专利名称：带有间隙的双层管和其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种带有间隙的双层管的制造方法和利用该方法制造而成的带有间隙的双层管，该带有间隙的双层管是在火力发电锅炉、化学工业、核电站、下一代快中子增殖反应堆等高温环境下所使用的耐热耐压管中的、需要在管内表面与管外表面之间进行热交换的双层管，其在双层管的外管内表面与内管外表面之间具有适当的间隙和适度的压接性。只要没有其他记载，本说明书中的用语的定义如下。“带有间隙的双层管”是指双层管的外管内表面的金属面和内管外表面的金属面并未机械地、冶金地贴紧(即，该金属面并未金属键结合，在两个金属面之间存在细微的间隙)，而且具有适度的压接性的双层管。此外，上述的“压接性”是指在通过将内管插入到外管中并利用冷加工进行压接而获得的双层管中外管和内管的剥离、分离的难度。 “贯通泄漏”是指在双层管的外管或内管的任一管上产生的裂纹扩展而贯通了双层管，其结果，使通过双层管内的流体泄漏出来的缺陷。“ % ” :表示双层管等对象物所含的各成分的质量百分比(质量％ )。
背景技术：
对于在火力发电锅炉、化学工业、核电站、下一代快中子增殖反应堆等高温环境下所使用的钢管等管材而言，要求其在高温下具有优异的强度和耐腐蚀性。其中，根据需要使用有使一层管为耐腐蚀性较好的材质、使另一层管为高温强度优异的材质的双层管。例如，在专利文献I中记载有在Cr的含量为30%以下的Fe-Ni-Cr系奥氏体耐热钢的钢坯的外表面上对填充了以Cr和Ni为主成分的合金粉的多层钢坯进行热加工制管而成的双层管。另外，在专利文献2中记载有双层管的任一层由含有30%以上的Cr的奥氏体不锈钢钢管构成、另一层由含有25%以上的Cr的奥氏体不锈钢钢管构成的双层管。这些双层管是将高耐腐蚀材料和高强度材料等性质不同的异材质管组合起来，使外管和内管物理地或冶金地贴紧(即，使外管内表面与内管外表面以金属面的方式相接触或金属键结合)而成的无间隙的双层管。然而，在无间隙的贴紧方式的双层管中，由于外管和内管的金属面物理地或冶金地贴紧，因此，例如在快中子增殖反应堆(Fast Breeder Reactor,以下,记为“FBR”)的蒸汽发生器中，无法防止尽管是万一也有可能在使作为冷却剂的Na循环的传热管(双层管)中产生的贯通泄漏(裂纹贯通了双层管而产生的泄漏)。若万一在用于下一代快中子增殖反应堆(FBR)的蒸汽发生器管的双层管中产生贯通泄漏，则会发生由液体Na和水(蒸汽)相接触而产生的反应、爆炸，因而极其危险。因此，在快中子增殖反应堆(FBR)中，最重要的课题是防止贯通泄漏。相对于此，开发出并未使金属面彼此物理地或冶金地贴紧而是设置有间隙的双层管。双层管的间隙的最大特征是，即使在外管或内管的任一方上产生了损坏、裂纹，也会利用间隙阻止其扩展，而不会立即产生贯通泄漏。另外，还开发出如下技术利用该双层管的间隙，使氦气等非活性气体流动，由此，即使万一内管或外管的任一方损坏，也会迅速地检测出来，防止贯通泄漏事故于未然。例如，在非专利文献I中提出了在内外管之间插入有编织线的带有编织线的双层管(日文組網線入>9 二重管)，该编织线是通过捆束编织与内外管相同材质的线材(100 μ m)而成的。通过使氦气等非活性气体在设置于该双层管中的间隙中流动开来，能够迅速地检测出内管或外管的损坏，从而能够防止贯通泄漏。另外，在非专利文献2中记载有对外管的内表面实施了用于检测泄漏的槽加工的带有槽的双层管(日文溝付二重管)。但是，利用这种现有技术制造带有间隙的双层管的情况极其特殊，需要反复地进行复杂、精密的加工。