0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主，造成了較為嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，同時(shí)已難以滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需要，大力發(fā)展高效、清潔的能源——核電是我國(guó)現(xiàn)階段解決能源緊缺、改善能源結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略選擇。在目前世界63座在建核電站中，中國(guó)就有26座，主要堆型包括自主開(kāi)發(fā)的二代和二代改進(jìn)型核電、俄羅斯VVER-1000核電、美國(guó)AP1000核電以及法國(guó)EPR核電，其中AP1000核電和EPR核電由于其優(yōu)越的安全性和經(jīng)濟(jì)性，屬于典型的第三代核電。日本福島事故后，國(guó)際社會(huì)對(duì)核電的安全性更加重視，安全性能更高的第三代核電技術(shù)倍受重視而成為市場(chǎng)主流。

AP1000是由美國(guó)西屋公司開(kāi)發(fā)的先進(jìn)的非能動(dòng)壓水堆機(jī)組，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，單機(jī)發(fā)電功率約為1 250MW，設(shè)計(jì)壽命達(dá)60年，是我國(guó)將來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)核電建設(shè)的主力機(jī)型之一。目前在浙江三門(mén)建設(shè)的AP1000核電廠1號(hào)機(jī)組將成為世界上首臺(tái)并網(wǎng)發(fā)電的AP1000核電機(jī)組。上海電氣核電設(shè)備有限公司承接的AP1000穩(wěn)壓器是三門(mén)1號(hào)機(jī)組中唯一的一個(gè)國(guó)產(chǎn)關(guān)鍵核島主設(shè)備，上海重型機(jī)器廠有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)上重）作為上海電氣旗下的大型鑄鍛件專(zhuān)業(yè)制造企業(yè)，依托三門(mén)AP1000核電項(xiàng)目，成功研制出世界首套AP1000穩(wěn)壓器大鍛件。

1 AP1000穩(wěn)壓器大鍛件技術(shù)特點(diǎn)

1.1 AP1000穩(wěn)壓器概況

目前國(guó)內(nèi)運(yùn)行及在建的核電廠主要為壓水堆，穩(wěn)壓器位于壓水堆反應(yīng)堆一回路，連接壓力容器與蒸汽發(fā)生器，基本功能是建立并維持一回路系統(tǒng)的壓力，避免冷卻劑在反應(yīng)堆內(nèi)發(fā)生容積沸騰，屬于保證整個(gè)核電廠安全運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備。

AP1000穩(wěn)壓器是一個(gè)鍛焊結(jié)構(gòu)的立式圓筒，上下分別是半球形的封頭，總高12.1 m，最大外徑?2.34 m。穩(wěn)壓器下封頭底部波動(dòng)管接管與波動(dòng)管對(duì)接后與一環(huán)路熱管段相連，穩(wěn)壓器上封頭設(shè)有噴淋管道以及能提供超壓保護(hù)的安全閥組。

圖1 AP1000核島主設(shè)備分布

二代和二代改進(jìn)型核電穩(wěn)壓器為板焊+鍛焊結(jié)構(gòu)，其中筒體采用鋼板卷焊制成，封頭則由半球形封頭與若干個(gè)接管鍛件組焊而成。AP1000穩(wěn)壓器為提高安全裕度，全部采用鍛焊結(jié)構(gòu)，減少了主要焊縫數(shù)量并避免了縱焊縫。

圖2 AP1000核電穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)及大鍛件分布

1.2 鍛件技術(shù)特點(diǎn)和制造難點(diǎn)

(1)概況

建造AP1000穩(wěn)壓器所需的大鍛件包括兩個(gè)封頭（上、下封頭）和三個(gè)筒體（上、中、下筒體），鍛件材料為SA-508MGr3Cl2。與二代改進(jìn)型核電相比，由于設(shè)計(jì)安全裕度更高、壽命更長(zhǎng)，AP1000穩(wěn)壓器鍛件性能要求較二代和二代改進(jìn)型核電有較大提高，除此之外，AP1000穩(wěn)壓器采用了一體化設(shè)計(jì)以減少主要焊縫，導(dǎo)致封頭幾何形狀十分復(fù)雜。

表1 AP1000、二代改進(jìn)型核電穩(wěn)壓器鍛件主要技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

(2)化學(xué)成分

AP1000穩(wěn)壓器鍛件材料為SA-508MGr3Cl2，主要合金成分與制造二代改進(jìn)型核電穩(wěn)壓器的16MND5相近，但有害元素的控制要求更高，提高了冶煉難度。

