СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ДВУХСЛОЙНЫХ ТРУБ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА ДЛЯ ГЛАВНОГО ЦИРКУЛЯЦИОННОГО ТРУБОПРОВОДА АЭС Российский патент 2023 года по МПК B22D13/02 

Изобретение относится к металлургическому производству и может быть использовано в отраслях химического и машиностроительного комплексов для изготовления сосудов, эксплуатируемых в агрессивных средах и при высоких давлениях и температурах. Предлагаемый способ производства двухслойных труб большого диаметра предназначен для оборудования прямых участков главного циркуляционного трубопровода (ГЦТ) АЭС с наружным диаметром 990 мм и внутренним диаметром 850 мм и длиной в пределах 4500-8150 мм, соединяющего реактор атомной станции с парогенератором и насосами, в которых происходит циркуляция теплоносителя, охлаждающего активную зону, а так же передача тепла на парогенераторы при температуре воды 350°С и давлении 17,6 МПа, в связи с чем возникает необходимость в защите внутренней поверхности упомянутых труб от коррозионного воздействия теплоносителя путем нанесения плакирующего слоя толщиной 5 мм из нержавеющей стали марки 08Х18Н10Т, т.е. в производстве труб ГЦТ в двухслойном исполнении.

Известен способ изготовления двухслойных труб ГЦТ для АЭС, включающий использование двух различных технологических процессов, связанных с отдельным получением трубной заготовки (несущего слоя) из стали марки 10ГН2МФА путем ковки из слитка с последующей термообработкой и механообработкой, а затем использованием второго технологического процесса, связанного с наплавкой коррозионностойкого покрытия из стали марки 08Х18Н10Т на внутреннюю поверхность несущего слоя трубы [1].

Указанный способ позволяет получать трубы ГЦТ с прочным соединением двух разнородных металлов, однако его недостатком является прерывность процесса соединения двух металлов с применением различного оборудования, а так же сложность его изготовления с использованием двух различных высокозатратных энергоемких технологических процессов - ковки слитка с учетом его осадки, прошивки и раскатки, а так же процесса наплавки антикоррозионного слоя из нержавеющей стали путем сварки на внутреннюю поверхность трубы, что намного удорожает и усложняет их производство.

Известен способ изготовления труб ГЦТ для АЭС методом центробежного литья только из одного коррозионностойкого материала 08Х18Н10Т для блоков мощностью 900 МВт, используемый компанией EDF (Франция) [2].

Недостатком указанного способа изготовления труб ГЦТ для АЭС является их высокая стоимость из-за использования только одной нержавеющей стали для производства труб.

Известен способ центробежного литья крупногабаритных двухслойных трубных заготовок [3], который предусматривает их изготовление с наружным слоем из перлитной стали марки 10ГН2МФА, формирование которого происходит во вращаемой изложнице с последующей заливкой плакирующего слоя из аустенитной стали марки 08Х18Н10Т при температуре на 30-50°С выше температуры его ликвидуса, при этом во время заливки наружного слоя металла на его струю подают механическую смесь железного порошка и синтетического флюса в количестве соответственно 0,6-0,8% и 0,75-0,85% от его массы, а при заливке металла плакирующего слоя на его струю подают порошкообразный силикокальций в количестве 0,20-0,35% от его массы.

Способ позволяет осуществлять непрерывный процесс соединения двух различных по хим. составу сплавов с прочным соединением в граничной области, однако недостатком является отсутствие промышленных подтверждений его использования.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ производства двухслойных труб размером 351×36 мм для АЭС с наружным слоем из стали марки 10ГН2МФА и внутренним плакирующим слоем из стали марки 08Х18Н10Т, который включает изготовление слитков-заготовок ЭШП размером 640×1750 мм с последующим нагревом до температуры 1230-1250°С и дальнейшей прошивкой на стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы размером 670×465×2830 мм, которые прокатывают на пилигримовом стане с подкладными углеродистыми кольцами в передельные трубы размером 590×85×3900 мм, у которых удаляют не обкатаные пилигримовые головки и затравочные концы, торцуют, растачивают и обтачивают в рубашки-заготовки размером 580±1,0×74,5±1,0×3300 мм, а затем на внутреннюю поверхность рубашек-заготовок наплавляют электросваркой слой стали марки 08Х18Н10Т толщиной 25±1,0 мм и растачивают в биметаллические заготовки размером 580±1,0×430±1,0×95±1,0×3300 мм.