因此，从制造中的相当大的困难性及其复杂度上来说，会耗费大量的工作量和时间，而且，不良品较多，不适合量产，因此经济性也较差。另外，由于存在金属面 之间的接触，因此也并不是完全没有产生裂纹扩展、贯通双层管而导致的泄漏的危险性。而且，制造下一代快中子增殖反应堆中设想的35m长的长尺寸双层管实际上比较困难。作为其他现有技术，在专利文献3中记载有设置在高炉的炉壁等上的板式冷却器用冷却双层管。该双层管是通过在由碳素钢构成的内管与外管之间的界面中夹入氧化物等异层通过拉拔加工而制造的。但是，氧化物等夹入物阻断了外管与内管之间的热传递，因而无法用于热交换器管。另外，由于限定于碳素钢，因此，作为在450°C以上的环境下所使用的高温耐压构件，其不满足强度规格，耐腐蚀性也不佳，无法使用。专利文献I :日本特开昭64 - 17806号公报专利文献2 日本特开昭57 - 120002号公报专利文献3 :日本特开2002 - 30315号公报非专利文献I :《东芝评论》Vol. 47，No. I (1992) 75页 78页非专利文献2 :《住友金属》Vol. 40，No. 4，Oct. (1988) 112页 114页
发明内容
发明要解决的问题本发明是鉴于在外管与内管的接触面上设置有用于防止贯通泄漏的间隙的双层管中产生的上述的问题而做成的，因而，其目的在于提供一种满足以下各条件的带有间隙的双层管的制造方法和利用该方法制造的带有间隙的双层管。(I)作为高温耐热耐压构件，具有高温强度。(2)不经过复杂的工序就能够容易地制造在外管内表面与内管外表面之间具有用于防止贯通泄漏的间隙的双层管。(3)不会损害管外表面与管内表面之间的导热性，即并不阻断或明显阻碍双层管的外管与内管之间的热传递。(4)作为热交换器管，双层管的外管和内管具有适度的压接性。(5)能够以较高的品质(间隙的间隔适当且偏差较小，也就是说均匀)稳定地制造该带有间隙的双层管，并且还具有经济性。用于解决问题的技术手段本发明的主要内容如下。
(I) 一种带有间隙的双层管的制造方法(将该制造方法称作“第一技术方案”)，其特征在于，准备外管和内管，将内管插入到外管中，之后，进行外径减少率为5% 30%的冷加工，该外管为含有2%以上的Cr的铁素体钢的管,在该外管内表面上生成了厚度为ΙΟμπι 30μπι的、含有Cr的氧化皮层，该内管为含有2%以上的Cr的钢或合金的管，以O. Imm以上的厚度包括氧化皮层在内地对该内管外表面进行了切削和/或研磨。(2)—种带有间隙的双层管的制造方法(将该制造方法称作“第二技术方案”)，其特征在于，准备内管和外管，将内管插入到外管中，之后，进行外径减少率为5% 30%的冷加工，该内管为含有2%以上的Cr的铁素体钢的管,在该内管外表面上生成了厚度为ΙΟμπι 30μπι的、含有Cr的氧化皮层，该外管为含有2%以上的Cr的钢或合金的管，以O. Imm以上的厚度包括氧化皮层在内地对该外管内表面进行了切削和/或研磨。(3) —种带有间隙的双层管，其特征在于，该带有间隙的双层管是利用上述(I)
或(2)所述的方法制造而成的，该带有间隙的双层管的间隙包括氧化皮层在内为ΙΟμπι 100 μ m0(4)根据上述(3)所述的带有间隙的双层管，其特征在于，该带有间隙的双层管的内管与外管之间的界面的表面压力为5MPa 70MPa。(5)根据上述(3)或(4)所述的带有间隙的双层管，其特征在于，该带有间隙的双层管使用于快中子增殖反应堆的蒸汽发生器管。发明的效果采用本发明的带有间隙的双层管的制造方法，能够容易且稳定地制造在外管内表面与内管外表面之间具有用于防止贯通泄漏的间隙的、作为高温耐热耐压构件具有高温强度的、高品质的双层管。采用本发明的方法制造的带有间隙的双层管在外管内表面与内管外表面之间具有适当间隔的间隙，不会损害管外表面与管内表面之间的导热性，外管和内管具有适度的压接性。该带有间隙的双层管能够用作发电锅炉、化学工业、核电用的高温耐热耐压构件，尤其是适合作为将来的快中子增殖反应堆的蒸汽发生器管。
