第三代大型核電18MND5錐形筒體研制

段紅玲 杜軍毅 孫 嫘

(二重集團(德陽)重型裝備股份有限公司，四川618013)

第三代大型核電18MND5錐形筒體研制

段紅玲 杜軍毅 孫 嫘

(二重集團(德陽)重型裝備股份有限公司，四川618013)

從鍛件的難點分析、制造流程、力學性能檢驗及其試驗結(jié)果的分析，對錐形筒體鍛件的均質(zhì)性進行了研究。

錐形筒體；力學性能；均質(zhì)性評價

ACP1000是我國自主研發(fā)、具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代百萬千瓦級先進壓水堆核電站技術(shù)，安全性能突出。它是我國從核電大國邁向核電強國的重要標志，對于我國核電走出國門，打出“中國核電”品牌意義重大。

ACP1000錐形筒體鍛件是ACP1000核島設(shè)備蒸汽發(fā)生器中關(guān)鍵的鍛件之一，其服役環(huán)境溫度343℃，壓力17.23 MPa，服役周期60年。ACP1000第三代核電蒸汽發(fā)生器相對于原二代改進型機組，服役條件惡劣，設(shè)備安全要求更高，各種物理化學性能控制異常嚴格。其鍛件規(guī)格、化學成分及力學性能檢驗等均有較大的提高，同時，筒體鍛件要求在兩端取樣，筒體鍛件的壁厚增厚，降低了鍛件熱處理時的淬透性。由于上述ACP1000核電鍛件技術(shù)要求的提高，大大地提高了鍛件的制造難度。

本文通過對第三代核電蒸汽發(fā)生器錐形筒體的生產(chǎn)技術(shù)總結(jié)，從鍛件的力學性能檢驗、金相分析及無損檢測等方面對筒體鍛件的均質(zhì)性進行研究。

1 錐形筒體的技術(shù)要求

1.1 化學成分

錐形筒體相對原CPR1000筒體化學成分發(fā)生了較大的變化：除按RCCM M2133—2007規(guī)范要求，鋼種采用18MND5鋼外，還對化學成分中的雜質(zhì)元素含量要求更低，P、S、Cu含量均有降低，Sn、N殘余元素提供數(shù)據(jù)，同時對產(chǎn)品分析規(guī)定了ΔG=3.3Mo+Cr+8.1V-2≤0的限定要求。鍛件化學成分分析見表1。

1.2 力學性能

鍛件性能熱處理后、部分試樣經(jīng)過模擬焊后熱處理后的力學性能要求見表2。

1.3 超聲檢測

表1 鍛件化學成分要求(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical compositions requirements of forgings (Mass, %)

表2 力學性能要求Table 2 Mechanical properties requirements

表3 當量法的驗收限Table 3 Acceptance limit of equivalent method

表4 體積型缺陷Table 4 Volumetric defects

鍛件應(yīng)進行直探頭和斜探頭全體積掃查，其結(jié)果應(yīng)符合以下規(guī)定：

(1)不允許有白點、裂紋及縮孔等缺陷。

(2)直探頭記錄限及驗收標準按照表3。

(3)對于橫波斜探頭，回波幅度≥50%參考曲線(DAC)高度的任何信號都應(yīng)予以記錄?；夭ǚ瘸^參考曲線(DAC)高度的任何信號判為不合格。

(4)任何缺陷信號，需評定體積或非體積型缺陷，非體積型缺陷判為不合格。

(5)任何反射波幅大于等于50%DAC的體積型缺陷信號均需記錄，表格4所示的缺陷判為不合格。

ACP1000錐形筒體要求在水冒口兩端均進行力學性能檢驗，由于水冒口兩端在化學成分上存在偏差，導致鍛件的力學性能也會存在偏差；同時錐形筒體的特殊形狀，使得水冒口兩端的壁厚也不一致，使得水冒口兩端在熱處理時兩端的冷卻 速度不相同，同樣影響鍛件的最終力學性能。為此，就需要設(shè)置合理的熱處理工藝參數(shù)，確保鍛件熱處理后水冒口兩端的化學成分均滿足用戶采購規(guī)范的要求。

