张俊萍，肖功业，何 彪，赵庆权，王国亮，许磊磊

(天津钢管集团股份有限公司技术中心，天津300301)

1 引言

随着全球对环境、气候变暖等问题的日益关注，二氧化碳排放已经成为制约全球经济社会发展的瓶颈。核电作为一种清洁安全、技术成熟、供应能力强的低碳能源之一，在未来的能源结构调整中将发挥积极而重要的作用［1］［2］。我国在大力发展核电站的同时，提出了核电站国产化的要求。近几年来天津钢管集团股份有限公司(以下简称TP-CO)积极推动核电管国产化进程，与中广核工程公司共同研发了用于替代进口核电站用管的A335 P22核电管。核电站虽然运行参数相对火电站要低，但由于需要在高温强辐射和腐蚀条件下工作，故材料应具有良好的力学性能、辐射稳定性、与核燃料的相容性、高的热导率等［3］。在任何情况下不允许容器破坏和泄漏，安全级别高，因此确保性能良好、质量稳定即为课题组对于A335P22核电管的研发的首要任务。

A335 P22属21/4Cr-1Mo型铁素体热强钢，其基本性能主要依据的标准及规范为ASTM A335M/A335M标准以及GB 5310－2008标准，应用于核电管常规岛部分的高压缸排气管等［4］。本文重点介绍了TPCO产A335P22核电管研制的工艺过程及产品性能等。文中所提到的核电技术协议为基于ASTM A335M/A335M以及GB 5310－2008标准所制定的更为严格的核电标准。

2 试验材料及方法

试验用材料为TPCO采用电炉冶炼+炉外精炼的镇静钢，经热轧、热处理、精整到成品管的方法生产的无缝钢管，交货状态为正火+回火，由于A335P22核电管通常含有较高的Cr、Mo，如果采用连铸方式生产管坯，会造成管坯表面质量及内部质量不好，严重时会产生通体裂纹(尤其是大断面管坯)，因此需要采用模铸、锻造的方式生产。TPCO依据核电技术协议并结合公司实际制定如下制管工艺流程:EAF→LF→VD→模铸→锻造→退火→管坯加热→穿孔→PQF连轧→定径→探伤→正火→回火→矫直→修磨→探伤→水压试验→除锈→测长、称重、喷标→外涂漆，内涂油→戴帽→入库。

2.1 化学成分设计

对A335P22核电管的低温冲击韧性进行研究发现，随钢中Cr、Mn含量的增加和组织中先共析铁素体的减少，钢的低温冲击韧性明显提高，因此要适当提高钢中Cr、Mn的含量。由于该钢含有较多的铬，因此它的抗高温氧化，抗高温腐蚀性能均优于一般的低合金珠光体型耐热钢［5］。故生产中应注意控制Cr含量，以满足抗“FAC(流动加速腐蚀)”的要求，另外过低的C含量使得高温强度降低，但C含量过高，则可焊性降低，同时降低高温塑性。我公司最终成品管的C含量在0.11%左右。

另外，磷在A335P22钢中有晶界偏聚行为，磷在晶界的偏聚行为可导致非硬化脆性，从而造成晶间的断裂，减低使用性能，也会提高材料的韧脆转变温度，对材料性能的影响相当大，因此要严格控制P的含量［6］。我公司A335P22核电管成品元素含量分别为:C:0.10%～0.13%;Si:0.27%～0.37%;Mn:0.45%～0.52%;Cr:2.15% ～2.40.%;Mo:0.94%～1.03%;P:0.006%～0.010%;S:0.001% ～0.006%。

2.2 热处理工艺制度

2.2.1 工艺摸索

核电技术协议规定A335P22核电管热处理制度为:正火(900～960℃)+回火(≥675℃)。规范中给出的热处理温度范围较大，结合我公司炉型和设备工况，研究不同热处理制度对该钢种性能的影响，摸索最佳状态热处理工艺具有实际意义。对规格为φ406.40mm×12.70mm的 A335P22核电管进行不同工艺参数的热处理工艺试验，图1、2为不同热处理制度与力学性能的关系曲线。

2.2.2 结果分析

结果表明，回火温度为740℃保温时间60min时，当正火温度≤940℃时，随着正火温度的升高对钢管强度影响不大，延伸率有所增加，但当正火温度达到960℃以上，此时合金元素充分固溶，强度上升，但晶粒长大，延伸率明显降低。因此，正火温度选940℃更适宜，此温度下正火后，材料随回火温度升

图1 不同正火温度与力学性能关系曲线

根据试验分析结果，并结合工业炉工况，制定最佳热处理工艺制度为，正火温度930～950℃，保温时间按1.5min/mm，不少于30min，回火温度740℃，保温时间应不少于1h的热处理工艺来组织批量生产。

2.3 A335 P22大口径核电管的总体性能对比分析

选取TPCO生产的规格为φ406.40mm×12.70mm的A335P22核电管进行几何尺寸分析，并与日本住友生产的 P22，规格为φ470.00mm×27.50mm和 φ679.00mm×39.00mm的成品钢管进行性能解剖对比分析。

2.3.1 尺寸检测

检查方法:每相隔45°位置测量一个壁厚值，共8点;外径测定:在每相隔90°测量一个值，共四个。由于所取日本住友钢管为片状试样，故对其钢管外径偏差及壁厚不均度等指标无法测量，故只有我公司产品尺寸数据见表1。

由表1中的测量结果可以看出，TPCO产高，强度下降，但仍有很大富余度，延伸率升高。工业生产中回火温度可适当调高保证在740℃左右为宜，同时从试验数据可知，随回火保温时间的延长，强度变化不大，但韧性略有升高。品无论钢管壁厚还是外径均满足标准要求，且钢管尺寸均匀性较好，满足核电技术协议的要求。

