AP1000核電常規(guī)島焊接低壓轉(zhuǎn)子軸頭的研制

□呂政上海重型機(jī)器廠有限公司 上海 200245

AP1000核電常規(guī)島焊接低壓轉(zhuǎn)子軸頭的研制

□呂政
上海重型機(jī)器廠有限公司 上海 200245

為攻克核電常規(guī)島大鍛件制造技術(shù)難題，通過(guò)對(duì)AP1000核電常規(guī)島焊接低壓轉(zhuǎn)子的典型部件——電機(jī)端軸頭進(jìn)行分析，研究制定了該產(chǎn)品的冶煉、鍛造和熱處理工藝方案，并立項(xiàng)開(kāi)展了1：1產(chǎn)品試驗(yàn)件的生產(chǎn)。在試制過(guò)程中，克服了制造難點(diǎn)，最終生產(chǎn)出符合規(guī)范要求的試驗(yàn)件產(chǎn)品。

美國(guó)西屋公司AP1000技術(shù)是一種先進(jìn)的“非能動(dòng)型壓水堆核電技術(shù)”，用鈾制成的核燃料在反應(yīng)堆的設(shè)備內(nèi)發(fā)生裂變而產(chǎn)生大量熱能，再用處于高壓下的水把熱能帶出，在蒸汽發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生蒸汽，蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)帶著發(fā)電機(jī)一起旋轉(zhuǎn)，電就源源不斷地產(chǎn)生出來(lái)，通過(guò)電網(wǎng)送到四面八方［1］。

核電常規(guī)島的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是發(fā)電設(shè)備的關(guān)鍵零件，轉(zhuǎn)子毛坯制造技術(shù)在汽輪機(jī)制造領(lǐng)域?qū)儆陉P(guān)鍵技術(shù)，目前我國(guó)仍處于起步階段。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子按加工或裝配方式可分為整鍛轉(zhuǎn)子、焊接轉(zhuǎn)子和套裝轉(zhuǎn)子。焊接轉(zhuǎn)子以其結(jié)構(gòu)緊湊、各部件質(zhì)量相對(duì)較輕、易于鍛造、利于保證轉(zhuǎn)子的內(nèi)在質(zhì)量、生產(chǎn)周期較短、材料利用合理等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用也比較廣泛［2］。

為推進(jìn)核電項(xiàng)目中常規(guī)島汽輪機(jī)低壓焊接轉(zhuǎn)子鍛件的國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)，提高企業(yè)在核電常規(guī)島鍛件產(chǎn)品的制造能力，上海重型機(jī)器廠有限公司對(duì)AP1000常規(guī)島汽輪機(jī)低壓焊接轉(zhuǎn)子鍛件的關(guān)鍵部件之一——電機(jī)端軸頭鍛件開(kāi)展了試制開(kāi)發(fā)。

1 AP1000核電常規(guī)島低壓焊接轉(zhuǎn)子鍛件介紹

1.1 概述

AP1000核電常規(guī)島汽輪機(jī)低壓焊接轉(zhuǎn)子總共包括電機(jī)端軸頭、輪盤(pán)Ⅰ/Ⅳ、輪盤(pán)Ⅱ/Ⅲ以及調(diào)閥端軸頭6個(gè)部件，如圖1所示。

單根低壓焊接轉(zhuǎn)子的毛坯交貨質(zhì)量約為342 t，電機(jī)端軸頭鍛件具有圓盤(pán)類(lèi)鍛件的特征，又有5 m長(zhǎng)軸的特征，具有其它部件的典型特點(diǎn)，因此選定了電機(jī)端軸頭鍛件作為試驗(yàn)件進(jìn)行試制。

圖1 AP1000核電常規(guī)島汽輪機(jī)低壓焊接轉(zhuǎn)子

1.2 制造工藝要求

轉(zhuǎn)子鍛件的冶煉需采用堿性電爐冶煉，采用真空碳脫氧（VCD）工藝進(jìn)行澆注；鍛造過(guò)程需保證有足夠的切除量和足夠的鍛比，確保整體組織均勻；鍛后熱處理時(shí)需經(jīng)過(guò)至少兩次以上的正、回火處理；調(diào)質(zhì)時(shí)需要垂直水淬，達(dá)到規(guī)定的使用性能。

