鄭建能 張 玉 陳紅宇

(1.二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司國(guó)家能源極端裝備虛擬制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川618013；2.上海核工程研究設(shè)計(jì)院工藝系統(tǒng)所，上海200233)

國(guó)核壓水堆示范工程(CAP1400示范工程)是我國(guó)在引進(jìn)、消化和吸收美國(guó)西屋第三代核電AP1000技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)自主研發(fā)、自主設(shè)計(jì)和示范工程建設(shè)提出的一項(xiàng)重大工程研發(fā)與建設(shè)任務(wù)，對(duì)推動(dòng)和實(shí)現(xiàn)我國(guó)三代核電技術(shù)自主化、核島主設(shè)備國(guó)產(chǎn)化以及核電“走出去”戰(zhàn)略實(shí)施具有十分重要的意義[1]。CAP1400主管道尤其是熱段是目前尺寸最大的核島一回路主管道，對(duì)于大型超低碳含氮奧氏體不銹鋼電渣錠鍛造裂紋控制、大型超低碳含氮奧氏體不銹鋼不同部位晶粒度及組織均勻性控制、大型異形復(fù)雜管道彎曲成形尺寸精度保證、固溶熱處理過(guò)程變形控制等都提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

本文根據(jù)CAP1400主管道熱段的技術(shù)要求和研制難點(diǎn)，通過(guò)基礎(chǔ)理論研究和工藝方法創(chuàng)新，解決了CAP1400主管道熱段制造過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)難題，包括晶粒度均勻性控制、大型異形復(fù)雜管道尺寸精確控制、固溶熱處理變形控制，順利完成國(guó)核壓水堆示范工程1號(hào)機(jī)組CAP1400主管道制造，為我國(guó)三代核電自主化的順利實(shí)施提供了有力支撐。

1 技術(shù)要求及技術(shù)難點(diǎn)分析

1.1 技術(shù)要求

圖1 CAP1400主管道熱段L001A彎管簡(jiǎn)圖Figure 1 Drawing of L001A bent pipe for CAP1400 main piping hot leg

CAP1400主管道熱段包括熱段L001A和熱段L001B，外徑?1100 mm，各帶兩個(gè)一體化管嘴[2]，材料采用316LN超低碳含氮奧氏體不銹鋼，晶粒度要求≥2.0級(jí)，彎曲部分橢圓度≤4%，彎曲部位壁厚減薄量≤名義壁厚7.5%。CAP1400主管道熱段L001A彎管簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

1.2 技術(shù)難點(diǎn)分析

1.2.1 大型(120 t級(jí))奧氏體不銹鋼電渣錠鍛造裂紋及晶粒度控制

CAP1400主管道熱段由于外徑、長(zhǎng)度和管嘴直徑、高度尺寸的增加，電渣重熔錠由AP1000主管道熱段的70 t級(jí)提高到120 t級(jí)。CAP1400熱段鍛坯管嘴高度和截面尺寸增加后，管嘴內(nèi)部鍛透的難度進(jìn)一步增加。管嘴由于尺寸大，最終階段實(shí)施小鍛比變形只能改善表面組織，難以保證內(nèi)部組織得到改善，保證一體化管嘴的晶粒度滿足設(shè)計(jì)要求是鍛造要解決的難題之一。由于管坯長(zhǎng)度的增加，一體化管嘴成形和最終拔長(zhǎng)無(wú)法在一個(gè)火次成形完成，無(wú)鍛比、小鍛比加熱對(duì)晶粒度影響較大，無(wú)鍛比、小鍛比區(qū)域晶粒長(zhǎng)大的風(fēng)險(xiǎn)很大。

主管道材料為導(dǎo)熱系數(shù)低、熱膨脹系數(shù)大的316LN超低碳含氮奧氏體不銹鋼，鋼錠從冷態(tài)開(kāi)始經(jīng)歷多火次加熱，由于截面尺寸大，加熱制度不當(dāng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力集中到冶金缺陷區(qū)域時(shí)，缺陷擴(kuò)展成裂紋的風(fēng)險(xiǎn)很大。AP1000熱段鍛坯管嘴端面到鍛坯中心高度約900 mm，CAP1400熱段鍛坯管嘴端面到鍛坯中心高度達(dá)到1100 mm，管嘴成形過(guò)程以剪切變形為主，高度增加后管嘴成形過(guò)程撕裂現(xiàn)象更嚴(yán)重，管嘴根部出現(xiàn)裂紋的風(fēng)險(xiǎn)很大。

