為了早日實(shí)現核電蒸汽發(fā)生器傳熱管的國產(chǎn)化,攀長(cháng)鋼于1999年率先在國內開(kāi)展 Inconel 690 合金傳熱管的試制研究工作,并成功開(kāi)發(fā)出尺寸規格為Φ 19.05mm x 1.09mm x 6500mm 的 690合金傳熱管?,F在寶鋼、攀長(cháng)鋼和太鋼都在大量試制生產(chǎn)690合金傳熱管,但是基于生產(chǎn)保密的因素,國外文獻中涉及實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)有關(guān)工藝參數的報道極少,而690合金傳熱管生產(chǎn)流程長(cháng),重要的工序控制點(diǎn)多,生產(chǎn)工序要求嚴格并要符合特殊規定,因此690合金管材國產(chǎn)化還存在很多技術(shù)難點(diǎn)、關(guān)鍵問(wèn)題有待解決突破。



一、成材率


 雖然文獻報道了攀長(cháng)鋼小批量(僅10根)試制690合金荒管的擠壓成材率為82%,但也出現了嚴重的悶車(chē)未能擠壓成型事故。同時(shí)擠出荒管晶粒度不均勻,基體晶粒為7~8級,大晶粒為2~3級,擠出荒管的晶粒度不均勻將嚴重影響成品管的質(zhì)量,若再考慮荒管的表面質(zhì)量,擠壓成材率會(huì )大大降低。根據國內熱擠壓機調試生產(chǎn)期間反饋的信息,擠出荒管經(jīng)常出現分層開(kāi)裂、內表面橘皮缺陷等問(wèn)題,實(shí)際擠壓成材率較低。此外,即便是對同一鋼種采用同一擠壓工藝參數下,擠壓成材率和擠出荒管的表面質(zhì)量也會(huì )出現很大波動(dòng),這種情況很可能與管坯間質(zhì)量差別大有關(guān)系。為了增強國產(chǎn)蒸汽發(fā)生器用690合金傳熱管的市場(chǎng)競爭力,必須努力提高熱擠壓成材率。



二、荒管內表面橘皮狀缺陷


 在國內6000噸擠壓機調試生產(chǎn)期間,擠出荒管的內表面質(zhì)量問(wèn)題嚴重,經(jīng)常出現表面裂紋、開(kāi)裂和橘皮狀皺折等缺陷。其中橘皮狀缺陷不僅會(huì )影響荒管的表觀(guān)質(zhì)量,還會(huì )降低管材的強度。熱擠壓荒管表面質(zhì)量還對冷軋成品管表面質(zhì)量有重要影響,擠壓荒管內外表面如果存在較深的直道、橘皮狀皺折、凹坑和裂紋等缺陷,經(jīng)大變形量冷軋后不能完全消除,嚴重影響成品管表面質(zhì)量,降低合格率。圖1-9 所示是熱擠壓荒管未經(jīng)任何處理的內表面質(zhì)量,可以看出有明顯的橘皮狀皺折沿圓周延伸,橘皮狀缺陷呈“之”字形臺階相連。對荒管用丙酮超聲清洗、內磨和酸洗處理使內表面缺陷完全暴露,可以看出缺陷的長(cháng)短和深淺不一。同時(shí)經(jīng)過(guò)光鏡觀(guān)察發(fā)現部分橘皮缺陷的末端有類(lèi)似脆性?shī)A雜物顆粒存在,經(jīng)分析確定是殘留的玻璃潤滑劑。造成上述情況出現的因素除了材料自身的高溫塑性外,主要與熱擠壓工藝參數有關(guān)。


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三、冷軋管和成品管內表面絲狀皺折


 管材冷加工工藝決定了成品管的尺寸精度和表面質(zhì)量,690合金傳熱管成品直管的規格為φ19.05mmx1.09mmx(20000~25000)mm,管材的尺寸允許偏差和表面質(zhì)量控制得較嚴,每根管子都要經(jīng)過(guò)嚴格的超聲波探傷、渦流探傷和背景噪聲檢測,這些都對冷軋變形工模具、冷加工工藝參數(包括變形量、變形道次、送進(jìn)量和軋制速度等)及潤滑工藝提出了十分嚴格的要求。在冷軋及中間退火處理過(guò)程中,如果工藝參數控制不當也會(huì )出現一些問(wèn)題,比如一次冷軋管和成品管內表面出現絲狀皺折等,如圖1-10所示。