图2 不同回火温度与力学性能关系曲线

2.3.2 A335P22核电管化学成分

对上述TPCO产品与住友产品进行了化学成分分析并与住友产品进行了对比，分析结果如表2。结果表明，TPCO产品各种元素含量与住友相比控制良好、水平相当，满足核电技术协议的的要求。

2.3.3 显微组织、晶粒度和非金属夹杂物

对成品管进行晶粒度、非金属夹杂物以及显微组织检验，并与住友产品进行了对比。非金属夹杂物按GB/T10561中A法评级;晶粒度按 GB/T6394标准检验;显微组织按GB/T13298标准进行评定。检验结果见表3，金相组织照片见图3a～c。

表3和图3a～c可以看出，与住友相比我公司产品中的金属夹杂物含量较低，钢的纯净度高，组织均匀，晶粒度比住友细小，因此，A335P22大口径核电管的金相检验结果完全符合标准的要求。

2.3.4 力学性能检验

对上述产地A335P22钢管进行纵向力学性能检验，结果如表4。

表1 尺寸测量及偏差

表2 钢管化学成分元素含量分析对比(wt%)

表3 金相检验结果

图3a～c TPCO A335P22核电管与住友P22钢管显微组织形貌

表4 力学性能结果

从表4可见，TPCO生产的该批A335P22核电管室温力学性能良好，且在强度具有较多富余量的前提下，塑性仍然足够，满足核电标准的要求。与住友产品相比，TPCO生产的A335P22核电管各项力学性能的性能良好，延伸率比住友产品要高，冲击性能相当。

2.3.5 系列冲击试验对比

脆性转变温度是评价一个钢种性能好坏的重要指标。转变温度过高，则有可能在应用过程中发生脆性断裂，造成事故。采用系列冲击的方法对该批A335P22核电管进行系列冲击韧性试验并与日本住友产品进行对比分析，以研究其韧脆转变温度，将系列冲击值和断面剪切比进行Boltzmann函数拟和分析，其结果见图4a～c。试验结果表明，日本住友产品韧脆转变温度分别为 －4℃和－3℃，而TPCO A335P22核电管韧脆转变温度为－25℃，可见TPCO产品脆性转变温度较住友产品相比要低很多，这是由于该炉A335P22核电管的P含量控制低(0.010%)，且晶粒较细，因此脆性转变温度低。实验结果完全符合A335P22核电管技术协议要求。

图4 A335P22核电管系列冲击值和断面剪切比与住友产品对比分析图

2.3.6 短时高温拉伸

短时高温性能是核电管的一个重要性能指标，反映其在工作状态下的性能。对TPCO生产的该炉 A335P22核电管在200℃到550℃之间的高温短时拉伸性能进行了测试，并与日本住友生产的P22钢管进行了对比，见图5a～c所示，试验方法执行GB/T4338。核电管技术协议规定A335P22核电管短时高温拉伸350℃屈服点≧185MPa，由图可见TPCO生产的A335P22核电管的短时高温拉伸强度完全符合核电标准的要求。由以上数据可以看出，TPCO生产的A335P22核电管的抗拉强度在各温度下都比日本住友公司产品要高，屈服强度比住友低，但都满足要求。相应的，屈强比TPCO的钢管要比住友低，因此高温下裂纹扩展敏感性小，使用安全性能要高。同时在500℃以后，钢管的延伸率比日本住友公司要高。因此，TPCO生产的A335P22核电管高温拉伸综合性能要优于日本住友公司的产品。

图5a～c 高温短时拉伸力学性能对比

2.3.7 持久强度

在RD2－3高温蠕变持久试验机上，按照GB/T2039－1997《金属高温拉伸蠕变及持久试验方法》，对TPCO生产的A335 P22核电管进行540℃的持久强度系列试验，得到持久强度外推曲线见图6。

对于10万h的持久强度，GB5310－2008中12Cr2MoG推荐540℃为81MPa，TPCO产品外推值为 88.8MPa。可见，TPCO生产的A335P22核电管540℃持久强度完全满足GB5310－2008的要求。

3 结语

(1)天津钢管集团股份有限公司生产的核电站常规岛用A335P22核电管所检验的钢管的化学成分、力学性能都能很好满足或高于核电技术协议的要求，并且化学成分合理，S、P 含量低。

(2)与住友产品相比天津钢管集团股份有限公司A335 P22核电管的金属夹杂物含量较低，钢的纯净度高，组织均匀，晶粒度比住友细小，结果完全符合技术协议的要求。

(3)天津钢管集团股份有限公司生产A335P22核电管各项性能指标与国外的日本住友等著名厂家相比，性能相当，已达到国际领先水平。

图6 A335 P22核电管持久强度外推曲线

(4)开发成功的A335P22核电管使国内核电站用A335P22核电管实现了国产化，打破了国外的垄断，降低了国内核电站的制造成本。

［1］成海涛，郭元蓉．核电用管现状及国产化进展［J］．钢管，2008，37(4):31 －35．

［2］ 赵彦芬，文新，汪小龙，等，核电站用钢管及其国产化［J］．钢管，2007，36(2):11 －14．

［3］ 付美平．A335P22主蒸汽管道焊接工艺研究［J］．云南电力技术，2001，29(1):31 －33．

［4］ 吴家凯，陈娟．AP1000核电站常规岛主要热力管道材料选择［J］．广东电力，2010，23(2):75－78．

［5］ Port．R D．Flow Accelerated Corrosion．Corrosion［J］，1998:921．

［6］ 刘瑞良．2．25Cr1Mo钢中磷的平衡晶界偏聚及其对钢的韧脆转变温度的影响［D］．哈尔滨工业大学硕士学位论文，2006．