(3)力學(xué)性能

AP1000穩(wěn)壓器鍛件力學(xué)性能要求較二代改進(jìn)型核電提高幅度較大，如室溫拉伸試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度下限從552MPa提高至620MPa，落錘試驗(yàn)RTNDT考核值從≤-12℃提高至≤-21℃。更嚴(yán)格的性能要求意味著AP1000穩(wěn)壓器鍛件對(duì)冶煉成分控制、熱處理技術(shù)提出了更高的要求。

表2 AP1000、二代改進(jìn)型核電穩(wěn)壓器鍛件主要成分對(duì)比 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

(4)封頭鍛件

AP1000穩(wěn)壓器封頭鍛件采用一體化設(shè)計(jì)，要求將二代改進(jìn)型核電中焊接到球形封頭上的接管改為直接鍛出，其中上封頭帶有兩個(gè)安全閥接管和一個(gè)噴淋管接管，下封頭帶有一個(gè)波動(dòng)管接管和四個(gè)方形底座。改為一體化設(shè)計(jì)后，穩(wěn)壓器封頭鍛件的幾何形狀十分復(fù)雜，成型難度顯著增加。

表3 AP1000、二代改進(jìn)型核電穩(wěn)壓器鍛件主要力學(xué)性能指標(biāo)對(duì)比

(5)筒體鍛件

AP1000穩(wěn)壓器筒體鍛件調(diào)質(zhì)尺為? 2 805/?2 510×4 015mm，鍛造成型方法與二代改進(jìn)型蒸發(fā)器筒體鍛件相同。除性能要求高帶來(lái)的難度外，由于其調(diào)質(zhì)壁厚僅為148mm，而筒身高度超過(guò)4m，加熱至高溫狀態(tài)時(shí)鍛件整體剛度較弱，易發(fā)生較為嚴(yán)重的熱處理變形，如何有效控制熱處理變形將是筒體鍛件需要克服的主要制造難點(diǎn)。

2 技術(shù)準(zhǔn)備

整個(gè)鍛件的研制依托三門(mén)核電穩(wěn)壓器項(xiàng)目進(jìn)行。在正式進(jìn)行試制之前，必須進(jìn)行必要的技術(shù)準(zhǔn)備工作。

2.1 確定工藝路線

根據(jù)工藝裝備特點(diǎn)和核電大鍛件的技術(shù)要求，AP1000穩(wěn)壓器大鍛件的制造工藝流程如下：

雙真空冶煉、注錠→鍛造→鍛后熱處理→粗加工→性能熱處理 取樣、性能試驗(yàn)→精加工→終檢測(cè)（包括無(wú)損檢測(cè)、尺寸檢查等）

其中冶煉、鑄錠、鍛造、性能熱處理是保證獲得合格鍛件的關(guān)鍵工序。

2.2 成分設(shè)計(jì)和優(yōu)化

SA508MGr3Cl2鋼是一種低合金鋼，主要合金元素為C、Mn、Mo、Ni以及其他微量元素。不同合金的具體含量的直接影響了鍛件的最終性能，故需要在規(guī)范允許的范圍內(nèi)調(diào)整合金的具體含量以盡量挖掘材料潛力。主要合金的作用如下：

C：這是最重要的強(qiáng)化元素，但過(guò)多的C會(huì)使鋼的韌性下降。因此在保證強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡可能的選取相對(duì)較低的碳含量。

Mn：可以較強(qiáng)的提高鋼的淬透性，可強(qiáng)化基體、使鐵素體韌性特別是低溫韌性提高。同時(shí)，Mn會(huì)促成P和其他雜質(zhì)原子在原奧氏體晶界產(chǎn)生偏聚，降低晶界內(nèi)聚力，增加回火脆性，為了彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，提高M(jìn)o含量，通過(guò)Mo的固溶抑制P和其他雜質(zhì)原子的晶界偏聚。由于SA508MGr3Cl2本身合金含量偏低，Mn的作用至為關(guān)鍵，宜將Mn控制在成分范圍的上限。

Mo：可以提高淬透性、耐熱性和減小回火脆性。為保證鍛件具有足夠的抗回火脆性，應(yīng)將Mo控制在規(guī)范要求的中上限。

Ni：鎳能提高碳的活度，增強(qiáng)碳原子在位錯(cuò)周?chē)钠郏璧K位錯(cuò)移動(dòng)，從而起到間接固溶強(qiáng)化作用。在強(qiáng)化的同時(shí)，能提高鐵素體韌性特別是低溫韌性，所以將鎳含量控制在成分范圍的上限對(duì)鍛件的性能有利。

