基于AP1000蒸汽發(fā)生器水室封頭鍛件制造工藝

湯振東

摘 要：AP1000蒸汽發(fā)生器為核島的主要設備，制造工藝嚴密，且要求嚴格。該文首先簡要分析了AP1000蒸汽發(fā)生器的主要鍛件，分別從鋼錠制備、鍛造和鍛后熱處理等方面探討了其水室封頭鍛件具體的制造工藝，最后指出了對應的制造要點，希望能對該領域的研究、制造有所幫助。

關鍵詞：AP1000蒸汽發(fā)生器；水室封頭；鍛件制造

中圖分類號：TG316 文獻標志碼：A

在整個壓水堆核電站當中，蒸汽發(fā)生器為其核心設備，是島中一、二回路開展熱能轉換與傳輸的重要熱交換設備。AP1000蒸汽發(fā)生器的基礎類型為△125型，屬抗震I類與安全A級設備，主要由汽水分離器、筒體組件、水室封頭組件以及管束組件等構成。其中，針對一次側來講，其接觸于反應堆主冷卻劑，作用是把一回路當中的熱量向二回路介質不斷傳遞，此外，其還是第二道安全屏障，對放射性物質具有包容作用，其可靠性與性能直接影響著蒸汽發(fā)生器的運作效率。該文結合相關廠家的制造經驗，以AP1000蒸汽發(fā)生器水室封頭鍛件為對象，探討其具體的制造工藝。

1 AP1000蒸汽發(fā)生器核心鍛件分析

對AP1000蒸汽發(fā)生器來說，其鍛件材料大多采用的是錳-鉬-鎳低合金鋼，在最新修訂的ASME規(guī)范中，SA508 Gr3Cl2為其材料牌號，要求總鍛造比≥3.5；另外，在治療過程中不能有任何形式的補焊。由于蒸汽發(fā)生器有比較大的體積，各臺設備大鍛件均達10個，水室封頭、錐形筒體及管板為其核心鍛件。

2 制造工藝

2.1 鋼錠制備

鋼錠是整個蒸汽發(fā)生器當中的重要鍛件，多采用SA-508M Gr.3Cl.2鋼制造，要求此種鋼在無延性轉變溫度（NDTT）上要盡量低，而且受凝固與冶金特性的影響，使鋼錠過程中難免會出現(xiàn)諸如偏析、夾雜及孔隙等缺陷，鋼錠越大，那么缺陷越突出。所以，在實際制造時，需要嚴格執(zhí)行標準化的冶煉與澆筑流程。現(xiàn)階段，在世界范圍內，大多選用的是雙真空冶煉澆注技術。通過合理、優(yōu)質地選擇鐵合金與其他相關原材料，去除其中存在的非金屬夾雜物，以此達到提升鋼液純凈度的目的。此外，還需要對冶金過程、凝固過程進行相應地改進與優(yōu)化，最大程度地降低由夾雜性缺陷所帶來或引起的鍛件質量問題。

2.2 鍛造

針對大型化的整鍛封頭來講，其成形工藝通常情況下包括預鍛、終鍛等過程。針對AP1000蒸汽發(fā)生器相配套的水室封頭而言，由于毛坯件有著比較大的單體質量，為了能夠制造出比較滿意且符合標準的鍛件，需要注意如下方面：其一，鍛前預熱。在鍛造鍛件之前，需要先進行預熱，通過對加熱溫度、保溫時間、最大升溫速度進行有效控制，并合理地采用介質保護、快速加熱等方法，確保加熱的穩(wěn)定性與均勻性，減少可能出現(xiàn)的氧化燒損情況；在始鍛溫度比較高的情況下，確保保溫時間充足，并保證坯料有較均勻的溫度，這樣有助于偏析擴散。而在鍛造溫度方面，通常情況下，會將其控制在800 ℃～1200 ℃的區(qū)間內。其二，控制鍛造比。對于鍛造比而言，其較大程度地影響著塑性指標，但卻不會對強度指標造成比較大的影響。有報道指出，如果將鍛造比控制在1.5～3的范圍內，那么可以大幅改善鍛件性能，此外，還能較好的改善鋼錠的原始組織；如果將鍛造比維持在4～6，此時變化比較平穩(wěn)；如果大于6時，變化基本沒有。根據相關鍛造經驗得知，應將該鍛件的鍛造比控制在≥3.5。但需要指出的是，如果增加鍛造比，那么會改變材料的各項力學性能，并使材料的不均勻性增大，所以，需要合理控制鍛造比。

