和退火热处理；
（4）成品冷拔及成品热处理：
将步骤（3）的中间管进行冷拔成成品管，冷拔后进行去油并进行保护气氛成品正火热处理+回火热处理，形成成品换热管；
（5）矫直及检验：
对步骤（4）中的成品管进行矫直，然后分别进行超声波检验、涡流检验、理化性能检验、水压实验、表面目视及尺寸检验；
（6）螺旋管成形：
将检验合格的成品直管进行螺旋成形，将螺旋管两端的直管进行弯管，然后再周向弯到螺旋管面上；
（7）消应力热处理及检验：
将成形的螺旋管固定后，放入真空热处理炉进行消应力热处理；将热处理后的螺旋管进行清洁，再经几何尺寸和表面质量检验合格后完成螺旋换热管的制备；
所述步骤（3）中采用两道次中间管冷轧及热处理；检验合格的荒管进行一道次冷轧缩径，变形量控制在60%～70%，冷轧Q值为1.2±0.2；冷轧后进行去油、退火热处理，然后进行矫直、酸洗、检验、修磨、倒角处理；
再对冷轧后的中间管进行二道次冷轧缩径，变形量控制在75%～85%，Q值为1.2±0.2；然后进行保护气氛退火热处理，再进行矫直、检验、修磨、倒角处理；
Q=（lnSu-lnS0）/（（ln（Du-Su）-ln（D0-S0）），其中D0为中间管冷轧前外径，Du为冷轧后外径，S0为冷轧前壁厚，Su为冷轧后壁厚。
2.如权利要求1所述的高温气冷堆蒸汽发生器螺旋换热管制备方法，其特征在于：所述二道次冷轧缩径后的退火保护气氛为氮气和氢气。
3.如权利要求1所述的高温气冷堆蒸汽发生器螺旋换热管制备方法，其特征在于：两个道次的冷轧过程中，冷轧芯棒定径区域长度为100±10mm。
4.如权利要求1所述的高温气冷堆蒸汽发生器螺旋换热管制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中成品管冷拔变形量为32%～37%。
5.如权利要求1所述的高温气冷堆蒸汽发生器螺旋换热管制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中圆钢管坯加热温度为1150~1230℃，荒管退火温度为760±15℃，保温85~95min后空气冷却；
所述步骤（3）中第一道次退火温度为760±15℃，保温60~70min后空气冷却；第二道次退火温度为760±15℃，保温50~60min后空气冷却；
所述步骤（4）中正火热处理温度为940±5℃，保温时间20~25min后炉内快速冷却至小于50℃出炉；回火热处理温度为760±5℃，保温时间40~45min后炉内冷却至小于50℃出炉。
6.如权利要求1-5任一项所述的高温气冷堆蒸汽发生器螺旋换热管制备方法，其特征在于：所述步骤（5）矫直过程中，成品管不旋转直线前进，矫直机辊子以成品管子为中心绕着管子周向运动。
7.如权利要求1-5任一项所述的高温气冷堆蒸汽发生器螺旋换热管制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中水压测试后对管内充加热的氮气进行干燥。
8.如权利要求1-5任一项所述的高温气冷堆蒸汽发生器螺旋换热管制备方法，其特征在于：所述步骤（6）中螺旋成形采用多头螺旋管成型机多根螺旋管同时成形。
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