AP1000主管道大鍛件研究

張靈芳 陳永波 宋雷鈞 周天煜 上海重型機(jī)器廠有限公司 (201245）

張靈芳（1966年～），女，本科，工程師，主要從事大型不銹鋼鍛件研制。

0 引 言

長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)以煤炭等化石能源為主，對(duì)生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了很大的壓力，難以滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)的健康、持續(xù)發(fā)展。大力發(fā)展高效、清潔的能源——核電是我國(guó)現(xiàn)階段解決能源緊缺、改善能源結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略選擇。日本“福島”事故后，國(guó)際社會(huì)對(duì)核電的安全性更加重視，安全性能更高的第三代核電技術(shù)倍受重視而成為市場(chǎng)主流。中國(guó)目前的核電發(fā)展將著力于第三代核電站的設(shè)計(jì)和建設(shè)。

AP1000是由美國(guó)西屋公司開(kāi)發(fā)的非能動(dòng)壓水堆機(jī)組，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，單機(jī)發(fā)電功率約為1 250MW，設(shè)計(jì)壽命達(dá)60年，是我國(guó)將來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)核電建設(shè)的主力機(jī)型之一。AP1000核電采用創(chuàng)新的理念設(shè)計(jì)，其中最重大的變革是將鑄件改為鍛件，對(duì)主管道的制造提出更高的要求。AP1000核電主管道一直是國(guó)內(nèi)外制造行業(yè)討論的熱點(diǎn)問(wèn)題。

為促進(jìn)AP1000主管道國(guó)產(chǎn)化工作，國(guó)家核電技術(shù)公司在國(guó)家重大科技專項(xiàng)設(shè)備制造類項(xiàng)目中安排了AP1000主管道研制課題，并組織國(guó)內(nèi)主要重機(jī)企業(yè)開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)工作，上重公司承擔(dān)了其中冶煉、鍛造工藝攻關(guān)任務(wù)，彎管、固溶工藝攻關(guān)由其他單位實(shí)施。本文介紹了主管道鍛件的技術(shù)特點(diǎn)和上重公司主管道鍛件冶煉、鍛造工藝攻關(guān)情況。

1 技術(shù)特點(diǎn)

1.1 主管道概況

AP1000核電反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)由2條環(huán)路組成，每條環(huán)路包括1臺(tái)蒸汽發(fā)生器、2臺(tái)主泵和將這些設(shè)備與反應(yīng)堆壓力容器連接起來(lái)的反應(yīng)堆冷卻劑管道，即通常所說(shuō)的主管道。主管道的用途是輸送反應(yīng)堆堆芯中加熱后的冷卻劑，從反應(yīng)堆壓力容器的出口端通過(guò)管道送入蒸汽發(fā)生器的進(jìn)口端，進(jìn)行熱交換后再由蒸汽發(fā)生器的出口端流出，再進(jìn)入主泵后，把冷卻劑送入反應(yīng)堆壓力容器，由此形成了反應(yīng)堆冷卻劑的一次循環(huán)。主管道作為反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的壓力邊界之一，是防止裂變產(chǎn)物外泄的第二道屏障，是關(guān)系到整個(gè)核電站是否能長(zhǎng)期、安全服役的關(guān)鍵設(shè)備之一（見(jiàn)圖1）。

圖1 AP1000核電反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的二代、二代改進(jìn)型核電站主管道均采用鑄件，AP1000核電站為提高在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故乃至超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故狀況下的安全性和可靠性，改為采用超低碳控氮不銹鋼整體鍛造大鍛件。

1.2 主管道鍛件的技術(shù)特點(diǎn)

一套AP1000核電主管道包括2根熱段和4根冷段，其中熱段A為帶2個(gè)互成45°夾角直管的異型管件（見(jiàn)圖2），是主管道鍛件中尺寸較大、形狀較為復(fù)雜的鍛件，具有一定的制造難度，國(guó)內(nèi)重機(jī)企業(yè)均以熱段A為試制件來(lái)開(kāi)展主管道鍛件研制工作。

圖2 AP1000主管道熱段A直管坯的結(jié)構(gòu)

AP1000主管道鍛件采用超低碳控氮奧氏體不銹鋼制造，其中主管道熱段和冷段的材料應(yīng)符合ASME SA-376 TP316LN中的相應(yīng)要求，且為滿足在強(qiáng)輻照環(huán)境下長(zhǎng)期服役的需要，制造技術(shù)規(guī)范對(duì)有害元素的含量做了進(jìn)一步的限制，熱段和冷段的化學(xué)成分如表1所示。除表1所述要求外，主管道鍛件As、Sn、Sb、Pb要求為單個(gè)元素重量百分比含量≤0.005。

表1 主管道化學(xué)成分要求

主管道需要ASTM E112測(cè)定晶粒度，測(cè)試位置至少要包括：熱段支管延長(zhǎng)段、管嘴部位（長(zhǎng)度和徑向延長(zhǎng)部位）。熱段、冷段管件和接管嘴的晶粒度應(yīng)滿足ASTM 2級(jí)或更細(xì)（4級(jí)或以上更好）。

