鄧林濤，劉志穎，王 濤，沈賢莉，孫 嫘

（中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川 德陽(yáng) 618013）

1000 MW核電管板純凈鋼鍛件制造工藝及其性能

鄧林濤，劉志穎，王 濤，沈賢莉，孫 嫘

（中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川 德陽(yáng) 618013）

根據(jù)1 000 MW核電管板用純凈鋼鍛件性能和組織的要求，利用合金化原理確定了冶煉時(shí)鋼中各合金元素的成分控制方向；采用電爐加鋼包爐加真空澆注進(jìn)行冶煉澆注，真空澆注過(guò)程中加保護(hù)防止二次氧化；采用特殊的鐓粗工藝避免了管板鐓粗過(guò)程心部產(chǎn)生超標(biāo)缺陷；采用合理的熱處理工藝，保證管板鍛件的組織和性能。經(jīng)檢驗(yàn)表明，鍛件用鋼的質(zhì)量達(dá)到了純凈鋼的要求，管板鍛件的綜合性能達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

純凈鋼；管板鍛件；核電站蒸汽發(fā)生器

截至2000年，我國(guó)發(fā)電量先后超過(guò)法國(guó)、英國(guó)、加拿大、德國(guó)、俄羅斯和日本，位居世界第2位。進(jìn)入21世紀(jì)，電力工業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，2004年全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量突破4億千瓦，2005年超過(guò)5億千瓦、發(fā)電量達(dá)到2.4萬(wàn)億度。中國(guó)已經(jīng)成為世界上名副其實(shí)的電力生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)。由于能源結(jié)構(gòu)以化石能源為主，中國(guó)已成為SO2和CO2排放大國(guó)。由于石油和天然氣更多地依賴國(guó)際市場(chǎng)，燃煤發(fā)電對(duì)環(huán)境的壓力越來(lái)越大，水能開(kāi)發(fā)的余地逐步越少，考慮到國(guó)家安全、能源安全和環(huán)境安全，核能作為可大規(guī)模發(fā)展的替代能源，必將迎來(lái)更大規(guī)模的發(fā)展。

我國(guó)現(xiàn)役運(yùn)行的核電機(jī)組11臺(tái)，裝機(jī)容量910萬(wàn)千瓦，占總裝機(jī)容量的1.6%，發(fā)電量占總量的2.2%。2008年3月，國(guó)務(wù)院原則通過(guò)《核電中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2005—2020年）》，規(guī)劃目標(biāo)為：2010年運(yùn)行裝機(jī)容量1200萬(wàn)千瓦；到2020年，達(dá)到4 000萬(wàn)千瓦，約占當(dāng)時(shí)總裝機(jī)容量的4%，在建1 800萬(wàn)千瓦。這就需要在今后十多年間新開(kāi)工建設(shè)40多臺(tái)百萬(wàn)千瓦級(jí)核電機(jī)組，從現(xiàn)在起平均每年要開(kāi)工建設(shè)3～4臺(tái)百萬(wàn)千瓦級(jí)的核電站。我國(guó)核電建設(shè)將進(jìn)入由“適度發(fā)展”到“積極發(fā)展”的快速增長(zhǎng)期。

國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）預(yù)測(cè)：今后15年內(nèi)，全世界要新建約130個(gè)核電機(jī)組，在未來(lái)的20～30年迎來(lái)一個(gè)新的發(fā)展高潮。為適應(yīng)國(guó)家核電發(fā)展的需要，實(shí)現(xiàn)核電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化目標(biāo)，盡快進(jìn)入核電鍛件及設(shè)備制造領(lǐng)域，建立制造核電設(shè)備及鍛件生產(chǎn)基地，在中廣核工程公司和東方電氣集團(tuán)公司的大力支持下，中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司開(kāi)展了18MND5純凈鋼管板鍛件的制造技術(shù)研究(63 GW)。

圖1 管板鍛件制造的工藝流程Fig.1 Manufacturing process of forgerd tubesheets

1 管板鍛件的制造工藝流程

核電管板純凈鋼鍛件制造的工藝流程如圖1所示。

2 18MND5管板純凈鋼鍛件制造研究

2.1 18MND5鋼的化學(xué)成分要求及冶煉難點(diǎn)分析

2.1.1 18MND5鋼的化學(xué)成分要求及冶煉難點(diǎn)分析

根據(jù)研制大綱、采購(gòu)技術(shù)規(guī)范和RCC-M規(guī)范及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，鋼的化學(xué)成分要求如表1所示。

