AP1000鍛造主管道制造技術(shù)進(jìn)展

陳紅宇 宋樹康 杜軍毅

(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司重型壓力容器與核電技術(shù)研究所，四川618013)

主管道連接反應(yīng)堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器，是核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)輸出堆芯熱能的“大動脈”，也是保證核安全的核島關(guān)鍵設(shè)備。主管道在核電站運行過程中承受高溫、高壓、高流速和放射性水介質(zhì)的腐蝕，是核蒸汽一回路重要的壓力邊界，也是保證核安全的關(guān)鍵設(shè)備。第三代核電AP1000采用兩環(huán)路結(jié)構(gòu)(其主管道包括2根熱段、4根冷段)，與采用三環(huán)路結(jié)構(gòu)的二代加CPR1000/CP1000主管道相比，結(jié)構(gòu)由分段鑄件焊接形式改為彎頭和直段、接管和彎管整鍛結(jié)構(gòu)，對鋼的化學(xué)成分、一體化管嘴的位置精度、彎管的橢圓度、減薄量提出了很高的要求，制造難度很大[1]。

AP1000主管道是我國第三代AP1000自主化依托項目中唯一沒有引進(jìn)國外技術(shù)、國外也沒有現(xiàn)成技術(shù)可引進(jìn)的核島關(guān)鍵設(shè)備。中國二重、渤船重工根據(jù)AP1000主管道的材料特性、結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)難點，結(jié)合各自的設(shè)備能力，在超低碳控氮奧氏體不銹鋼鋼錠制造、大型不銹鋼坯料鍛造、大直徑小彎曲半徑管道彎曲成形、大直徑不銹鋼管道熱處理等領(lǐng)域開展技術(shù)攻關(guān)，順利完成AP1000主管道的制造，保證了AP1000自主化依托項目的順利建設(shè)。

1 主管道結(jié)構(gòu)特點和選材

1.1 主管道結(jié)構(gòu)特點

二代、二代加壓水堆核電主管道大多采用熱變形管分段制造，法國還發(fā)展了鑄造主管道，之后進(jìn)行焊接[2]。采用這兩種方法，一是焊縫數(shù)量比較多，二是鑄件使用壽命只有40年。APl000主管道在設(shè)計上首次采用管嘴和管道、直段和彎頭一體化結(jié)構(gòu)形式，能夠最大限度地提高AP1000核電站在設(shè)計基準(zhǔn)事故乃至超設(shè)計基準(zhǔn)事故狀況下的安全性和可靠性，設(shè)計使用壽命提高到60年。

1.2 主管道材料的開發(fā)

壓水堆核電主管道材料主要采用ASME 300系列奧氏體不銹鋼，先后采用321不銹鋼、304和316不銹鋼，隨后發(fā)展了超低碳不銹鋼304L、316L。即在304和316基礎(chǔ)上繼續(xù)降低碳含量，使得耐晶間腐蝕性能、焊接性能、加工性能都很優(yōu)良，但由于C含量的降低，強度水平下降。為解決304L、316L的強度問題，研發(fā)出316LN超低碳控氮奧氏體不銹鋼[2]。由于采用超低碳，316LN具有較強的耐晶間腐蝕能力，由于氮的加入，保證了鋼的強度而塑韌性不降低。APl000主管道采用的316LN不銹鋼材料在ASME SA376 316LN的基礎(chǔ)上將鋼中的碳含量進(jìn)一步降低到≤0.020%，并對磷、硫、鉛、錫、砷、銻、鈷等殘雜元素提出很高要求，化學(xué)成分見表1[3]。

