AP1000蒸汽發(fā)生器水室封頭鍛件制造工藝

環(huán)境保護部核與輻射安全中心 （北京 100082） 張文廣 焦殿輝 郭德朋 陳陽陽 楊承剛

AP1000蒸汽發(fā)生器是Δ125型，屬于安全A級和抗震I類設備，設計壽命60年，主要由水室封頭組件、筒體組件、管束組件及汽水分離器等組成。其中，一次側(cè)（由水室封頭和管束組件組成）與反應堆主冷卻劑接觸，主要作用是將一回路的熱量傳遞給二回路介質(zhì)，同時作為第二道安全屏障包容放射性物質(zhì)，其性能及可靠性對于蒸汽發(fā)生器至關(guān)重要。

AP1000蒸汽發(fā)生器水室封頭是整體鍛造成形，其技術(shù)水平代表了當代鍛造技術(shù)的最高水準。因此，在鍛造過程中，需要解決冶煉、鍛造、調(diào)質(zhì)處理、成形加工等許多方面的技術(shù)難題。目前，我國在建的AP1000堆型核電項目——三門和海陽項目使用的蒸汽發(fā)生器水室封頭鍛件還主要依賴于進口，可見此鍛件的制造難度之高，鍛造難度之大。本文將根據(jù)此部件的設計要求，結(jié)合國外廠家的制造經(jīng)驗，探討分析其制造工藝，以供參考。

1. 水室封頭的設計參數(shù)

（1）結(jié)構(gòu)參數(shù) 水室封頭三維有限元模型見圖1，基本結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1?？梢钥闯?，水室封頭的水室隔板一側(cè)有一個冷卻劑進水管嘴和一個入孔，另一側(cè)有兩個冷卻劑出水管嘴，一個入孔，一個非能動余熱排出系統(tǒng)（PRHR）接管嘴，在封頭底部中心位置有一個支承凸臺。封頭最小壁厚為254.1mm，重約為60t。從有限元模型可以看出，網(wǎng)格線比較密集的地方是應力集中區(qū)，在蒸汽發(fā)生器運行過程中，其承受著復雜的應力、水力、熱力或地震載荷，在任何工況下都要保持結(jié)構(gòu)完整性，以包容放射性物質(zhì)。因此，封頭制造過程中不能存在任何不可接受的缺陷。

圖1 AP1000蒸汽發(fā)生器水室封頭三維有限元模型

（2）材料參數(shù) 水室封頭材料為ASME SA-508M Gr.3 Cl.2低合金鋼鍛件，其化學成分要求及某制造廠實測值見表2，力學性能要求及實測值見表3。從表中可看出，60年設計壽命和尺寸加大對鍛件提出了更高的性能要求。據(jù)文獻報道這種鋼材通過減少C、Cr、Mo、V等元素的質(zhì)量分數(shù)和堆焊不銹鋼耐腐蝕層以降低裂紋發(fā)生率。對SA-508M Gr.3鋼淬火處理后，若冷卻速度不足會導致鐵素體和珠光體組織出現(xiàn)，而這種組織會降低鋼的強度和韌性，所以要求采用優(yōu)化的調(diào)質(zhì)熱處理工藝。由表3中實測值及研究結(jié)果表明，SA-508M Gr.3鋼的強度、斷裂韌度都很高，具有很高的安全性。

表1 水室封頭基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 SA-508M Gr.3 Cl.2低合金鋼鍛件化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表3 SA-508M Gr.3 CL.2低合金鋼鍛件力學性能

2. 制造工藝分析

（1）制造工藝流程 水室封頭鍛件制造工藝流程如圖2所示?？梢钥闯?，此鍛件與一般鍛件的制造工藝類似，均需經(jīng)過鋼錠制備、熔煉分析、鍛造、正火及調(diào)質(zhì)處理、產(chǎn)品性能分析及無損檢測等過程。而這一過程中，關(guān)鍵是對鋼錠制備、鍛造、正火及調(diào)質(zhì)處理的掌握，鍛造又是其中最重要的核心工藝。國外生產(chǎn)的SA-508M Gr.3 Cl.2鋼之所以具有優(yōu)越的綜合性能，主要是通過嚴格控制冶煉工藝和采用先進的熱處理工藝保證最終組織為下貝氏體。下面將逐一進行分析。

（2）鋼錠制備 作為蒸汽發(fā)生器鍛件，要求SA-508M Gr.3 Cl.2鋼應具有較低的無延性轉(zhuǎn)變溫度（NDTT），且由于冶金和凝固特性決定了鋼錠中不可避免地存在孔隙、夾雜、偏析及組織等缺陷，并且鋼錠越大缺陷越嚴重。因此，必須嚴格控制冶煉、澆注過程，目前國內(nèi)外普遍使用雙真空冶煉澆注技術(shù)。通過精選原材料和鐵合金，最大限度去除非金屬夾雜物，以提高鋼液純凈度。同時，改進和優(yōu)化冶金及凝固過程，進一步降低夾雜性缺陷對鍛件質(zhì)量造成的風險。

