中原对外工程有限公司 上海
摘要：本文主要讨论了大口径厚壁奥氏体不锈钢的弯制方式，从一则弯裂事故中讨论中频感应煨弯方式的可行性
关键词：奥氏体不锈钢，中频煨弯
1.前言
奥氏体不锈钢系现今应用最为广泛的工艺及动力管道材料之一，某第三代核电项目的不锈钢管材中90%以上为奥氏体不锈钢。
奥氏体不锈钢是在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含Cr约18%、Ni约8%~10%、C约0.1%时，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括著名的18Cr-8Ni钢和在此基础上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素发展起来的高Cr-Ni系列钢。奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑性，但强度较低。如加入S，Ca，Se，Te等元素，则具有良好的易切削性。奥氏体不锈钢生产量和使用量约占不锈钢总产量及用量的70%，之后炉外精炼技术的应用可使C、N等间隙元素大大降低，因此使这类钢获得广泛应用。
2.分析
2.1 管道分析：
管道原料的化学成分，高低倍组织，α相含量，检验结果合格，下表为原材料厂商按照ASTM A751进行化学分析的报告，见表一：
表三 压扁试验结果
原材料厂家按照ASTM E381进行宏观侵蚀试验，无有害缺陷，检验结果合格。
原材料厂家对管道进行NDE检测，其中PT合格，对于100%UT，对比样管纵向和横向人工刻槽深度为名义壁厚5%（不小于0.1mm），刻槽宽度不超过1.5mm，长度为25mm，所有提供的管道检测结果均合格。
原材料厂家对成品钢管逐支进行水压试验，水压试验压力为19MPa，稳压时间5s，结果合格。在此不一一附上报告。
管道出厂状态为固溶热处理状态，但其用于此类管道的热处理设备为LNG 辊底式热处理连续炉，
此类连续式炉不适宜用于大口径厚壁管的热处理，根据管道厂家的热处理报告，发现管道进炉为850℃，12分钟后管头到达1070℃区域，18分钟用于升温，再经过18分钟保温后到达淬火喷淋区域
整个连续式热处理炉有8个区段，共10m左右，每段炉壁上有一个热电偶，前2段区域的炉温为850摄氏度，后3段区域的炉温控制在1070℃，以使管道在这3段内升温到1070固溶温度，最后3段的炉温也在1070摄氏度以保温。
因此此次弯裂的管道在1070固溶温度下保温时间只有18分钟，这与工业常识中每英寸半小时的保温时间相去甚远，即使成品物化试验通过，但不能保证奥氏体组织之间没有非金属夹层或C渗出，具体原因有待有损试验结果，可以确认的是，管道的热处理也是导致这次弯裂发生的不可忽视的原因之一。
另，管道厂家采用的淬火方式为管道随炉推进至喷淋区，喷淋区长度为3.5m左右，管道壁厚达到35.71mm，冷水喷淋的冷却效果有待考察，工业常规中固溶处理中的水淬方式为出炉3分钟内浸没至冷水中，内外壁同时能满足冷却速率要求。
2.2弯制工艺分析：
乙方采取的弯制工艺为中频感应加热弯管，简称中频煨弯
管道总长（两个焊点间距离）16’（4876.8mm），一侧为4’ 5”（1346mm）直管段，另一侧为夹角成8.9度的5’ 6”（1676mm）加6’ 1”（1854mm）两段直管段。
●弯制时弯管中心两侧有大于400mm的直管段，符合要求。
●此次煨弯的14”S160管道的设计角度为88.6度，弯曲半径为42”（1066.8mm），即3DR. 乙方实际弯制半径达到1067mm，符合要求。
●弯曲应变率为59.27%，实际应变率未超过59.27的5%，符合要求。
●热弯过程中未见明显扩径现象，弯后外径在357~352mm，椭圆度小于8%，符合要求。
●热推弯推进速度15mm/min，比弯管工艺评定中的18mm/min略慢
●热推弯加热工装距离管道外壁25mm，工装末端有一35度倒角，整个圆周布有喷水口，喷淋温度为20℃至60℃不等，喷淋压力为4kg/cm2，比弯管工艺评定中的0.5kg/cm2高出8倍，考虑到弯管工艺评定所用的管道为8”S160（219.1*23.01），比此次讨论管道的口径与壁厚小很多，喷淋后管道表面温度将达到100℃以下，此喷淋水压暂时认为可以接受。
●加热工装宽90mm，加热温度为不锈钢316LN的固溶温度1040℃以上，实际温度为1070℃，此管道壁厚35.71mm，乙方估计内外壁温差在60℃左右，水淬后已经冷却的部位除应力作用下产生的弹性变形外，应无继续变形的可能，起弯及终弯处有较明显波纹，但未超过0.03OD=10.7mm，见图一及图二：
图一 起弯处波纹
●弯管前后均经过UT测厚，弯后拉伸侧减薄约14%，受压侧增厚约13%，均符合最小壁厚要求（87.5%公称壁厚），见表六。热弯制后管道硬度明显降低，弯管受拉侧下降最为显著，弯制前管道表面硬度略高，超过AP1000要求92HRB。
3.试验与结论
3.1试验
●断层处做PT
发现平行于表面的分层则说明有夹杂物，需判定夹杂物的性质，是否存在不溶于奥氏体的异相金属存在若有，则管道存在质量问题；
●硬度
截取下来的直管段（未经感应加热的部位）需要取样用洛氏硬度机打硬度，取样需要涉及到外表面，内表面，壁厚中心区域，硬度高于92HRB则说明原材料制造工艺不理想，带有裂纹的管段，也要去外，内，中三个区域打硬度，调研感应加热淬火后的硬度分布状况；
●高温拉伸
直管段（未经感应加热的部位）和弯管处受拉与受压壁都需要做系列高温拉伸试验（间隔100°C，纵向），CODE标准如下（SA312-98）
●晶间组织
直管段和弯制段都做200倍与500倍晶相，分析晶间组织；调查是否有碳化物在晶界析出和是否有铁素体相存在；若有，则管道存在质量问题
●断口做扫描电镜，
整体样貌分析，以寻找裂纹源，同时进行能谱分析或电子探针分析确定裂纹源性质。
3.2 结论
此两处煨弯中出现的裂纹，均位于钢管弯制时的同一侧面，且延伸方向均与轴向呈60度夹角，形貌特征相似，裂纹处有明显高温黑斑痕迹，见图二。
图二 裂纹细节
暂时推断此类热裂纹是由于热推弯的推进速度以及水淬温差所致。乙方之前所做的弯管工艺评定的管道是8”S160的，而此次实际管道尺寸为14”S160，因此工艺评定并不能覆盖此次管道的规格。
奥氏体不锈钢管道的弯制一般涉及两种，中频感应推弯以及模具冷弯，某第三代核电的950*44.29mm的波动管采用的即模具冷弯，设计方不同意采用中频煨弯，其中原因为奥氏体组织传热效率低，不能保证中频煨弯中的外壁喷淋系统能完全使内壁在一定时间内完全达到冷却速率，这也是此次弯裂的可能原因之一。
在后续项目中，大口径厚壁不锈钢管的弯制不再建议采用中频感应推弯，而应采用模具冷弯后进行固溶热处理。
论文作者:郑舒文
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年3期
论文发表时间:2019/6/5
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