一种核电用耐热钢无缝钢管及其制造方法

技术领域

本发明涉及无缝钢管技术领域，尤其涉及一种核电用耐热钢无缝钢管及其制造方法。

背景技术

随着我国核电技术的发展，第四代核电技术已在国际上崭露头角，第四代核能技术的主要特点是安全性更好、经济性更好、核废物量少，同时能有效防止核扩散。因此对核技术和核设备提出了非常高的要求，例如主蒸汽管道长期处于525℃高温及热循环载荷作用下，对关键材料提出了非常高的技术指标要求，因此开发满足第四代先进核电站需求的关键核材料已成为当今世界核能大国迫切需要解决的核心难题。

第四代核电站核岛的主蒸汽管道输送着高速大流量的高压蒸汽，要求管道必须有良好的耐高温强韧性、持久蠕变性能并且还需要有优异的低温韧性，以满足第四代核电站对材料安全性和可靠性要求。

发明内容

本发明的目的是为了满足第四代核电站核岛的主蒸汽管道材料安全及可靠性的需求，提供一种核电用耐热钢无缝钢管，该无缝钢管具有良好高温强韧性、持久蠕变性能及优异的低温韧性，并且具备很高的尺寸精度，以满足核电站的技术要求和使用要求。

为实现上述目的，本发明的核电用耐热钢无缝钢管具体技术方案如下：

一种核电用耐热钢无缝钢管，所述核电用耐热钢无缝钢管的化学成分按质量百分比计为：C：0.08～0.12％、Si：0.20～0.40％、Mn：0.30～0.50％、P：≤0.015％、S：≤0.005％、Cr：8.50～9.50％、Mo：0.90～1.05％、V：0.18～0.25％、N：0.035～0.065％、Nb：0.06～0.10％、Ni：0.14～0.18％、Al：≤0.015％、Ti：≤0.008％、Zr：≤0.008％、Cu：≤0.10％、Sn：≤0.004％、As：≤0.009％、Sb：≤0.003％、Pb：≤0.008％、Bi：≤0.008％、H：≤0.0002％、O：≤0.003％，C+N＞0.12％，N元素和Al元素的质量占比比例为N/Al＞4，余量为Fe及不可避免的杂质。

优选的，所述核电用耐热钢无缝钢管的化学成分按质量百分比计，As+Sn+Sb+Pb≤0.015％。

进一步，所述无缝钢管在室温下的屈服强度不小于415Mpa、抗拉强度不小于585Mpa、延伸率不小于20％、0℃冲击功不小于54J、硬度范围210～250HBW，525℃高温拉伸下屈服强度不小于288Mpa、抗拉强度不小于373Mpa，并且在500℃，266Mpa持久强度下，持久强度时间不低于3000小时。

本发明还提供一种上述任一种核电用耐热钢无缝钢管的制备方法，包含以下步骤：

对所述核电用耐热钢无缝钢管原料进行冶炼，对所述核电用耐热钢无缝钢管的化学成分范围进行精确控制，经连铸成圆管坯；

对所述圆管坯加热，加热温度控制在1210℃至1240℃；

采用锥形辊穿孔机对加热后的圆管坯进行穿孔形成毛管，穿孔时圆管坯温度控制在1200℃至1220℃；

利用二辊均整机对所述毛管进行均壁扩径轧制形成荒管，轧制时，毛管温度控制在1120℃至1150℃；

利用五机架定径机对所述荒管进行定径；

对定径后的荒管进行正火热处理和回火热处理，正火热处理温度控制在1040℃至1060℃，保温时间为每1mm壁厚1分钟至1.5分钟，总保温时间不小于30分钟，保温结束后出炉吹风快速冷却至93℃以下，进行回火，回火热处理温度控制在760℃至780℃，保温时间为每1mm壁厚3至4分钟，总保温时间不小于90分钟，保温结束后出炉，空冷至600℃以下，带温矫直。