1.2.2 彎曲成形方法及彎曲成形后的尺寸保證

CAP1400主管道熱段為空間尺寸，尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高、結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，橢圓度、減薄量、管嘴位置尺寸等精度要求高。在AP1000主管道熱段研制過(guò)程中，我公司冷彎成形技術(shù)路線是：小比例件彎曲成形物理模擬→1∶1產(chǎn)品件數(shù)值模擬→1∶1產(chǎn)品件試制→產(chǎn)品件制造[3]。從AP1000主管道熱段的研制經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，由于尺寸放大效應(yīng)和數(shù)值模擬的局限性，小比例件物理模擬和數(shù)值模擬只能給產(chǎn)品研制提供參考，與1∶1產(chǎn)品件的變形規(guī)律存在不小的差別。由于研制進(jìn)度緊張且AP1000主管道研制以工程應(yīng)用為首要目的，彎曲成形過(guò)程金屬流動(dòng)規(guī)律、一體化管嘴對(duì)金屬流動(dòng)的影響規(guī)律、冷彎回彈量的影響因素以及彎曲成形過(guò)程管嘴偏移量的影響等沒(méi)有深入到理論層面進(jìn)行研究，工藝的再現(xiàn)性差，這也是導(dǎo)致AP1000自主化依托項(xiàng)目熱段產(chǎn)品出現(xiàn)管嘴位置偏差的主要原因。

CAP1400主管道熱段尺寸更大，一體化管嘴位置在AP1000熱段的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，AP1000熱段彎曲成形的規(guī)律只能借鑒，變形規(guī)律需要重新認(rèn)識(shí)和研究。CAP1400同化的技術(shù)嘴整體鍛造、通過(guò)機(jī)加工鏜孔，考慮到鍛造余量和熱處理余熱段L001A和熱段L001B內(nèi)外徑相同，兩個(gè)一體化管嘴相對(duì)于彎曲段的位置不同，制造過(guò)程中的難點(diǎn)也有所區(qū)別。熱段L001A管嘴位于彎曲段兩側(cè)，其中一個(gè)管嘴靠近彎曲段，要參與變形過(guò)程。在彎曲過(guò)程中，管嘴對(duì)金屬自由流動(dòng)產(chǎn)生阻礙，內(nèi)腹部位不能得到均勻壓縮，外腹部位不能得到均勻拉伸，給減薄量和橢圓度的控制帶來(lái)影響。由于金屬變形過(guò)程分散效應(yīng)的存在，管嘴參與變形過(guò)程，金屬的流動(dòng)會(huì)擠壓管嘴，使管嘴位置不但在軸向發(fā)生變化，還會(huì)在周向發(fā)生方位變化。熱段L001B兩個(gè)一體化管嘴位于彎曲段一側(cè)，在彎曲過(guò)程中，管嘴對(duì)金屬自由流動(dòng)產(chǎn)生阻礙，使彎曲段兩側(cè)變形條件不同，在彎曲過(guò)程中彎曲中心發(fā)生偏移，影響管嘴的位置尺寸。要實(shí)現(xiàn)CAP1400主管道熱段彎曲成形后尺寸無(wú)偏差，必須在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，進(jìn)行深入的理論研究和完善的模具設(shè)計(jì)，才能實(shí)現(xiàn)尺寸無(wú)偏差。

1.2.3 固溶熱處理變形控制

CAP1400主管道熱段和AP1000主管道熱段彎曲成形后要進(jìn)行固溶熱處理，CAP1400主管道熱段固溶熱處理時(shí)毛坯重量達(dá)到24 t，是目前重量最大的不銹鋼異形管道。固溶熱處理過(guò)程既有加熱過(guò)程又有急冷過(guò)程，由于產(chǎn)品外形尺寸的特點(diǎn)和設(shè)備能力的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)不同部位均勻加熱和冷卻，導(dǎo)致彎曲成形之后的尺寸在固溶熱處理后發(fā)生變化。和AP1000熱段相比，CAP1400主管道熱段SG側(cè)直段長(zhǎng)度增加，要滿足一體化管嘴位置尺寸±1.5 mm的精度要求，難度進(jìn)一步增大。要滿足一體化管嘴最終狀態(tài)±1.5 mm的精度要求，需綜合考慮彎曲成形后的結(jié)構(gòu)尺寸、固溶熱處理時(shí)的變形量以及管嘴固溶熱處理時(shí)的加工余量。

