四代核电快堆一回路主管道管道单体的制造方法

摘要

本发明公开了一种四代核电快堆一回路主管道管道单体的制造方法，包括：坯料采用气体保护电渣重熔，熔铸成电渣钢锭，对电渣钢锭进行高温均质化扩散退火，经鐓粗、拔长制成挤压用圆坯；将圆坯加热到1150±10℃，鐓粗、冲孔、挤压成钢管，经水冷后制备成直管，将直管进行中频弯制即成所需弯管。本发明制备的直管、弯管的材料纯净度高，晶粒度细小均匀，具有优良的高温持久强度和抗疲劳性能。

说明书

技术领域

本发明属于管道生产方法，具体涉及一种四代核电快堆一回路主管道管道单体的制造方法。

背景技术

原子能科学研究院主持设计的中国首个“快中子反应堆”示范工程核电站，将落户于福建霞浦，具有铀资源利用率高、嬗变核废料和安全性高的特点，是世界第四代先进核能系统的首选堆型。它可将天然铀资源利用率从目前的约1％提高至60％以上，并实现放射性废物最小化，能一举解决铀矿资源枯竭、核材料利用率低和核废料难以处理等问题。

高温高压水进入蒸汽发生器的U型管内，在U型管内与二回路冷却水进行热交换，释放热量后又被主泵送回堆芯重新加热再进入蒸汽发生器。这样不断地在密闭的回路内循环，称为一回路系统。压水堆核电站中一回路主管道为核岛七大关键部件之一，是系统承压边界的一部分，称为核电站的“主动脉”，它封闭着高温、高压和带有放射性、腐蚀性的冷却剂，维持和约束冷却剂循环流动，对反应堆的安全和正常运行起着重要的保障作用。一回路主管道是第四代快堆核电工程的核心部件之一，被喻为“心脏的主动脉血管”。一回路主管道是核电站正常、非正常、事故和试验工况下防止核反应裂变产物外泄至安全壳的重要屏障。因此，主管道要能够耐高温、耐高压以及耐腐蚀，以及强烈的中子辐照等恶劣条件下运行，其设计寿命不低于40年且不可更换。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种四代核电快堆一回路主管道管道单体的制造方法，制备的直管、弯管的材料纯净度高，晶粒度细小均匀，具有优良的高温持久强度、抗疲劳性能和耐蚀性能。

为达到上述目的，本发明使用的技术解决方案是：

四代核电快堆一回路主管道的制造方法，包括：

坯料采用气体保护电渣重熔，熔铸成电渣钢锭，对电渣钢锭进行高温均质化扩散退火，经鐓粗、拔长制成挤压用圆坯；

将圆坯加热到1150±10℃，升温速率小于60℃/h，在制坯机上除磷、鐓粗、冲孔，在挤压机上挤压成钢管，经水冷后制备成直管。

进一步，对电渣钢锭进行高温均质化扩散退火包括：对电渣钢锭升温到550～600℃，升温速率小于50℃/h，保温3-5h；继续升温到900-950℃，升温速率小于小于50℃/h，保温保温3-5h；继续升温到1250±10℃，升温速率小于50℃/h，保温50-70h；炉内冷却到小于1000℃，然后空冷到室温。

进一步，坯料选用AISI316H奥氏体不锈钢，电渣钢锭中有害铁素体≤1wt％。

进一步，电渣钢锭成分包括：C＝0.040～0.050wt％，Si≤0.60wt％，Mn＝1.20～1.80wt％，S≤0.003wt％，P≤0.015wt％，Cr＝17.3～17.8wt％，Ni＝11.7～12.3wt％，Mo＝2.5～2.7wt％，N＝0.050～0.070wt％，B≤0.0015wt％，O≤25ppm，H≤2.5ppm，其余元素：Al≤0.03wt％、Sb≤0.002wt％、Pb≤0.001wt％、Se≤0.015wt％、Sn≤0.005wt％、V≤0.05wt％、Zn≤0.01wt％、As≤0.01wt％、Co≤0.06wt％，As+Sb+Bi+Sn+Pb总和≤0.015wt％。

进一步，鐓粗、拔长制成挤压用圆坯过程中，电渣钢锭的加热温度1180±10℃，先鐓粗再拔长，锻造比为3-4之间。

进一步，将冲孔坯料返炉加热1150±10℃，升温速率小于60℃/h，出炉后除磷，然后在挤压机上鐓粗、挤压成钢管，对挤压后钢管内、外壁进行内镗外车，并辅之以内圆、外圆磨削，以保证钢管内外壁光洁度，制备成直管。

