環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心 （北京 100082） 張文廣 焦殿輝 郭德朋 陳陽(yáng)陽(yáng) 楊承剛

AP1000蒸汽發(fā)生器是Δ125型，屬于安全A級(jí)和抗震I類設(shè)備，設(shè)計(jì)壽命60年，主要由水室封頭組件、筒體組件、管束組件及汽水分離器等組成。其中，一次側(cè)（由水室封頭和管束組件組成）與反應(yīng)堆主冷卻劑接觸，主要作用是將一回路的熱量傳遞給二回路介質(zhì)，同時(shí)作為第二道安全屏障包容放射性物質(zhì)，其性能及可靠性對(duì)于蒸汽發(fā)生器至關(guān)重要。

AP1000蒸汽發(fā)生器水室封頭是整體鍛造成形，其技術(shù)水平代表了當(dāng)代鍛造技術(shù)的最高水準(zhǔn)。因此，在鍛造過(guò)程中，需要解決冶煉、鍛造、調(diào)質(zhì)處理、成形加工等許多方面的技術(shù)難題。目前，我國(guó)在建的AP1000堆型核電項(xiàng)目——三門(mén)和海陽(yáng)項(xiàng)目使用的蒸汽發(fā)生器水室封頭鍛件還主要依賴于進(jìn)口，可見(jiàn)此鍛件的制造難度之高，鍛造難度之大。本文將根據(jù)此部件的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合國(guó)外廠家的制造經(jīng)驗(yàn)，探討分析其制造工藝，以供參考。

1. 水室封頭的設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）結(jié)構(gòu)參數(shù) 水室封頭三維有限元模型見(jiàn)圖1，基本結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。可以看出，水室封頭的水室隔板一側(cè)有一個(gè)冷卻劑進(jìn)水管嘴和一個(gè)入孔，另一側(cè)有兩個(gè)冷卻劑出水管嘴，一個(gè)入孔，一個(gè)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)（PRHR）接管嘴，在封頭底部中心位置有一個(gè)支承凸臺(tái)。封頭最小壁厚為254.1mm，重約為60t。從有限元模型可以看出，網(wǎng)格線比較密集的地方是應(yīng)力集中區(qū)，在蒸汽發(fā)生器運(yùn)行過(guò)程中，其承受著復(fù)雜的應(yīng)力、水力、熱力或地震載荷，在任何工況下都要保持結(jié)構(gòu)完整性，以包容放射性物質(zhì)。因此，封頭制造過(guò)程中不能存在任何不可接受的缺陷。

圖1 AP1000蒸汽發(fā)生器水室封頭三維有限元模型

（2）材料參數(shù) 水室封頭材料為ASME SA-508M Gr.3 Cl.2低合金鋼鍛件，其化學(xué)成分要求及某制造廠實(shí)測(cè)值見(jiàn)表2，力學(xué)性能要求及實(shí)測(cè)值見(jiàn)表3。從表中可看出，60年設(shè)計(jì)壽命和尺寸加大對(duì)鍛件提出了更高的性能要求。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道這種鋼材通過(guò)減少C、Cr、Mo、V等元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和堆焊不銹鋼耐腐蝕層以降低裂紋發(fā)生率。對(duì)SA-508M Gr.3鋼淬火處理后，若冷卻速度不足會(huì)導(dǎo)致鐵素體和珠光體組織出現(xiàn)，而這種組織會(huì)降低鋼的強(qiáng)度和韌性，所以要求采用優(yōu)化的調(diào)質(zhì)熱處理工藝。由表3中實(shí)測(cè)值及研究結(jié)果表明，SA-508M Gr.3鋼的強(qiáng)度、斷裂韌度都很高，具有很高的安全性。

表1 水室封頭基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 SA-508M Gr.3 Cl.2低合金鋼鍛件化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表3 SA-508M Gr.3 CL.2低合金鋼鍛件力學(xué)性能

2. 制造工藝分析

（1）制造工藝流程 水室封頭鍛件制造工藝流程如圖2所示。可以看出，此鍛件與一般鍛件的制造工藝類似，均需經(jīng)過(guò)鋼錠制備、熔煉分析、鍛造、正火及調(diào)質(zhì)處理、產(chǎn)品性能分析及無(wú)損檢測(cè)等過(guò)程。而這一過(guò)程中，關(guān)鍵是對(duì)鋼錠制備、鍛造、正火及調(diào)質(zhì)處理的掌握，鍛造又是其中最重要的核心工藝。國(guó)外生產(chǎn)的SA-508M Gr.3 Cl.2鋼之所以具有優(yōu)越的綜合性能，主要是通過(guò)嚴(yán)格控制冶煉工藝和采用先進(jìn)的熱處理工藝保證最終組織為下貝氏體。下面將逐一進(jìn)行分析。

