核电站热交换器用换热直管的生产工艺及性能

焦少阳，路晓晖，王 坤，王宝顺

（1.中国核电工程有限公司，北京100840；2.浙江久立特材科技股份有限公司，湖州313008）

0 引 言

热交换器是压水堆核电站中的重要设备，其换热管所用材料主要是00Cr19Ni10钢。换热管的制造工艺复杂，技术要求高，制造难度大，长期以来我国核电站热交换器用换热管主要依赖进口［1－3］，这不仅增加了我国热交换器制造企业的生产成本，同时也影响到了产品的交货周期。因此，换热管的国产化具有十分重要的战略意义。

针对目前我国核电快速发展的现状，根据“法国核岛设备设计建造协会（AFCEN）”起草的“压水堆核岛机械设备的设计与建造规范（2000年＋2002补遗版）”RCC－M M3303中有关热交换器用无缝钢管的要求，作者单位成功试生产了一批规格为φ19.05mm×1.375mm 的00Cr19Ni10钢换热直管，为该管的国产化奠定了基础。作者主要介绍了换热管的制造工艺，并根据换热直管的采购要求对生产的换热直管进行了化学成分、力学性能、耐腐蚀性能和晶粒度等方面的测试，并采用超声波检测了该换热直管的质量，期望能为国产核电用换热直管的开发提供参考依据。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

在长料无心剥皮机上将规格为φ300mm的锻态00Cr19Ni10钢坯外表面氧化皮去除，剥皮后的棒料表面无裂纹和车刀纹等缺陷。然后在深孔钻镗床上钻孔，之后将坯料送入环形炉中加热至850℃，到温再放入感应炉中加热至约1 180℃；再将其送至立式扩孔机上进行扩孔，然后再二次感应加热到约1 200℃，保温数分钟后在35MN型卧式挤压机上进行热挤压，得到φ100mm×9mm的管坯，并对管坯进行淬火处理；之后切除两端的不圆整部分，再在二辊冷管轧机组上进行轧制，第1，2，3道次冷轧后管的尺寸分别为φ60mm×5.3mm，φ30mm×2.8mm，φ19.05mm×1.375mm（成品尺寸），每道次冷轧后均需在连续式辊底热处理炉中于1 050～1 150℃进行固溶处理，连续式辊底热处理炉的炉膛气氛呈弱氧化性；最后经矫直、酸洗、表面尺寸检查、超声波内部探伤后，在成品换热直管上截取试样，进行化学成分、力学性能、工艺性能和耐腐蚀性能的测试，并观察其微观组织。

1.2 试验方法

按照GB／T 20066－2001从圆钢坯和成品换热直管（以下简称换热直管）上截取试样，并按照GB／T 11170－2008的要求在M5000型直读光谱仪进行化学成分分析。

力学性能试验包括室温拉伸试验和高温拉伸试验，试验设备均为 WAW－300型液压万能试验机。室温拉伸试验按照GB／T 228－2002进行，试样为该标准中规定的S7管段试样，试验的应变速率为0.002s－1；高温拉伸试验按照GB／T 4338－2006的要求在350℃下进行，试样尺寸同室温拉伸试样，屈服前的加载速率为80MPa·min－1。

工艺性能试验包括压扁试验和扩口试验，试验设备均为WAW－300型液压万能试验机。压扁试验按照GB／T 246－1997进行，试样为50mm长的管段，压扁试验过程分为两个阶段，第一阶段将试样压至两平板间距为7.12mm，第二阶段继续施压直到试样破裂或内壁相互接触为止。扩口试验按照GB／T 242－1997进行，试样为35mm长的管段，试验时采用顶角为60°的圆锥顶头将试样管段的外径扩口35%，然后观察扩口管段的表面是否有裂纹或开裂。

耐腐蚀性能试验包括晶间腐蚀试验和开环试验。晶间腐蚀试验前需将钢管进行敏化处理，敏化温度为700℃，敏化时间为30min，其中升温至规定温度的时间不超过5min，保温后试样在炉内以（60±5）℃·h－1的速率缓冷至500℃，然后在空气中冷却。之后按照RCC－M MC1310的规定进行晶间腐蚀试验［4－5］，试样为30mm长的管段；晶间腐蚀试验的腐蚀介质为由10%分析纯硫酸铜、10%纯硫酸和80%蒸馏水（体积分数）组成的的混合溶液；在晶间腐蚀试验过程中，为了避免溶液产生过沸，在烧瓶内放入一些玻璃珠，同时为了缩短腐蚀试验时间，在腐蚀溶液中加入纯度不低于99.5%的铜屑，试验时间为24h；然后对腐蚀试样进行声响跌落试验和压扁试验（压至两管壁间的距离等于管壁厚的4倍，即5.5mm），以评定试样是否具有晶间腐蚀特征。开环试验按照RCC－M MC1361进行，试样为100mm长的管段；沿纵向一条母线剖开，然后在试样中心测量垂直于纵向锯开面轴向的方向上管段直径的增大量，并根据式（1）计算残余拉应力。