Заготовки нагревают до температуры 1250-1260°С, продувают и прокатывают на пилигримовом стане в передельные горячекатаные трубы размером 426×40×8500 мм, а затем перекатывают их на стане ХПТ450 в товарные холоднокатаные биметаллические трубы размером 351×36×11000 мм с толщиной плакирующего слоя 7±2 мм из стали марки 08Х18Н10Т [4].

Несмотря на использование упомянутого способа изготовления двухслойных труб для АЭС с малыми размерами, основная схема такой технологии вполне применима для изготовления двухслойных труб ГЦТ.

Недостатком указанного способа является чрезмерное усложнение технологического процесса, отличающегося прерывистыми операциями и сменой оборудования, как например проведение наплавки нержавеющего слоя путем электросварки на внутреннюю поверхность литой трубы, полученной на отдельном устройстве энергоемким методом ЭШП.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в устранении указанных недостатков прототипа и упомянутых изобретений, а именно в создании непрерывного процесса производства двухслойных труб ГЦТ с повышенным качеством сваривания двух разнородных металлов этих труб, а так же в снижении трудоемкости их изготовления.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается за счет использования предварительно изготовленной центробежнолитой полой двухслойной заготовки с наружным слоем из стали марки 10ГН2МФА и внутренним слоем из стали марки 08Х18Н10Т с граничным диаметром между ними 860 мм и размерами 1090×800×2800 мм, подвергаемой прессованию на четырехбойковом ковочном блоке до требуемой длины в пределах 4500-8150 мм, при этом формирование наружного слоя центробежнолитой заготовки осуществляют в изложнице, покрытой изнутри слоем антипригарной цирконо-бентонитовой краски толщиной 2 мм с содержанием мас., %: цирконовый порошок - 65, бентонит - 5, пенообразователь - 0,25, вода - остальное; вращающейся с частотой 460 об/мин, путем заливки стали марки 10ГН2МФА массой 7740 кг при температуре 1560-1580°С со скоростью 70 кг/с, включении водяного спрейерного охлаждения внешней поверхности изложницы с расходом 3 м³/ч и последующем вводе легкоплавкого флюса на внутреннюю поверхность жидкой стали слоем толщиной 4 мм, имеющего температуру плавления 800°С, содержащего, мас, %: CaF₂ - 35, СаО - 20, Na₂O - 20, SiO₂ - 10, NaF - 10, B₂O₃ - 5; а при достижении внутренней поверхностью жидкой стали температуры 1420±20°С, производят заливку второго слоя центробежнолитой заготовки из стали марки 08Х18Н10Т массой 1720 кг при температуре 1570-1590°С со скоростью 85 кг/с, при этом одновременно с началом заливки второго слоя стали повышают частоту вращения изложницы до 505 об/мин, а после окончания затвердевания двухслойной трубной заготовки и прекращения вращения изложницы, двухслойную трубную заготовку извлекают из изложницы и направляют на ковку гидравлическим прессом с четырехбойковым ковочным устройством с последующей протяжкой, осуществляемой при температуре 1190-1210°C с равномерной величиной обжатия и коэффициентом вытяжки μ=0,9 на оправке с конической геометрией поверхности, облегчающей съем заготовки, с получением трубы длиной 4500-8150 мм, которую подвергают последующей термической обработке по режиму:

- нагрев труб в печи при 910-920°С, выдержка 7 часов, охлаждение на воздухе;

- нагрев труб в печи при 910-920°С, выдержка 4 часа, охлаждение в воде;

- нагрев труб в печи при 660-670°С, выдержка 10 часов, охлаждение на воздухе;

а так же механической обработке, с чистотой поверхности труб Rz=20 мкм на внешней поверхности и Rz=40 мкм на внутренней поверхности, с получением двухслойной трубы с наружным диаметром 990 мм и внутренним диаметром 850 мм с внутренним плакирующим слоем толщиной 5±0,8 мм из нержавеющей стали марки 08X18H10T.