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 圖1-11所示為一次冷軋管和成品管內表面上存在的絲狀皺折,其深度在15μm之間。掃描電鏡觀(guān)察未發(fā)現夾雜或者氧化物存在,同時(shí)通過(guò)能譜譜線(xiàn)圖析皺折周?chē)幕瘜W(xué)成分,均是690合金主成分元素,沒(méi)有其他異常元素存在,以推斷主要是由管材冷軋過(guò)程金屬流動(dòng)的不協(xié)調造成的皺折。一般來(lái)說(shuō),管材冷軋過(guò)程中金屬的流動(dòng)主要有沿管材周向的剪切流動(dòng)及沿管材軸向的延伸流動(dòng)。在軋制過(guò)程中,如果軋制孔型的匹配不好或坯料的尺寸波動(dòng)太大可能引起金屬周向的剪切流動(dòng)速度大于軸向的延伸流動(dòng)速度,就容易造成曲率半徑較小的內表面產(chǎn)生類(lèi)似“折疊”的效果,該皺折隨著(zhù)管材軸向延伸,最終導致冷軋管和成品管內表面出現絲狀的皺折。有兩種方法可以解決絲狀皺折問(wèn)題,一是調整軋制孔型匹配,增大軋制孔型的曲率半徑,實(shí)際就是調節金屬周向的剪切流動(dòng)速度與軸向的延伸流動(dòng)速度的匹配性,這樣內壁便不會(huì )因為周向和軸向金屬流動(dòng)速率的不匹配,而導致出現類(lèi)似折疊的現象,從而解決了絲狀皺折的問(wèn)題;二是調整坯料內孔尺寸,使內外表面曲率半徑差量減小,同樣可以起到減少絲狀皺折的作用,但這種方法在工程實(shí)際中難度較大。


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四、成品管內壁細晶層及晶粒尺寸不均勻性


 蒸汽發(fā)生器用690合金傳熱管的服役環(huán)境惡劣,服役年限要求長(cháng),抗應力腐蝕開(kāi)裂能力是690合金最重要的性能。除了合金晶粒度、晶間鉻的貧化、雜質(zhì)向晶界的偏析、晶間碳化物及其對應力集中的力學(xué)效應影響690合金的耐腐蝕性能之外,晶粒尺寸的均勻性對690合金的耐蝕性能也有極其重要的影響。如果690合金傳熱管內部晶粒大小不均,勢必造成合金不同位置的耐腐蝕性能不同,結果耐蝕性弱的部位不斷被優(yōu)先腐蝕,這樣整個(gè)管子的使用壽命大大縮短,所以研究解決690合金管的組織均勻性問(wèn)題具有非常重要的意義。


   1. 成品管內表面細晶層


   圖1-12為國內試制和法國 Valinox生產(chǎn)的690合金成品管內表面晶粒組織,可以看出國內試制的690合金管內表面存在幾個(gè)微米厚的細晶粒層,而法國Valinox生產(chǎn)的690合金管不存在這種現象。研究表明,內表面細晶層的存在使合金管的抗晶間腐蝕、點(diǎn)蝕和應力腐蝕的性能受到一定程度的影響。


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   2. 成品管晶粒尺寸不均勻性


   圖1-13為國內試制前期和法國Valinox生產(chǎn)的690合金成品管晶粒尺寸均勻性對比,國內試制的690合金管晶粒均勻性明顯要比法國的差。熱處理后的混晶往往是由于原始晶粒尺寸不均勻,從而在冷加工時(shí)變形不均勻性,造成金屬材料內不同位置的形變儲存能不一,這樣在后續熱處理過(guò)程中再結晶形核不均勻,晶粒長(cháng)大的驅動(dòng)力也不均勻,必然導致再結晶過(guò)程出現混晶組織。為了保證690合金成品管材的質(zhì)量滿(mǎn)足設計標準要求,合理的冷變形和熱處理工藝在消除晶粒尺寸不均勻因素對690合金耐蝕性能的不利影響方面至關(guān)重要。


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  在核電蒸汽發(fā)生器傳熱管?chē)a(chǎn)化存在的問(wèn)題中,熱擠壓成材率及荒管內表面橘皮狀缺陷、冷軋管和成品管內表面絲狀皺折主要影響管材的表面質(zhì)量,可以通過(guò)適當調整工藝條件和設備參數得以解決,但是成品尺寸管晶粒組織及其不均勻性與熱擠壓荒管晶粒組織、冷軋和再結晶退火處理有關(guān),它涉及了690合金在熱變形、冷變形和熱處理過(guò)程中的組織演變,故必須對690合金的熱擠壓和冷軋退火處理過(guò)程進(jìn)行詳細研究,建立熱擠壓、冷軋和退火處理工藝參數與晶粒組織之間的關(guān)聯(lián)性,才能對成品管的組織進(jìn)行精確控制。