进一步，还包括采用中频弯管技术将直管坯制备成弯管的步骤。

进一步，将直管坯制备成弯管的过程包括：

直管放置在中频弯管机的两排鼓轮之间，两排鼓轮将直管夹紧，防止直管偏离移动轨迹；油缸注油后，伸缩杆推动推板前移，推制速度20～35mm/min，推板推动直管前移，直管的前端伸入感应线圈；

中频感应电路将三相工频交流电整流后变成直流电，变化的直流电供给由电容和感应线圈，感应线圈在直管坯中产生涡流，直管加热到950-1050℃继续前移并进入喷水圈冷却，喷水冷却的冷却水流量4～4.7t/h；

直管从喷水圈出来后伸入卡头，角度盘带动半径控制杆转动，半径控制杆带动卡头转动，将加热后的直管弯曲，制备成弯管。

进一步，还包括对于弯管或者直管进行固溶热处理的步骤。

进一步，固溶热处理包括：将弯管/直管放入加热炉加热，升温速度小于150℃/h，温度到达1050±10℃后保温2h，然后水冷到室温。

本发明技术效果包括：

利用本发明制备的直管、弯管的材料纯净度高，晶粒度细小均匀，具有优良的高温持久强度、抗疲劳性能和耐蚀性能，优良的抗辐照脆化和耐时效老化性能。直管、弯管不仅有大口径、薄壁的特点，而且弯管的弯曲部位弯曲半径小、减薄量小(外弯减薄量不得高于8％)、没有皱褶、没有椭圆度。

附图说明

图1是本发明中电渣钢锭的均质化扩散退火工艺图；

图2是本发明中钢管挤压加热工艺图；

图3本发明中中频弯管机的结构示意图；

图4本发明中中频弯管机感应线圈与钢管位置示意图；

图5是本发明中固溶热处理工艺的流程图。

具体实施方式

以下描述充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践和再现。

为满足直管和弯管极高的综合性能要求，通过反复研究，确定了直管和弯管的制造方案。

四代核电快堆一回路主管道管道单体的制造方法，具体步骤如下：

选用材料为AISI316H奥氏体不锈钢，除了要求达到常规的性能指标外，材料必须满足以下特殊要求：足够高的纯净度、致密度和均匀度，适当的强度和良好的韧塑性，细小均匀的晶粒度，优良的高温持久强度和抗疲劳性能，优良的抗辐照脆化和耐时效老化性能，优良的焊接性、冷热加工性能以及优良的抗腐蚀性能等。为此，制定了如下的冶炼、锻压工艺：

步骤1：坯料制备；

(1)、采用电炉冶炼+VOD(真空吹氧脱碳法)精炼工艺炼钢，浇注电极坯；

(2)、采用气体保护电渣重熔，熔铸成电渣钢锭；

电渣钢锭成分要求(wt％)：C＝0.040～0.050，Si≤0.60，Mn＝1.20～1.80，S≤0.003，P≤0.015，Cr＝17.3～17.8，Ni＝11.7～12.3，Mo＝2.5～2.7，N＝0.050～0.070，B≤0.0015，O≤25ppm，H≤2.5ppm，其余元素：Al≤0.03、Sb≤0.002、Pb≤0.001、Se≤0.015、Sn≤0.005、V≤0.05、Zn≤0.01、As≤0.01、Co≤0.06，五害元素(As+Sb+Bi+Sn+Pb)总和≤0.015。

钢锭的非金属夹杂物按照GB/T10561-2005法进行评级，非其中各类夹杂物级别应满足以下要求：A类细系不大于0.5级，B类细系不大于1.0级，C类细系不大于0.5级，D类细系不大于1.0级，DS不大于1.0级，上述五类之和不大于1.5级。A、B、C、D四类粗系之和不大于1.0级。

(3)、对电渣钢锭进行高温长时间均质化扩散退火，以消除钢锭中的成分偏析和消除有害铁素体，保证钢中有害铁素体≤1wt％；

如图1所示，是本发明中电渣钢锭的均质化扩散退火工艺图。

对电渣钢锭升温到550～600℃，升温速率小于50℃/h，保温4h；继续升温到900-950℃，升温速率小于小于50℃/h，保温保温4h；继续升温到1250±10℃，升温速率小于50℃/h，保温60h；炉内冷却到小于1000℃，然后空冷到室温。

(4)、对钢锭鐓粗、拔长，制成挤压用圆坯。

电渣钢锭制坯工艺：电渣锭尺寸：φ900×1400，加热温度：1180±10℃，首先鐓粗至φ1100×900，再拔长至φ850×1550圆坯，锻造比：3.3。

步骤2：钢管挤压成型；

如图2所示，是本发明中钢管挤压加热工艺图。

(1)、将圆坯加热到1150±10℃，升温速率小于60℃/h，在1.6万吨制坯机上除磷、鐓粗、冲孔；

首先将圆坯在鐓粗筒内鐓粗至φ1080×970，然后冲孔至φ1080/φ625×1460坯料，压力值：10500t。

(2)、将冲孔坯料返炉加热1150±10℃，升温速率小于60℃/h，出炉后除磷，然后在5万吨挤压机上，挤压成毛坯管，挤压变形过程晶粒也得以细化，钢管开始露出时即刻在线水冷，保证晶粒不再长大。