1.3 化學(xué)成分

核電低壓焊接轉(zhuǎn)子選用材料為25Cr2Ni2MoV，每爐鋼水進(jìn)行熔煉分析，分析結(jié)果應(yīng)滿足表1的要求，鍛件成品的氣體含量，應(yīng)符合表2的要求。

表1 熔煉分析要求 wt%

表3 力學(xué)性能要求

表2 成品氣體含量要求

1.4 力學(xué)性能

鍛件性能熱處理后取切向試樣，結(jié)果應(yīng)滿足表3要求。

2 AP1000核電常規(guī)島低壓焊接轉(zhuǎn)子電機(jī)端軸頭研制

2.1 制造工藝流程

根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求，電機(jī)端軸頭的生產(chǎn)制造流程為：冶煉→鑄錠→鍛造→鍛后熱處理→粗加工→性能熱處理→檢驗(yàn)→半精加工→去應(yīng)力處理→精加工→檢驗(yàn)→完工。

檢驗(yàn)包括成分測(cè)試、性能測(cè)試、尺寸測(cè)量、無(wú)損檢測(cè)等。

2.2 成分優(yōu)化

為確保通過(guò)水冷調(diào)質(zhì)能達(dá)到規(guī)范要求的性能，特別是鍛件心部也能轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w組織，最大直徑處的韌脆轉(zhuǎn)變溫度（FATT）達(dá)到0℃以下，在產(chǎn)品成分設(shè)計(jì)上，需要對(duì)現(xiàn)有成分范圍進(jìn)行目標(biāo)優(yōu)化控制。

首先，嚴(yán)格控制P、S、Si、Sn、As、Sb等殘余雜質(zhì)元素的含量。其次，將可以提高淬透性的Ni、Cr元素控制在上限，增強(qiáng)產(chǎn)品的淬透性；考慮到鍛件的可焊性，雖然C元素可以提高淬透性，但仍將其控制在中限；為保證鍛件具有良好的抗回火脆性，Mo元素控制在標(biāo)準(zhǔn)要求的上限，Mn元素則控制在了中下限。最后，同樣出于保證可焊性的考慮，V元素的含量也進(jìn)行了適當(dāng)?shù)目刂啤?/p>

2.3 冶煉控制

根據(jù)電機(jī)端軸頭鍛件交貨圖紙，鍛件毛坯的最大外形尺寸為φ2 874 mm×4 979 mm，交貨毛重約65.9 t，通過(guò)余量測(cè)算，該產(chǎn)品冶煉時(shí)所需鋼錠質(zhì)量為210 t，鋼錠尺寸如圖2所示。

圖2 電機(jī)端軸頭鋼錠圖

電機(jī)端軸頭鍛件鋼錠的探傷要求很高，特別是焊接區(qū)域，靈敏度當(dāng)量要求達(dá)到了0.5 mm。這么高的鋼錠純凈度要求，對(duì)于冶煉過(guò)程的工藝方案設(shè)計(jì)和整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)操作的控制，都是非常大的挑戰(zhàn)。

冶煉時(shí)需要通過(guò)優(yōu)選合金、廢鋼等原材料，對(duì)接觸鋼液的所有輔具進(jìn)行打磨烘烤，及時(shí)清理扒渣，采用兩包鋼水澆注，優(yōu)選出鋼溫度、澆注速度、氣體保護(hù)等澆注參數(shù)，明確操作規(guī)范。

通過(guò)精心策劃和嚴(yán)格實(shí)施，鋼錠澆注完成時(shí)，最終的熔煉成分符合控制目標(biāo)要求，探傷也未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)的缺陷。

2.4 鍛造控制

2.4.1 鍛造難點(diǎn)

