艾海昆 董凱

(上海電氣上重鑄鍛有限公司,上海 200245)

高溫氣冷堆核電站重大專項(xiàng)是我國于2006年2月份確定的國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要16個(gè)重大專項(xiàng)之——“大型先進(jìn)壓水堆和高溫氣冷堆核電站”的重要組成部分,目標(biāo)是建設(shè)世界上第一座具有第四代核能系統(tǒng)安全特征的200 MW級高溫氣冷堆核電站,是中國建設(shè)創(chuàng)新型國家的標(biāo)志性工程之一[1]。其中高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件是高溫氣冷堆核電裝備的關(guān)鍵零部件之一。

我國在大鍛件成形技術(shù)的研究方面起步較晚,在過去很長一段時(shí)間內(nèi),沒有形成成熟的大鍛件成形技術(shù),許多關(guān)鍵大鍛件無法實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化,或者國產(chǎn)化成品率很低,嚴(yán)重依賴進(jìn)口,國家和企業(yè)為此付出了高昂代價(jià)。

面對大鍛件的巨大市場需求,公司依托165 MN油壓機(jī),聯(lián)合上海交通大學(xué)等院校開展攻關(guān),開展了一系列復(fù)雜大鍛件成形方法研究和生產(chǎn)工作,形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鍛造技術(shù),在高品質(zhì)大鍛件成形制造技術(shù)方面取得了一定突破,成功制造了以高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件等為代表的一系列核電大鍛件。這些研究成果打破了國外的技術(shù)封鎖,滿足了國家核電裝備制造業(yè)的急需,為提升我國核電裝備的自主研發(fā)與制造做出了貢獻(xiàn)。

1 高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和成形方法分析

高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件(見圖1),材質(zhì)為SA508 Cr.3 Cl.1,其化學(xué)成分見表1,整體呈116°規(guī)則球型結(jié)構(gòu),是高溫氣冷堆壓力容器中的典型大鍛件。該封頭特點(diǎn)主要為:1)壁厚均勻,交貨圖壁厚均為100 mm;2)尺寸規(guī)格大,交貨尺寸的開口直徑達(dá)到?5689 mm/?5520 mm,內(nèi)半球徑為3250 mm,高度約1633.4 mm;3)形狀比較規(guī)則。

表1 力學(xué)性能測試結(jié)果

表1 SA508 Gr.3 Cl.1鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

圖1 高溫氣冷堆壓力容器封頭交貨圖

業(yè)界針對封頭類鍛件成形主要有兩種成形方法:沖壓成形方法和旋轉(zhuǎn)碾壓成形方法。沖壓成形方法,是通過先預(yù)制板坯,再利用上下模具將板坯拉伸成形的方法。沖壓成形方法具有成形質(zhì)量好、仿形程度高等特點(diǎn),主要應(yīng)用于壁厚均勻規(guī)則封頭類鍛件。旋轉(zhuǎn)碾壓成形方法是直接利用胎膜和旋轉(zhuǎn)扇形上模,采用旋轉(zhuǎn)扇形上模進(jìn)行局部成形,通過同一方向、小角度逐砧旋轉(zhuǎn)扇形上模實(shí)現(xiàn)整面成形的方法。旋轉(zhuǎn)碾壓成形方法具有生產(chǎn)流程相對簡單(無需板坯加工)、鍛件內(nèi)表面平整度相對較差和鍛件余塊相對偏大等特點(diǎn),主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜或規(guī)格偏大的較難直接使用沖壓成形方法的一體化結(jié)構(gòu)封頭類鍛件,如一體式頂蓋鍛件和水室封頭等鍛件。目前,業(yè)內(nèi)在復(fù)雜一體化封頭類產(chǎn)品上應(yīng)用沖壓成形方法的研究意愿較大,也在部分試驗(yàn)件和產(chǎn)品中有一定的試驗(yàn)和應(yīng)用。

