核壓力容器用厚壁帶大尺寸側接管 的一體化筒體制造技術

劉敬杰 劉凱泉 李少飛

(天津重型裝備工程研究有限公司,天津 300457)

當今,核電設備大型鍛件的一體化制造逐漸成為設備制造商的努力方向,借助于現代制造技術,可突破傳統,在保證鍛件組織均勻性和致密性的前提下,得到以往鑄造件才能擁有的復雜形狀。通過一體化鍛造,可顯著減少核電設備焊縫數量,同時降低制造成本,縮短制造周期,并有效減少核電設備在役檢查的工作量和成本[1-2]。

長期以來,中國一重在核電設備大型鍛件一體化制造領域進行了大量研究和探索,取得的成果在核電超大型鍛件制造領域得到廣泛應用[3-6]。

在核反應堆壓力容器鍛件中,接管段筒體是焊縫分布最密集的鍛件,近年來,嘗試將接管嘴與筒身段進行一體化的制造項目越來越多[7-8],不斷給鍛件制造廠帶來新的挑戰。

本文的研究對象便是一種厚壁帶大尺寸對稱側接管的一體化筒體,采用數值模擬方法研究確定了這種鍛件的鍛造成形方案,并成功完成了這支鍛件的制造,鍛件尺寸和各項檢測結果全部滿足技術要求,證明了這項制造技術的可行性。

1 一體化筒體制造的模擬仿真

1.1 筒體毛坯成形方式的選擇

這支一體化筒體的筒身段外徑約4000 mm,法蘭端壁厚約500 mm,筒體端壁厚約270 mm,筒身段壁厚超過300 mm,側接管直徑約1000 mm,高度約500 mm,壁厚約150 mm,如圖1所示。

圖1 帶側接管的一體化筒體鍛件

針對其尺寸特點,即側接管尺寸較大,壁厚較薄且有一定長度,如采用傳統的自由鍛方式制造,需在接管處鍛制環帶將接管完全包絡覆蓋,環帶部位壁厚達到1100 mm,鍛件重量將超過260 t,需采用500 t級別鋼錠進行制造。如采用近凈成形方式制造,鍛件重約180 t,使用350 t級鋼錠即可實現,如圖2所示。傳統制造方式的材料利用率很低,并導致后續加工量很大,且環帶位置鍛透性差,鍛件整體變形極不均勻,將對后續性能造成不利影響。近凈成形的鍛造方式可最大程度保留鍛件的鍛造流線,鍛件各部位均能實現很好的鍛造效果。

(a)傳統制造方式 (b)近凈成形方式

1.2 近凈成形鍛造工藝路線制定

使用模擬仿真方法對鍛件近凈成形方式的制造路線進行了反向計算得出,鍛件的一體化近凈成形方案理論上可行:即在筒節毛坯上對應直管嘴的位置預留凸臺,后續在凸臺位置機加工出預制孔,最后通過熱擠壓實現直管嘴成形。具體的鍛造工藝路線見圖3。

圖3 鍛造成形工藝路線簡圖

1.3 鍛造成形工藝過程的模擬仿真

(1)側接管沖型過程模擬

采用有限元數值模擬技術對一體化筒體側接管的成形過程進行數值模擬,基于三維軟件對模具和筒節毛坯進行1∶1比例建模,使用DEFORM-3D仿真軟件進行數值計算,由于模型的對稱性,為了節省計算時間,只分析了二分之一的模型,在模擬過程中,沖頭和下模具均視作剛體,所用材料模型為SA508-3,成形溫度設定為1150℃,不考慮坯料與外界傳熱,沖頭壓下速度設定為10 mm/s,初始網格數量劃分為20萬,摩擦系數設定為0.5,如圖4所示。

圖4 數值模擬模型

圖5為載荷-行程曲線,可看到成形載荷在鍛造變形初期迅速增加,在行程五分之一的位置達到最大值,隨著沖頭的繼續向下,伴隨著接管的擠出,成形載荷逐漸減小。在整個成形過程中的最大載荷15 MN,對應完整接管的成形載荷約為30 MN。從應力分布圖上可以看出,整個接管在擠出過程中均產生了充分的變形,接管位置大部分區域的應力高于37 MPa,并且接管內孔的應力最高,說明接管擠出過程達到了側接管全部位置區域充分變形的目的。