Пример осуществления способа производства двухслойных труб большого диаметра для главного циркуляционного трубопровода АЭС.

Перед заливкой стали во вращаемую изложницу, предварительно подогретую до 190-200°С, производят покраску ее внутренней поверхности антипригарной цирконо-бентонитовой краской толщиной слоя 2 мм с помощью покрасочного устройства в виде трубы с распылительной форсункой на ее конце, совершающего возвратно-поступательные движения по длине изложницы, вращаемой с частотой 460 об/мин.

Следующий этап состоит в заливке наружного слоя трубы из стали марки 10ГН2МФА с помощью подогретого раздаточного ковша, наполненного жидкой сталью из печи, массой 7740 кг при температуре заливки 1560-1580°С со скоростью заливки 70 кг/с с одновременным включением водяного спрейерного охлаждения с расходом 3м³/ч внешней поверхности изложницы и подачей легкоплавкого флюса на внутреннюю поверхность жидкой стали слоем толщиной 4 мм, а при достижении внутренней поверхностью жидкой стали температуры 1420±20°С производят заливку второго слоя центробежнолитой заготовки из стали марки 08Х18Н10Т массой 1720 кг при температуре 1570-1590°С со скоростью 85 кг/с, при этом перед заливкой второго слоя стали повышают частоту вращения изложницы до 505 об/мин для повышения давления заливаемой стали, способствующего улучшению диффузионного сваривания двух разнородных по химическому составу сплавов.

После окончания затвердевания стали в изложнице через 50 минут от начала заливки, отключают спрейерное охлаждение изложницы и производят ее остановку.

После извлечения двухслойной трубной заготовки из изложницы ее направляют на ковку гидравлическим прессом с четырехбойковым ковочным устройством с последующей протяжкой, осуществляемой при температуре 1190-1210°C с равномерной величиной обжатия и коэффициентом вытяжки μ=0,9 на оправке с конической геометрией поверхности, облегчающей съем заготовки, а после термической и механической обработки получают двухслойные трубы с наружным диаметром 990 мм и внутренним диаметром 850 мм, и длиной в пределах 4500-8150 мм с внутренним плакирующим слоем толщиной 5±0,8 мм из нержавеющей стали марки 08Х18Н10Т.

Контроль физико-механических свойств стали и прочности соединения двух разнородных слоев показал соответствие требованиям технических условий, в том числе при испытаниях образцов на срез и изгиб, а так же с использованием УЗК и цветной дефектоскопии. Трудоемкость изготовления двухслойных труб ГЦТ по предлагаемому способу оказалась в 2-2,5 раза ниже по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к области металлургии. Способ производства двухслойных труб большого диаметра для прямых участков главного циркуляционного трубопровода АЭС с наружным диаметром 990 мм и внутренним диаметром 850 мм и длиной в пределах 4500-8150 мм из стали 10ГН2МФА с наплавленным на их внутренней поверхности слоем толщиной 5 мм из стали 08Х18Н10Т, в условиях непрерывного режима изготовления, включающего изготовление передельной двухслойной центробежнолитой заготовки размером 1090×800×2800 мм и ее последующую обработку. Наружный слой формируют в изложнице, вращающейся с частотой 460 об/мин, покрытой изнутри 2 мм слоем антипригарной краски, заливкой 7740 кг стали при 1560-1580°С со скоростью 70 кг/с. Затем вводят флюс слоем 4 мм, а при достижении поверхностью металла 1420±20°С, заливают второй слой из стали 08Х18Н10Т массой 1720 кг при 1570-1590°С со скоростью 85 кг/с. Одновременно с началом заливки второй стали повышают частоту вращения изложницы до 505 об/мин. По окончанию затвердевания заготовку извлекают из изложницы и направляют на ковку гидравлическим прессом с четырехбойковым ковочным устройством с последующей протяжкой. Обеспечивается повышение качества сваривания двухслойных труб. 4 з.п. ф-лы, 1 пр.

