核1級耐高溫控氮不銹鋼無縫管的國產(chǎn)化研制進(jìn)程

  核1級耐高溫控氮不銹鋼無縫管是核電站建設(shè)的必備材料，采用外場凝固細(xì)晶技術(shù)與先進(jìn)周軋技術(shù)以及國際先進(jìn)的高潔凈鋼冶煉技術(shù)和大截面無縫鋼管熱處理技術(shù)兩項成熟技術(shù)，通過集成創(chuàng)新，形成核1級耐高溫控氮不銹鋼無縫管的成套制造技術(shù)與裝備，最終各項技術(shù)指標(biāo)達(dá)標(biāo)，實現(xiàn)國產(chǎn)化并在國內(nèi)各核電項目中得到了廣泛應(yīng)用。

 為優(yōu)化能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，政府提出“優(yōu)先發(fā)展水電，積極發(fā)展核電，優(yōu)化發(fā)展火電”的能源政策，核電是目前唯一可以大規(guī)模使用的清潔能源。我國《核電中長期發(fā)展規(guī)劃（2005－2020年）》目標(biāo)是到2020年核電運行裝機(jī)容量爭取達(dá)到4000萬千瓦、在建1800萬千瓦。據(jù)國家電監(jiān)會預(yù)測，到2020年我國電力裝機(jī)容量將突破12億千瓦。5%，即6000萬千瓦。按此規(guī)劃，至少每年新建4臺百萬機(jī)組核電項目。一臺百萬機(jī)組需要不銹鋼無縫管約400噸。這類核級材料過去大部分依靠進(jìn)口，進(jìn)口產(chǎn)品價格高，供貨不及時，往往影響工期，同時由于歐美國家前幾十年所建的核電站已進(jìn)入更新期，也需要大量核級不銹鋼無縫鋼管，為此核電用不銹鋼無縫管國產(chǎn)化成為必然趨勢。

  CPR 1000技術(shù)核電機(jī)組用核級不銹鋼管道牌號有Z2CN1810、Z2CND17-12和Z2CND 18-12N等，其中Z2CN1810、Z2CND17-12的成分和性能分別類似于ASTM標(biāo)準(zhǔn)304L和316L（對鈷、硼等元素含量有特殊要求）。304L和316L國內(nèi)企業(yè)的生產(chǎn)工藝比較成熟，國內(nèi)已實現(xiàn)國產(chǎn)化應(yīng)用。核1級不銹鋼管（Z2CND18-12N）由于對氮、鈷、硼含量上限有控制要求，沒有類似的美標(biāo)牌號，尚未實現(xiàn)國產(chǎn)化。該牌號的核級不銹鋼管道主要用于反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)、安全注入系統(tǒng)和余熱排出系統(tǒng)等關(guān)鍵系統(tǒng)，其技術(shù)指標(biāo)要求嚴(yán)格，研制難度大。

  鑒于此原因，中廣核工程有限公司與國內(nèi)某公司合作研發(fā)核1級不銹鋼無縫管道，對解決核電站重要材料的國產(chǎn)化有重要意義。

一、研制過程

  核1級耐高溫控氮不銹鋼無縫管為耐酸、耐腐蝕、耐高溫高壓材料，主要用于反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)、安全注入系統(tǒng)和余熱排出系統(tǒng)系統(tǒng)。該項目主要科技內(nèi)容為采用外場凝固細(xì)晶技術(shù)與先進(jìn)周軋技術(shù)，以及國際先進(jìn)的高潔凈鋼冶煉技術(shù)和大截面無縫鋼管熱處理技術(shù)兩項成熟技術(shù)，通過集成創(chuàng)新，形成核1級耐高溫控氮不銹鋼無縫管成套制造技術(shù)與裝備，該技術(shù)集成屬國際首創(chuàng)。該技術(shù)實現(xiàn)了核級耐高溫控氮不銹鋼無縫管的鍛造脈沖電流處理后的鋼坯，以及周期/可逆多功能軋管機(jī)軋制成型技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，打破國外技術(shù)壟斷，實現(xiàn)能源關(guān)鍵部件、關(guān)鍵技術(shù)的自主創(chuàng)新。且本項目產(chǎn)品長度大大高于國外產(chǎn)品，在國內(nèi)外具有先進(jìn)水平。

