第三代核電CAP1000主管道和波動(dòng)管擠壓制坯新工藝

鄭建能 陳紅宇 李文亮 司晨亮

(1.二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司國(guó)家能源極端裝備虛擬制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川618013；2.河北宏潤(rùn)核裝備科技股份有限公司，河北061300)

主管道是連接反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器和主循環(huán)泵的大型厚壁承壓管道，是核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)輸出堆芯熱能、形成封閉回路的“大動(dòng)脈”，核電站運(yùn)行時(shí)處于高溫、高壓、高流速和放射性的工況，是核島一回路重要的壓力邊界。穩(wěn)壓器波動(dòng)管連接主管道熱段和穩(wěn)壓器，工作時(shí)處于變溫、變壓的工況，是核島一回路壓力邊界的組成部分[1]。第三代核電CAP1000主管道采用直管與彎頭、管嘴與管道整體鍛造結(jié)構(gòu)，穩(wěn)壓器波動(dòng)管采用U形、門框形結(jié)構(gòu)，材料采用316LN超低碳含氮奧氏體不銹鋼，尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)要求高，制造難度大。目前鍛造主管道和波動(dòng)管制造的主流技術(shù)路線為冶煉+鍛造+彎曲成形+固溶熱處理[2]，其中鍛造主要采用實(shí)心鍛造，空心鍛造仍處于科研開(kāi)發(fā)階段，尚沒(méi)有成功的應(yīng)用案例。

本文分析了CAP1000主管道和波動(dòng)管鍛造制坯工藝特點(diǎn)和主要技術(shù)難點(diǎn)，介紹了擠壓制坯新工藝的特點(diǎn)和CAP1000主管道、波動(dòng)管擠壓制坯研制情況，對(duì)比分析了實(shí)心鍛造和擠壓制坯的優(yōu)缺點(diǎn)，為第三代核電鍛造主管道和波動(dòng)管新工藝的開(kāi)發(fā)提供參考。

1 CAP1000主管道、波動(dòng)管鍛造制坯工藝特點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn)分析

CAP1000主管道和波動(dòng)管交貨產(chǎn)品形狀復(fù)雜，在制坯時(shí)鍛造成直管，鍛坯加工后進(jìn)行彎曲成形，最終的復(fù)雜形狀通過(guò)彎曲來(lái)保證，其中CAP1000主管道熱段L001A見(jiàn)圖1。CAP1000主管道和波動(dòng)管材料采用316LN超低碳含氮奧氏體不銹鋼，化學(xué)成分見(jiàn)表1。該材料鍛造時(shí)變形抗力大、可鍛溫度范圍窄、裂紋敏感性強(qiáng)，熱處理過(guò)程無(wú)相變，不能通過(guò)熱處理細(xì)化晶粒，組織的均勻性和晶粒尺寸必須通過(guò)鍛造來(lái)保證[3]。

圖1 CAP1000主管道熱段L001AFigure 1 Hot leg L001A of CAP1000 main piping

表1 CAP1000主管道和波動(dòng)管化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition for CAP1000 main piping and surge line(mass fraction, %)

對(duì)于CAP1000主管道管坯的鍛造，由于管坯尺寸大且?guī)б惑w化管嘴，鍛造要解決的主要問(wèn)題是鍛造裂紋問(wèn)題和晶粒度問(wèn)題。鍛造裂紋產(chǎn)生的主要原因包括：

(1)鋼錠質(zhì)量問(wèn)題。對(duì)于采用大氣下注制造的鋼錠，由于鋼錠凝固時(shí)間長(zhǎng)、冷卻速度慢，結(jié)晶過(guò)程產(chǎn)生粗大的柱狀晶，鍛造初始階段塑性差，容易產(chǎn)生較大的表面裂紋。對(duì)于電渣重熔鋼錠，由于純凈度高、組織致密、成分均勻，大大提高了鋼錠質(zhì)量，鍛造過(guò)程裂紋敏感性降低，但在重熔最后階段補(bǔ)縮時(shí)，可能形成縮孔并帶入熔渣，夾渣是脆性的，鍛造過(guò)程一旦受力，在夾渣物內(nèi)部或夾渣物與合金基體之間就會(huì)產(chǎn)生較大的鍛造裂紋。