除此之外， P、S、Sn、Sb、As等有害元素將惡化鋼的韌性，含量應(yīng)盡量低。

2.3 材料相變研究

為研究SA508MGr3Cl2材料的相變行為，給制定熱處理工藝提供科學(xué)依據(jù)，故在 Gleeble-3500 熱模擬試驗(yàn)機(jī)上采用膨脹法測(cè)量了SA508MGr3Cl2材料的連續(xù)冷卻曲線（CCT曲線）見(jiàn)圖3。

圖3 SA508MGr3Cl2材料的CCT曲線

由CCT曲線可以看出：等速連續(xù)冷卻過(guò)程中SA508MGr3Cl2鋼貝氏體轉(zhuǎn)變的冷速區(qū)域很大，即在0.5～20℃/s 之間可以獲得完全的貝氏體組織，但溫度范圍較窄（400～600 ℃），要避免出現(xiàn)先共析與共析組織必須冷卻速度大于 0.5℃/s。

AP1000穩(wěn)壓器力學(xué)性能要求很高，應(yīng)盡量提高冷卻速度以獲得轉(zhuǎn)變溫度較低的下貝氏體組織。

2.4 封頭成型工藝路線

AP1000穩(wěn)壓器封頭鍛件由于幾何形狀復(fù)雜，已不能采用傳統(tǒng)的沖壓成型方案獲得所需尺寸的鍛件。如何完成封頭成型是鍛件研制過(guò)程中需要解決的首要難題。

此類(lèi)異型封頭的成型存在兩種技術(shù)路線，一是設(shè)計(jì)出復(fù)雜的成型模具和鍛造工藝實(shí)施仿形鍛造，二是將異型封頭包含在一個(gè)尺寸較大的實(shí)心圓柱體中，然后使用機(jī)械加工方法成型。前者如法國(guó)克魯索在制造二代核電水室封頭時(shí)，設(shè)計(jì)了復(fù)雜的專(zhuān)用成型模具和沖孔翻邊工藝，將封頭上的管嘴直接鍛出，而日本制鋼所則采用了第二種方案。

上述兩種方法各有利弊，仿形鍛造而成的鍛件外形與交貨尺寸接近，鋼錠利用率高，后續(xù)機(jī)械加工量小，制造周期短。但實(shí)施鍛造前需要設(shè)計(jì)、制造復(fù)雜、昂貴的專(zhuān)用成型模具，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較大。雖然所需鋼錠較小，但考慮到制造模具所需的費(fèi)用，制造成本亦十分高昂。加工成型方案需要更大的鋼錠，鋼錠利用率較仿形方案至少降低一倍，后續(xù)機(jī)械加工量很大，同時(shí)鍛造而成的圓柱形鍛件毛坯由于厚度大，其中心很難壓實(shí)，如何滿(mǎn)足嚴(yán)格的無(wú)損檢測(cè)要求，是設(shè)計(jì)鍛造工藝時(shí)需要解決的重要課題。

3 制造過(guò)程

3.1 雙真空冶煉、注錠

核電大鍛件對(duì)材料的純凈度要求非常高，一般選用真空冶煉+真空澆注（即雙真空冶煉）工藝制造所需高純凈度鋼錠。制造AP1000穩(wěn)壓器大鍛件需要200 t級(jí)雙真空鋼錠。

AP1000穩(wěn)壓器大鍛件要求有害元素含量控制到一個(gè)極低的水平，同時(shí)為滿(mǎn)足嚴(yán)格的性能要求，必須嚴(yán)格按照成分優(yōu)化目標(biāo)值將合金元素控制在規(guī)范上限。要實(shí)現(xiàn)上述工藝目的，首先應(yīng)精選爐料，選用合理配比的優(yōu)質(zhì)重廢鋼、輕廢鋼和優(yōu)質(zhì)生鐵，然后在電爐中粗煉鋼水（見(jiàn)圖4），冶煉過(guò)程盡量降低P、S含量，并將Cr、Mo 等元素含量調(diào)整至接近規(guī)定值。鋼水粗煉結(jié)束后轉(zhuǎn)入精煉爐進(jìn)行真空精煉（見(jiàn)圖5）。精煉目的是進(jìn)一步去S，同時(shí)調(diào)整合金成分以符合內(nèi)控指標(biāo)要求。當(dāng)精煉鋼水出鋼溫度、化學(xué)成分滿(mǎn)足規(guī)定要求時(shí)，鋼水在真空澆注室內(nèi)進(jìn)行澆注。