2 AP1000主管道制造技術(shù)現(xiàn)狀

316LN超低碳控氮奧氏體不銹鋼變形抗力大，可鍛溫度范圍窄，裂紋敏感性強，工藝性能差。熱段A彎管由于尺寸最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，是AP1000主管道制造技術(shù)的代表件[1]，見圖1。第三代AP1000技術(shù)的設(shè)計方美國西屋公司委托意大利IBF公司進(jìn)行AP1000主管道熱段試制件的研制，但I(xiàn)BF公司對研制情況進(jìn)行封鎖[3]。在AP1000技術(shù)轉(zhuǎn)讓過程中，AP1000主管道屬于中方負(fù)責(zé)采購的設(shè)備，中國二重、中國一重、上海重工和渤船重工單獨或通過組建聯(lián)合體，根據(jù)AP1000主管道的材料特性、結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)難點，結(jié)合各自的設(shè)備能力，分別開展了APl000主管道研制，形成了多項具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專有技術(shù)，使我國的鍛造主管道制造技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

表1 AP1000主管道用316LN不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of 316LN stainless steel for AP1000 main pipeline (mass fraction, %)

圖1 AP1000主管道熱段A彎管Figure 1 Hot leg bent pipe A for AP1000 main pipeline

2.1 鋼錠制造

316LN超低碳控氮奧氏體不銹鋼鋼錠制造的關(guān)鍵是保證超低碳和氮含量，為保證鍛造性能，還要求鋼錠具有優(yōu)良的表面質(zhì)量。AP1000主管道采用實心帶管嘴，整體鍛造時熱段采用的鋼錠重量最大，采用直接澆注需要100 t以上的鋼錠，采用電渣錠時也需要70 t以上的電渣錠。

鋼錠制造有直接澆注和電渣重熔兩種方法，它們是制造高質(zhì)量鍛件的重要基礎(chǔ)和先決條件，兩種方法各有優(yōu)缺點。直接澆注可以采用真空澆注或大氣澆注，由于在澆注過程中N會溢出，真空澆注N含量難以精確控制。采用大氣澆注能夠穩(wěn)定控制N含量，但要采用保護(hù)澆注。316LN不銹鋼Ni、Cr含量高，鋼水粘度大，熔點比碳鋼、低合金鋼低50～80℃，澆鑄溫度的嚴(yán)格控制很難掌握，在長時間澆鑄過程中，高鉻鋼水長時間沖刷耐火材料，鋼水受耐火材料污染嚴(yán)重，夾雜物難以分離而容易卷帶存留錠中。直接澆注的鋼錠翻皮、皮下缺陷嚴(yán)重，表面質(zhì)量很差，鍛造前需全面剝皮。但直接澆注能夠保證鋼錠化學(xué)成分的均勻性，且制造廠的直接澆注技術(shù)具有多年的技術(shù)積累。中國二重、中國一重采用直接澆注工藝，已經(jīng)能夠制造滿足AP1000主管道所需要的100 t級鋼錠并具備批量制造能力。

電渣重熔鋼錠具有高熱塑性、高均勻性、高致密度、高純凈度、高利用率、高合格率的特點和優(yōu)勢，但電極重熔過程中鋼水和熔渣發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，控制不當(dāng)會產(chǎn)生增碳、降氮。大型電渣重熔鋼錠重熔時間長，熔渣的化學(xué)成分難以穩(wěn)定控制，導(dǎo)致重熔鋼錠的均勻性受到影響。煙臺臺?，斉瑺柡穗娫O(shè)備公司、通裕重工股份有限公司和上重通過科研攻關(guān)，成功研發(fā)了80 t級的超低碳不銹鋼的重熔工藝，并各自形成了獨立知識產(chǎn)權(quán)。2012年5月，東北大學(xué)大型電渣爐研發(fā)中心、遼寧遼重機(jī)械制造有限公司和中國一重聯(lián)合研制的120 t電渣重熔爐已經(jīng)成功制造重量83 t的316LN超低碳控氮不銹鋼，國內(nèi)大型超純凈奧氏體不銹鋼電渣錠技術(shù)已達(dá)到國際領(lǐng)先水平。以煙臺臺海瑪努爾核電設(shè)備公司為例，在冶煉自耗電極時將碳控制在0.01%～0.013%范圍內(nèi)，電渣重熔后，電渣錠碳含量基本保持不變[2]。