图I是说明带有间隙的双层管的内管与外管之间的界面的表面压力测量法(Crampton 法)的图。
具体实施例方式本发明人对现有技术的重大的课题，即对有效率且经济地制造能够防止双层管中的贯通泄漏的、适当间隔的间隙的方法进行了反复研究。其结果，得知了预先在含有2%以上的Cr的铁素体钢上生成氧化皮层并使该氧化皮层残留在该铁素体钢上的做法是极其有效的，即使氧化皮层残留在外管与内管的接触面上，也能够充分地实现外管与内管之间的热传递(双层管的导热)。而且，发现了在对与生成了氧化皮层的表面相接触的那一层管(即，对层管)的外表面或内表面进行切削研磨时以及在将内管插入到外管中而做成双层管时，进行适当的加工是比较重要的。本发明是根据这些见解做成的。
如上所述，在本发明的带有间隙的双层管的制造方法中，第一技术方案是在外管的内表面上生成氧化皮层，对内管的外表面进行切削和/或研磨，并将内管插入到上述外管中，之后，以规定的加工程度进行冷加工的方法。另一方面，第二技术方是，将对外管和内管实施的处理互换，在内管的外表面上生成氧化皮层，对外管的内表面进行切削和/或研磨，之后，同样地进行冷加工的方法。如上述那样使生成氧化皮层的管为含有2%以上的Cr的铁素体钢是为了在外管内表面与内管外表面这两个表面之间形成偏差较小的、适当间隔的间隙。为了形成适当间隔的间隙，需要既致密又稳定的氧化皮层。由于不含有Cr的碳素钢的氧化皮层其厚度偏差较大，较脆且不稳定，在管的加工过程中容易剥离脱落，因此在制成双层管时无法形成适当间隔的间隙。为了形成既稳定偏差又少、且适当间隔的间隙，含有2%以上的Cr的铁素体钢的氧化皮层是必需的。虽然并未规定Cr的含量的上限，但是由于Cr的含量在15%以上的话难以生成氧化皮，因此最好是Cr的含量低于13%的铁素体钢。另一方面，在除铁素体钢之外的奥氏体钢、Ni基合金等中，难以形成足够厚度的氧 化皮层，因此，生成氧化皮层的管限定于铁素体钢。如上述那样将形成在管的内表面或外表面上的氧化皮层的厚度设为ΙΟμπι 30 μ m是因为在氧化皮层的厚度低于10 μ m的情况下，没有产生在外管内表面与内管外表面这两个面之间设置间隙的效果，另一方面，若氧化皮层的厚度超过30 μ m,则氧化皮层在加工过程中容易剥离脱落、或者间隙变得过大而使外管与内管之间的热传递性急剧恶化。氧化皮层是通过在对双层管进行拉拔、轧制加工之前的、外管和内管各自的制造过程中的加热、将制造后的外管和内管组合成双层管之前的热处理而生成的。氧化皮层的厚度能够通过预先针对各材质调查好加热时的温度及时间同氧化皮层厚度之间的关系来进行调整。在将外管和内管组合成双层管时，如上述那样以O. Imm以上的厚度包括氧化皮层在内地对与生成了上述氧化皮层的表面相接触的对层管的外表面或内表面进行切削和/或研磨(以下，也记为“切削研磨”)是为了在外管内表面与内管外表面这两个表面之间形成适当间隔的间隙。在氧化皮层附着于与形成了氧化皮层的管相对应的对层管的管表面上，或者在该管表面并未被切削和/或研磨的情况下，形成在外管内表面与内管外表面这两个表面之间的间隙并未形成适当的间隔，不仅有损于均质性(是指间隙的间隔适当且偏差较小)，而且无法确保压接性，所获得的双层管容易剥离或分离。