式中：σ为残余拉应力，MPa；E为弹性模量，2×105MPa；μ为泊松比，0.3；e为管材厚度，1.375mm；Δφ为管材直径的增大量，mm；Df为纵向切开后的管段直径，mm；D0为管段原始直径，19.05mm。

超声波内部探伤按照RCC－M MC2500进行，对每一根换热直管在最终酸洗后用TUD600型超声波探测机进行内部探伤，超声波探伤时标准对比样管的内外刻槽深度为0.1mm，探伤后切除两端200mm的盲区；超声波探伤过程的接受准则按照RCC－M M3303执行。

耐压性能试验按照GB／T 241－2007进行，对每一根换热直管在超声探测后进行耐压性能试验，试验介质为盐水，氯离子含量不超过25μg·kg－1，试验压力为16.0MPa，保压时间为10s。

晶粒度检测依据GB／T 6394－2002进行，从换热直管上截取长度为30mm的管段检测横截面的晶粒度，腐蚀溶剂为由300mL HCl、500g FeCl3和700mL H2O组成的混合溶液，腐蚀时间2s，然后在CMM－40E型光学显微镜上测晶粒度。

采用TR200型粗糙度仪测换热直管的表面粗糙度；用游标卡尺进行尺寸测量。

2 试验结果与讨论

2.1 化学成分

圆钢坯和换热直管的化学成分如表1所示，可以看出两者成分十分接近，且均符合RCC－M M3303的要求，这表明采购的钢坯成分是合格的，同时较低的磷和硫含量也为换热直管的产品质量和热加工提供了保证。另外，还对硼含量和钴含量进行检测，结果均满足硼含量小于0.001 8%、钴含量小于0.20%的要求。

2.2 力学性能

由表2可以看出，换热直管的拉伸性能满足规定的要求。

2.3 工艺性能

压扁性能试验结果表明，不论在压扁的第一阶段还是第二阶段，管段试样均未出现裂纹或有开裂现象，这表明该换热直管具有合格的加工性能。

表1 圆钢坯和换热直管的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of round steel and heat exchange tube（mass）%

表2 换热直管的拉伸性能Tab.2 Tensile properties of heat exchanged tube

扩口性能试验结果表明，在扩口后的管段表面无裂纹或开裂，这表明换热直管的扩口性能符合规定要求。

2.4 耐腐蚀性能

晶间腐蚀试验过程中的声响跌落试验和压扁试验结果表明，腐蚀后的试样跌落在金属表面上能够发出清脆的金属声，且经敏化和腐蚀后的试样在压扁过程中无表面裂纹，这表明其耐晶间腐蚀性能符合采购要求。

开环试验结果表明换热直管的残余拉应力为35～67MPa，均符合RCC－M M3303的要求（低于70MPa）。

2.5 产品质量

利用超声波探伤仪对每根换热直管进行探伤，结果表明其内部无不可接受的缺陷，这说明换热直管的内部质量优异，同时也说明采用本工艺生产的换热直管质量稳定、可靠。

2.6 耐压性能

耐压试验过程中没有发现漏水，这表明换热直管的水压试验符合采购要求。

2.7 晶粒度

换热直管的晶粒度为5.0～6.0级，满足RCCM M3303对晶粒度等级大于等于2的要求。

由图1可见，换热直管的晶粒尺寸较为均匀，大都为等轴晶，无变形残余组织，这表明其在最后的固溶热处理过程中发生了充分的再结晶，从而保证了钢管的各向性能趋于一致［6］。

图1 换热直管的显微组织Fig.1 Microstructure of heat exchanger tube

2.8 表面粗糙度及尺寸

换热直管的表面粗糙度Ra满足RCC－M M3303规定的不超过3.2μm的要求，同时尺寸也在采购要求的范围之内。

另外，目视检测了换热直管的表面质量，未发现换热直管表面有划痕、碰伤或其它有害缺陷，同时表面也无氧化物，这表明其具有良好的表面质量。

3 结 论

采用热挤压和冷轧工艺生产的换热直管质量符合核电站换热直管的采购要求，可用作核级换热直管使用。

［1］杨华春，屠勇，庄建新.高压加热器用U形换热管试验研究及应用［J］.发电设备，2006（4）：280－284.

［2］牛忠华，龚建中.不锈钢换热管在高压加热器的应用［J］.电站辅机，2006，3（1）：7－9.

［3］付汝师.非能动余热排出换热器强化换热实验研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.

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