基于高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件壁厚均勻、規(guī)則球型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),適宜采用“預(yù)制板坯+沖壓”的成形工藝方案。

2 高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件的板坯制備

2.1 預(yù)制板坯設(shè)計(jì)

高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件在放置試樣區(qū)和熱處理余量后,鍛件熱處理余量圖壁厚為170 mm,開口直徑達(dá)到?5966 mm/?5578 mm,內(nèi)半球徑為3210 mm,高度為1791 mm。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),球形封頭展寬公式如下:

Dw=3RD/(3R-h)

(1)

式中,Dw為展開直徑;D為封頭開口中線直徑,D=(5966 mm+5578 mm)/2=5772 mm;R為封頭中線球半徑,R=(3210+170/2)mm=3295 mm;h為封頭中線高度,h=(1791-170/2)mm=1705 mm。

將D、R和h的值代入公式(1)可得:

Dw≈6975 mm

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),按20%拉薄量計(jì)算板坯厚度:

t=170/(1-20%)mm=212.5 mm≈215 mm

考慮封頭沖壓偏心裕量,最終確定高溫氣冷堆壓力容器封頭沖壓前板坯尺寸為?7170 mm×215 mm。為保證最終沖壓成形質(zhì)量,沖壓前需要對板坯進(jìn)行粗加工無損檢測。

在沖壓前板坯基礎(chǔ)上加放粗加工余量后,高溫氣冷堆壓力容器封頭板坯鍛件尺寸為?7300 mm×300 mm。

2.2 板坯成形工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)高溫氣冷堆壓力容器封頭板坯鍛件的材料特性和外形特點(diǎn),選擇在“始鍛溫度1240℃,終鍛溫度850℃”的條件下采用“鐓粗+拔長+下料+鐓粗+鐓剝”的工藝方案。工藝流程圖見表2。

表2 工藝流程圖

由于高溫氣冷堆壓力容器封頭板坯鍛件直徑約?7300 mm,厚度300 mm,外形尺寸已接近公司油壓機(jī)工作面的極限尺寸(壓機(jī)開檔7500 mm),鍛造過程中最大的難點(diǎn)是鍛件橢圓度的控制。通過變形過程分析,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生橢圓形狀的原因主要是,厚壁大直徑板坯鍛造時(shí),板坯與工裝接觸面積較大,因而摩擦阻力增大,易引起變形不均勻,造成鍛件橢圓。為此,需要在變形時(shí)盡量減小變形區(qū)的面積。在鍛造過程中,通過回轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)鍛件繞中心360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn),協(xié)調(diào)上下模具的壓下運(yùn)動(dòng),調(diào)整壓下量、進(jìn)給量,可以有效減小變形區(qū)的面積和控制摩擦力造成的橢圓問題。

大型板坯成形通常采用由外到內(nèi)逐圈旋轉(zhuǎn)壓下鐓剝的方式進(jìn)行成形,如圖2(a)所示。此種成形方式雖然能有效地降低大型板類件鐓剝成形過程的變形抗力,但成形效率較低,需要下部旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)數(shù)圈才能完成整面的鍛造,表面平整度欠佳,易在砧角位置形成淺臺(tái)階[2-4]。為了解決以上問題,研究設(shè)計(jì)了整體長砧過中心鐓剝的板坯控圓成形工藝,在高溫氣冷堆壓力容器封頭板坯鍛件鐓剝成形時(shí),采用整體上長砧直接過鍛件中心鐓剝,并借助下部旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)整體壓下變形。該工裝和成形方法,理論上旋轉(zhuǎn)半圈即可完成整面的成形,極大地提高了板坯成形效率[5]。這種成形方式如圖2(b)所示。

(a)常規(guī)旋轉(zhuǎn)壓下鐓剝方法 (b)長砧過中心鐓剝成形方法

3 高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件的沖壓成形

3.1 模具設(shè)計(jì)

