超厚不銹鋼封頭的壓制成形

陳春雄，許向東，樂永星

（上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機(jī)廠 上海 200090）

1 概 述

歐洲第三代壓水堆（Europe Pressure Reactor）簡(jiǎn)稱EPR，作為世界上具有代表性的新一代核電堆型，是由國(guó)際核能公司（NPI）、德國(guó)西門子公司（SIEMENS）和法國(guó)法瑪通公司（FRAMATOME）及法國(guó)電力公司（EDF）聯(lián)合開發(fā)設(shè)計(jì)的，與美國(guó)西屋公司開發(fā)的AP1000并稱第三代核電技術(shù)。

國(guó)內(nèi)臺(tái)山EPR項(xiàng)目的單臺(tái)裝機(jī)容量可達(dá)1750MW，是目前世界上單臺(tái)容量最大的核電機(jī)組。

臺(tái)山項(xiàng)目中的安注箱按法國(guó)RCC－M2007標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、制造，是目前國(guó)內(nèi)核電項(xiàng)目中厚度最大的不銹鋼安注箱，設(shè)計(jì)厚度達(dá)到82mm。

該設(shè)備為立式容器，見圖1所示。該立式容器由上橢圓封頭、下封頭組件、筒體、裙座、人孔、吊耳、拉桿以及接管等零部件組成，屬于核電站一回路輔助系統(tǒng)中的安全注入系統(tǒng)。其主要功能為：（1）當(dāng)一回路系統(tǒng)破裂引起失水事故時(shí)，安全注入系統(tǒng)向堆芯注水，用水淹沒堆芯進(jìn)行冷卻，防止堆芯熔化；（2）當(dāng)主蒸汽管道發(fā)生破裂時(shí)，反應(yīng)堆冷卻劑由于受到過度冷卻而收縮，穩(wěn)壓器水位下降，安全注入系統(tǒng)向一回路注入高濃度含硼水，重新建立穩(wěn)壓器水位。迅速停堆并防止反應(yīng)堆由于過冷而重返臨界狀態(tài)。

2 超厚不銹鋼封頭成型工藝

根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)及參數(shù)要求，該設(shè)備橢圓形上封頭的最小壁厚為82mm，內(nèi)徑為2936mm，內(nèi)高為774mm。橢圓形下封頭的最小壁厚為82mm，端口內(nèi)徑為2650mm，內(nèi)高為404mm。封頭材料牌號(hào)均為Z2CN19.10（控氮），其材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能數(shù)據(jù)，見表1、表2所示。

圖1 安注箱示意圖

表1 奧氏體不銹鋼Z2CN19.10（控氮）的化學(xué)成分 %

表2 控氮奧氏體不銹鋼Z2CN19.10（控氮）的力學(xué)性能

封頭的加工主要有冷、熱沖壓成形，冷、熱旋壓成形等方法。在國(guó)內(nèi)核電設(shè)備的建造中，對(duì)于奧氏體不銹鋼封頭的加工成形，需考慮到奧氏體不銹鋼材料的特殊性。制造時(shí)，通常避免采用熱加工成形，而利用冷加工成形的工藝。該安注箱封頭的毛坯厚度達(dá)90mm，如采用冷加工，對(duì)設(shè)備能力、模具強(qiáng)度等方面的要求更高，因此，只能選用合適的熱成形工藝。

由于封頭板材交貨時(shí)的熱處理狀態(tài)為固溶熱處理狀態(tài)，而該封頭需采用熱壓成形，選用的加熱溫度超過封頭材料的奧氏體相變溫度，達(dá)此溫度才能出爐壓制。材料經(jīng)高溫加熱后，將改變?cè)摲N材料的熱處理交貨狀態(tài)，要恢復(fù)材料的力學(xué)性能，必須重新進(jìn)行固溶熱處理。因此，經(jīng)二次加熱過程后，防止該不銹鋼封頭材料的晶粒粗大和力學(xué)性能降低，成為一個(gè)新課題。

防止不銹鋼材料的晶粒粗大和力學(xué)性能降低，實(shí)際上就是防止不銹鋼材料在熱處理過程中出現(xiàn)過熱和過燒現(xiàn)象。熱處理時(shí)，如果加熱溫度過高或保溫時(shí)間過長(zhǎng)，不銹鋼材料的晶粒會(huì)變得粗大。粗大的奧氏體晶粒會(huì)導(dǎo)致材料韌性降低，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，增加淬火時(shí)的變形開裂傾向。有過熱組織的不銹鋼材料，需重新進(jìn)行加熱固溶處理，雖能使奧氏體晶粒細(xì)化，但有時(shí)仍出現(xiàn)粗大顆粒狀斷口。加熱溫度過高，不僅引起奧氏體晶粒粗大，還使晶界局部出現(xiàn)氧化或熔化，導(dǎo)致晶界弱化。材料過燒后力學(xué)性能嚴(yán)重下降，淬火時(shí)易形成龜裂。過燒組織無(wú)法恢復(fù)。在加工中必須避免發(fā)生過熱和過燒現(xiàn)象。鑒于這些原因，在熱處理的加熱過程中應(yīng)緩慢加熱，保證鋼板能均勻受熱，同時(shí)限定加熱的最高溫度，縮短保溫時(shí)間，減少材料在高溫區(qū)的停留時(shí)間，避免出現(xiàn)過熱及過燒現(xiàn)象。