(2)局部位置溫降過(guò)快的問(wèn)題。在鍛造過(guò)程中，坯料表面、棱邊和棱角由于散熱快及與溫度較低的工裝輔具接觸等原因，導(dǎo)致溫降大，材料塑性降低，當(dāng)與高溫部位發(fā)生足夠的相對(duì)剪切位移時(shí)產(chǎn)生裂紋，裂紋容易出現(xiàn)在與錘頭或下砧接觸的表面以及棱邊、棱角位置[4]。

(3)坯料截面尺寸過(guò)大的問(wèn)題。CAP1000主管道管坯由于坯料尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鍛造成形過(guò)程中不同部位冷卻不均勻，316LN超低碳含氮奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱性差，熱膨脹系數(shù)大，鍛造過(guò)程坯料內(nèi)外溫差大，鍛坯表面容易產(chǎn)生裂紋。

(4)一體化管嘴成形時(shí)的剪切撕裂問(wèn)題。一體化管嘴成形時(shí)以剪切變形為主，管嘴成形過(guò)程產(chǎn)生撕裂，管嘴高度越高撕裂現(xiàn)象越嚴(yán)重，因此，一體化管嘴成形時(shí)產(chǎn)生大裂紋的風(fēng)險(xiǎn)很大。

對(duì)于CAP1000主管道的晶粒度控制，技術(shù)難點(diǎn)主要包括：

(1)由于材料裂紋敏感性強(qiáng)、坯料尺寸大，鍛造準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)、溫降大，316LN不銹鋼可鍛溫度范圍窄，難以爭(zhēng)取到大變形的溫度。

(2)坯料長(zhǎng)度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求彎曲部位、端部以及管嘴部位晶粒度≥2.0級(jí)，管嘴部位最終變形量小且和端部無(wú)法在1個(gè)火次完成成形，局部位置經(jīng)歷無(wú)鍛比、小鍛比加熱，晶粒的均勻性難以保證。

2 AP1000主管道及波動(dòng)管擠壓制坯新工藝

2.1 擠壓制坯新工藝介紹

與鍛造多火次成形相比，擠壓成形具有各部分變形連續(xù)，成形時(shí)間短，可在1道次實(shí)現(xiàn)大變形且變形均勻，有利于晶粒度控制，在提高產(chǎn)品質(zhì)量和縮短制造周期方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司和河北宏潤(rùn)核裝備科技股份有限公司依托5萬(wàn)噸垂直擠壓機(jī)開(kāi)展了CAP1000穩(wěn)壓器波動(dòng)管和主管道熱段L001A試制件(1∶3)的擠壓制坯工作。

2.2 擠壓制坯新工藝試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 CAP1000波動(dòng)管管坯擠壓成形

按照CAP1000波動(dòng)管產(chǎn)品尺寸進(jìn)行管坯制造，鋼錠開(kāi)坯后進(jìn)行擠壓成形，內(nèi)外表面預(yù)留15 mm余量，管坯模擬固溶熱處理后晶粒度檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。和實(shí)心鍛造管坯相比，晶粒度明顯提高，由于毛坯內(nèi)外表面只有15 mm余量，材料利用率大大提高，制坯周期、后續(xù)加工周期明顯縮短。

表2 CAP1000波動(dòng)管晶粒度檢驗(yàn)結(jié)果Table 2 The test result of grain size for CAP1000 surge line

2.2.2 CAP1000主管道熱段L001A試制件(1∶3)的擠壓制坯

CAP1000主管道熱段L001A制坯難點(diǎn)主要在兩個(gè)一體化管嘴的擠壓成形。鋼錠開(kāi)坯后先成形直管管坯，之后采用“軸向補(bǔ)料-徑向擠壓”成形兩個(gè)一體化管嘴，管坯彎曲成形后進(jìn)行固溶熱處理，不同位置的晶粒度檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。和實(shí)心鍛造管坯相比，試制件晶粒度改善不明顯，但驗(yàn)證了擠壓制坯成形一體化管嘴的可行性。