五、油井管G3合金荒管開(kāi)裂


  圖1-14為 Hastelloy G3 合金熱擠壓荒管,在管材的圓周方向上,靠近管坯內徑處產(chǎn)生了宏觀(guān)裂紋。為了分析荒管坯開(kāi)裂原因,從管坯上截下一段,制備金相試樣,并對管坯軸向(縱截面)和徑向(橫截面)的內部晶粒組織進(jìn)行觀(guān)察。管坯徑向方向上,晶粒尺寸有所不同,內徑處和外徑處晶粒尺寸相差不大,大約為55~70μm,而在1/2R處晶粒尺寸稍微大些。在軸向方向上,管坯外徑處的晶粒尺寸偏小。在三個(gè)不同的觀(guān)察位置處,晶粒為扁平狀,且呈現流線(xiàn)狀,方向和擠壓方向一致。


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  綜合分析認為,造成開(kāi)裂的原因有:(1). 模具潤滑劑選擇不妥,造成坯料和模具之間摩擦系數過(guò)大;坯料預熱溫度偏高;熱擠壓速度過(guò)高,三者引起熱擠壓變形區及擠出管材內部溫度升高,并且高于其熱加工溫度范圍(1050~1230℃).溫度升高,這不僅造成合金熱塑性降低,還促進(jìn)了晶粒長(cháng)大,合金的熱加工性能下降。(2). 上述三個(gè)工藝參數不合理,造成擠出管材內部應力狀態(tài)從壓應力突變?yōu)槔瓚?,或者直接產(chǎn)生了拉應力。



六、坯料溫升引起的熱塑性降低


  Hastelloy G3 合金是一種高溫熱塑性差、易變形溫度范圍窄的合金,其熱加工溫度范圍大約為1050~1230℃.因此,當G3合金管材熱擠壓工藝中,坯料溫度升高過(guò)大時(shí),合金的熱塑性降低,這可能是擠壓荒管產(chǎn)生開(kāi)裂的一個(gè)原因。


 蘇玉華采用熱拉伸試驗研究了 Hastelloy G3 合金高溫熱塑性隨溫度變化的特性,如圖1-15所示。從圖中可以看出,當拉伸速率為200mm/s時(shí),斷面收縮率隨溫度先增加后逐漸下降,溫度升高到1230℃左右時(shí),斷面收縮率降為60%左右,溫度繼續升高到1240℃時(shí),試樣發(fā)生斷裂。溫度為1150℃左右時(shí),合金的熱塑性達到峰值。實(shí)際熱加工工藝中,通常要求合金斷面收縮率為50%以上。據此,可以認為,G3合金的熱加工溫度范圍大約為1050~1230℃。


 可見(jiàn),Hastelloy G3合金管材熱擠壓工藝中,必須對模具進(jìn)行合理潤滑,降低坯料和模具之間的摩擦熱,從而可以防止坯料內部溫升過(guò)高。同時(shí),必須在充分認識G3合金組織特點(diǎn)、熱變形行為及組織演變過(guò)程的基礎上,對G3合金熱擠壓工藝參數進(jìn)行正確選擇,確保合金在熱擠壓變形中即使發(fā)生溫度升高現象,坯料仍有較高的熱塑性,從而可以得到符合技術(shù)要求的管材。


 總之,對于鎳基耐蝕合金的擠壓,國內外研究的都比較少,首先是因為鎳基合金的可變形溫度很窄,要求擠壓在高溫高速下進(jìn)行。高速擠壓會(huì )導致產(chǎn)品性能的不均勻性增加,產(chǎn)生大量的缺陷;同時(shí)由于合金的硬度比較大,在加工過(guò)程中的抗力很大,對模具的要求很高,同時(shí)帶來(lái)大的能耗,所以對鎳基合金的擠壓研究比較困難。


 由于管材擠壓成型過(guò)程比較復雜,單純地重復試驗需要大量的費用,而且很不方便,所以在研究管材成型時(shí)往往采用計算機數值模擬。通過(guò)有限元模擬,可以深入了解金屬塑性加工中的材料成型機制、預測工藝缺陷等。