2 關(guān)鍵制造技術(shù)解決方案

2.1 保溫鍛造及鍛造裂紋控制

2.1.1 保溫鍛造方法創(chuàng)新

為解決無(wú)鍛比、小鍛比加熱區(qū)域晶粒長(zhǎng)大的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)保溫鍛造新工藝。在管坯最終成形階段，根據(jù)圖2適當(dāng)降低坯料的加熱溫度，避免無(wú)鍛比區(qū)域因溫度過(guò)高使晶粒長(zhǎng)大。同時(shí)，不變形、小變形的區(qū)域采用陶纖包裹，陶纖能夠起到隔熱作用，避免了工件溫度快速升高，保證了鍛坯整體組織的均勻性[2]。

圖2 加熱溫度和保溫時(shí)間對(duì)316LN不銹鋼晶粒度的影響Figure 2 Effects of heating temperature and holdingtime on grain size of 316LN stainless steel

2.1.2 鍛造裂紋的控制

鋼錠鍛前冷態(tài)加熱時(shí)，采取階梯式加熱方式，減小加熱過(guò)程表面和內(nèi)部的熱應(yīng)力；加熱后保證心部熱透，使δ鐵素體充分回溶，提高材料的塑性，避免心部產(chǎn)生裂紋。在每火次出爐前，對(duì)與坯料接觸的工裝輔具進(jìn)行預(yù)熱或采取隔熱措施，避免坯料局部區(qū)域因溫度下降過(guò)快而產(chǎn)生裂紋。

熱段坯料由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致鍛造過(guò)程變形不均勻，鍛造過(guò)程不同位置的溫度對(duì)鍛造裂紋形成和晶粒度改善影響很大，采用鍛造過(guò)程數(shù)值模擬研究鍛造過(guò)程溫度場(chǎng)的變化和晶粒尺寸的變化規(guī)律，對(duì)不同位置的溫度和變形量進(jìn)行控制是避免產(chǎn)生鍛造裂紋、提高晶粒度的重要措施。

2.2 大型厚壁承壓管道冷彎成形理論研究和成形方法研究

CAP1400主管道熱段的突出特點(diǎn)是直徑大、壁厚大、彎頭短半徑，冷彎成形時(shí)成形力大于100 MN。要承受如此巨大的成形力，成形模具結(jié)構(gòu)是模具設(shè)計(jì)過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，尤其要有效避免成形過(guò)程中的應(yīng)力集中[4]。CAP1400主管道熱段彎曲成形的另一個(gè)特點(diǎn)是帶兩個(gè)一體化管嘴且靠近彎曲段，一體化管嘴位置的不對(duì)稱導(dǎo)致成形過(guò)程兩端受力不相同，使成形過(guò)程彎曲中心產(chǎn)生偏移，影響一體化管嘴的位置尺寸。

為解決CAP1400主管道熱段的成形難題，我公司首先進(jìn)行了大型厚壁承壓管道冷彎成形理論研究，包括冷彎回彈量、模具支點(diǎn)間距、最小壁厚計(jì)算、冷彎成形壁厚變化規(guī)律、成形力的變化規(guī)律等。在完成模具設(shè)計(jì)后，采用數(shù)模模擬進(jìn)行工藝驗(yàn)證，校核模具強(qiáng)度并對(duì)薄弱部位進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。在產(chǎn)品成形時(shí)，采用多次成形法，管嘴位置出現(xiàn)偏差時(shí)對(duì)彎曲中心進(jìn)行位置調(diào)整，保證成形后一體化管嘴的位置尺寸達(dá)到名義尺寸。

2.3 固溶熱處理方法和工裝設(shè)計(jì)

借鑒AP1000主管道熱段制造經(jīng)驗(yàn)，在完成固溶熱處理方案設(shè)計(jì)之后，采用數(shù)值模擬方法對(duì)熱處理變形規(guī)律和料盤(pán)強(qiáng)度進(jìn)行校核，其中工件采用平放方式，工件重心控制在料盤(pán)的中心，起吊方式能夠保證料盤(pán)和工件水平，料盤(pán)強(qiáng)度能夠保證托起工件后不產(chǎn)生較大彎曲變形。根據(jù)熱段L001A的45°管嘴實(shí)際角度安排管嘴的朝向，同時(shí)采用弧形楔塊隨形固定。

3 結(jié)論

根據(jù)CAP1400主管道熱段的技術(shù)要求，強(qiáng)化基礎(chǔ)理論研究，創(chuàng)新工藝方法，解決了CAP1400主管道熱段制造過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)難題，包括晶粒度均勻性控制、大型異形復(fù)雜管道尺寸精確控制、固溶熱處理變形控制，順利完成國(guó)核壓水堆示范工程1號(hào)機(jī)組CAP1400主管道制造，為我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三代核電CAP1400示范工程順利建設(shè)提供了保證。