該安注箱封頭的制造驗(yàn)收按照RCC－M3312標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，在封頭坯料下料時(shí)，根據(jù)鋼板的軋制方向，在鋼板的兩端設(shè)置了封頭母材見證件試樣板，試樣板將與封頭同爐一起進(jìn)行熱處理。

由于不銹鋼封頭的坯料板壁較厚，且該種Z2CN19.10控氮不銹鋼板是寶鋼首次生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)化材料［1］，受技術(shù)條件限制，鋼廠無(wú)法生產(chǎn)出大門幅的鋼板，因此，需拼焊封頭坯料。根據(jù)不銹鋼焊接工藝的要求，拼焊之后無(wú)須進(jìn)行焊后消應(yīng)力熱處理，但不銹鋼厚板拼焊后的應(yīng)力較大，對(duì)于后期的封頭壓制會(huì)產(chǎn)生影響。為保證封頭最終的壓制成形，仍進(jìn)行了消應(yīng)力熱處理。在加熱時(shí)，將坯料板隨爐加溫至300℃，再以≤60℃／h的升溫速率，升溫至550℃。采用這種熱處理工藝，可消除坯料板拼接后所產(chǎn)生的應(yīng)力［2］，同時(shí)也可以使整塊坯料在爐膛內(nèi)得到充分均熱，使坯料表面與內(nèi)部的溫度更均勻。然后，再以≤220℃／h的升溫速率，升溫至1050℃＋30℃，再保溫90min。為防止坯料保溫時(shí)間過長(zhǎng)，每爐只能加熱1塊封頭板，且該封頭板所對(duì)應(yīng)的試板須與封頭料板一并進(jìn)爐加熱，以保證后續(xù)試驗(yàn)的一致性。

在加熱前，應(yīng)在封頭板中心及封頭邊緣布置熱電偶監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每塊試板上也放置1個(gè)熱電偶。對(duì)爐溫的控制以封頭板中心點(diǎn)所測(cè)的熱電偶溫度為準(zhǔn)。周邊各點(diǎn)與中心點(diǎn)的溫差不超過55℃，以封頭板的熱電偶顯示數(shù)值為準(zhǔn)。封頭熱壓前的加熱曲線，見圖2所示。

圖2 封頭熱壓前的加熱曲線圖

封頭壓制前，應(yīng)對(duì)壓機(jī)的壓邊圈及上模具的表面進(jìn)行清潔處理。對(duì)不銹鋼板表面進(jìn)行吹掃，去除垃圾及顆粒性雜物后，再將封頭坯料送進(jìn)爐內(nèi)加熱，這樣可有效避免熱壓封頭的表面出現(xiàn)缺陷。

達(dá)到預(yù)定保溫時(shí)間后，將坯料板從加熱爐內(nèi)取出，迅速置于模具上，一次壓制成形，見圖3所示。從出爐至壓制完成，應(yīng)使整個(gè)過程迅速連貫，可用紅外儀進(jìn)行測(cè)溫，終壓溫度控制在860℃。封頭熱壓成形后，采用自然冷卻方式冷卻至室溫。

圖3 封頭壓制示意圖

圖4 封頭固溶處理曲線圖

3 固溶熱處理

為了使最終成品封頭材料達(dá)到原有的性能要求，需要對(duì)壓制成形后的封頭進(jìn)行一次恢復(fù)性能熱處理，即固溶熱處理，使封頭材料恢復(fù)到板材的交貨狀態(tài)。

在恢復(fù)性固溶熱處理前，為了避免封頭在熱處理過程中產(chǎn)生熱變形，影響封頭的尺寸和形狀，應(yīng)預(yù)先裝好封頭的防變形加強(qiáng)環(huán)，見圖5所示。加強(qiáng)環(huán)材料選用與封頭板膨脹系數(shù)相同或相近的材料，并焊于成形封頭的端口，起到加固和防變形的作用；同時(shí)，在加強(qiáng)環(huán)周圍均布裝焊吊耳，方便熱處理過程中的吊運(yùn)。封頭試板也臨時(shí)固定于加強(qiáng)環(huán)上，試板應(yīng)均勻布置于封頭周邊或?qū)ΨQ布置于封頭兩側(cè)，與封頭同時(shí)進(jìn)爐熱處理，出爐后一同入水冷卻。