挤压后毛坯管尺寸为φ725/φ645，长度～10.5m。挤压速度：30mm/s，压力值：34000t，本规格钢管制作总挤压比为：7.8。

将连接于高压水泵的φ800环形喷淋管罩于钢管出口处，喷淋速度：200L/min。

(3)、对挤压后毛坯管内壁进行内镗外车，并辅之以内圆、外圆磨削，以保证钢管内、外壁光洁度，制备成直管。

直管尺寸：φ711/φ679×10000，粗糙度：Ra12.5。

步骤3：采用中频弯管技术将直管制备成弯管；

管道单体包括：直管、弯管，一回路主管道是直管和弯管焊接后组成，将直管根据需要弯曲后制成弯管。

如图3所示，本发明中中频弯管机的结构示意图。

中频弯管机的结构包括：油缸1、推板2、鼓轮3、感应线圈4、喷水圈5、卡头6、半径控制杆7、角度盘8、基座9。

油缸1固定在基座9上，其伸缩杆11的前端连接推板2，给推板2提供动力推动直管坯20移动；鼓轮3的转轴固定在基座9上，位于推板2前端；感应线圈4位于鼓轮3的前端，感应线圈4通过导线连接中频感应电路；喷水圈5通过管路连接喷淋设备，喷水圈5位于感应线圈4的前端；卡头6的外壁通过半径控制杆7连接角度盘8。

角度盘8包括：齿轮箱、电机、输出转轴，齿轮箱将电机的高转速转换为大扭力的低转速，并带动输出转轴转动。半径控制杆7连接在输出转轴上。

中频感应电路将三相工频交流电整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的电流(450～460A，900～950V)，供给由电容和感应线圈4里流过的交变电流，在感应线圈4中产生高密度的磁力线，并切割感应线圈4中的直管坯20，在直管坯20中产生很大的涡流。

用挤压加工成形的直管坯20(直管坯20的规格：Φ711mm×16mm×10000mm)通过中频弯管机弯曲后形成弯管，首先，直管20放置在两排鼓轮3之间，两排鼓轮3将直管20夹紧，防止直管20偏离移动轨迹；油缸1注油后，伸缩杆11推动推板2前移(推制速度20～35mm/min)，推板2推动直管20前移，直管20的前端伸入感应线圈4；

感应线圈4对直管20加热到950-1050℃(通过调整感应线圈4与内外弧的间隙实现内外弧具有不同的温度，试验证明，当感应线圈4偏向内弧5mm时，内外弧的温度满足工艺要求，加热后的直管20继续前移并进入喷水圈5冷却(喷水冷却的冷却水流量4～4.7t/h)；

如图4所示，是本发明中中频弯管机感应线圈4与与直管20的位置示意图。

为使弯管不起皱褶，采用中频窄间距加热及快速冷却工艺，使感应线圈4的加热宽度控制在8mm内。

为防止弯曲过程出现椭圆，喷水圈5紧靠感应线圈4，而且喷淋水的流向与感应线圈4一侧倾斜约30°，保证感应加热后即时冷却。保证钢管再不发生变形，也保证晶粒不再长大。

直管20从喷水圈5出来后伸入卡头6，角度盘8启动并带动半径控制杆7转动，半径控制杆7带动卡头6转动，将加热后的直管20弯曲(为了保证弯曲半径满足技术要求，弯曲角度比图纸要求增加约1％)，弯成一个角度后，将钢管调换角度弯曲另一个角度。成品钢管由90°+145°两个空间呈90°的弯管组成。

利用远红外测温仪测量温度。

弯管主要特点是薄壁、大口径、弯曲半径小，弯管没有椭圆变形，其外弯减薄量不得高于8％，内弯不得有明显褶皱。

步骤4：对弯管/直管进行固溶热处理。

如图5所示，是本发明中固溶热处理工艺的流程图。

将弯管/直管放入加热炉加热，升温速度小于150℃/h，温度到达1050±10℃后保温2h，水冷到室温。

对弯管/直管进行进行固溶处理，在加热后快速冷却，使碳化物充分溶解并在常温下保留在奥氏体中，从而在常温下获单相奥氏体组织，使钢具有最高的耐腐蚀性能。

本发明所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离技术方案的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。