采用上述技術(shù)制造出的鋼錠純凈度優(yōu)良，P≤0.005%，S≤0.002%。

圖4 電爐粗煉鋼水

圖5 精煉爐精煉鋼水

3.2 鍛造

3.2.1 封頭鍛件

為保證全球首套AP1000穩(wěn)壓器的按期開(kāi)工，上重選用了技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小的機(jī)械加工成型方案，所需的雙真空鋼錠為200t級(jí)。采用此方案后，雖然避開(kāi)了管嘴成型的難題，但由于鍛件外形由碗狀封頭改為圓柱形實(shí)心鍛件，中心鍛透、壓實(shí)難度顯著提高。

為充分打碎鋼錠原始鑄態(tài)組織，鍛合鋼錠中的疏松、氣孔等缺陷，故采用墩粗、寬砧強(qiáng)壓（WHF）、中心壓實(shí)鍛造法（JTS）等多種鍛造工藝方法，保證中心位置也有足夠的鍛比，從而獲得所需的中心壓實(shí)效果。

圖6 穩(wěn)壓器上封頭鍛件毛坯尺寸

圖7 穩(wěn)壓器下封頭鍛件毛坯尺寸

圖8 165MN壓機(jī)和630t·m操作機(jī)對(duì)穩(wěn)壓器封頭鍛件實(shí)施鍛造

3.2.2 筒體鍛件

AP1000穩(wěn)壓器筒體鍛件與其他核電主設(shè)備如蒸發(fā)器、壓力容器筒體鍛件相比尺寸較小，且形狀比較簡(jiǎn)單，鍛造成型制造難度較小。AP1000穩(wěn)壓器筒體鍛件的鍛造過(guò)程如下：

(1)熱送鋼錠，切頭、切尾，獲得所需坯料；

(2)對(duì)坯料進(jìn)行鐓粗、拔長(zhǎng)；

(3)鐓粗、沖孔；

(4)將沖孔后的坯料套在一個(gè)芯棒上，轉(zhuǎn)動(dòng)所述芯棒，使得坯料也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)三點(diǎn)砧相對(duì)于所述芯棒對(duì)套在所述芯棒上的坯料多次施加壓力，形成圓形筒體；

(5)鍛件外形精整完工。

合理使用三點(diǎn)砧保證筒體圓度是鍛造工藝實(shí)施過(guò)程中需重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

圖9 穩(wěn)壓器筒體在165MN自由鍛油壓機(jī)上鍛造成型

3.3 性能熱處理

3.3.1 封頭鍛件的熱處理

與二代改進(jìn)型核電相比，AP1000穩(wěn)壓器大鍛件對(duì)材料的強(qiáng)度、韌性配比的要求顯著提高。SA508MGr3Cl2材料合金含量較少，本質(zhì)上屬于中等淬透性能的鋼種，如何同時(shí)滿(mǎn)足鍛件嚴(yán)格的強(qiáng)度、韌性要求，是設(shè)計(jì)熱處理工藝所需解決的首要問(wèn)題。

AP1000穩(wěn)壓器上、下封頭均屬于異型封頭，不但需要在碗口處取樣，管嘴上亦需要取樣進(jìn)行相關(guān)性能檢測(cè)。在大型通用水槽中淬火時(shí)，穩(wěn)壓器封頭由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，鍛件表面尤其是管嘴附近流場(chǎng)往往不佳，再加上封頭淬火時(shí)常見(jiàn)的蒸汽膜富集問(wèn)題，冷卻效果很差，性能難以合格。為解決穩(wěn)壓器封頭熱處理難題，上重公司與上海交通大學(xué)開(kāi)展合作，根據(jù)穩(wěn)壓器封頭形狀設(shè)計(jì)、制造了專(zhuān)用水槽噴射裝置，引導(dǎo)高速水流對(duì)封頭鍛件表面進(jìn)行強(qiáng)有力的沖刷，改善鍛件表面附近的流場(chǎng)，有效打破阻礙熱交換的蒸汽膜，從而獲得強(qiáng)烈的淬火水冷效果。

圖10 穩(wěn)壓器封頭淬火

表4 AP1000穩(wěn)壓器典型鍛件主要力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

在電子掃描顯微鏡（SEM）下觀察封頭鍛件金相組織，主要為下貝氏體組織，貝氏體鐵素體條成明顯針狀，析出的碳化物分布均勻、致密，基本沿針狀貝氏體鐵素體條平行排列，具有明顯的方向性。這種組織是在較高的冷速下條件下形成的。