圖5 固溶處理前的工裝圖

封頭以自由狀態(tài)墊平后裝爐，隨爐加溫至300℃，再以≤220℃／h的升溫速率升至1050℃＋30℃，保溫90min。在加熱過程中，封頭中心及封頭邊緣均布置電偶，每塊試板上也放置1個(gè)熱電偶，保證各點(diǎn)溫度均勻可控。溫度控制以封頭中心點(diǎn)的熱電偶為基準(zhǔn)，周邊各點(diǎn)與中心點(diǎn)的溫差不超過55℃，封頭固溶處理曲線見圖4

封頭冷卻時(shí)入水方式的不同，容易造成封頭冷卻過程中的變形。如果采用豎直狀態(tài)入水，可能因冷卻不均產(chǎn)生變形。為減小已壓制封頭的變形，采用開口朝下的入水狀態(tài)是一個(gè)比較理想的冷卻方式。入水時(shí)，為保證封頭的充分冷卻，封頭內(nèi)部必須進(jìn)行排氣處理［3］。在加強(qiáng)環(huán)上安裝3根或4根直徑較大的排氣管用于排氣。利用加強(qiáng)環(huán)上吊耳或直接用板勾吊起封頭，從熱處理爐的爐車上水平地吊至水箱并浸入水中進(jìn)行冷卻。

在降溫冷卻過程中，為了使封頭溫度能夠迅速穿越不銹鋼的敏化溫度區(qū)，在達(dá)到預(yù)計(jì)保溫時(shí)間后，將封頭從加熱爐內(nèi)取出迅速水冷。為確保封頭的充分冷卻，預(yù)計(jì)冷卻水的水溫在熱交換過程中將從20℃上升至50℃，而封頭溫度將從1050℃下降至50℃，對(duì)冷卻過程所需的冷卻水量進(jìn)行了估算：

Q＝CM△T

Q吸＝4200×M×（50－20）

Q放＝500×7500×（1050－50）

根據(jù)Q吸＝Q放，得：M＝29762kg

為確保冷卻效果，采用了增大溫差、增加水量、促進(jìn)流動(dòng)等方式。水箱注水前，預(yù)先設(shè)置冰塊并固定在水箱底部，然后再注水，使封頭入水前水箱內(nèi)水的溫度遠(yuǎn)低于環(huán)境溫度，從而使封頭能夠獲得更大的溫差；水箱需有足夠的高度，其冷卻水水量不少于80t，封頭浸沒水中時(shí)，封頭的頂部距離水面至少為1500mm，確保冷卻均勻；為促進(jìn)冷卻水充分流動(dòng)，水箱底部中設(shè)置多個(gè)位置參差的進(jìn)水口，出水口設(shè)置在水箱上端。進(jìn)水時(shí)，注入的水具有一定的水壓，使冷卻水以特定的速度旋轉(zhuǎn)流動(dòng)并從水箱上部流出，及時(shí)降低水箱中水的溫度。

實(shí)際操作中，封頭出爐至入水的時(shí)間約5min；封頭入水前，采用紅外儀測(cè)溫。經(jīng)測(cè)量，封頭入水時(shí)的溫度為960℃。封頭的出水溫度必須小于300℃。該封頭冷卻后，封頭的出水溫度為80℃左右。

4 性能檢測(cè)

封頭完成固溶熱處理后，對(duì)試樣板進(jìn)行各項(xiàng)性能檢測(cè)，力學(xué)性能的檢驗(yàn)結(jié)果，見表3所示。

表3 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

使用200倍的顯微鏡，對(duì)熱處理前、后的母材晶粒度和組織進(jìn)行對(duì)比。熱處理前鋼板母材的金相圖，見圖6所示；熱壓及固溶處理后的金相圖，見圖7所示。對(duì)比后，沒有發(fā)現(xiàn)金相組織變化和晶粒度粗大。

5 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過工藝論證和具體實(shí)踐，證明了對(duì)料坯加熱溫度的控制及固溶熱處理工藝都是有效的。采用這種大厚度控氮不銹鋼封頭的壓制工藝，能有效地防范成形過程中可能出現(xiàn)的晶粒粗大和材料力學(xué)性能降低的風(fēng)險(xiǎn)。

［1］淮凱文.Z2CN19－10（N）奧氏體不銹鋼超厚超重板材的開發(fā)［J］.寶鋼技術(shù)，2011（4）.

［2］周金枝，鐘斌.用熱處理方法消除奧氏體不銹鋼焊接殘余應(yīng)力［J］.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，22（4）.

［3］陳時(shí)東.奧氏體不銹鋼封頭的固溶處理［D］.2003.