根據(jù)高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件外形尺寸,設(shè)計(jì)了專用的上下沖壓模具。其中,上模具為半球體凸模,外球半徑為高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件內(nèi)球半徑加線膨脹系數(shù),為R3245 mm;下模具為規(guī)則半球體內(nèi)凹模,內(nèi)球半徑為高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件外球半徑加線膨脹系數(shù),為R3425 mm。上下模具尺寸在高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件內(nèi)外球半徑基礎(chǔ)上增加線膨脹系數(shù),是為了保證高溫氣冷堆壓力容器封頭板坯在熱沖壓成形后保留一定的熱脹冷縮量,使其在冷卻后滿足高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件的尺寸要求。模具形狀尺寸見圖3。

(a)沖壓成形上模具

3.2 沖壓成形工藝設(shè)計(jì)

高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件沖壓前板坯尺寸為?7170 mm×215 mm,規(guī)格偏大、壁厚較厚,屬于厚壁封頭。相對于薄壁封頭,厚壁封頭沖壓成形需要更大的設(shè)備能力。為了降低材料的變形抗力,匹配165 MN油壓機(jī)設(shè)備能力,高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件沖壓成形時(shí),采用熱沖壓的方式,板坯沖壓前先進(jìn)爐按1000℃±10℃進(jìn)行保溫,保溫時(shí)間為8～10 h。

為了保證高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件沖壓成形過程中對中性,減少板坯和模具之間的偏斜量,沖壓前上下模具要進(jìn)行冷對中操作,上下模具對中偏差應(yīng)控制在10 mm以內(nèi),并在下模上焊擋塊,擋塊相對位置為“板坯冷態(tài)直徑+線膨脹系數(shù)”。沖壓前模具涂潤滑劑,以減少板坯與模具之間的摩擦。沖壓時(shí),采用四點(diǎn)鏈?zhǔn)狡鸬醴绞綄岚迮鞯踹\(yùn)到下模具上,保證沖壓板坯的水平度和坯料與模具的對中效果,按照大沖壓速度,點(diǎn)動(dòng)沖壓,保證封頭的成形質(zhì)量。沖壓成形方案如圖4所示。

圖4 沖壓成形方案示意圖

4 計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真模擬

針對高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件沖壓成形實(shí)施過程中,板坯、上模和下模之間相對位置的偏心對沖壓方案的影響進(jìn)行分析,本論文對板坯和上下模之間完全對中,板坯相對上下模分別偏心20 mm、50 mm和100 mm,上模和下模分別偏心10 mm、20 mm、30 mm、40 mm和50 mm進(jìn)行了計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真模擬。計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真模擬參數(shù)詳見表3。

表3 計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真模擬參數(shù)

4.1 板坯和上下模之間完全對中的情況

當(dāng)板坯、上模和下模完全對中時(shí),計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真模擬結(jié)果如圖5所示。

(a)初始狀態(tài) (b)沖壓結(jié)束時(shí)狀態(tài) (c)模擬結(jié)束與余量圖對比

由圖5可知,當(dāng)板坯和上下模完全對中時(shí),計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真模擬結(jié)果良好。通過與封頭鍛件余量圖進(jìn)行對比,滿足余量圖尺寸要求,整體余量比較均勻。說明高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件沖壓方案可行。

4.2 板坯和上下模發(fā)生偏心的情況

當(dāng)上模和下模完全對中,板坯與上下模分別發(fā)生20 mm、50 mm和100 mm偏心時(shí),計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真模擬結(jié)果如表4所示。

表4 板坯與上下模分別發(fā)生20 mm、50 mm和100 mm時(shí)模擬結(jié)果

由表4可知,當(dāng)板坯與上下模偏心20 mm、50 mm和100 mm時(shí),模擬結(jié)果通過旋轉(zhuǎn)一定角度進(jìn)行偏借后滿足余量圖,偏借后整體余量相對比較均勻。說明球形封頭板坯沖壓成形時(shí)對板坯與上下模之間的相對偏心不敏感,可以通過旋轉(zhuǎn)一定角度進(jìn)行偏借,偏借后整體余量比較均勻。