步驟鍛造過程及簡圖11)壓鉗把、倒棱2)滾圓拔長3)下本21)鐓粗2)沖孔31)芯軸拔長41)中間成形2)修整51)最終成形2)修整，出成品

圖1 錐形筒體鍛造過程簡圖
Figure 1 The diagrams of forging process for conical shell

同時由于錐形筒體的特殊形狀，為了確保鍛件熱處理后尺寸滿足最終精加工的要求，必須在熱處理過程中做好防變形措施，保證鍛件的最終尺寸。

表5 鍛件成品化學成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 5 Analysis results of chemical compositions of finished forgings (Mass, %)

圖2 調(diào)質(zhì)態(tài)常溫及高溫強度試驗結(jié)果Figure 2 Tensile strength test results of quenched and tempered state at room temperature and high temperature

圖3 模擬態(tài)常溫及高溫強度試驗結(jié)果Figure 3 Tensile strength test results of simulated state at room temperature and high temperature

2 制造過程

2.1 鋼錠冶煉

本文中的錐形筒體鍛件采用178 t鋼錠進行制造，其冶煉過程中選用優(yōu)質(zhì)生鐵、優(yōu)質(zhì)廢鋼及鐵 合金，采用堿性電弧爐粗煉鋼水，之后，鋼包爐精煉+真空除氣，加鋁鎮(zhèn)靜脫氧，并采用雙包真空澆注。通過這種雙真空處理的鋼錠可以有效去除鋼錠中的P、S、H、O等雜質(zhì)元素，鋼錠質(zhì)量及其熱加工性可以得到保證。

(a)-20℃調(diào)質(zhì)態(tài)沖擊試驗結(jié)果 (b)60℃調(diào)質(zhì)態(tài)沖擊試驗結(jié)果 (c)20℃調(diào)質(zhì)態(tài)沖擊試驗結(jié)果圖4 各溫度調(diào)質(zhì)態(tài)沖擊試驗結(jié)果Figure 4 The impact test results of quenched and tempered state at various temperatures

(a)水口端0°T/4顯微組織(b)水口端0°T/2顯微組織(c)水口端180°內(nèi)T/4顯微組織(d)水口端180°T/2顯微組織(e)冒口端90°內(nèi)T/4顯微組織(f)冒口端90°T/2顯微組織(g)冒口端270°內(nèi)T/4顯微組織(h)冒口端270°T/2顯微組織

圖5 不同方位、層位的顯微組織照片
Figure 5 Microstructure of different orientations and positions

2.2 鍛造

鍛造過程如圖1所示，鋼錠首先預(yù)切尾部，然后通過鐓粗、拔長及擴孔等工序得到鍛件毛坯。水口切除率≥7%，冒口切除率≥15.7%，總鍛造比≥5。

在鐓粗、沖孔過程中，鋼錠心部的疏松、縮孔、V型偏析區(qū)及部分A偏析區(qū)將隨沖脫而去除，這就使得鋼錠中質(zhì)量較差部分完全與鍛件本體分離，保證了良好的坯料基礎(chǔ)。在之后的芯軸拔長和馬杠擴孔過程中，殘留在坯料中的鋼錠固有缺陷將進一步在良好三向壓應(yīng)力作用下被鍛合。因此，鍛件質(zhì)量可以得到有效的保障。

2.3 熱處理

性能熱處理是決定產(chǎn)品最終使用性能的重要工序，通過合理的加熱、冷卻、回火得到適當?shù)慕M織，以確保產(chǎn)品最終滿足力學性能的要求。

結(jié)合鍛件的實際化學成分，確定錐形筒體鍛件的淬火溫度為870～910℃，回火溫度控制在635～665℃之間。為了保證筒體熱處理過程均勻，采用了全自動熱處理爐，溫差控制在±10℃以內(nèi)，同時，在筒體上下對稱180°放置兩支外接熱電偶來記錄溫度變化。淬火水槽可調(diào)節(jié)溫度，尺寸為?9 m×8 m。筒體起吊采用兩點吊，性能熱處理后對部分試樣進行615℃±5℃×16 h模擬焊后熱處理。

