AP1000主管道控制鍛造工藝探索

孫鳳先 馬慶賢

(1.鞍鋼重型機械有限責任公司，遼寧114031；2.清華大學機械工程系先進成形制造教育部重點實驗室，北京100084)

核電主管道是核島內七大關鍵設備之一，被稱為核電站的“主動脈”。主要功能是輸送含有放射性物質的壓力水和保持壓力邊界的完整性，防止放射性物質外泄，它在高溫、高壓的工況下要運行60年。以往國外制造廠家大多采用鑄件主管道，或是采用幾個鍛件焊接而成，對核電整體工程質量有一定的影響。因此，第三代核電技術要求主管道用整體鍛件代替以往的鑄件或鍛焊結構件，實現(xiàn)一體化以保證質量。由于核電主管道部件技術要求高，而且外形較為特殊，所以制造難度非常大。

熱鍛毛坯是主管道的制造難點之一。主管道材料為316LN超低碳奧氏體不銹鋼，該鋼種工藝塑性差、變形抗力大，而且無相變，不能通過熱處理改善組織，因此鍛造過程中防止表面裂紋和控制晶粒細化是保證產品生產至關重要的環(huán)節(jié)。

目前，國內許多制造企業(yè)開始研制核電主管道制造技術。鞍鋼重型機械有限責任公司通過研制控制鍛造技術，制造出AP1000主管道樣品，目前正在進行各項檢驗和測試工作。

1 主管道控制鍛造工藝要點

AP1000主管道結構示意圖如圖1所示，制造過程包括制錠、熱鍛實心軸坯并制出管嘴部分、機加工管坯、冷彎曲成形，精加工到尺寸。要求兩個管嘴與軸體為整體鍛件，無疑大大增加了鍛造工藝的難度。

圖1 AP1000主管道結構示意圖Figure 1 The structure sketch of AP1000 main pipe

主管道熱鍛工藝的難點在于鋼錠鐓粗、拔長等壓實階段能有效控制表面裂紋的產生，在鍛件成形階段能控制組織細勻、完成組織強化。針對上述難點，專門分析研究制定了控制裂紋工藝，以及細化晶粒、強化組織的技術手段。

2 316LN鋼熱鍛控制裂紋分析

為防止鍛件表面產生裂紋，應合理制訂鐓粗、拔長等熱鍛工藝和彎管工藝的參數(shù)范圍。

鐓粗過程中側表面開裂是最常見的缺陷之一。鍛坯的表面開裂，既和鐓粗工藝時的應力狀態(tài)、應變速率大小有關，又和鍛坯的化學成分、高溫下的組織性能有關。由于端面摩擦的影響，毛坯產生不均勻變形，其明顯標志是側表面產生鼓形。不均勻變形導致軸向、周向產生附加應力，鼓形的大小決定附加應力的大小。因此，制訂首次鐓粗壓下率不超過30%，鍛造溫度不低于1 050 ℃。在以后鐓粗時，工藝條件可適度放寬。

在拔長工藝中，試件表面產生裂紋的原因是由于試件與上砧邊緣接觸處發(fā)生了較大的變形，產生了較大的拉應力所致。如在FM法拔長工藝模擬實驗中，砧寬比為0.75，壓下率為15%和21%時，塑泥試件與上砧邊緣接觸面出現(xiàn)了明顯的裂紋，且裂紋隨著壓下率增加而增大，如圖2所示。而砧寬比小于0.6時，即使最大變形區(qū)已深入到試件心部，試件表面也沒有出現(xiàn)裂紋。隨著砧寬比和壓下率增大，塑泥試件表面裂紋產生愈加明顯。而采用鉛試件進行相同實驗時，由于鉛試件材料塑性較好，沒有觀察到裂紋產生[1]。