表3 CAP1000主管道熱段L001A試制件晶粒度檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 The test result of grain size for hot leg L001A for CAP1000 main piping

3 實(shí)心鍛造制坯和擠壓制坯優(yōu)缺點(diǎn)分析

3.1 實(shí)心鍛造制坯工藝優(yōu)缺點(diǎn)分析

目前，二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司、吉林中意核管道有限公司、煙臺(tái)臺(tái)海瑪努爾、意大利IBF等國(guó)內(nèi)外主管道主要供貨商均采用實(shí)心鍛造工藝制坯，實(shí)心鍛造是目前主管道和波動(dòng)管最穩(wěn)定的制坯工藝?？招腻懺煊捎阱懺爝^(guò)程裂紋敏感性更強(qiáng)，一體化管嘴分料難度大，導(dǎo)致其應(yīng)用受到一定限制。

實(shí)心鍛造工藝的優(yōu)點(diǎn)是管嘴成形難度小，工藝穩(wěn)定，缺點(diǎn)是材料利用率低，加工周期長(zhǎng)，制造成本高。主管道產(chǎn)品單件價(jià)值高，產(chǎn)品報(bào)廢損失很大，為保證鍛坯裂紋清理后滿足管坯尺寸要求，實(shí)心鍛造時(shí)的余量主要在外圓和一體化管嘴上。CAP1000主管道熱段L001A交貨理論重量約11 t，采用下注錠需要115 t，利用率約10%；采用電渣重熔鋼錠約82 t，利用率約13.4%。由于管嘴和兩端無(wú)法在一個(gè)火次完成鍛造，管坯不同位置的晶粒度不夠均勻，特別是管嘴部位的晶粒度僅達(dá)到設(shè)計(jì)要求的下限。

3.2 擠壓制坯新工藝優(yōu)缺點(diǎn)分析

擠壓制坯可實(shí)現(xiàn)高溫狀態(tài)大塑性變形，擠壓過(guò)程坯料溫度不降低，成形周期短，在裂紋控制和晶粒度控制方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)波動(dòng)管的擠壓成形，驗(yàn)證了空心坯擠壓成形的可行性，在提高材料利用率、縮短制造周期、降低制造成本方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在CAP1000主管道熱段1∶3試制件一體化管嘴制坯方面，由于一體化管嘴成形過(guò)程需要補(bǔ)償?shù)牧陷^多，管嘴成形難度較大，目前的晶粒度雖能滿足設(shè)計(jì)要求，但和實(shí)心鍛造相比沒(méi)有明顯的提高，尚需要進(jìn)一步完善坯料加熱制度、管嘴成形方法以及冷卻方式，使不同位置的晶粒度進(jìn)一步提高。

4 結(jié)論

和實(shí)心鍛造相比，擠壓制坯在裂紋控制和晶粒度控制方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)第三代核電CAP1000波動(dòng)管的擠壓成形，驗(yàn)證了波動(dòng)管空心坯擠壓成形的可行性，在提高材料利用率、縮短制造周期、降低制造成本方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在CAP1000主管道熱段1∶3試制件擠壓成形方面，通過(guò)試制件一體化管嘴的擠壓成形，驗(yàn)證了擠壓成形一體化管嘴的可行性，但在坯料加熱制度、管嘴成形方法以及冷卻方式方面需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝，實(shí)現(xiàn)晶粒度的明顯提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳紅宇，宋樹(shù)康，杜軍毅.AP1000鍛造主管道制造技術(shù)進(jìn)展[J].大型鑄鍛件，2013(2)：1-3.

[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[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011(1)：13-17.

[3] 宋樹(shù)康，劉志穎，鄭建能，等.第三代AP1000核電主管道的研制[J].大型鑄鍛件，2011(1)：1-3.

[4] 余江山，石玉萍，陳紅宇，等.CAP1400主管道整體鍛造成形和晶粒度控制研究[J].大型鑄鍛件，2017(5)：37-38.