圖6分別為側接管沖型完成后沿一體化筒體的軸向和徑向截面尺寸情況,可看出成形后的接管尺寸足夠包絡鍛件粗加工狀態尺寸,證明預留凸臺尺寸和成形方式設置合理,成形方案可行。

圖6 模擬結果與加工輪廓對比

2 一體化筒體鍛件的制造過程

在以上的數值模擬結果基礎上,制定了一體化筒體的制造工藝參數,進行了鍛件的制造和檢驗。

2.1 冶煉

鍛造所需的350 t級實心鋼錠通過雙聯法冶煉。冶煉前精選原材料,確保As、Sb、Sn、Co、Cu、B等有害元素的含量符合要求;通過雙聯法冶煉技術降低P、S含量,通過多包合澆技術控制鋼中C元素和合金元素的偏析,有效控制大型鋼錠的成分偏析;澆鑄時通過真空澆注、鋼水注流保護和新型中間包技術,降低鋼渣的卷入和鋼水二次氧化,提高鋼水純凈度,確保鋼錠質量。

2.2 鍛造

鋼錠切除水口和冒口并經長時間保溫后進行了兩次鐓粗和拔長,坯料在鐓拔壓實后,下料時將管嘴成形用凸臺預留出來,然后進行沖孔,沖孔后直接擴孔出成品。

該一體化筒體管嘴成形前的預制坯料為帶對稱凸臺的筒體毛坯,若采用傳統擴孔方式,無法將兩側對稱凸臺鍛出。我們設計了專用擴孔錘頭,采用分步擴孔方式,實現帶對稱凸臺的筒體毛坯鍛造成形。

在擴孔時,為避免出現筒體兩端與中間位置周向變形不同步的問題,采用弧面擴孔砧與專用帶凹擴孔砧分步擴孔方式,控制好兩種上砧交替時機,保證坯料各部位周向變形同步。在滿足成品尺寸前,采用平砧對筒體進行歸圓,然后采用組合式錘頭整體擴孔出成品,如圖7所示。

圖7 筒體毛坯鍛造過程

筒體毛坯鍛造完成后進行了預備熱處理。隨后進行了粗加工,加工出管嘴成形用凸臺以及錐形引導孔,如圖8所示。

圖8 側接管成形前加工圖

側接管成形過程中,我們開發出專用接管沖型輔具及接管熱沖型新技術,使用專用框架式鍛壓輔具,將壓機成形力傳遞至筒節內部,借助馬鞍形定位凸臺及錐形引導孔來保證管嘴成形凸臺與沖型模具的精確定位。接管成形前將鍛件加熱至1150℃并保溫足夠時間,分步完成了側接管的沖型過程,側接管成形結果如圖9所示。

圖9 側接管成形

2.3 粗加工、尺寸檢查、性能熱處理及性能檢驗

一體化筒體在沖型完成后進行了尺寸檢查,筒體及側接管的尺寸均滿足要求。鍛件粗加工后在我公司?14 m新式淬火水槽完成了性能熱處理,見圖10。

圖10 一體化筒體粗加工及淬火圖

性能熱處理完成后,在鍛件各部位切取試料進行了各項檢驗,按照標準ASME SA-508要求,鍛件的筒身端采用T/4×T的方式取樣檢驗,法蘭端和側接管采用t×2t方式取樣。各項檢驗結果見表1。

由表1可見,全部力學性能檢驗結果均滿足技術要求。

鍛件精加工后的超聲檢測、磁粉檢測及滲透檢測,均無記錄缺陷。

3 結論

(1)提出了一種核反應堆壓力容器用厚壁帶大尺寸側接管的一體化筒體制造技術;

(2)借助于DEFROM-3D有限元分析軟件,對鍛件成形過程進行計算分析,確定鍛件毛坯尺寸;

(3)使用專用輔具,鍛造出一支帶對稱凸臺的筒體毛坯,并借助于成形輔具,將鍛造壓力傳遞至接管沖頭,完成接管的熱擠壓成形,成功實現了鍛件的一體化近凈成形;

(4)鍛件的尺寸和性能合格,證明所提出的制造技術是可行的。