固溶熱處理后的主管道熱段和冷段的力學(xué)性能應(yīng)符合ASME SA-376 TP316LN中的相應(yīng)要求，如表2所示。

表2 熱段和冷段的力學(xué)性能要求

腐蝕敏化試驗(yàn)按照ASTM A262進(jìn)行，敏化制度為675℃×1h，然后進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，以確認(rèn)主管道鍛件材料無(wú)晶間腐蝕傾向。

2 制造難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)

2.1 冶煉技術(shù)

制造AP1000核電主管道需要大型優(yōu)質(zhì)不銹鋼鋼錠，國(guó)內(nèi)外一般采用電爐粗煉+爐外精煉或電渣重熔的工藝方案。根據(jù)其裝備特點(diǎn)，采用了電爐粗煉+電渣重熔工藝。

主管道用TP316LN鋼屬于控氮型超低碳奧氏體不銹鋼，如何在大型鋼錠電渣重熔過(guò)程中實(shí)現(xiàn)超低碳和精確控氮是需要解決的首要技術(shù)難題；其次，由于核電大鍛件對(duì)鋼水純凈度要求很高，對(duì)有害元素如磷、硫均提出了很高的控制要求。如何在電渣重熔過(guò)程中將有害元素控制到規(guī)定范圍，是冶煉技術(shù)的另一個(gè)難點(diǎn)。

2.1.1 超低碳的控制

采用大氣下電渣重熔生產(chǎn)超低碳不銹鋼材料時(shí)遇到的一個(gè)很大困難就是重熔過(guò)程的增碳問(wèn)題。經(jīng)驗(yàn)表明，如不采取有針對(duì)性的工藝措施，TP316LN電渣錠在上、中、下部都會(huì)出現(xiàn)增碳，下部將存在特別嚴(yán)重的增碳現(xiàn)象，最高增碳量達(dá)到0.006%。

導(dǎo)致電渣錠增碳的原因主要如下：

(1)造渣原料中具有較高的碳含量，主要來(lái)源于氧化鋁粉；

(2)采用石墨電極造渣化渣，加重鋼錠的增碳，尤以底部較為明顯。

由此可見(jiàn)，要解決電渣重熔過(guò)程中鋼的增碳問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)超低碳控制，應(yīng)從電渣重熔的原料（自耗電極）和整個(gè)電渣重熔過(guò)程進(jìn)行全面質(zhì)量控制，其中尤以過(guò)程中的造渣、補(bǔ)縮二個(gè)階段為主；其次是精心設(shè)計(jì)脫氧制度和重熔供電制度，穩(wěn)定重熔過(guò)程中碳的行為。

2.1.2 氮的控制技術(shù)

與一般的熔煉方法不同，電渣重熔把精煉和鑄錠合二為一，在同一個(gè)水冷銅模中進(jìn)行，不接觸耐火材料。電渣重熔過(guò)程中，金屬是以薄膜形式熔化，以細(xì)小熔滴下落穿過(guò)渣池，渣-鋼反應(yīng)接觸界面大，加之渣池過(guò)熱度大，電磁力及熱對(duì)流的強(qiáng)烈攪拌，電制度、渣制度、溫度制度、脫氧制度和速度制度等 對(duì)氮的控制影響非常大。電渣熔池中各合金元素間相互影響，熱力學(xué)條件相互牽扯，有的甚至是對(duì)立的，控制起來(lái)非常復(fù)雜。

從原材料化學(xué)成分設(shè)計(jì)、電渣重熔工藝設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)操作優(yōu)化等方面著手加強(qiáng)氮的控制：

(1)優(yōu)化自耗電極的化學(xué)成分。在研究電渣重熔過(guò)程中氮的行為的基礎(chǔ)上，確定自耗電極適宜的氮含量。

(2)改進(jìn)電渣重熔工藝。設(shè)計(jì)改良的堿性多元渣系和重熔供電制度，穩(wěn)定重熔過(guò)程中的氮的行為。

2.1.3 有害元素的控制

磷、硫是鋼合金中主要的有害雜質(zhì)。當(dāng)硫的含量較高時(shí)，它會(huì)使鋼和合金產(chǎn)生熱脆，顯著降低耐熱強(qiáng)度，并可使可焊性變壞；當(dāng)磷的含量較高時(shí)，會(huì)使鋼和合金發(fā)生冷脆，大大降低鋼和合金的塑性。故有必要嚴(yán)格控制鋼中磷、硫的含量。AP1000主管道技術(shù)條件對(duì)磷、硫的含量提出了嚴(yán)格的控制要求，要求磷不高于0.025%，硫不高于0.005%。

為實(shí)現(xiàn)低磷、低硫，采取的工藝措施如下：

(1)精選輔料，如造渣原料螢石、白剛玉等，將輔料中含有的硫、磷元素干擾降至最低。

(2)考慮到脫硫，應(yīng)降低鋼水中的含氧量，在熔煉時(shí)啟用保護(hù)性氣氛。

(3)定期向渣池內(nèi)加入脫氧劑，脫氧劑隨用隨配，減少外界對(duì)其影響。

(4)優(yōu)化供電制度，對(duì)爐渣和金屬熔池的溫度以及熔煉速率最佳化控制；同時(shí)，試驗(yàn)優(yōu)選了最佳的爐渣組分配比。

2.2 鍛造技術(shù)