另外，由于在制造时管表面上存在划痕、褶皱、碳氮共渗层等，不均匀，因此，为了制造没有偏差的适当间隔的间隙，也应该通过切削研磨将它们去除。若以O. Imm以上的厚度进行切削和/或研磨，则能够去除氧化皮层，能够去除在制造时管表面上的划痕、褶皱、碳氮共渗层等。因而，将通过切削和/或研磨去除的厚度规定为O. Imm以上。对切削研磨量的上限并没有特别规定。这是因为即使切削研磨量增加，从形成适当间隔的间隙这样的观点出发也不存在技术性问题，而且过多的切削研磨自然会受到外管或内管的壁厚等的约束。期望的是，通过切削和/或研磨得到的表面粗糙度以算术平均粗糙度(Ra)计为O. 05 μ m 3 μ m左右。若表面粗糙度(Ra)过于粗糙，则形成在加工成双层管后的外管内表面与内管外表面之间的间隙会变得不均匀，因而不佳。在进行了切削和/或研磨之后，通过留下由切削和/或研磨产生的压缩残留应力来制造压接性良好的双层管，因此不进行热处理等。此外，进行喷丸加工来取代切削研磨，或两者并用也有效果。另一方面，进行酸洗等化学处理来取代切削研磨不会在表面产生压缩残留应力，不会形成压接性良好的双层管，因而并不适合。如上述那样使与形成了氧化皮层的表面相接触的对层管为含有2%以上的Cr的钢或合金是为了确保作为高温耐热耐压构件在规格等中所规定的高温强度。如上所述，从形成既致密又稳定的氧化皮层这样的观点出发，形成氧化皮层的管被限定为铁素体钢，但是与形成该氧化皮层的管相对应的对层管并不受到那样的制约，因而，能够根据作为高温耐热耐压构件的使用条件使用Cr的含量更高的铁素体钢、奥氏体钢、Ni基合金等范围更广的钢或合金。
如上所述，在第一技术方案或第二技术方案中，分别将内管插入到准备好的外管中，之后，进行外径减少率为5 % 30 %的冷加工，这是为了容易且经济地制造如下的双层管，该双层管在外管内表面与内管外表面之间具有用于防止贯通泄漏的适当的间隙，不会有损双层管的管外表面与管内表面之间的导热性，并且外管和内管还具有适度的压接性。通过拉拔加工、辊的轧制加工来进行冷加工。使冷加工的外径减少率为5% 30%。外径减少率低于5%的话，外管和内管彼此并未压接。另一方面，外径减少率超过30%的话，间隙变小从而无法充分防止贯通泄漏。冷加工最好是外径减少率为10% 15%的冷加工。更理想的是，外径减少率为10% 15%且不使用顶头而只使用了拉模的拉拔加工。对冷加工之后的处理并没有特别规定。直接制成产品，或者对产品进行正火回火、退火、固溶化热处理、去应力退火等。在作为产品要求内管、外管的界面的表面压力较高的双层的情况下，适当选择与其相符合的条件即可。另外，在重视高温蠕变特性的情况下，对外管和内管中的一者或外管和内管这两者进行规格中规定的热处理。采用以上所述的本发明的带有间隙的双层管的制造方法，不经过复杂的工序就能够容易且稳定地制造在外管内表面与内管外表面之间具有均匀的间隙的双层管。还能够制造35m左右的长尺寸的广品。本发明的带有间隙的双层管的特征在于，利用上述的本发明的方法制造的带有间隙的双层管的外管内表面与内管外表面之间的间隙包括氧化皮层在内为ΙΟμπι 100 μ m。间隙低于ΙΟμπι的话，就无法充分地阻止在外管或内管上产生的裂纹的扩展，裂纹会变大而使双层管变得容易被贯通破坏。另一方面，若间隙超过了 100 μ m，则无法确保外管与内管之间的充分的热传递，夕卜管和内管变得难以压接。间隙最好为ΙΟμπι 50μηι。更理想的是，为10 μ m 35 μ m。期望的是，在上述本发明的带有间隙的双层管中，内管与外管之间的界面的表面压力为5MPa 7OMPa。双层管的内管与外管之间的界面的表面压力是为了确保压接性从而使内管和外管不会轻易剥离或分离所必需的。双层管的界面的表面压力低于5MPa的话，就无法确保良好的压接性，若超过70MPa，则有可能会在双层管上发生弯曲等不良情况。