 1. 產(chǎn)品技術(shù)路線

  精選原材料→中頻爐粗煉＋氬氧爐精煉→模鑄鋼錠→鋼錠修磨→1200 t水壓機(jī)鍛坯→鋼坯定尺→鋼坯定心→鋼坯剝皮→鋼坯修磨→熱穿孔荒管→酸洗→內(nèi)檢→切平→荒管超聲波探傷檢查→潤滑→軋機(jī)→去油→固溶處理→矯直→穩(wěn)定化處理→矯直→酸洗→檢驗→超聲探傷→水壓檢驗（壓力大于33.2 MPa，氯離子濃度小于25 ppm）→拋光→渦流探傷→液體滲透檢驗→酸洗→表面檢查→定尺→加工坡口→噴砂→鈍化→清洗→噴標(biāo)→稱重包裝→發(fā)貨

 2. 產(chǎn)品技術(shù)水平、主要技術(shù)指標(biāo)

  研制核1級耐高溫控氮不銹鋼無縫管是國家核電工程用材國產(chǎn)化項目，材料的化學(xué)成分，除對不銹鋼常規(guī)化學(xué)元素含量做嚴(yán)格控制外，對氮、鈷、硼元素均有嚴(yán)格的要求，冶煉時必須保證符合法國核電1級用材標(biāo)準(zhǔn)RCC－MM3304。

  鋼管的外徑公差為±0.75%，比國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5310、GB 13296、GB 9948要求高；超聲波探傷、力學(xué)性能、晶間腐蝕等指標(biāo)都高于國家標(biāo)準(zhǔn)。通過電爐配料和AOD智能精煉解決含鉬控氮的化學(xué)成分；嚴(yán)格控制軋、拔工模具的尺寸精度，用專用模具控制鋼管外徑和壁厚的尺寸精度；增加一臺核級不銹鋼管專用熱風(fēng)攪拌電加熱爐，加熱溫度偏差確?！堋?0℃；完善熱處理加工工藝規(guī)范，確保成品管的力學(xué)性能和晶間腐蝕符合規(guī)定要求。

  用不銹鋼離心澆鑄鋼坯經(jīng)內(nèi)、外表面加工后，加熱到規(guī)定溫度，在周期/可逆式往復(fù)周軋管機(jī)上軋制出無縫鋼管。成品管中未出現(xiàn)夾渣和裂紋等缺陷，晶間腐蝕試驗合格，性能均達(dá)到或超過RCC－M核電標(biāo)準(zhǔn)。所得大口徑厚壁無縫鋼管的長度長于國外垂直熱擠壓法成形的無縫管的長度。此種無縫管的使用將大大降低能源管道焊縫的長度，提高核電系統(tǒng)的安全性。另外，可使噸鋼成本降低為傳統(tǒng)工藝的50%。項目產(chǎn)品各項技術(shù)性能部分超過國外先進(jìn)指標(biāo)，完成現(xiàn)行大口徑無縫軋管技術(shù)的升級，使中國能源用無縫鋼管生產(chǎn)工藝水平達(dá)到國際先進(jìn)水平。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：

  a. 化學(xué)成分

  ①. 不銹鋼牌號為Z2CND1812N，熔煉分析和成品分析的化學(xué)成分應(yīng)符合如下規(guī)定：C≤0.035%；Si≤0.75%；Mn≤2.00%；P≤0.035%；S≤0.030%；17.00%≤Cr≤18.00%；11.50%≤Ni≤12.50%；2.25%≤Mo≤2.75%；Cu≤1.00%；N≤0.080%；Co≤0.20%。所有鋼管，其成品B含量≤0.0015%，Co含量目標(biāo)值≤0.10%。

  ②. 化學(xué)成分分析。成品鋼管，每批取一根管子，按照RCC－M MC1350，進(jìn)行成品化學(xué)成分檢查。

   b. 晶間腐蝕試驗

   奧氏體不銹鋼應(yīng)按RCC－M MC1310規(guī)定用敏化過的試樣作晶間腐蝕試驗，并符合要求：

  ①. 敏化處理加熱溫度為725±10℃，升溫至規(guī)定溫度的時間不超過5分鐘，保溫時間30分鐘。試樣在爐內(nèi)以60±5℃/小時的恒溫緩慢冷卻到500℃后空冷，并確保冷卻均勻。