根據(jù)1 000 MW核電管板鍛件質(zhì)量要求高、尺寸大（調(diào)質(zhì)時(shí)直徑φ3 520 mm）、截面厚（820 mm）的特點(diǎn)，為提高鋼的淬透性，同時(shí)考慮力學(xué)性能和組織要求，鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)原則如下。

（1）C含量控制在成分范圍的上限；

（2）Mn、Ni和Mo都是提高鋼淬透性的元素，Ni可大幅度提高鋼的低溫沖擊韌性，這些元素宜控制在成分范圍的上限；

（3）Si對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)不大，在大鋼錠中Si有促進(jìn)偏析的作用，因此Si含量控制在成分范圍的中下限；

（4）P、S、As、Sn、Sb、O和H都是有害元素，為大幅度降低鋼的低溫沖擊韌性并影響落錘結(jié)果，宜控制越低越好，達(dá)到痕量。

表1 管板鍛件制造的工藝流程Table 1 Manufacturing process of forgerd tubesheets

根據(jù)上述特點(diǎn)，鋼的冶煉的重點(diǎn)和難點(diǎn)如下。

（1）嚴(yán)格控制鋼中的O含量，達(dá)到純凈鋼的要求；

（2）保證C含量精確控制在目標(biāo)值；

（3）保證小五害P、S、As、Sn和Sb含量降低到極低含量,滿足純凈鋼要求；

（4）保證經(jīng)過(guò)二次精煉的純凈含Al鋼液在真空澆注過(guò)程中避免從精煉鋼包到中間包澆注過(guò)程中產(chǎn)生二次氧化。

2.1.2 冶煉工藝的確定

根據(jù)18MND5鋼的冶煉特點(diǎn)及難點(diǎn)，決定采用如下冶煉工藝方案，見(jiàn)圖2。

2.1.3 冶煉工藝要點(diǎn)

（1）精選爐料:為保證微量有害元素如Sn、Sb和As等控制在盡可能低的范圍，采用小五害極低的優(yōu)質(zhì)生鐵及大塊優(yōu)質(zhì)廢鋼作為冶煉爐料。

（2）鋼水粗煉: 在堿性電爐粗煉鋼水，爐底配以適量的石灰及氧化鐵皮，以利于早期形成高堿度高氧化鐵的爐渣，為脫P(yáng)創(chuàng)造有利條件。粗煉鋼水的主要任務(wù)是脫P(yáng)，通過(guò)大渣量并多次換渣操作，將P降到0.002%以下，為鋼包精煉創(chuàng)造良好條件。

（3）鋼包精煉：粗煉鋼水兌入鋼包爐時(shí)嚴(yán)禁帶入粗煉渣，添加造渣材料，以碳粉、硅粉及鋁粉進(jìn)行擴(kuò)散脫氧，補(bǔ)加合金達(dá)到內(nèi)控要求。鋼水進(jìn)行真空處理，在真空狀態(tài)下利用C和O的反應(yīng)進(jìn)一步降低鋼中的O（≤20×10-6）。利用良好的還原渣，在真空下將硫降低到極低的水平（0.001%）。鋼包精煉的最終目標(biāo)是達(dá)到純凈鋼水。真空結(jié)束后，精確調(diào)整鋼水化學(xué)成分到目標(biāo)成分，溫度合適即可出鋼。

圖2 18MND5純凈鋼冶煉工藝方案Fig.2 Smelting process of 18MND5 steel

（4）真空鑄錠：在澆注過(guò)程中，采取嚴(yán)密的保護(hù)措施，避免鋼水二次氧化。通過(guò)真空澆注，使鋼中的O進(jìn)一步和C發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到降低鋼中O、H及夾雜的目的，進(jìn)一步提高鋼的純凈度。