本发明的带有间隙的双层管作为耐热耐压构件具有通用性，能够在火力发电锅炉、化学工业、核电站等高温环境下广泛使用。尤其是，适合作为将防止贯通泄漏视为重要课题的下一代快中子增殖反应堆的蒸汽发生器管，足以提供35m左右的长尺寸的产品。实施例作为用于制造双层管的外管、内管，准备了含有2%以上的Cr的通用耐热钢的日本 JI S 规格 STBA24 (2. 25Cr-lMo)、美国 ASME 规格 T91 (9Cr-lMo-V_Nb)以及日本 JIS 规格SUS 32IHTB (18Cr-10Ni-Ti)的无缝钢管。各管的尺寸如下。外管外径20. 4mm,壁厚I. 9mm,长度15m内管外径15. 7mm,壁厚I. 6mm,长度15m
使用这些无缝钢管，按照如表I所示那样的外管和内管的组合，准备了预先在内表面或外表面上生成了氧化皮层的管和对与该管相对应的那一层管的表面(内表面或外表面)进行了切削研磨后的管。表I
权利要求
1.一种带有间隙的双层管的制造方法，其特征在于， 准备外管和内管，将内管插入到外管中，之后，进行外径减少率为5% 30%的冷加工， 该外管为含有2质量％以上的Cr的铁素体钢的管，在该外管内表面上生成了厚度为10 μ m 30 μ m的、含有Cr的氧化皮层， 该内管为含有2质量％以上的Cr的钢或合金的管，以O. Imm以上的厚度包括氧化皮层在内地对该内管外表面进行了切削和/或研磨。
2.一种带有间隙的双层管的制造方法，其特征在于， 准备内管和外管，将内管插入到外管中，之后，进行外径减少率为5% 30%的冷加工， 该内管为含有2质量％以上的Cr的铁素体钢的管，在该内管外表面上生成了厚度为10 μ m 30 μ m的、含有Cr的氧化皮层， 该外管为含有2质量％以上的Cr的钢或合金的管，以O. Imm以上的厚度包括氧化皮层在内地对该外管内表面进行了切削和/或研磨。
3.一种带有间隙的双层管，其特征在于， 该带有间隙的双层管是利用权利要求I或2所述的方法制造而成的，该带有间隙的双层管的间隙包括氧化皮层在内为10 μ m 100 μ m。
4.根据权利要求3所述的带有间隙的双层管，其特征在于， 该带有间隙的双层管的内管与外管之间的界面的表面压力为5MPa 70MPa。
5.根据权利要求3或权利要求4所述的带有间隙的双层管，其特征在于， 该带有间隙的双层管使用于快中子增殖反应堆的蒸汽发生器管。
全文摘要
将内管插入到外管中，之后，进行外径减少率为5％～30％的冷加工，该外管为含有2％以上的Cr的铁素体钢的管，在该外管内表面上生成了厚度为10μm～30μm的、含有Cr的氧化皮层，该内管为含有2％以上的Cr的钢或合金的管，以0.1mm以上的厚度包括氧化皮层在内地对该内管外表面进行了切削和/或研磨。也可以将在管外表面上生成了氧化皮层的内管插入到对管内表面进行了切削研磨后的外管中，之后，进行相同的冷加工。利用该方法制造的双层管具有均匀的间隙，且导热性良好，适合作为发电锅炉、化学工业用、核电用的高温耐热耐压构件，特别适合作为将来的快中子增殖反应堆的蒸汽发生器管的坯料。
文档编号F16L9/02GK102933327SQ201180027700
公开日2013年2月13日 申请日期2011年5月2日 优先权日2010年6月4日
发明者伊势田敦朗, 中岛崇, 横山哲夫, 河上忠司, 花田拓也 申请人:新日铁住金株式会社