  ②. 溶液的配制為10%結(jié)晶硫酸銅、10%密度為1.83的硫酸、80%蒸餾水。

  ③. 腐蝕試驗：試樣在沸騰中浸泡24 小時，每塊試樣應(yīng)完全浸在一個單獨裝有250 cm3試劑的容器中，溶液只可作一次試驗。

  ④. 腐蝕后檢驗要求：試樣掉落至金屬表面上具有清脆金屬聲；試樣經(jīng)90°彎曲的內(nèi)外表面不應(yīng)有任何晶間腐蝕傾向。

   c. 力學(xué)性能

  ①. 固溶熱處理溫度1050～1150℃的牌號為Z2CND1812N的不銹鋼鋼管的力學(xué)性能應(yīng)滿足表中的要求。

  ②. 按RCC－M MC1272標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓扁試驗，試驗分為兩個階段。壓扁后第一階段不得出現(xiàn)裂縫和裂口，第二階段殼體不得呈現(xiàn)任何剝層或其它明顯的不均勻性。

  d. 晶粒度

  按RCC－M MC1331標(biāo)準(zhǔn)，每批取一根鋼管，測定奧氏體晶粒度≥4級。

  e. 超聲波檢驗

  每根鋼管必須按RCC－M MC2500的規(guī)定進(jìn)行超聲波檢驗，并考慮以下附加要求。超聲波檢驗應(yīng)在交貨狀態(tài)的鋼管上進(jìn)行。

  f. 水壓試驗

  對鋼管逐根進(jìn)行水壓試驗。試驗壓力使管壁上產(chǎn)生的應(yīng)力不應(yīng)小于規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度的50%，試驗壓力或應(yīng)力按式（2）求得：

  式中：P為水壓試驗壓力，MPa；S為管壁產(chǎn)生的應(yīng)力，MPa；t為規(guī)定的公稱壁厚，相當(dāng)于最小壁厚的1.143倍，mm；D為規(guī)定的外徑。按式（2）計算水壓試驗壓力，當(dāng)水壓試驗壓力低于7 MPa時應(yīng)精確到0.5 MPa，其它試驗壓力應(yīng)精確到1 MPa。水壓試驗壓力不得超過50 MPa，保壓時間為5 秒。

  g. 尺寸公差

  鋼管的公稱外徑為323.80 mm，外徑允許偏差為±2.43 mm。外徑公差包括橢圓度。

 3. 產(chǎn)品測試結(jié)果說明

  產(chǎn)品通過采用“EF電弧爐＋AOD氬氧爐”雙聯(lián)精煉工藝，能達(dá)到成分均勻、鋼水純凈、材質(zhì)優(yōu)良、化學(xué)成分等完全符合RCC－M M3304和《RCC－M 1、2、3級不銹鋼無縫鋼管技術(shù)規(guī)格書》。其中，力學(xué)性能、屈服強(qiáng)度、工藝性能、晶粒度、無損檢驗等指標(biāo)均超過標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)議要求。

二、主要技術(shù)創(chuàng)新點

  1. 本項目技術(shù)路線可省去粗軋、擴(kuò)孔等工序，縮短生產(chǎn)周期，降低能耗和排放量，提高金屬收得率，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益。此外，由于傳統(tǒng)周期軋機(jī)在鋼管上需切除管道兩端以保證產(chǎn)品性能，而新型軋機(jī)不需切除兩端，因此可以提高成材率。本項技術(shù)可總共節(jié)約金屬30%～40%，降低生產(chǎn)成本25%～30%。

  2. 用低磷純鐵和高純電解合金為原料，電弧爐（EF）＋亞氧爐AOD（VOD）雙聯(lián)精煉工藝，控制夾雜物的形狀，降低鋼坯的氣體（H、O）含量。

  3. 該核1級耐高溫控氮不銹鋼無縫管長度長，提高能源運行系統(tǒng)管道的使用年限。采用同時具有周期軋管和二輥可逆式軋管功能的多功能軋機(jī)，所生產(chǎn)的核1級耐高溫控氮不銹鋼無縫管長度可達(dá)12～15 m，大大長于國外垂直熱擠壓大口徑厚壁無縫管4 m的長度，可大大降低回路管道中焊縫的長度，減少安裝中的焊接工作量并提高管道的安全和使用年限。

  4. 特殊的管坯鍛壓加熱辦法，加工得到均勻的低倍組織，減少了管坯的微裂紋。通過在核1級耐高溫控氮不銹鋼無縫管的鑄造、周期/可逆多功能軋管機(jī)成型技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化工程中的實現(xiàn)應(yīng)用創(chuàng)新和工藝創(chuàng)新，使我國在核級無縫管關(guān)鍵成型技術(shù)產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域占據(jù)了一席之地。

三、應(yīng)用情況

  國產(chǎn)化的核1級耐高溫控氮不銹鋼無縫管現(xiàn)已用于國家多個核電站項目，如昌江核電項目、方家山核電項目、福清核電項目、臺山核電項目、陽江核電項目、防城港核電項目、寧德核電項目、三門核電項目、海陽核電項目等。