鋼錠在脫模后，需盡快熱送至鍛造車(chē)間進(jìn)行鍛造成形。軸頭鍛件鍛造的難點(diǎn)如下。

（1）鋼錠尺寸比較大，鍛造過(guò)程中極易產(chǎn)生裂紋。

（2）由于法蘭的直徑超過(guò)3 m，為了達(dá)到好的壓實(shí)效果，需要使用較大的鍛比進(jìn)行墩粗和拔長(zhǎng)。在此過(guò)程中，由于強(qiáng)大變形抗力，使鍛造開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)成倍增加，裂紋清理的難度也增加。

（3）由于超聲波探傷要求高，成形方案需要有足夠的內(nèi)應(yīng)力，使鍛件心部鍛透、壓實(shí)，避免鍛件中心在熱處理過(guò)程中再結(jié)晶為粗大晶粒。

2.4.2 鍛造工藝方案

電機(jī)端軸頭鍛件采用165 MN油壓機(jī)和120 MN水壓機(jī)聯(lián)合鍛造生產(chǎn)，壓實(shí)方法采用了“鐓粗+兩次拔長(zhǎng)（WHF法）+兩次中心壓實(shí)（JTS法）”進(jìn)行壓實(shí)，大法蘭由于直徑超過(guò)3 m，采用最后鐓粗成形，鐓粗成形工藝如圖3所示。

2.5 鍛后熱處理

鍛后熱處理的目的是消除鍛造應(yīng)力，降低鍛件的表面硬度，提高其切削加工性能；同時(shí)還要調(diào)整與改善鍛件鍛造過(guò)程中形成的過(guò)熱與粗大組織，細(xì)化奧氏體晶粒，提高鍛件的超聲波探傷性能。

對(duì)于含Ni、Cr等合金元素較多的高淬透性鋼，由于鍛造冷卻后得到的往往是非平衡組織（貝氏體或馬氏體），而且在重新加熱通過(guò)臨界區(qū)時(shí)，又不可能獲得較快的加熱速度，容易產(chǎn)生組織遺傳。通過(guò)工藝試驗(yàn)，最終采用二次奧氏體化、三次過(guò)冷的鍛后熱處理工藝，如圖4所示。

2.6 性能熱處理

2.6.1 25Cr2Ni2MoV相變參數(shù)的測(cè)定

通過(guò)對(duì)電機(jī)端軸頭鍛件進(jìn)行取樣，測(cè)定了25Cr2Ni2MoV的相變參數(shù)，測(cè)定該材料鋼種的Ac1為735℃、Ac3為826℃。

2.6.2 熱處理參數(shù)的確定和實(shí)施

電機(jī)端軸頭鍛件由于截面尺寸大、強(qiáng)度高、韌性也高，為達(dá)到均勻的組織和性能，對(duì)不同位置性能熱處理參數(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。通過(guò)分析各位置的溫度變化曲線，進(jìn)行小試樣試驗(yàn)，檢驗(yàn)小試樣效果，最終確定了性能熱處理工藝參數(shù)。圖5所示是電機(jī)端軸頭加熱完成后吊裝出爐的情況。

2.7 電機(jī)端軸頭的檢驗(yàn)

性能熱處理結(jié)束后，電機(jī)端軸頭關(guān)鍵的熱加工坯料制造過(guò)程已經(jīng)完成，后續(xù)需對(duì)鍛件坯料指定位置的成分、金相組織和力學(xué)性能進(jìn)行檢驗(yàn)，反饋熱加工效果，評(píng)估坯料的質(zhì)量狀況。

2.7.1 化學(xué)成分檢測(cè)

對(duì)電機(jī)軸的5個(gè)位置試樣（取樣位置如圖6所示）進(jìn)行成分檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表4。

圖3 大法蘭鐓粗成形工藝

圖4 鍛后熱處理工藝

圖5 電機(jī)端軸頭出爐淬火

2.7.2 機(jī)械性能檢測(cè)對(duì)電機(jī)軸的5個(gè)位置試樣（取樣位置如圖6所示）進(jìn)行性能檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表5。

2.7.3 金相檢測(cè)對(duì)電機(jī)軸的5個(gè)位置試樣（取樣位置見(jiàn)圖6）進(jìn)行金相檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表6。