2.4 鍛件檢驗

2.4.1 化學成分分析

鍛件性能熱處理后，在水冒口兩端T/2、內(nèi)T/4部位取樣進行成品化學成分分析，其化學成分分析結(jié)果如表5所示。

從表5的分析結(jié)果可以看出：鍛件化學成分均勻，水冒口兩端的化學成分偏析小，鋼中的殘余元素P、S、AS、Sn、B、Pb、Hg很低。

2.4.2 拉伸試驗

在鍛件水口端0°、180°，冒口端90°、270°部位的T/2、內(nèi)T/4壁厚取樣進行室溫拉伸、350℃拉伸試驗，見圖2、圖3。從圖2和圖3可以看出：鍛件室溫拉伸、350℃高溫拉伸試驗結(jié)果均滿足技術(shù)條件要求，鍛件各個部位的拉伸性能是均勻的，且富裕量較大。

2.4.3 沖擊試驗

在鍛件水口端0°、180°，冒口端90°、270°部位的T/2、內(nèi)T/4壁厚取樣進行的0℃、20℃、-20℃KV2沖擊試驗，試驗結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出：鍛件內(nèi)T/4、T/2的沖擊試驗結(jié)果，波動不大，相對均勻；同時，鍛件橫向的沖擊試驗結(jié)果與縱向的沖擊試驗也相差不大，并且無論是內(nèi)T/4還是T/2鍛件水冒口兩端的沖擊試驗結(jié)果也沒有表現(xiàn)出較大的波動，也是相對均勻的。

2.4.4 落錘試驗

鍛件水冒口兩端內(nèi)T/4、T/2處取試進行落錘試驗，實測NDT=-20℃，滿足規(guī)范要求且水冒口兩端的低溫沖擊韌性均勻。

2.4.5 金相分析

在鍛件水口端0°、180°，冒口端90°、270°部位的T/2、內(nèi)T/4壁厚取樣進行晶粒度、夾雜物、顯微組織分析，其結(jié)果如圖5和表6所示。

從圖5和表6可以看出，鍛件熱處理鍛件其顯微組織均為回火貝氏體組織，各部位的組織均勻，晶粒細小，晶粒度均≥6.5級。

2.5 無損檢測

表6 晶粒度、夾雜物、顯微組織檢測結(jié)果Table 6 Test results of grain size, inclusion and microstructure

鍛件精加工完成后，按照RCC-M MC7000的要求對鍛件表面進行100%的磁粉檢測，同時按照RCC-M M2133第7.1、7.2、7.3采用直探頭和斜探頭，對鍛件進行100%的超聲檢測，磁粉檢測和超聲檢測未發(fā)現(xiàn)應(yīng)記錄的缺陷。

3 結(jié)論

通過對蒸汽發(fā)生器下部筒體上鍛件研制，以及各項力學性能檢驗、金相分析以及無損檢測，可以得出如下結(jié)論：

(1)鍛件內(nèi)部宏觀組織致密，貝氏體顯微組織均勻，鋼水純凈，晶粒度細小，表明鍛件冶金質(zhì)量良好。

(2)通過對其兩端不同部位化學成分及沿兩條對稱180°母線C、S、Mn元素成分測定，表明鍛件各分析元素含量波動小，鋼中的殘余元素含量低，鍛件整體及水冒口兩端的化學成分偏析小，表明鍛件化學成分均勻，這為確保均質(zhì)的鍛件力學性能打下堅實基礎(chǔ)。

(3)通過對其力學性能試驗結(jié)果對比分析，表明鍛件的各項力學性能指標優(yōu)良，且相差不大；表現(xiàn)出良好的均勻性和較大的富裕量。

編輯 陳秀娟

Research and Development on Third Generation of Large Nuclear Power 18MND5 Conical Shell

DuanHongling,DuJunyi,SunLei

The homogeneity of conical shell forgings was researched from the aspects of difficult analysis, manufacturing processes, mechanical properties tests and result analysis of forgings.

conical shell, mechanical properties, homogeneity evaluation

TL351+6

B

2017—05—10