通過模擬實驗得到上平下V砧拔長時，在壓下率8%和15%時的變形分布規(guī)律。試件心部網格變化和等效應變分布如圖3所示。

因此，在制定主管道拔長工藝時，借鑒上述實驗結果，采用壓應力較大的V型砧和較小的砧寬比(≤0.5)進行拔長變形。考慮到心部材料最終將要被切除，選取拔長壓下率不超過15%。

在最終彎管工藝中，通過設計制造專用的工、附具，保證管道外壁不產生表面裂紋且零件外形尺寸滿足要求。

(a)壓下率15 % (b)壓下率21 %圖2 塑泥試件表面的裂紋Figure 2 The surface crack in test piece of plastic clay

圖3 模擬件塑性變形分布規(guī)律Figure 3 The distribution of plastic deformation of simulation piece

3 316LN鋼熱鍛晶粒細化控制技術

在主管道鍛件塑性成形工藝中，保證晶粒細化和完成固溶處理是保證鍛件性能達到要求的關鍵。由于主管道形狀的特殊性，在鐓粗拔長、鍛造管嘴和彎管成形階段，塑性變形量分布規(guī)律存在較大差別，因此，在不同階段必須采用不同的控制鍛造工藝。

有效解決鍛造所引起的“混晶”問題是保證產品質量的關鍵因素之一。由于塑性變形后的各種材料，在每種溫度下都對應著最大晶粒長大尺寸，而且與加熱時間關系不大。因此，避免無鍛比鍛造和控制終鍛溫度是保證晶粒組織合格的兩種常用方法。不同溫度條件下晶粒穩(wěn)定尺寸關系曲線如圖4所示[1，2]。

在實際鍛造工藝中，只要將無鍛比或小鍛比材料部分溫度控制在1 050℃，即可保證鍛件材料晶粒組織滿足要求。

在熱加工過程中，充分完成固溶處理是關鍵因素之一。鍛造工藝完成后，保證2 h以上的固溶時間。

因此，在鐓粗拔長工藝階段，采用高溫大變形量成形，保證晶粒充分再結晶，并且完成晶粒組織控制準備工作。在管嘴鍛造階段，適當降低鍛件溫度，減小單次變形量。

4 鍛造工藝技術要點

綜合分析，制定控制鍛造工藝要點如下：

(1)首次鐓粗壓下率不超過30%，鍛造溫度不低于1 050℃。在以后鐓粗時，工藝條件可適度放寬。拔長采用壓應力較大的V型砧和較小的砧寬比(≤0.5)進行變形?？紤]到心部材料最終將要被切除，選取拔長壓下率不超過15%。

(2)在鐓粗拔長工藝階段，應采用高溫大變形量成形，保證晶粒充分再結晶，并且完成晶粒組織控制準備工作。

(3)在管嘴鍛造階段，適當降低鍛件溫度，減小單次變形量。

(4)在彎管階段，設計專用工、附具，控制變形速度，防止表面產生裂紋。

該項技術已用于主管道鍛件生產，并成功制造出了主管道鍛件樣品。帶管嘴主管道熱、冷鍛件坯料如圖5所示。制造完成的主管道零件如圖6所示。

圖4 不同溫度條件下晶粒穩(wěn)定尺寸Figure 4 The stable grain size under different temperature

圖5 帶管嘴主管道熱、冷鍛件坯料Figure 5 The hot and cold forging blank of main pipe with nozzle

圖6 制造完成的主管道零件Figure 6 The finished product of main pipe

5 結論

采用所研制的控制鍛造工藝完成了主管道鍛件試制工作，零件外形和關鍵性能指標達到了預期要求，證明了所制定的控制鍛造工藝合理可行。

[1] 王少鵬，馬慶賢，劉鑫.大型低壓轉子FM法鍛造工藝模擬研究.鍛壓技術，2009，34(6)：136-139.

[2] 金堅.型砧拔長與大型管板鍛造質量的模擬研究[博士學位論文].北京：清華大學機械工程系，1991.

[3] 中國機械工程學會鍛壓學會.鍛壓手冊.北京：機械工業(yè)出版社，2002.