1. Способ производства двухслойных труб большого диаметра для прямых участков главного циркуляционного трубопровода АЭС с наружным диаметром 990 мм, внутренним диаметром 850 мм и длиной в пределах 4500-8150 мм, включающий изготовление горячедеформированной трубы из стали марки 10ГН2МФА с наплавленным на ее внутреннюю поверхность слоем толщиной 5 мм из нержавеющей стали марки 08Х18Н10Т, отличающийся тем, что упомянутую трубу получают в условиях непрерывного режима изготовления, включающего получение передельной двухслойной центробежнолитой заготовки размером 1090×800×2800 мм и ее последующее прессование, при этом формирование наружного слоя центробежнолитой заготовки осуществляют в изложнице, покрытой изнутри слоем антипригарной цирконо-бентонитовой краски толщиной 2 мм, вращающейся с частотой 460 об/мин, путем заливки стали марки 10ГН2МФА массой 7740 кг при температуре 1560-1580°С со скоростью 70 кг/с, включении водяного спрейерного охлаждения внешней поверхности изложницы с расходом 3 м³/ч и последующем вводе легкоплавкого флюса на внутреннюю поверхность жидкой стали слоем толщиной 4 мм, а при достижении внутренней поверхностью жидкой стали температуры 1420±20°С, производят заливку второго слоя центробежнолитой заготовки из стали марки 08Х18Н10Т массой 1720 кг при температуре 1570-1590°С со скоростью 85 кг/с, при этом одновременно с началом заливки второго слоя стали повышают частоту вращения изложницы до 505 об/мин, а после окончания затвердевания двухслойной трубной заготовки и прекращения вращения изложницы, двухслойную трубную заготовку извлекают из изложницы и направляют на ковку гидравлическим прессом с четырехбойковым ковочным устройством с последующей протяжкой, осуществляемой при температуре 1190-1210°С с равномерной величиной обжатия и коэффициентом вытяжки μ=0,9 на оправке с конической геометрией поверхности, облегчающей съем заготовки, с получением трубы длиной 4500-8150 мм, которую подвергают последующей термической и механической обработке с получением двухслойной трубы с наружным диаметром 990 мм и внутренним диаметром 850 мм с внутренним плакирующим слоем толщиной 5±0,8 мм из нержавеющей стали марки 08Х18Н10Т.

2 Способ по п. 1, отличающийся тем, что для вращающейся изложницы используют антипригарную цирконо-бентонитовую краску, содержащую, мас. %:

цирконовый порошок 65 бентонит 5 пенообразователь 0,25 вода остальное

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на внутреннюю поверхность наружного слоя центробежнолитой трубной заготовки наносят флюс, имеющий температуру плавления 800°С, содержащий, мас. %:

CaF₂ 35 СаО 20 Na₂O 20 SiO₂ 10 NaF 10 B₂O₃ 5

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что последующую термическую обработку двухслойных труб производят по режиму:

- нагрев труб в печи при 910-920°С, выдержка 7 часов, охлаждение на воздухе;

- нагрев труб в печи при 910-920°С, выдержка 4 часа, охлаждение в воде;

- нагрев труб в печи при 660-670°С, выдержка 10 часов, охлаждение на воздухе.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что чистота поверхности труб после последующей механической обработки составляет Rz=20 мкм на внешней поверхности и Rz=40 мкм на внутренней поверхности.