主管道熱段成形技術(shù)研究

魏雷 吳展

摘 要： 受限于主管道熱段結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求，大型奧氏體不銹鋼冶煉、鍛造和焊接技術(shù)難度較大。通過(guò)分析主管道熱段成形過(guò)程電渣重熔鑄造、整體鍛造、彎管成形、熱處理和焊接的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，提出了相應(yīng)工藝控制要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 主管道; 奧氏體不銹鋼; 鍛造成形

華龍一號(hào)是我國(guó)自主研發(fā)的具有完整自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第三代核電技術(shù)，其技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際三代核電技術(shù)水平。主管道是核電站反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的主要承壓設(shè)備之一，連接反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器和反應(yīng)堆冷卻劑泵，為反應(yīng)堆冷卻劑提供循環(huán)通道。其服役環(huán)境較為苛刻，需要在高溫、高壓、高流速、腐蝕、輻射的條件連續(xù)服役長(zhǎng)達(dá)六十年，因此要求主管道具有良好的強(qiáng)度、塑性、韌性、耐晶間腐蝕和耐熱老化性能。

1 技術(shù)特點(diǎn)

華龍一號(hào)主管道采用X2CrNiMo18-12超低碳控氮不銹鋼，其C含量極低，耐晶間腐蝕性能較好。N作為間隙固溶強(qiáng)化元素，彌補(bǔ)了C含量降低帶來(lái)的強(qiáng)度損失，同時(shí)提高了耐腐蝕能力[1]。此外Co元素在長(zhǎng)期輻照環(huán)境下產(chǎn)生放射性極強(qiáng)的同位素，Co含量限制為不大于0.05%。

主管道熱段2的設(shè)計(jì)壓力17.23 MPa，設(shè)計(jì)溫度343℃。主管道為單相奧氏體不銹鋼，無(wú)法通過(guò)熱處理發(fā)生相變細(xì)化晶粒，只能采用鍛造的方式塑性變形使得晶粒發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。但是奧氏體不銹鋼的鍛造變形抗力大，加熱溫度要求高，且可鍛溫度范圍窄，裂紋敏感性強(qiáng)。且熱段2包含2個(gè)互為135°的大尺寸接管嘴，采用整體鍛造成形技術(shù)，成形技術(shù)難度大。

2 制造難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)

2.1 電渣重熔

電渣重熔后鋼錠具有組織致密、純凈，成分均勻等優(yōu)點(diǎn)。鋼錠的冶金質(zhì)量是主管道鍛件達(dá)到技術(shù)要求的先決條件，三代壓水堆的主管道的鋼錠大多采用電渣重熔技術(shù)冶煉。

電渣錠常出現(xiàn)增碳問(wèn)題，且多由上而下增碳量遞增。氮含量區(qū)間要求較窄，接近控氮型奧氏體不銹鋼，氮在面心立方奧氏體中的溶解度遠(yuǎn)大于體心立方晶格鐵素體中的，凝固相變過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)含氮量的變化[2]，需注意避免氮的析出。應(yīng)盡量降低制備電極中的C、S、P、Co、Cu等元素含量，選用合適的渣系、脫氧劑以及重熔工藝，合理設(shè)計(jì)結(jié)晶器結(jié)構(gòu)獲得較大冷卻速率。

2.2 整體鍛造

因主管道尺寸較大，且需同時(shí)完成一體化接管嘴鍛造，使得鍛造難度較大，整體鍛造關(guān)鍵控制要點(diǎn)為鍛造裂紋和晶粒度。主管道鍛造須嚴(yán)格控制鍛件加熱規(guī)范，選擇合理鍛造溫度范圍和鍛造工藝，以提高可鍛性，獲得良好的組織性能。奧氏體不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增加，鍛前加熱采用分步升溫的形式控制升溫速率。在低溫區(qū)間緩慢加熱避免鍛件因溫度差異較大而受熱應(yīng)力影響出現(xiàn)裂紋，高溫區(qū)間則快速升溫。在鐓粗和拔長(zhǎng)主變形階段，采用高溫大變形量成形，誘發(fā)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化，使得晶粒尺寸均勻，避免出現(xiàn)混晶現(xiàn)象。鍛件圓整階段可采用小鍛比修整，使得主管晶粒大小滿足技術(shù)要求。

