ACP1000穩(wěn)壓器封頭鍛件制造及性能研究

司晨亮 楊麗冬 余江山

(二重集團(德陽)重型裝備股份有限公司，四川618000)

穩(wěn)壓器是核電站核島內(nèi)的重要設(shè)備，屬于核安全一級設(shè)備。由于穩(wěn)壓器在使用過程中要承受較高的壓力，因此，鍛件要有足夠的強度和較高的塑韌性。ACP1000壓水堆核電站穩(wěn)壓器殼體采用的材料為RCCM標(biāo)準(zhǔn)的16MND5，近似于ASME標(biāo)準(zhǔn)的SA508 Gr.3，其中封頭鍛件由于形狀復(fù)雜，鍛造、熱處理條件差，制造難度較大。本文中的ACP1000穩(wěn)壓器封頭鍛件由中國二重實現(xiàn)國內(nèi)首次制造，采用旋轉(zhuǎn)模壓法鍛造成型，性能熱處理后對封頭鍛件不同部位進行了全面解剖性試驗。

1 制造方案及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 穩(wěn)壓器封頭產(chǎn)品圖

穩(wěn)壓器封頭鍛件產(chǎn)品圖見圖1。

圖1 穩(wěn)壓器封頭鍛件產(chǎn)品圖Figure 1 Product picture of pressurizer head forging

1.2 工藝路線

工藝路線為：電爐冶煉、鋼包精煉→真空注錠→中間坯鍛造→沖壓成型→預(yù)備熱處理→粗加工、超聲檢測→性能熱處理→理化性能檢驗→半精加工→最終超聲檢測→最終精加工→目視、尺寸檢驗→滲透檢測→產(chǎn)品。

1.3 冶煉

封頭鍛件用16MND5合金鋼，在鋼錠制造的過程中首先利用電弧爐煉出粗鋼，然后進行鋼包精煉從而調(diào)整化學(xué)成分并去除雜質(zhì)，最后進行真空澆注。冶煉的重點和難點：嚴(yán)格控制鋼中的O含量，保證小五害P、S、As、Sn和Sb含量降低到極低含量，并保證經(jīng)過二次精煉的純凈含Al鋼液在真空澆注過程中避免從精煉鋼包到中間包澆注過程中產(chǎn)生二次氧化。

1.4 鍛造成型方法的選擇

穩(wěn)壓器封頭國際上一般采用鋼板沖壓來制造，這種方法需要較大的壓機臺面，同時該方法由于需要首先將鋼錠鍛造或軋制成板材，然后再將鋼板進行沖壓而得到成品的形狀。該方法有兩個制約因素：1)鋼板，由于受到鋼板預(yù)制尺寸形狀的限制，該制造方法適合厚度較小、形狀簡單的封頭制造；2)沖壓成型控制技術(shù)，無論冷沖壓還是熱沖壓，成型控制技術(shù)是保證成品尺寸的關(guān)鍵，需要一定的制造經(jīng)驗積累。

封頭鍛件另一種制造方法為旋轉(zhuǎn)模壓法(又稱旋壓法)，由日本JSW發(fā)明，該方法具體做法是：將預(yù)成型的鍛件毛坯置于凹模中，通過半月形上模和凹模進行旋轉(zhuǎn)鍛造、模壓成型制造封頭鍛件。該方法適合制造尺寸較厚、形狀復(fù)雜的封頭鍛件。

ACP1000穩(wěn)壓器封頭鍛件形狀復(fù)雜，腰部有一凸臺(最終將用于本體與支撐部件的焊接)，如采用鋼板沖壓法制造，鋼板預(yù)制困難且沖壓成形時凸臺部位有錯位缺肉風(fēng)險。而采用旋轉(zhuǎn)模壓法可以充分保證凸臺部位的尺寸，而且省略了將鋼錠軋制成鋼板這一工序，生產(chǎn)效率大為提高，因此，選擇采用旋轉(zhuǎn)模壓法在160 MN水壓機上制造。

1.5 熱處理

鍛件化學(xué)成分確定之后，熱處理成為鍛件獲得服役時力學(xué)性能指標(biāo)的最后一道關(guān)鍵工序，包括三部分：預(yù)備熱處理；粗加工后的性能熱處理；取樣加工后試樣坯料的模擬消除應(yīng)力熱處理(SSRHT)。

(1)預(yù)備熱處理

預(yù)備熱處理的主要目的是消氫、調(diào)整和細化晶粒，為性能熱處理和粗加工后的檢測做準(zhǔn)備。盡管封頭鍛件鋼水經(jīng)過了雙真空處理，但對于特厚壁碗形件，為防止心部產(chǎn)生白點性氫致缺陷，要根據(jù)鋼錠的原始H含量進行長時間的去氫處理。同時，正火時采用的奧氏體化溫度要高些，有利于合金元素的擴散，消除微區(qū)偏析，并割斷原始粗晶與再次奧氏體化后晶粒之間的聯(lián)系。因此，鍛件鍛后緩冷并使過冷奧氏體充分地轉(zhuǎn)變，隨后加熱到630～670℃去氫處理；之后930～950℃正火，600～670℃回火。

(2)性能熱處理

為滿足性能要求，合理地選擇奧氏體化溫度和時間、淬火冷卻速度、回火參數(shù)對鍛件獲得良好的綜合力學(xué)性能至關(guān)重要。鍛件淬火后的基本組織是貝氏體，冷卻不足將出現(xiàn)先共析鐵素體組織或先共析鐵素體和珠光體組織。由工藝試驗研究確定出封頭鍛件的奧氏體化溫度為875～920℃，回火溫度為635～665℃，淬火冷卻時應(yīng)采用盡可能快的冷卻速度。同時，在冷卻過程中，不僅要控制水溫，還要控制工件冷卻后的反熱溫度。同時為了保證溫度能夠達到既定要求，應(yīng)該至少放置兩支熱電偶來記錄溫度變化，鍛件加熱、冷卻均按工件上熱電偶實際測溫為準(zhǔn)。