為保證鍛造壓實(shí)效果，AP1000主管道在具有足夠壓力的自由鍛壓機(jī)上進(jìn)行成型。上重公司配置12 000t自由鍛水壓機(jī)和16 500t自由鍛油壓機(jī)，并配備了相應(yīng)的鍛造操作機(jī)，在硬件上具備了主管道鍛造能力，但要鍛造出合格的主管道鍛件，需要克服一些重大的技術(shù)難題。

2.2.1 鍛造裂紋

TP316LN奧氏體不銹鋼鍛造變形抗力大，比一般碳鋼約高1.6~2倍，可鍛溫度區(qū)間窄，如鍛造溫度控制不當(dāng)，易產(chǎn)生鍛造裂紋。這種鍛造裂紋在后續(xù)的鍛造過(guò)程中極易擴(kuò)展，嚴(yán)重時(shí)將造成工件尺寸不足。

對(duì)TP316LN材料的鍛造開(kāi)裂行為，采取了以下工藝措施：

(1)合理設(shè)計(jì)主管道熱段A試制件的化學(xué)成分，嚴(yán)格限制惡化鍛造性能的鐵素體含量。

(2)設(shè)置合適的鍛造溫度區(qū)間。

(3)設(shè)置合理的墩粗、拔長(zhǎng)壓下量。

(4)出現(xiàn)裂紋應(yīng)及時(shí)清理，防止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。

2.2.2 晶粒度控制

TP316LN奧氏體不銹鋼在鍛造溫度區(qū)間晶粒容易長(zhǎng)大，如鍛造時(shí)沒(méi)有足夠的變形量，晶粒將迅速長(zhǎng)大到不可接受的程度。奧氏體不銹鋼鍛件可鍛性差，最后一次的變形量往往難以保證，從而增大了晶粒度控制難度。

在主管道制坯階段，需要保證晶粒充分再結(jié)晶，并且完成晶粒組織控制準(zhǔn)備工作；在管嘴成形階段，需要保證管嘴部分最終晶粒度與管身盡量一致，因此，考慮各個(gè)因素的影響制定合適的成形步驟。

2.2.3 異型鍛件成型技術(shù)

主管道中熱段A為帶支管的異型鍛件，兩個(gè)支管互成45°，如鍛造成軸對(duì)稱外形再加工出管嘴，則所需鋼錠將顯著增加，造成冶煉、鍛造及后續(xù)機(jī)械加工的成本大幅度上升，如想進(jìn)行將兩個(gè)支管直接仿形鍛出，則對(duì)鍛造成型技術(shù)提出了很高的要求。

主管道熱段A試制件帶有管嘴，且要求管嘴和管身一體化鍛造，則管嘴和管身變形量很難保證一致，要使管嘴和管身滿足同樣的晶粒度要求難度較大，且在制坯和鍛造管嘴階段，塑性變形量分布規(guī)律存在較大差別。因此，在不同階段必須采用不同的控制鍛造工藝參數(shù)設(shè)計(jì)偏心鍛造工藝，確保鍛件形狀盡量接近交貨形狀。

3 主管道鍛件的制造

通過(guò)兩年的研制工作，上重掌握了整套AP1000主管道鍛件的冶煉、鍛造技術(shù)，并承制了數(shù)套AP1000主管道整套鍛件的制造任務(wù)，并已有整套鍛件交付采購(gòu)方，典型鍛件的成分如表3所示。

表3 主管道成品化學(xué)成分

鍛件按ASTM E112的方法檢驗(yàn)晶粒度，結(jié)果表明，主管道鍛件晶粒度均為2～4級(jí)，滿足規(guī)范要求。

為進(jìn)一步掌握鍛件質(zhì)量，在鍛件坯料上截取試料進(jìn)行了模擬固溶熱處理，然后進(jìn)行了力學(xué)性能和晶間腐蝕試驗(yàn)，熱段模擬固溶熱處理規(guī)范如圖4所示。

圖4 試樣模擬固溶熱處理規(guī)范

力學(xué)試驗(yàn)按ASME SA370標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，性能結(jié)果詳見(jiàn)表4。

試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)模擬固溶熱處理的試樣機(jī)械性能良好，完全符合規(guī)范要求。

表4 力學(xué)性能結(jié)果

腐蝕敏化試驗(yàn)按照ASTM A262的要求進(jìn)行，敏化制度為675℃×1h，然后進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)主管道材料存在晶間腐蝕傾向，圖5～圖7所示為已完工的AP1000主管道鍛件。

圖5 主管道熱段A

圖6 主管道熱段B

圖7 主管道冷段

4 結(jié) 論

公司通過(guò)在冶煉、鍛造等關(guān)鍵工序上開(kāi)展自主創(chuàng)新，完成了主管道鍛件的研制工作，為實(shí)現(xiàn)主管道主設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化提供了可靠的材料保障。