圖11 穩(wěn)壓器封頭鍛件金相照片（SEM）

最終力學(xué)檢測(cè)和金相分析結(jié)果表明，上述強(qiáng)冷淬火工藝方案取得了良好的效果，封頭鍛件強(qiáng)韌性水平較考核要求均有較大富余量。

3.3.2 筒體鍛件的熱處理

與封頭相比，筒體鍛件在水槽中的流場(chǎng)要好得多，且不存在蒸汽膜富集的問(wèn)題，易獲得較好的淬火效果，獲得所需力學(xué)性能的難度相對(duì)較低，但由于整體剛度較低，如何控制熱處理變形是需要重視的問(wèn)題。

為防止穩(wěn)壓器筒體在熱處理加熱、冷卻過(guò)程中發(fā)生過(guò)大的變形，上重公司已摸索出一整套行之有效的熱處理變形預(yù)防方法，控制要點(diǎn)如下：

(1)工件在熱處理爐中水平擺放，支撐點(diǎn)均勻分布，保證工件受力均勻；

(2)避免偏心裝爐，保證加熱的均勻性；

(3)強(qiáng)化熱處理淬火轉(zhuǎn)移操作，保證工件進(jìn)入水槽中心，保證工件冷卻的均勻性。

(4)機(jī)械加工

AP1000穩(wěn)壓器上、下封頭形狀復(fù)雜，且由于采用加工成型方案，在調(diào)質(zhì)之前，穩(wěn)壓器封頭鍛件必須從圓柱體加工至盡量接近交貨狀態(tài)的尺寸，故粗加工工序的機(jī)械加工量大，技術(shù)難度高。為保證封頭加工的質(zhì)量和速度，上重設(shè)計(jì)的機(jī)械加工方案如下：

(1)熱切割制坯

對(duì)于鍛出的圓柱形毛坯，采用熱切割的方法去除大部分余料。為避免熱影響區(qū)影響封頭鍛件本體，切割后的坯料應(yīng)留有足夠的余量。

(2)碳弧氣刨成型

碳弧氣刨是利用在碳棒與工件之間產(chǎn)生的電弧熱將金屬熔化，同時(shí)用壓縮空氣將這些熔化金屬吹掉，從而在金屬上刨削出溝槽的一種熱加工工藝。碳弧氣刨操作靈活，可將封頭幾何形狀基本加工出，加工效率數(shù)倍于機(jī)床，但為避免碳弧氣刨帶來(lái)的增碳和熱影響區(qū)影響封頭鍛件本體，需留有足夠的余量待后續(xù)機(jī)床加工。

(3)數(shù)控機(jī)床加工完工

穩(wěn)壓器上、下封頭形狀復(fù)雜，尺寸精度要求很高，最后一步的粗加工和最終的精加工均需在數(shù)控機(jī)床上完成。

圖12 上封頭鍛件在數(shù)控機(jī)床上加工曲面

圖13 精加工結(jié)束的穩(wěn)壓器上封頭鍛件

圖14 完工的穩(wěn)壓器下封頭鍛件

圖15 完工的穩(wěn)壓器筒體鍛件

4 結(jié) 語(yǔ)

AP1000作為我國(guó)引進(jìn)的第三代核電，已成為未來(lái)中國(guó)核電站主力堆型之一。盡快實(shí)現(xiàn)AP1000核電主設(shè)備大鍛件的國(guó)產(chǎn)化，對(duì)快速推進(jìn)AP1000核電建設(shè)，緩解我國(guó)能源緊缺和環(huán)境惡化的處境，支持我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展將起到舉足輕重的作用。穩(wěn)壓器是采用大鍛件制造的AP1000核電關(guān)鍵主設(shè)備，由于性能要求提高和一體化設(shè)計(jì)帶來(lái)的復(fù)雜幾何外形，AP1000穩(wěn)壓器大鍛件制造難度較二代加核電明顯增加。

經(jīng)過(guò)兩年的技術(shù)攻關(guān)，上海重型機(jī)器廠有限公司通過(guò)在冶煉、鍛造、熱處理、機(jī)械加工等多個(gè)工序上開(kāi)展自主創(chuàng)新，成功完成了世界首套AP1000穩(wěn)壓器大鍛件的研制，鍛件各項(xiàng)性能滿(mǎn)足AP1000穩(wěn)壓器鍛件采購(gòu)技術(shù)規(guī)范要求且有較大富余量，綜合技術(shù)水平達(dá)到世界先進(jìn)水平。