4.3 上模和下模發(fā)生偏心的情況

當(dāng)板坯與下模完全對中,上模與下模分別發(fā)生10 mm、20 mm、30 mm、40 mm和50 mm時(shí),計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真模擬結(jié)果如表5所示(當(dāng)上模與下模最小間距達(dá)到板坯壁厚時(shí)停止沖壓)。

表5 上模與下模分別偏心10 mm、20 mm、30 mm、40 mm和50 mm時(shí)模擬結(jié)果

由表5可知,當(dāng)上模和下模偏心10 mm和20 mm,且當(dāng)上模和下模最小距離達(dá)到板坯厚度停止沖壓后,通過適當(dāng)偏借,模擬結(jié)果滿足余量圖,但整體余量分布較不均勻,局部余量較少。當(dāng)上模和下模偏心達(dá)到30 mm或更大,且當(dāng)上模和下模最小距離達(dá)到板坯厚度停止沖壓后,板坯扭轉(zhuǎn)嚴(yán)重,已無法通過借調(diào)使其滿足余量圖。說明球形封頭板坯沖壓成形時(shí)對上模和下模之間偏心較為敏感。在現(xiàn)有板坯余量情況下,上模和下模之間偏心不應(yīng)超過20 mm,考慮到工程裕度,工藝要求上模和下模之間偏心不超過10 mm是必要的。如果工程實(shí)踐中,無法將上模和下模的對中偏心控制在10 mm以內(nèi),應(yīng)將球形封頭沖壓前板坯的厚度余量適當(dāng)放大,從而保證沖壓后的板坯滿足余量圖的要求。

5 工程驗(yàn)證

高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件按照預(yù)設(shè)的整體上長砧過中心碾壓制板坯,再按照“預(yù)制板加工沖壓”工藝方案進(jìn)行了封頭的工程制造。工程制造實(shí)際過程中照片見圖6。

(a)板坯制備 (b)沖壓前狀態(tài) (c)沖壓后狀態(tài)

高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件板坯圓度好,經(jīng)過加工沖壓成形后,外形良好,表面平整美觀,未發(fā)現(xiàn)熱開裂等質(zhì)量問題。對該封頭鍛件外形尺寸進(jìn)行測量,經(jīng)對比分析后,滿足熱處理余量圖尺寸要求。尺寸檢測結(jié)果見圖7。

圖7 高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件尺寸檢測示意圖

按照ASME標(biāo)準(zhǔn)和采購規(guī)范的要求,在高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件板坯粗加工和最終精加工后,采用縱波法,使用2 MHz或4 MHz探頭,基準(zhǔn)靈敏度為?6.4 mm,沿經(jīng)向和緯向進(jìn)行無損檢測。檢測結(jié)果表明該封頭內(nèi)部質(zhì)量良好,完全滿足高溫氣冷堆壓力容器鍛件采購技術(shù)要求。

6 結(jié)論

材料為SA508 Gr.3 Cl.1高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件按照“預(yù)制板坯+沖壓”的工藝方案進(jìn)行了工程制造,最終結(jié)果滿足高溫氣冷堆壓力容器鍛件采購技術(shù)要求。

工程實(shí)踐結(jié)果表明,高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件板坯采用整體上長砧過中心旋轉(zhuǎn)鐓剝方式可以很好地控制板坯橢圓的問題,獲得外觀質(zhì)量良好的預(yù)制板坯。此外,“預(yù)制板加工沖壓”的成形方法是一種大位移小變形的近凈成形工藝,減少了以往大型異形封頭鍛件在碾壓過程中的大變形成形帶來的表面質(zhì)量損傷問題,滿足了高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件的近凈成形需求。