优选地，采用EAF电炉、LF精炼和RH真空处理的冶炼工艺对核电用耐热钢无缝钢管的原料进行冶炼。

优选地，使用环形加热炉对所述圆管坯加热。

优选地，采用车底式LPG热处理炉对所述定径后的荒管进行热处理。。

本发明还提供了一种上述任一种核电用耐热钢无缝钢管的用途，所述核电用耐热钢无缝钢管用于核电站核岛的主蒸汽管道。

本发明通过采用EAF电炉、LF精炼和RH真空处理的冶炼工艺，精准控制Cr、Mo合金元素的范围，严格控制V、Nb、N、Ni微合金的加入，以及穿孔、轧制、热处理等制程工艺参数的优化设定，使本发明核电用耐热钢无缝钢管晶粒更加细化，具有良好的室温力学性能，低温冲击性能和525℃高温拉伸性能及持久蠕变性能，满足第四代核电核岛主蒸汽管道的应用需求。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的和功能，下面结合具体实施例对本发明一种核电用耐热钢无缝钢管及制造方法进一步说明。

本发明核电用耐热钢无缝钢管化学成分按照质量百分比计为：C：0.08～0.12％、Si：0.20～0.40％、Mn：0.30～0.50％、P：≤0.015％、S：≤0.005％、Cr：8.50～9.50％、Mo：0.90～1.05％、V：0.18～0.25％、N：0.035～0.065％、Nb：0.06～0.10％、Ni：0.14～0.18％、Al：≤0.015％、Ti：≤0.008％、Zr：≤0.008％、Cu：≤0.10％、Sn：≤0.004％、As：≤0.009％、Sb：≤0.003％、Pb：≤0.008％、Bi：≤0.008％、H：≤0.0002％、O：≤0.003％，C+N＞0.12％，N/Al＞4，其中，N元素和Al元素的质量占比比例为N/Al＞4，余量为Fe的原料。

所述核电用耐热钢无缝钢管化学成分中重要元素选择分析如下，Cr是抗高温氧腐蚀和提高热强性的合金元素，Cr含量过低时，钢的抗热腐蚀和抗氧化性能不足，Cr含量过高时会导致δ-Fe出现，从而损害钢的持久强度和韧性，将Cr含量控制在8.50～9.50％之间，同时添加Mo元素增加固溶强化作用；进一步添加V、Nb、N等强化元素，形成了复合相的弥散强化，大大提高了钢的热强性；进一步加入少量的Ni微合金元素来进行合金化处理，形成析出强化，少量Ni可以提高管道抗高温蒸汽腐蚀能力，但超过一定范围，会降低高温持久性能；Ti、Al、Zr等元素作为炼钢钢水中合金料，会不可避免带入，控制其上限，保证该类合金化合物析出数量避免而恶化材料性能；控制C+N＞0.12％保证析出相碳氮化物的数量和密度，提高高温蠕变强度；控制N/Al＞4，保证精炼过程中N含量，利于高强度稳定的氮化物析出数量和密度，提高高温蠕变强度。

以制造核电用耐热钢无缝钢管化学成分按质量百分比计为：C：0.08～0.12％、Si：0.20～0.40％、Mn：0.30～0.50％、P：≤0.015％、S：≤0.005％、Cr：8.50～9.50％、Mo：0.90～1.05％、V：0.18～0.25％、N：0.035～0.065％、Nb：0.06～0.10％、Ni：0.14～0.18％、Al：≤0.015％、Ti：≤0.008％、Zr：≤0.008％、Cu：≤0.10％、Sn：≤0.004％、As：≤0.009％、Sb：≤0.003％、Pb：≤0.008％、Bi：≤0.008％、H：≤0.0002％、O：≤0.003％，C+N＞0.12％，N/Al＞4，余量为Fe的原料配方进行制备，制备方法如下：

通过EAF电炉加LF精炼加RH真空处理的冶炼工艺对核电用耐热钢无缝钢管原料进行冶炼，对上述化学成分范围进行精确控制，经连铸成圆管坯，连铸过程中，严格按照操作规范进行，使钢的化学成分、晶粒组织均匀，钢质纯净，以确保钢管的性能。

对所述圆管坯使用环形加热炉加热，加热温度控制在1210℃至1240℃；

加热后，采用锥形辊穿孔机对所述圆管坯进行穿孔形成毛管，穿孔时钢管温度控制在1200℃至1220℃；

利用二辊均整机对所述毛管进行均壁扩径轧制形成荒管，轧制时，钢管温度控制在1120℃至1150℃；均整轧制接触面积大，变形均匀，最大限度地消除了斜轧扩径带来的内外表面螺旋道，提高了钢管壁厚均匀性，获得尺寸和性能优异的钢管；

