反應(yīng)堆壓力容器整體頂蓋鍛件鍛造質(zhì)量控制研究

王水平

(海軍駐上海電站輔機(jī)廠軍事代表室，上海 200240)

反應(yīng)堆壓力容器(簡(jiǎn)稱RPV)主要作用是固定和包容堆芯及堆內(nèi)構(gòu)件，是防止放射性物質(zhì)外逸的第二道屏障之一，其中頂蓋處于壓力容器的頂端，是一回路壓力邊界內(nèi)重要的核一級(jí)部件，其完整性對(duì)核動(dòng)力設(shè)備的安全運(yùn)行意義重大。

傳統(tǒng)頂蓋研制工藝是將上封頭和頂蓋法蘭焊接。焊縫的組織、性能和母材之間存在一定的差異，使焊縫區(qū)很容易產(chǎn)生應(yīng)力集中、氣泡和腐蝕薄弱環(huán)節(jié)等缺陷；而頂蓋整體成型以后，上封頭和頂蓋法蘭同工序研制，極大的減少了不同部位之間的組織差異；減少裝備在役檢測(cè)工作量，使得裝備在復(fù)雜工況下可靠性更高，安全性更好。

本文以國內(nèi)某企業(yè)制造的材料為SA508 Gr．3 Cl．2鋼反應(yīng)堆壓力容器整體頂蓋鍛件為例，分析如何通過控制鍛造成型環(huán)節(jié)的關(guān)鍵工藝參數(shù)，即在鍛造方案中涉及加熱、塑性成型、鍛后熱處理的三個(gè)過程對(duì)鍛件質(zhì)量的影響因素，分析如何加強(qiáng)鍛造過程控制，實(shí)現(xiàn)頂蓋鍛件的整體鍛造。

表1 材料力學(xué)性能要求

1 技術(shù)指標(biāo)要求

鍛件在法蘭口端、螺栓孔、管座孔三個(gè)位置材料力學(xué)性能見表1。

材料牌號(hào)為 SA508 Gr．3 Cl．2，成品化學(xué)成分要求見表2。

2 鍛造過程控制

2.1 鍛造工藝過程

反應(yīng)堆壓力容器整體頂蓋鍛件所用材料為SA508Gr．3 Cl．2鋼。經(jīng)過 EBT+LF 鋼包精煉 +VD 真空脫氣+VC真空澆注的冶煉工藝，降低鋼中S、P和非金屬夾雜物的含量，達(dá)到預(yù)定目標(biāo)化學(xué)成分；鋼錠冶煉后熱送至鍛壓車間，利用臺(tái)車式天然氣爐對(duì)其加熱，然后在5000噸液壓鍛機(jī)上，采用胎模鍛造，溫度控制在1240～850℃范圍內(nèi)，總鍛造比約為11，以消除鑄造缺陷，保證鍛造微觀組織均勻性；鍛后熱處理為正火+擴(kuò)氫退火，旨在消除鍛造應(yīng)力，改善組織狀態(tài)，消除白點(diǎn)影響，為后續(xù)性能熱處理做準(zhǔn)備。

表2 成品化學(xué)成分要求（wt.%）

2.2 鋼錠加熱過程控制

在鍛造前需對(duì)鋼錠進(jìn)行加熱，加熱工藝通常包括最高加熱溫度的控制、裝爐溫度、升溫速度、均熱控制、保溫時(shí)間。

對(duì)于裝爐溫度的控制，裝爐溫度對(duì)于頂蓋鍛件所采用的SA508 Gr．3 Cl．2多組元合金鋼影響較大，因?yàn)殇撳V等鑄態(tài)組織及多組元合金鋼導(dǎo)熱性差，過高的裝爐溫度將給加熱件帶來較大的附加應(yīng)力，嚴(yán)重的可使高合金鋼中心開裂。爐溫待料實(shí)際上給鋼錠一個(gè)由表及里的熱傳導(dǎo)過程，減少了內(nèi)外層溫度差，即減小了熱應(yīng)力差異，并給后續(xù)升溫提供了一個(gè)快速升溫的基本條件。

對(duì)于加熱速度的控制，加熱時(shí)經(jīng)常用到“盡速”、“盡功率”升溫的要求。另外也有限制升溫速度的標(biāo)記，如“≤70/h℃”，指的是保證加熱件的熱應(yīng)力不超過它所能承受的極限值的安全升溫速度。它主要取決于加熱過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，而熱應(yīng)力的大小又與金屬的熱擴(kuò)散率、熱容量、線膨脹系數(shù)、高溫力學(xué)性能和加熱件形狀尺寸有關(guān)。