(3)模擬消除應(yīng)力熱處理

封頭鍛件在實際組裝過程中需要進行焊接，因此從該鍛件上截取試料進行模擬消除應(yīng)力熱處理來保證鍛件在焊接后的力學(xué)性能。模擬消除應(yīng)力熱處理制度為：615±5℃×16 h。

2 取樣與性能分析

按照產(chǎn)品要求，封頭鍛件需要在開口端制取試料進行性能檢驗。為全面評價封頭鍛件的純凈性、均勻性和致密性，還在凸臺、人孔處等典型區(qū)域解剖取樣進行評定試驗。取樣示意圖如圖2所示。

圖2 取樣示意圖Figure 2 Schematic diagram of sampling

2.1 化學(xué)分析

封頭鍛件各部位化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。鍛件的化學(xué)元素偏析控制在合格范圍內(nèi)，各部位化學(xué)成分的偏差很小，表明鍛件各部位的成分均勻，鋼中的雜質(zhì)元素含量非常低。

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 拉伸試驗

表2為鍛件不同取樣位置在不同熱處理狀態(tài)下的室溫拉伸和高溫拉伸試驗結(jié)果，試樣方向為橫向，表中T為鍛件壁厚。從鍛件各部位及不同厚度處的拉伸試驗結(jié)果看，封頭鍛件的強度有較大富裕量，各部位間強度數(shù)值波動較小，強度分布均勻，整體拉伸試驗指標(biāo)偏差分布在±5%范圍內(nèi)。

2.2.2 沖擊試驗

表3為鍛件在不同熱處理狀態(tài)下的沖擊試驗結(jié)果，試樣方向為橫向和縱向。綜合鍛件各部位及不同厚度處的沖擊試驗結(jié)果分析表明，該鍛件的沖擊韌性有較大富裕量，且各部位間沖擊韌性數(shù)值波動較小，較為均勻。

2.2.3RTNDT溫度的測定

在封頭鍛件開口端、凸臺、人孔分別測定RTNDT溫度(見表4)，試驗結(jié)果溫度達到-35～-40℃，達到世界先進水平，遠低于要求的-20℃，說明鍛件均勻性好、強韌性匹配恰當(dāng)，完全滿足采購技術(shù)條件要求。

表1 化學(xué)成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Analysis of chemical composition (Mass, %)

表2 拉伸試驗結(jié)果Table 2 Result of tensile test

表3 沖擊試驗結(jié)果Table 3 Result of impact test

(a)開口端0°處(b)180°內(nèi)表面1/4厚度處(c)凸臺處(d)人孔處

圖3 金相組織Figure 3 Metallographic structure

2.3 金相檢驗

金相組織如圖3所示，其顯微組織均為回火貝氏體。開口端兩處位置晶粒度皆為7.0級，人孔晶粒度也達7.0級，凸臺晶粒度為6.5級，均高于5.0級的要求；非金屬夾雜物A類(碳化物)、B類(氧化鋁)、C類(硅酸鋁)及D類(球狀氧化物)夾雜的含量及大小均滿足小于1.5級的要求。

可以看出，鋼水冶煉純凈度非常高，鍛件各部位的晶粒度都較細且均勻，說明鍛造過程變形均勻，熱處理效果理想。

2.4 無損檢測

根據(jù)RCC-M MC篇相應(yīng)要求對鍛件本體采用直射法和斜射法進行100%超聲檢測，檢測結(jié)果表明鍛件內(nèi)部無可記錄的缺陷存在。鍛件最終精加工后，進行100%目視檢查和100%滲透檢測，均未發(fā)現(xiàn)應(yīng)記錄的缺陷。

3 結(jié)論

通過對冶煉、鍛造、熱處理等關(guān)鍵工序的控制，采用旋轉(zhuǎn)模壓法制造出ACP1000穩(wěn)壓器封頭鍛件，并在封頭開口端、凸臺、人孔等3個部位分別取試檢驗，覆蓋了鍛件的典型區(qū)域，能夠代表和說明封頭鍛件整體的性能。由以上試驗結(jié)果分析可表明：

(1)封頭鍛件不同部位的化學(xué)成分及力學(xué)性能能夠滿足規(guī)定要求，且化學(xué)成分分布均勻，同時鍛件本體上各處的力學(xué)性能基本上呈各向同性。

(2)金相檢驗及無損檢測表明鍛件內(nèi)部無缺陷，組織均勻，具有優(yōu)異的內(nèi)部質(zhì)量。

(3)利用旋轉(zhuǎn)模壓法鍛造的核電站ACP1000穩(wěn)壓器封頭能夠滿足產(chǎn)品性能要求與RCCM M140評定要求。

[1] 焦少陽，路曉暉，司晨亮，等. 旋轉(zhuǎn)模壓法封頭鍛造工藝及性能評價[J].材料導(dǎo)報，2011(s2)：221-224.

[2] 姚澤坤. 鍛造工藝學(xué)[M]. 西北工業(yè)大學(xué)出版社，279-282.

[3] RCC-M，核島機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則，2007版.

[4] Tomoharu. S, Iku. K, Etsuo. M, et al. Manufacturing and properties of closure head forging integrated with flange for PWR reactor pressure vessel[C]. 2003 October 9 and 10, 29th MPA Seminar, Stuttgart, 1-20.

[5] Samuel. F. H, Yue. S, Jonas. J. Effect of dynamic re-crystallization on microstructure evolution during strip rolling[J]. ISIJ International, 1990, 3, 216-225.