核電穩(wěn)壓器下封頭鍛件制造工藝及質(zhì)量控制

趙廣宇

（海軍駐上海電站輔機(jī)廠軍事代表室，上海 200240）

穩(wěn)壓器作為核島內(nèi)三大主設(shè)備之一，其主要作用是將一回路(RCP)的壓力維持在15．5MPa(abs)的整定值上，以防止冷卻劑水在一回路中汽化。穩(wěn)壓器內(nèi)貯有兩相狀態(tài)的水，水和蒸汽都在確定的壓力所對應(yīng)的同一溫度，依靠噴淋閥和加熱器進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，另外可緩沖一回路系統(tǒng)水容積的迅速變化。其中下封頭是穩(wěn)壓器鍛件的關(guān)鍵部件,也是典型難成形件。封頭鍛件的特點是：曲率半徑偏小、封頭直邊大、技術(shù)條件要求高、制造工藝難度大、工序復(fù)雜、生產(chǎn)周期長。穩(wěn)壓器下封頭下部有一凸臺和裙座合為一體,屬于整體封頭，這種整體封頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計代表當(dāng)今壓力容器封頭的發(fā)展方向。

本文以國內(nèi)某企業(yè)制造的材料為508-3鋼穩(wěn)壓器下封頭鍛件為例，結(jié)合鍛造和熱處理兩個主要過程，介紹其制造過程的質(zhì)量控制。

1 技術(shù)指標(biāo)要求

材料牌號為508-3，成品化學(xué)成分要求見表1。

材料取樣位置要求為試樣的軸線垂直于主鍛造方向，試樣軸線到最近熱處理表面的距離為厚度的一半，試樣中與實驗有關(guān)部門到其他熱處理表面的距離不得小于部件厚度；沖擊試樣缺口軸線應(yīng)垂直于鍛件表面，力學(xué)性能見表2鍛件應(yīng)進(jìn)行超聲波探傷，驗收標(biāo)準(zhǔn)符合RCC-M MC2300(2000版+2002版補(bǔ)遺)規(guī)定在鍛件開工前編制了制造方案、質(zhì)量計劃、鍛造工藝、熱處理工藝、機(jī)加工工藝、檢驗檢測大綱等文件，并提交給業(yè)主與設(shè)計單位審批。

2 制造工藝及控制要點

2.1 鋼錠冶煉及成分控制

為了提高鋼的純凈度，降低鋼中氫、氧和非金屬夾雜物的含量，改變夾雜物的形態(tài)，確定了鋼錠的雙真空冶煉澆注工藝方案；為了改善鍛件的力學(xué)性能，在滿足技術(shù)條件的基礎(chǔ)上，提出了鋼錠化學(xué)成分的目標(biāo)值控制要求。

（1）冶注工藝：EBT+LF鋼包精煉+VD真空澆注+VC真空脫氣。

（2）降低鋼中S、P的含量；將S、P含量控制在≤0．008的范圍之內(nèi)。

（3）優(yōu)化鋼錠的化學(xué)成分，設(shè)定熔煉目標(biāo)值。

2.2 鍛造工藝

鍛件在5000T液壓機(jī)上鍛造，始鍛溫度為不得超過1250℃，終鍛溫度不得低于800℃，鍛件重量為12．8噸；鍛件總鍛造比為16．9。如圖1為下封頭鍛件毛坯圖。為了清除縮孔和主要偏析部分，鋼錠頂部切除量≥20%，底部切除量≥10%（對切除的頂部和底部做好稱重記錄并標(biāo)識），通過鍛造使鍛件獲得良好組織，即通過鍛造破碎鋼錠的鑄態(tài)組織，細(xì)化晶粒、改善夾雜物的分布；鍛合縮孔、氣孔和疏松等缺陷。通過切除水口、冒口來去除鋼錠中夾雜、疏松的聚集部位，使鍛件的各部位致密程度和缺陷鍛合程度相對均勻且不產(chǎn)生內(nèi)部鍛造裂紋。由于組織致密、晶粒細(xì)化，這將大大地提高鍛件的可淬性，為后序加工做好了組織準(zhǔn)備。

表1 成品化學(xué)成分要求（wt.%）

表2 材料力學(xué)性能要求

鍛造變形工序完成后轉(zhuǎn)入鍛后熱處理工序，鍛后采用正火+擴(kuò)氫工藝，按鍛后熱處理工藝嚴(yán)格控制鍛后冷卻溫度、加熱速率、最高加熱溫度、保溫時間等參數(shù)，做好溫度記錄。

圖1 下封頭鍛件毛坯圖

2.3 性能熱處理工藝

作為用于穩(wěn)壓器上關(guān)鍵部件的508-3鋼鍛件，在滿足材料強(qiáng)度指標(biāo)的前提下，需儲備足夠富裕的韌性指標(biāo)。要滿足這些要素，需從工藝及其控制上采取措施，首先是控制鋼中的C含量、降低S、P含量，從材料化學(xué)成分上來保證508-3鋼的力學(xué)性能要求。其次是通過調(diào)整熱處理制度來獲得細(xì)晶粒的回火索氏體組織。

為了達(dá)到理想的性能指標(biāo)和金相微觀組織，結(jié)合以往核電508-3鋼鍛件產(chǎn)品的成熟經(jīng)驗，并根據(jù)試制件產(chǎn)品的實際結(jié)構(gòu)尺寸，制定熱處理工藝方案。圖2為熱處理曲線。

（1）確定熱處理加熱規(guī)范為Ac3以上適當(dāng)?shù)臏囟确秶?00～925℃的水淬）（635～655℃回火），并選擇合適的保溫時間。

（2）強(qiáng)化鍛件的冷卻速度，在17．6×7×4m淬火水槽內(nèi)配備了2臺流量為200立方米/每小時的外循環(huán)泵，在水槽四側(cè)共配備了10臺內(nèi)循環(huán)泵，直接對工件進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。整個淬火過程水溫的實際溫度升高值不超過5℃。

（3）按熱處理工藝規(guī)范進(jìn)行升溫、保溫、冷卻的控制，保溫溫度均以產(chǎn)品外接熱電偶為準(zhǔn)，鍛件的裝爐以及外接熱電偶的布置均按裝爐工藝要求進(jìn)行，確保工件在爐膛中受熱均勻。采用多點接觸式熱電偶測量鍛件加熱過程中表面的實際溫度，更加有效的控制溫度值；在保溫期間偏離熱處理規(guī)定溫度最大允許偏差為±10℃。

圖2 熱處理曲線

2.4 檢測結(jié)果

鍛件在產(chǎn)品階段進(jìn)行超聲波檢測（如圖3），采用型號4P-20N直探頭，斜探頭在徑向緯向四個方向探傷，沒有發(fā)現(xiàn)可記錄缺陷，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 超聲波探傷掃查方向圖

下封頭鍛件力學(xué)性能檢測結(jié)果見表3。

表3 力學(xué)性能檢測結(jié)果（wt.%）

3 結(jié)語

在鍛件的制造過程中，通過對鍛造及熱處理等相關(guān)制造工序的嚴(yán)格控制，總結(jié)出了一套完整且較為成熟的制造工藝和過程控制方法，對預(yù)先設(shè)定的質(zhì)量風(fēng)險點進(jìn)行了防范，有效減少了質(zhì)量風(fēng)險，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙全強(qiáng)，白泉．核電瓦坯鍛件制造工藝及質(zhì)量控制[J]．大型鑄鍛件,2016．