2.2 鍛造

鍛造的主要作用是產(chǎn)品外觀初步成形，破碎鑄態(tài)組織，鍛合內(nèi)部孔隙性缺陷，均勻組織細(xì)化晶粒。316LN超低碳奧氏體不銹鋼熱處理過程無相變，不能通過熱處理改善組織。

奧氏體不銹鋼鋼錠鍛造要解決的主要問題是晶粒問題和鍛造裂紋問題。超大型奧氏體不銹鋼的鍛造準(zhǔn)備時間長、溫降大，鋼錠鐓粗時毛坯產(chǎn)生不均勻變形，導(dǎo)致軸向、周向產(chǎn)生附加應(yīng)力，表面易產(chǎn)生裂紋。拔長階段由于坯料與上砧邊緣接觸處發(fā)生了較大變形，產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，表面易產(chǎn)生裂紋。奧氏體不銹鋼由于塑性好，產(chǎn)生裂紋后清理難度大。主管道要求彎曲部位、端部以及管嘴部位晶粒度≥2級，由于管嘴部位最終變形量小且和端部無法在一個火次完成成形，必須通過避免無鍛比鍛造和控制終鍛溫度來保證晶粒均勻性[4]。

為解決316LN超低碳奧氏體不銹鋼的晶粒和鍛造裂紋問題，太原科技大學(xué)、清華大學(xué)研究了316LN超低碳奧氏體不銹鋼鍛造過程原始晶粒度、鍛造溫度和應(yīng)變速率等工藝參數(shù)對最終晶粒和裂紋的影響，建立了動、靜態(tài)再結(jié)晶模型和不同溫度條件下晶粒穩(wěn)定尺寸關(guān)系，為鍛造工藝的制定提供了理論依據(jù)[4～6]。在基礎(chǔ)性研究的基礎(chǔ)上，中國二重和鞍鋼重型機(jī)械有限責(zé)任公司根據(jù)鋼錠的特點，均能夠鍛造出合格的毛坯。

2.3 彎曲成形

管道的彎曲成形可以采用冷彎和熱彎，兩種成形方式各有優(yōu)缺點。冷彎的優(yōu)勢在于彎曲過程中便于操作，彎曲過程中晶粒不會長大。冷彎的缺點在于彎曲過程中產(chǎn)生回彈，無法精確控制彎曲角度和彎曲半徑，冷態(tài)時材料塑性差，變形最大的外腹可能產(chǎn)生裂紋。熱彎的優(yōu)勢在于彎曲過程中材料發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，彎曲成形后回彈小，彎曲半徑和彎曲角度能夠精確控制，高溫時材料塑性好。缺點是坯料加熱過程中晶粒會長大，對材料的強度和力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響，彎曲時操作不方便。此外，熱彎時由于強度降低，導(dǎo)致彎制后內(nèi)表面容易產(chǎn)生凹凸缺陷，意大利IBF公司2008年7月進(jìn)行APl000主管道熱段試制件熱彎時曾出現(xiàn)上述問題[3]。

AP1000主管道彎曲成形難度最大的是熱段A彎管，熱段彎管外徑?965 mm，內(nèi)徑?787 mm，彎曲角度為56.4°，彎曲半徑等于1.5倍直徑，彎曲部位的最大延伸率達(dá)到33.3%，帶兩個一體化管嘴，橢圓度、減薄量等尺寸精度要求高。按彎管減薄量計算公式δ=(100×D)/(2R+D)，計算出的減薄量為25.1%。式中，D為彎管外徑；R為彎曲半徑；δ為彎管減薄量。