（3）鍛造 大型整鍛封頭的成形工藝一般包括預鍛、終鍛等成形過程。對于AP1000蒸汽發(fā)生器水室封頭來說，由于毛坯件的單體質(zhì)量很大，為了獲得質(zhì)量合格的鍛件，必須做好以下兩方面工作：一是鍛前預熱。鍛件進行鍛造前應先加熱，通過控制加熱溫度、最大升溫速度、保溫時間和采用快速加熱、介質(zhì)保護等方法，保證加熱的均勻性，減少氧化燒損，在較高的始鍛溫度下保證足夠的保溫時間，并保證坯料溫度均勻，以便于偏析擴散。一般鍛造溫度控制在800~1200℃。二是控制鍛造比。鍛造比對塑性指標影響較為明顯，而對于強度指標影響較小。研究表明，鍛造比為1.5~3時，會顯著改善鋼錠原始組織和鍛件性能，鍛造比在4～6時變化趨于緩和，大于6時幾乎不再有變化。根據(jù)經(jīng)驗，此鍛件的鍛造比應不小于3.5。但是，鍛造比增大會造成材料力學性能的各向異性，從而加大材料的不均勻性。因此，應控制鍛造比在合理的范圍內(nèi)。

（4）鍛后熱處理 由圖2可以看出，廣義的鍛后熱處理應包括4個階段：正火及回火、淬火及回火、去應力熱處理及試樣模擬焊后熱處理。其中，前三個階段的熱處理結(jié)果直接決定著鍛件的金相組織與力學性能。

正火及回火。某國外制造廠進行正火及回火熱處理工藝如圖3所示。正火加熱保溫溫度為890~940℃，保溫時間45h，空氣冷卻。回火處理保溫溫度為600~648℃，保溫時間38h，爐內(nèi)冷卻。通過正火處理，使晶粒細化和碳化物分布均勻化，減少了帶狀組織或魏氏組織等缺陷，獲得鐵素體和索氏體組織。通過高溫回火，消除了正火冷卻時產(chǎn)生的應力，同時使鍛件的尺寸和性能穩(wěn)定，獲得具有綜合力學性能的回火索氏體組織，從而提高韌性、塑性。

淬火及回火。淬火及回火熱處理工藝如圖4所示。淬火加熱溫度880~890℃，保溫時間10.5h，水冷?；鼗鸨販囟?35~647℃，保溫時間13.5h，空冷。通過淬火及回火處理，獲得強度和硬度很高的馬氏體或者下貝氏體組織。

圖4 淬火+回火熱處理工藝

去應力熱處理。鍛件在機加完畢后，為消除機加過程中產(chǎn)生的應力對組織性能的影響，需進一步進行去應力熱處理，如圖5所示。熱處理溫度580~598℃，保溫時間3h，爐冷。去應力熱處理是整個鍛件制造過程中最后一道熱處理工序，通過去應力退火可獲得性能良好的結(jié)構(gòu)組織。

圖5 去應力熱處理工藝

3. 制造要點分析

（1）鋼錠制備要點 為防止鋼液氧化，必須去除鋼液中的氧氣和其他有害氣體（如H2，N2），從而得到純凈度較高的鋼。澆注時應采用合理的澆注工藝，適當控制碳及其他元素的成分和出鋼溫度，以減少鋼錠在凝固過程中形成的各種偏析。同時，應做好澆口及冒口的標識以利于去除澆冒口。鋼錠在鍛造過程中，為保證優(yōu)質(zhì)金屬保留在最終的鍛件上，一般冒口比例設定為17%～24%。

（2）鍛造要點 鍛造過程是一個典型的高溫塑性變形過程，因孔洞、夾雜物及粗大晶界的存在，塑性變形過程中這些缺陷都可能引起內(nèi)部應力變化并導致裂紋擴展。因此，必須采取以下措施提高鍛件質(zhì)量：①改善鍛模形狀，抑制其與試件接觸處的裂紋產(chǎn)生。同時，降低鍛件心部的壓力，提高變形的均勻性。②嚴格控制變形量，減少片狀夾雜物形成，減小應力、應變集中。③控制終鍛火次和變形量，修復可見的夾雜性缺陷，避免混晶現(xiàn)象的發(fā)生。④采用多次中心壓實拔長加鐓粗的特殊鍛造工藝保證鍛造效果。

（3）熱處理要點 水室封頭鍛件厚大，淬透性差，因此熱處理過程中一定要注意以下幾點：①熱處理前應檢查鍛件表面，消除缺陷后進行裝爐熱處理。同時控制鍛件的入爐溫度。②淬火及回火熱處理（調(diào)質(zhì)處理）前應進行正火及高溫回火處理，以細化晶粒，增強調(diào)質(zhì)熱處理的效果。③調(diào)質(zhì)處理過程中嚴格控制淬火溫度和保溫時間，避免晶粒長大，同時嚴格控制冷卻水溫、鍛件停留時間，并加強水槽中冷卻水循環(huán)和控制鍛件出水溫度。高溫回火溫度要嚴格控制為635～650℃。

4. 結(jié)語

AP1000蒸汽發(fā)生器水室封頭鍛件鍛造工藝復雜，影響其鍛造質(zhì)量的因素非常多，如鋼錠質(zhì)量、鍛造方法、鍛造溫度、變形量、鍛模類型與寬度、鍛后熱處理等。這些因素對鍛件內(nèi)部溫度場、應力場及金屬的流動均有不同程度的影響，進而影響鍛件質(zhì)量。根據(jù)某國外制造廠的制造經(jīng)驗，從鋼錠制備、鍛造、鍛后熱處理等方面進行了分析與探討，認為為消除鍛件內(nèi)部存在的各種缺陷，必須從以上工序著手，嚴格制訂工藝程序并認真執(zhí)行，使缺陷類型和數(shù)量限定在標準規(guī)范的限值范圍內(nèi)并盡量低，才能使水室封頭鍛件的質(zhì)量滿足核電廠長壽命的運行要求。