2.3 鍛后熱處理

針對鍛后熱處理而言，從廣義層面來分析，其主要包括正火及回火、去應力熱處理、淬火及回火及試樣模擬焊后熱處理等階段。其中，針對除試樣模擬焊后熱處理以外的其他三階段，其熱處理結果的好壞，會對鍛件的力學性能以及金相組織起到決定作用。

2.3.1 正火及回火

正火加熱保溫的溫度區(qū)間值為885 ℃～935 ℃，而保溫時間一般為45 h，與空氣后自然冷卻。而針對回火處理保溫來講，其溫度一般控制在600 ℃～647 ℃，而保溫時間則為37 h，在爐內自然冷卻。當進行正火處理之后，碳化物的分布會變得更加均勻，晶粒細化物的分布也會變得更為均勻，因此能夠大幅減少象魏氏組織、帶狀組織等缺陷，從而得到更高質量的索氏體組織與鐵素體。在進行高溫回火處理后，能夠將正火冷卻過程中所產生的應力消除掉，而且還能保持鍛件在性能與尺寸方面的穩(wěn)定性，得到具有各項力學性能的優(yōu)質回火索氏體組織，從而提高韌性，最終就能實現(xiàn)塑性與韌性的提高。

2.3.2 淬火及回火

對于淬火加熱溫度來講，一般控制在875 ℃～885 ℃，而保溫時間可達10 h，水冷。而針對回火保溫溫度來分析，其一般維持在630 ℃～646 ℃，保溫13 h，空冷。借助于淬火及回火處理操作，能夠使下貝氏體組織或馬氏體組織的硬度、強度得到大幅提升。

2.3.3 去應力熱處理

當完成鍛件機加后，為了能夠最大程度地消除機加時所形成的應力，減輕其對組織性能造成的影響，需要實施系統(tǒng)化的去應力熱處理。在進行熱處理時，將其溫度控制在575 ℃～597 ℃，保溫3 h，爐冷。經過此操作，能夠得到性能好的結構組織。

3 制造要點

3.1 鋼錠制備的要點分析

為避免出現(xiàn)鋼液氧化情況，需要將鋼液當中的O2以及H2等其他有害氣體清除掉，從中得到更高純度的鋼。在澆筑過程中，需要采用更加規(guī)范且合理的澆筑工藝，對碳及其他元素成分進行合理控制，最大程度地減少鋼錠凝固時可能出現(xiàn)的各種偏析。此外，還需要注意的是，需要準確標識冒口、澆口位置，方便澆冒口的去除。而在鍛造鋼錠時，為了能夠讓那些比較優(yōu)質的金屬均留于鍛件上，通常情況下，需要合理地設定冒口的比例，以16 %～23 %為宜。

3.2 鍛造的要點

首先，對鍛模形狀加以改善，不能讓其與試件接觸，預防裂紋的產生。此外，還需采取有效措施，降低鍛件心部的壓力，使變形的均勻性得到提高。其次，對變形量進行嚴格控制，減少應力，避免應變集中；最后，對變形量以及終鍛火次進行合理控制，對能夠用眼觀察到的夾雜性缺陷進行修復，防止出現(xiàn)混晶情況。

3.3 熱處理要點

首先，在進行熱處理前，需要對鍛件表面進行全面、細致地檢查，當將缺陷消除后，開展有針對性地裝爐熱處理。此外，還需要對鍛件入爐的溫度進行合理控制。其次，在進行淬火及回火熱處理操作前，需要首先開展正火及高溫回火處理，最大程度減少細化晶粒，強化調質熱處理的作用與效果。最后，在進行調質時，需要對淬火溫度以及保溫時間進行嚴格化控制，防止晶粒長大；此外，還需對鍛件停留時間以及冷卻水溫進行合理控制。

4 結語

綜上所述，AP1000蒸汽發(fā)生器水室封頭鍛件有著比較復雜且煩瑣的鍛造工藝，另外，有較多因素會對其鍛造質量造成影響，象變形量、鍛造方法、鋼錠質量及鍛模類型等，這些因素會影響到鍛件內部的溫度場、金屬的流動以及應力場等，還會對鍛件質量造成影響。因此，需要基于標準工藝，認真落實與執(zhí)行，消除缺陷與不良操作，提高水室封頭鍛件的鍛造質量。

參考文獻

[1]鄭張利，吳志遠，曹陽.AP1000蒸汽發(fā)生器水室封頭出口接管與主泵泵殼焊接超聲波檢測要求探討[J].科技風，2014（23）：14-15.

[2]程耀楠，錢俊，盧真真，等.核電水室封頭高效切削加工及刀具失效分析[J].哈爾濱理工大學學報，2014，19（5）：50-55.

[3]楊帥.AP1000蒸汽發(fā)生器封頭鍛造方案的選擇[J].科技風，2013（3）：10-11.