對(duì)于均熱保溫的控制，均熱指的是當(dāng)測(cè)溫偶反映到儀表指示溫度達(dá)到工藝規(guī)定的溫度后，爐子內(nèi)部加熱區(qū)的溫度場(chǎng)均勻化和鋼錠表面各處均勻化（即溫色一致）。保溫指的是這種表面均勻化向鋼錠中心導(dǎo)熱后達(dá)到內(nèi)外溫度一致的過程。保溫應(yīng)取“最小保溫時(shí)間”，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的粗晶、脫碳等質(zhì)量缺陷，也加快周期、節(jié)約能源。

2.3 成型過程控制

通過鍛造可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。并通過切除水口、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(duì)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（圖1）。

2.4 鍛后熱處理控制

鍛后熱處理又稱第一熱處理或預(yù)備熱處理。主要目的是防止白點(diǎn)與氫脆，消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度，改善鍛件的切削性能，改善零件內(nèi)部組織，細(xì)化晶粒，為最終熱處理做好組織準(zhǔn)備。

圖1 頂蓋鍛件毛坯圖

本次頂蓋鍛件在鍛造成型后，將鍛件放置爐臺(tái)空冷，待表面溫度降至350～450℃時(shí)進(jìn)爐加熱。裝爐時(shí)應(yīng)全面考慮工藝要求、加熱均勻性、便于目測(cè)、出爐方便、冷卻均勻等，并力求做到臺(tái)車負(fù)荷均勻。工件溫度及其均勻性以大表讀數(shù)和目測(cè)工件表面顏色為準(zhǔn)。封爐冷為停火并關(guān)閉閘板、點(diǎn)火孔爐冷，在冷卻過程中不得打開爐門和爐蓋。爐冷臺(tái)車爐400度以上停火關(guān)閉閘板爐內(nèi)冷卻。

在對(duì)鍛后熱處理工藝的控制中還應(yīng)著重考慮白點(diǎn)的影響，白點(diǎn)是鋼中的一種內(nèi)部裂紋，常出現(xiàn)在大型鍛件的縱向斷裂面上，呈現(xiàn)邊緣清晰的圓形或橢圓形銀白色斑點(diǎn)，長(zhǎng)度可達(dá)幾毫米至數(shù)毫米。對(duì)白點(diǎn)敏感的大型鍛件進(jìn)行鍛后冷卻與熱處理時(shí)，若能將氫大量擴(kuò)散出去，同時(shí)盡量減小組織應(yīng)力，就可避免產(chǎn)生白點(diǎn)。

2.5 性能試驗(yàn)結(jié)果

該反應(yīng)堆壓力容器整體頂蓋鍛件通過對(duì)法蘭口端、管座孔、螺栓孔進(jìn)行取樣，并對(duì)不同區(qū)域試樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來看，化學(xué)成分、力學(xué)性能及金相組織不僅滿足了驗(yàn)收要求，而且具有很好的均勻性。如表3～5。

表3 法蘭口端力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果（wt.%）

表4 螺栓孔力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果（wt.%）

表5 管座孔力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果（wt.%）

3 結(jié)語

通過對(duì)反應(yīng)堆壓力容器整體頂蓋鍛件鍛造方案中，涉及的加熱、塑性成型、鍛后熱處理三個(gè)過程中主要工藝參數(shù)的控制，分析了其對(duì)鍛件質(zhì)量的影響因素。

（1）在對(duì)鋼錠加熱過程控制中，主要對(duì)最高加熱溫度、裝爐溫度、升溫速度、均熱控制、保溫時(shí)間等關(guān)鍵工藝參數(shù)的控制，防止產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力并引起裂紋等缺陷，提高了金屬塑性，降低變形抗力。（2）在成型過程的控制中，嚴(yán)格控制鋼錠的頭尾切除量和總鍛造比，采用餅形板坯沖型法使得驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)貫穿件區(qū)域承受較大的靜水壓力，形成三向壓應(yīng)力，提高了壓實(shí)效果。（3）在鍛后熱處理的控制中，采用正火+擴(kuò)氫退火的工藝細(xì)化了晶粒，防止白點(diǎn)與氫脆，消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度，改善鍛件的切削性能，為最終熱處理做好組織準(zhǔn)備。

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