核1級(jí)耐高溫控氮不銹鋼無縫管的國產(chǎn)化研制進(jìn)程

  核1級(jí)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(chǎng)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(xiàng)成熟技術(shù)，通過集成創(chuàng)新，形成核1級(jí)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(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)標(biāo)，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化并在國內(nèi)各核電項(xiàng)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(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2005－2020年）》目標(biāo)是到2020年核電運(yùn)行裝機(jī)容量爭(zhēng)取達(dá)到4000萬千瓦、在建1800萬千瓦。據(jù)國家電監(jiān)會(huì)預(yù)測(cè)，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(tái)百萬機(jī)組核電項(xiàng)目。一臺(tái)百萬機(jī)組需要不銹鋼無縫管約400噸。這類核級(jí)材料過去大部分依靠進(jìn)口，進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格高，供貨不及時(shí)，往往影響工期，同時(shí)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(jí)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(shì)。

  CPR 1000技術(shù)核電機(jī)組用核級(jí)不銹鋼管道牌號(hào)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(duì)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(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化應(yīng)用。核1級(jí)不銹鋼管（Z2CND18-12N）由于對(duì)氮、鈷、硼含量上限有控制要求，沒有類似的美標(biāo)牌號(hào)，尚未實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。該牌號(hào)的核級(jí)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(jí)不銹鋼無縫管道，對(duì)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(jí)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(xiàng)目主要科技內(nèi)容為采用外場(chǎng)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(xiàng)成熟技術(shù)，通過集成創(chuàng)新，形成核1級(jí)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(shí)現(xiàn)了核級(jí)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(shí)現(xiàn)能源關(guān)鍵部件、關(guān)鍵技術(shù)的自主創(chuàng)新。且本項(xiàng)目產(chǎn)品長(zhǎng)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(rùn)滑→軋機(jī)→去油→固溶處理→矯直→穩(wěn)定化處理→矯直→酸洗→檢驗(yàn)→超聲探傷→水壓檢驗(yàn)（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(yàn)→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(jí)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(xiàng)目，材料的化學(xué)成分，除對(duì)不銹鋼常規(guī)化學(xué)元素含量做嚴(yán)格控制外，對(duì)氮、鈷、硼元素均有嚴(yán)格的要求，冶煉時(shí)必須保證符合法國核電1級(jí)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(tái)核級(jí)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(yàn)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(zhǎng)度長(zhǎng)于國外垂直熱擠壓法成形的無縫管的長(zhǎng)度。此種無縫管的使用將大大降低能源管道焊縫的長(zhǎng)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(xiàng)目產(chǎn)品各項(xiàng)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(jí)，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(hào)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(yàn)

   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(yàn)，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(shí)間不超過5分鐘，保溫時(shí)間30分鐘。試樣在爐內(nèi)以60±5℃/小時(shí)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(yàn)：試樣在沸騰中浸泡24 小時(shí)，每塊試樣應(yīng)完全浸在一個(gè)單獨(dú)裝有250 cm3試劑的容器中，溶液只可作一次試驗(yàn)。

  ④. 腐蝕后檢驗(yàn)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(hào)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(yàn)，試驗(yàn)分為兩個(gè)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(cè)定奧氏體晶粒度≥4級(jí)。

  e. 超聲波檢驗(yàn)

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

  f. 水壓試驗(yàn)

  對(duì)鋼管逐根進(jìn)行水壓試驗(yàn)。試驗(yàn)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(yàn)壓力或應(yīng)力按式（2）求得：

  式中：P為水壓試驗(yàn)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(jì)算水壓試驗(yàn)壓力，當(dāng)水壓試驗(yàn)壓力低于7 MPa時(shí)應(yīng)精確到0.5 MPa，其它試驗(yàn)壓力應(yīng)精確到1 MPa。水壓試驗(yàn)壓力不得超過50 MPa，保壓時(shí)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(cè)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(jí)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(yàn)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(diǎn)

  1. 本項(xiàng)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(xiàng)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(jí)耐高溫控氮不銹鋼無縫管長(zhǎng)度長(zhǎng)，提高能源運(yùn)行系統(tǒng)管道的使用年限。采用同時(shí)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(jí)耐高溫控氮不銹鋼無縫管長(zhǎng)度可達(dá)12～15 m，大大長(zhǎng)于國外垂直熱擠壓大口徑厚壁無縫管4 m的長(zhǎng)度，可大大降低回路管道中焊縫的長(zhǎng)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(jí)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(shí)現(xiàn)應(yīng)用創(chuàng)新和工藝創(chuàng)新，使我國在核級(jí)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(jí)耐高溫控氮不銹鋼無縫管現(xiàn)已用于國家多個(gè)核電站項(xiàng)目，如昌江核電項(xiàng)目、方家山核電項(xiàng)目、福清核電項(xiàng)目、臺(tái)山核電項(xiàng)目、陽江核電項(xiàng)目、防城港核電項(xiàng)目、寧德核電項(xiàng)目、三門核電項(xiàng)目、海陽核電項(xiàng)目等。