2.7.4 無(wú)損檢測(cè)

表4 化學(xué)成分分析 wt%

圖6 電機(jī)端軸頭理化檢測(cè)取樣位置示意圖

表5 機(jī)械性能檢測(cè)

表6 金相檢測(cè)

通過(guò)對(duì)電機(jī)端外圓輪廓采用不同角度探頭進(jìn)行超聲波檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。由于焊接區(qū)域要精加工完成后方能檢測(cè)，此次科研試驗(yàn)僅粗加工完成，因此僅對(duì)焊接區(qū)域通過(guò)外部輪廓進(jìn)行預(yù)測(cè)和判斷，焊接區(qū)域未發(fā)現(xiàn)超過(guò)0.5 mm以上當(dāng)量的超標(biāo)缺陷。

2.8 檢驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)表4、表5和表6的數(shù)據(jù)對(duì)比，電機(jī)端軸頭鍛件毛坯的化學(xué)成分、力學(xué)性能和金相組織都符合規(guī)范的要求，超聲波檢驗(yàn)也合格?？梢钥闯?，鍛件毛坯的試制取得了成功。但同時(shí)也應(yīng)看到，對(duì)于中心位置的試環(huán)C，其性能數(shù)據(jù)特別是FATT50的數(shù)據(jù)有比較明顯的下降，沖擊功AKV的性能也有所降低，晶粒度略有變粗，可以獲知，在直徑3 m大法蘭的中心位置，鍛件的壓實(shí)效果還需要進(jìn)一步改善；與表面相比，其材料潛力還可以進(jìn)一步挖掘，這也對(duì)以后鍛造和熱處理工藝的改進(jìn)提出了更多的要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)AP1000常規(guī)島核電焊接低壓轉(zhuǎn)子電機(jī)端軸頭鍛件技術(shù)特點(diǎn)的分析，采用成分優(yōu)化控制、冶煉、鍛造和熱處理等關(guān)鍵工藝方案的研究和制定，提高了項(xiàng)目參與人員工藝方案設(shè)計(jì)、模擬和應(yīng)用能力。

通過(guò)電機(jī)端軸頭鍛件產(chǎn)品的試制，對(duì)特大截面（3 m直徑）的轉(zhuǎn)子材料25Cr2Ni2MoV成功冶煉、鍛造及熱處理，最終產(chǎn)品的各項(xiàng)檢測(cè)都滿足規(guī)范要求，檢驗(yàn)了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)有能力完成高標(biāo)準(zhǔn)超純凈核電常規(guī)島轉(zhuǎn)子產(chǎn)品的制造。

由于成功研制了既有大法蘭、又有長(zhǎng)軸特征的電機(jī)端軸頭鍛件，為AP1000核電常規(guī)島焊接低壓轉(zhuǎn)子的其它部件和類(lèi)似產(chǎn)品的承接生產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］繆鴻興.AP1 000先進(jìn)核電技術(shù)［J］.自動(dòng)化博覽，2009，26 （8）：32-35.

［2］張軍.焊接轉(zhuǎn)子1 000 MW國(guó)產(chǎn)核電汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)與發(fā)展［J］.應(yīng)用能源技術(shù)，2010（10）：15-21.

In order tosettle the technical problems involving the manufacturing of large forgings for conventional island of nuclear power，with the analyses of the shaft nose at the motor end-a typical component of welded LP rotor in conventional island of AP1000 nuclear power，a technological plan for smelting，forging and heat treatment was developed and formulated for the product with a project for 1：1 test piece production.In the trial process，the manufacturing difficulties were overcome and finally the produced test piece could meet with all specifications.

AP1000；常規(guī)島；焊接；低壓轉(zhuǎn)子

AP1000；ConvectionalIsland；Weld；LP Rotor

K474.7+3

B

1672-0555（2015）04-034-06

2015年7月

呂政（1981年-）男，工程碩士，高級(jí)工程師，主要從事火電及核電常規(guī)島大型鍛件材料熱處理工藝技術(shù)的研究工作