2.3 彎管成形

主管道采用冷彎成形工藝，成形難點(diǎn)主要表現(xiàn)為壁厚減薄、截面畸變、管嘴阻礙和彎曲回彈。應(yīng)力中性層內(nèi)側(cè)受壓應(yīng)力金屬堆積而壁厚增加，應(yīng)力中性層外側(cè)受拉應(yīng)力金屬流動(dòng)而壁厚減薄，變形截面受壓縮而畸變。主管道彎管成形主要采用壁厚預(yù)補(bǔ)償、專用模具和工裝、分步下壓的方式控制成形質(zhì)量?？紤]到彎管成形壁厚變化規(guī)律，熱段彎管成形采用壁厚預(yù)補(bǔ)償，用于一定程度抵消彎管過(guò)程金屬流動(dòng)引起的內(nèi)腹區(qū)增厚和外腹區(qū)減薄。模具彎曲半徑和角度需考慮成形后的彎曲回彈，模具和工裝的設(shè)計(jì)通過(guò)有限元模擬和模擬件試驗(yàn)相結(jié)合，多次修正優(yōu)化。彎管成形過(guò)程為分步下壓多次變形，變形量逐步減小，均進(jìn)行尺寸測(cè)量和表面質(zhì)量檢查以便及時(shí)調(diào)整。

2.4 熱處理

主管道采用固溶熱處理，能有效地細(xì)化晶粒，改善組織，提高力學(xué)性能;減小鍛造成形中的殘余應(yīng)力和加工硬化，獲得良好的切削性能。固溶溫度和保溫時(shí)間影響晶粒長(zhǎng)大速度及晶粒尺寸大小，冷卻速率則影響析出相的含量。固溶溫度為1050℃至1150℃，保溫時(shí)間不低于4h，隨后采用流動(dòng)冷卻水快速充分冷卻，水溫升高后不得超過(guò)75℃。取主管段兩端和兩個(gè)一體管嘴段進(jìn)行室溫拉伸、高溫拉伸及晶粒度試驗(yàn)，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，且經(jīng)無(wú)損檢驗(yàn)合格，這表明主管道熱段的成形工藝是科學(xué)合理的。

2.5 管嘴焊接

主管道熱段有多個(gè)用于連接其他管路的小尺寸接管嘴，采用焊接與主管道相連。奧氏體不銹鋼焊接性較差，因熱導(dǎo)率較低，線膨脹系數(shù)較大，焊接時(shí)形成內(nèi)應(yīng)力，如晶間塑性變形過(guò)大則出現(xiàn)熱裂紋[3]。受焊接熱源作用，焊縫及熱影響區(qū)處于敏化溫度區(qū)域的材料，在晶界易析出含鉻碳化物，形成貧鉻邊界，導(dǎo)致晶間腐蝕。因而，主管道管嘴焊接質(zhì)量控制，必須選擇合理的焊接工藝，提高焊接速度，控制層間溫度，降低熔池?zé)岫取?/p>

主管道管嘴焊接采用TIG 焊打底、SMAW 焊填充及蓋面的方法焊接方法，焊材選用為E316L和ER316L，按照RCC-M S3000制定焊接工藝評(píng)定。選擇合適焊接速度，嚴(yán)格控制焊接過(guò)程中的線能量和層間溫度。

3 結(jié)論

X2CrNiMo18-12超低碳控氮不銹鋼鍛件具有良好的強(qiáng)度、塑性、韌性和耐晶間腐蝕性能，應(yīng)用于華龍一號(hào)主管道。主管道熱成形中存在電渣重熔鑄造增碳和析氮問(wèn)題，整體鍛造裂紋和晶粒度不均問(wèn)題，彎管成形壁厚減薄、截面畸變和彎曲回彈問(wèn)題，熱處理組織變化和尺寸偏差問(wèn)題，小管嘴焊接裂紋和敏化問(wèn)題，均需要結(jié)合成形理論和工藝深入分析，創(chuàng)新成形技術(shù)，優(yōu)化工藝參數(shù)，以達(dá)到質(zhì)量控制要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭建能，陳紅宇，司晨亮， 等. 第三代壓水堆核電站核島一回路主管道的選材 [J] .大型鑄鍛件，2018（1）：41-45.

[2] 姜周華，李花兵，董艷伍， 等. 電渣重熔高氮鋼技術(shù)的進(jìn)展 [J] .鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2006，18（10）：1-6.

[3] 滿達(dá)虎，王麗芳. 奧氏體不銹鋼焊接熱裂紋的成因及防止對(duì)策 [J] .熱加工工藝，2012，41（6）：181-184.

【作者簡(jiǎn)介】魏雷（1986.11～），工程師，研究方向?yàn)楹穗婍?xiàng)目管理