國內(nèi)企業(yè)在彎曲成形數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，認(rèn)為整體延伸率大于45%就具備冷彎條件[3]。中國二重采用冷彎成形技術(shù)，在小比例件試制、數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，熱段彎管采用閉式成形模具，冷段彎管采用開式成形模具，使管坯彎曲成形后橢圓度和減薄量得到有效控制，能夠成功彎制AP1000主管道。渤船重工和吉林中意核管道制造有限公司結(jié)合自己的設(shè)備條件，也具備批量彎制AP1000主管道的能力。

2.4 熱處理

奧氏體不銹鋼在加熱和冷卻過程中不發(fā)生相變，不能通過熱處理細(xì)化晶粒。316LN奧氏體不銹鋼的最終熱處理是固溶熱處理。

AP1000主管道固溶熱處理應(yīng)關(guān)注的主要問題是固溶溫度、熱處理過程中彎曲角度的變化和水冷速度。主管道固溶溫度一般為1 050～1 100℃，選擇溫度過低，碳化物溶解不充分；溫度過高，晶粒有長大傾向。主管道在彎曲成形后進(jìn)行熱處理，彎曲段存在很大的殘余應(yīng)力，加熱過程中會產(chǎn)生回彈，水冷過程中彎管內(nèi)腹和外腹同時收縮，彎曲角度也會發(fā)生改變。奧氏體不銹鋼的碳化物固溶后再析出的溫度為550～850℃，為保證水冷過程中碳化物不析出，加熱保溫后應(yīng)在水中快速冷卻，從而獲得單相奧氏體組織，這就需要熱處理保溫結(jié)束后工件快速入水，冷卻水槽要有充足的冷卻水確保冷卻效果。

中國二重、中國一重、上海重工和渤船重工的設(shè)備能力均能滿足AP1000主管道固溶熱處理的要求。中國二重、中國一重具有?9 m×8 m大型淬火水槽，能夠確保碳化物溶解后在冷卻過程中不析出。

3 結(jié)語

中國二重、渤船重工根據(jù)AP1000主管道的材料特性、結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)難點，結(jié)合各自的設(shè)備能力，在超低碳控氮奧氏體不銹鋼鋼錠制造、大型不銹鋼坯料鍛造、大直徑小彎曲半徑管道彎曲成形、大直徑不銹鋼管道熱處理等領(lǐng)域開展技術(shù)攻關(guān)，先后完成AP1000熱段試制件的評定。中國一重和上重也在關(guān)鍵工藝冶煉、鍛造等方面取得突破。中國二重和渤船重工在完成熱段試制件的基礎(chǔ)上已經(jīng)圓滿完成AP1000主管道成套設(shè)備的制造，保證了AP1000自主化依托項目三門1號機(jī)組、海陽1號機(jī)組的順利建設(shè)，為我國核電裝備自主化做出了重要貢獻(xiàn)，也使我國機(jī)械制造企業(yè)的不銹鋼材料研究、冶煉、鍛造、管道成形、機(jī)械加工等相關(guān)技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

[1] 宋樹康，劉志穎，鄭建能，等.第三代AP1000核電主管道的研制.大型鑄鍛件，2010，(4)：30-32.

[2] 潘品李，鐘約先，馬慶賢，等.大型核電主管道制造技術(shù)的發(fā)展.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011，(1)：13-17.

[3] 盧華興.APl000核電站主管道國產(chǎn)化研制進(jìn)展.上海金屬，2010，(7)：29-32.

[4] 孫鳳先，馬慶賢.APl000主管道控制鍛造工藝.大型鑄鍛件，2010，(4)：30-32.

[5] 柏永青，陳明明，陳慧琴.316LN熱變形行為及動態(tài)再結(jié)晶晶粒的演變規(guī)律.太原科技大學(xué)學(xué)報，2009，(5)：424-427.

[6] 張義帥，張秀芝，田香菊，等.加熱規(guī)范對316LN 鑄態(tài)奧氏體不銹鋼組織和性能的影響.熱加工工藝，2011，(18)：180-182.