2.2 18MND5純凈鋼管板鍛件的鍛造

大型餅形鍛件的鍛造以鐓粗成型為主，是大鍛件制造的難點(diǎn)。常規(guī)鐓粗過(guò)程中，鍛件心部易產(chǎn)生兩向拉應(yīng)力而使鍛件心部產(chǎn)生裂紋，同時(shí)夾雜物在鐓粗過(guò)程中易被壓成片狀，導(dǎo)致超聲波探傷超標(biāo)而報(bào)廢。由于核電管板鍛件直徑、重量大，更加大了鍛造的難度。根據(jù)核電管板鍛件的特點(diǎn)，根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)研究，采用新的鐓粗方法，避免了上述缺陷的產(chǎn)生，保證了管板鍛件的制造質(zhì)量。

主要工藝要點(diǎn)如下。（1）鍛造工藝要點(diǎn)

鋼錠高溫?cái)U(kuò)散加熱增加充足的保溫時(shí)間，采取鐓粗與拔長(zhǎng)相結(jié)合的鍛造工藝，壓實(shí)鍛透鋼錠內(nèi)部的凝固缺陷，力求使鍛件的各向異性減至最小。嚴(yán)格控制始鍛和終鍛溫度，保證管板鍛件獲得均勻的細(xì)小晶粒，為后續(xù)熱處理工藝創(chuàng)造良好的原始組織條件。

（2）鍛造工序

鋼錠130 t，加熱到1 250 ℃左右，在125 MN水壓機(jī)上進(jìn)行鍛造，分6火完成。第1火：壓鉗口，滾圓；第2火：鐓粗，拔長(zhǎng)；第3火：鐓粗，拔長(zhǎng)，下料，切冒口；第4火：鐓粗；第5火：展壓；第6火：出成品。

圖3 管板鍛件粗加工取樣圖Fig.3 Rough machined drawing of the tubesheet

2.3 18MND5純凈鋼管板鍛件的熱處理和無(wú)損探傷

熱處理是決定管板鍛件質(zhì)量的最后一道關(guān)鍵工序，包括3部分：鍛后熱處理；粗加工后的性能熱處理；取樣加工后試樣坯料的模擬焊后熱處理。

（1）鍛后熱處理

盡管18MND5鋼水經(jīng)過(guò)了雙真空處理，但對(duì)于超大型餅形件，為防止心部產(chǎn)生白點(diǎn)性氫制缺陷，要根據(jù)鋼錠的原始?xì)浜窟M(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的去氫處理。鍛后熱處理的主要任務(wù)是除氫、細(xì)化晶粒和均勻組織。鍛件鍛后緩冷并使過(guò)冷奧氏體充分地轉(zhuǎn)變，隨后加熱到630～670 ℃去氫處理；之后950 ℃正火，670 ℃回火。

（2）性能熱處理和無(wú)損探傷

鍛件粗加工見(jiàn)光見(jiàn)圓，對(duì)整個(gè)鍛件體積進(jìn)行超聲波檢測(cè)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)超出規(guī)定的缺陷。

合理地選擇奧氏體化溫度和淬火冷卻速度對(duì)鍛件獲得良好的綜合力學(xué)性能至關(guān)重要。由工藝試驗(yàn)研究確定，18MND5鋼管板鍛件的奧氏體化溫度不大于920 ℃，大型水槽中強(qiáng)冷后不低于665 ℃進(jìn)行回火。管板鍛件加熱、冷卻均按工件上熱電偶實(shí)際測(cè)溫為準(zhǔn)。

（3）模擬焊后熱處理

從管板鍛件上切取的試樣經(jīng)過(guò)模擬焊后熱處理后進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。拉伸、沖擊和落錘試驗(yàn)的試樣經(jīng)過(guò)（615±5）℃×16.5 h的模擬焊后熱處理后進(jìn)行性能檢驗(yàn)。

3 管板鍛件理化性能的試驗(yàn)結(jié)果

由兩支130 t鋼錠鍛成管板鍛件兩件，經(jīng)粗加工后對(duì)整個(gè)鍛件體積進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)檢測(cè)，對(duì)所有表面進(jìn)行磁粉試驗(yàn)和液體滲透試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)可記錄缺陷，見(jiàn)圖3。