利用五机架定径机对所述荒管进行定径；

均整轧制接触面积大，变形均匀，最大限度地消除了斜轧扩径带来的内外表面螺旋道，提高了钢管壁厚均匀性，获得尺寸和性能优异的钢管。

采用车底式LPG热处理炉对定径后的荒管进行正火热处理和回火热处理，正火热处理温度控制在1040℃至1060℃，保温时间为每1mm壁厚1至1.5分钟，总保温时间不小于30分钟，保温结束后出炉吹风快速冷却至93℃以下，进行回火，回火热处理温度控制在760℃至780℃，保温时间为每1mm壁厚3至4分钟，总保温时间不小于90分钟，保温结束后出炉，空冷至600℃以下，带温矫直。

对依照本发明制备的核电用耐热钢无缝钢管进行成分及性能检测如下：

实施例1：核电用耐热钢无缝钢管的化学成分按质量百分比计为：C：0.09％、Si：0.29％、Mn：0.42％、P：0.015％、S：0.002％、Cr：8.61、Mo：0.92％、V：0.20％、N：0.046％、Nb：0.07％、Ni：0.16％、Al：0.007％、Ti：0.001％、Zr：0.001％、Cu：0.04％、Sn：0.003％、As：0.006％、Sb：0.002％、Pb：0.001％、Bi：0.004％、H：0.00008％、O：0.002％，C+N＝0.136％，余量为Fe,其中，N元素和Al元素的质量占比相对比例为N/Al＝6.57，As+Sn+Sb+Pb＝0.012％。

实施例2：核电用耐热钢无缝钢管的化学成分按质量百分比计为：C：0.09％、Si：0.29％、Mn：0.43％、P：0.011％、S：0.002％、Cr：8.65％、Mo：0.93％、V：0.20％、N：0.047％、Nb：0.07％、Ni：0.16％、Al：0.009％、Ti：0.001％、Zr：0.002％、Cu：0.04％、Sn：0.004％、As：0.005％、Sb：0.002％、Pb：0.001％、Bi：0.005％、H：0.00007％、O：0.0018％，C+N＝0.137％，余量为Fe,其中，N元素和Al元素的质量占比相对比例为N/Al＝5.22，As+Sn+Sb+Pb＝0.012％。

实施例3：核电用耐热钢无缝钢管的化学成分按质量百分比计为：C：0.09％、Si：0.29％、Mn：0.43％、P：0.012％、S：0.002％、Cr：8.81、Mo：0.94％、V：0.20％、N：0.049％、Nb：0.07％、Ni：0.16％、Al：0.008％、Ti：0.001％、Zr：0.001％、Cu：0.03％、Sn：0.004％、As：0.005％、Sb：0.001％、Pb：0.001％、Bi：0.004％、H：0.00009％、O：0.0018％，C+N＝0.139％，余量为Fe,其中，N元素和Al元素的质量占比相对比例为N/Al＝6.13，As+Sn+Sb+Pb＝0.011％。

对实施例1-3核电用耐热钢无缝钢管在室温和高温状态下拉伸性能检测如下：

对实施例1-3核电用耐热钢无缝钢管低温下冲击性能及室温状态下硬度检测如下：

由检测数据可以得出，本发明的核电用耐热钢无缝钢管化学成分均匀、性能稳定，在保证高温性能的基础上，同时具有非常良好的低温冲击韧性，满足在室温下的屈服强度不小于415Mpa、抗拉强度不小于585Mpa、延伸率不小于20％、0℃冲击功不小于54J、硬度范围210至250HBW，525℃高温拉伸下屈服强度不小于288Mpa、抗拉强度不小于373Mpa的设定标准，并且选取实施例1的试样做500℃，266Mpa持久强度试验，实验寿命时长为11014.79小时，完全满足大型核电用耐热钢无缝钢管的设计规范要求，能够适用于第四代核电站核岛主蒸汽管道。

本发明通过采用EAF电炉、LF精炼和RH真空处理的冶炼工艺，精准控制Cr、Mo合金元素的范围，严格控制V、Nb、N、Ni微合金的加入，以及穿孔、轧制、热处理等制程工艺参数的优化设定，使本发明核电用耐热钢无缝钢管晶粒更加细化，具有良好的室温力学性能，低温冲击性能和525℃高温拉伸性能及持久蠕变性能，满足第四代核电核岛主蒸汽管道的应用需求。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。