3.1 管板鍛件化學(xué)分析結(jié)果

兩塊管板的鋼包分析及鍛件不同部位化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表2。

3.2 管板鍛件的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

管板鍛件的常溫和高溫拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

3.3 管板鍛件的沖擊試驗(yàn)結(jié)果

管板鍛件的沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4和表5。

3.4 管板鍛件的落錘試驗(yàn)結(jié)果

管板鍛件落錘試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表2 鋼包分析及管板鍛件不同部位化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Chemical composition of different position by ladle and product analysis (mass fraction)

表3 管板鍛件常溫和高溫拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果Table 3 The strength at room ang high temperatue of tubesheets

4 試驗(yàn)結(jié)果的綜合分析與評(píng)定

從表2的結(jié)果看，兩塊管板鍛件樣坯A和樣坯C的化學(xué)元素的偏差很小，表明鍛件各部位的成分均勻，為獲得材質(zhì)均勻的鍛件提供了內(nèi)在的條件。鋼中的P、S、As、Sn、Sb、O、H含量非常

低，控制水平達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，達(dá)到了純凈鋼的要求。

表4 管板1沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Impact properties of tubesheet 1

表5 管板2沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Impact properties of tubesheet 2

從表3中管板鍛件常溫和高溫拉伸性能看，管板鍛件各部位的力學(xué)性能滿足采購(gòu)技術(shù)規(guī)范要求。同一截面上各部位的室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度差別很小，說(shuō)明其均質(zhì)性好，各向異性小，滿足管板鍛件性能要求。但抗拉強(qiáng)度富裕量不大，需在以后的制造中適當(dāng)提高鋼的碳當(dāng)量，適當(dāng)提高鋼的強(qiáng)度。

從表4和表5管板鍛件沖擊性能結(jié)果看，兩塊管板鍛件各部位的韌性也非常好，特別是低溫沖擊功較高，已經(jīng)大大超過(guò)世界著名大鍛件制造商同種產(chǎn)品的韌性指標(biāo)值，達(dá)到世界領(lǐng)先水平。同一截面上各部位的沖擊功相近，各組的三個(gè)沖擊值沒(méi)有明顯的差別，進(jìn)一步說(shuō)明了鋼均質(zhì)性。

表6 管板鍛件不同部位RTNDT測(cè)試結(jié)果Table 6 RTNDTof different positions for tubesheets

兩塊管板鍛件不同部位的落錘試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6，管板1兩樣塊RTNDT都達(dá)到-42 ℃，管板2兩樣塊RTNDT分別達(dá)到-62 ℃和-52 ℃，達(dá)到世界領(lǐng)先水平，遠(yuǎn)低于要求的0 ℃。落錘試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明管板均勻性好、強(qiáng)韌性匹配恰當(dāng)，完全滿足采購(gòu)技術(shù)條件要求。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)1 000 MW核電管板鍛件的研制，掌握了制造1 000 MW核電管板的冶煉工藝、鍛造工藝和熱處理工藝。鍛件用鋼的質(zhì)量達(dá)到純凈鋼要求，力學(xué)性能和組織完全滿足產(chǎn)品性能要求，實(shí)物質(zhì)量達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

Manufacturing process and mechanical properties of forged clean steel tubesheets for 1000 MW nuclear power plant

DENG Lin-tao ，LIU Zhi-ying，WANG Tao ，SHEN Xian-li ，SUN Lei
(Institute of Heavy Pressure Vessel and Nuclear Power Technique of China National Erzhong Group Co.，Deyang of Sichuan Prov. 618013，China)

According to the requirements of the mechanical properties and structure for forged clean steel tubesheets used for 1000 MW nuclear power plant, the appropriate range of alloying elements was defined by analyzing alloying principle. Smelting and casting was done by electric furnace + ladle furnace + vacuum pouring, and reoxidation was prevented by protective casting. Overamplitude defects in the core of forgings during upsetting were prevented by particular upsetting process. With appropriate heat treatment process, the mechanical properties were improved. The results showed that the quality of steel meets the requirements of clean steel and the comprehensive performance of tubesheets has been on the world leading level.

clean steel; tubesheet forgings; steam generator of nuclear power plant

TL35

A

1674-1617(2009)02-0126-07

2008-10-30

鄧林濤（1961—），男，陜西人，教授級(jí)高工，工學(xué)學(xué)士，從事核電大鍛件、重型壓力容器的研發(fā)和技術(shù)管理工作。