（2）鋼錠制備 作為蒸汽發(fā)生器鍛件，要求SA-508M Gr.3 Cl.2鋼應(yīng)具有較低的無(wú)延性轉(zhuǎn)變溫度（NDTT），且由于冶金和凝固特性決定了鋼錠中不可避免地存在孔隙、夾雜、偏析及組織等缺陷，并且鋼錠越大缺陷越嚴(yán)重。因此，必須嚴(yán)格控制冶煉、澆注過(guò)程，目前國(guó)內(nèi)外普遍使用雙真空冶煉澆注技術(shù)。通過(guò)精選原材料和鐵合金，最大限度去除非金屬夾雜物，以提高鋼液純凈度。同時(shí)，改進(jìn)和優(yōu)化冶金及凝固過(guò)程，進(jìn)一步降低夾雜性缺陷對(duì)鍛件質(zhì)量造成的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）鍛造 大型整鍛封頭的成形工藝一般包括預(yù)鍛、終鍛等成形過(guò)程。對(duì)于AP1000蒸汽發(fā)生器水室封頭來(lái)說(shuō)，由于毛坯件的單體質(zhì)量很大，為了獲得質(zhì)量合格的鍛件，必須做好以下兩方面工作：一是鍛前預(yù)熱。鍛件進(jìn)行鍛造前應(yīng)先加熱，通過(guò)控制加熱溫度、最大升溫速度、保溫時(shí)間和采用快速加熱、介質(zhì)保護(hù)等方法，保證加熱的均勻性，減少氧化燒損，在較高的始鍛溫度下保證足夠的保溫時(shí)間，并保證坯料溫度均勻，以便于偏析擴(kuò)散。一般鍛造溫度控制在800~1200℃。二是控制鍛造比。鍛造比對(duì)塑性指標(biāo)影響較為明顯，而對(duì)于強(qiáng)度指標(biāo)影響較小。研究表明，鍛造比為1.5~3時(shí)，會(huì)顯著改善鋼錠原始組織和鍛件性能，鍛造比在4～6時(shí)變化趨于緩和，大于6時(shí)幾乎不再有變化。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，此鍛件的鍛造比應(yīng)不小于3.5。但是，鍛造比增大會(huì)造成材料力學(xué)性能的各向異性，從而加大材料的不均勻性。因此，應(yīng)控制鍛造比在合理的范圍內(nèi)。

（4）鍛后熱處理 由圖2可以看出，廣義的鍛后熱處理應(yīng)包括4個(gè)階段：正火及回火、淬火及回火、去應(yīng)力熱處理及試樣模擬焊后熱處理。其中，前三個(gè)階段的熱處理結(jié)果直接決定著鍛件的金相組織與力學(xué)性能。

正火及回火。某國(guó)外制造廠進(jìn)行正火及回火熱處理工藝如圖3所示。正火加熱保溫溫度為890~940℃，保溫時(shí)間45h，空氣冷卻。回火處理保溫溫度為600~648℃，保溫時(shí)間38h，爐內(nèi)冷卻。通過(guò)正火處理，使晶粒細(xì)化和碳化物分布均勻化，減少了帶狀組織或魏氏組織等缺陷，獲得鐵素體和索氏體組織。通過(guò)高溫回火，消除了正火冷卻時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，同時(shí)使鍛件的尺寸和性能穩(wěn)定，獲得具有綜合力學(xué)性能的回火索氏體組織，從而提高韌性、塑性。

淬火及回火。淬火及回火熱處理工藝如圖4所示。淬火加熱溫度880~890℃，保溫時(shí)間10.5h，水冷?；鼗鸨販囟?35~647℃，保溫時(shí)間13.5h，空冷。通過(guò)淬火及回火處理，獲得強(qiáng)度和硬度很高的馬氏體或者下貝氏體組織。

圖4 淬火+回火熱處理工藝

去應(yīng)力熱處理。鍛件在機(jī)加完畢后，為消除機(jī)加過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)組織性能的影響，需進(jìn)一步進(jìn)行去應(yīng)力熱處理，如圖5所示。熱處理溫度580~598℃，保溫時(shí)間3h，爐冷。去應(yīng)力熱處理是整個(gè)鍛件制造過(guò)程中最后一道熱處理工序，通過(guò)去應(yīng)力退火可獲得性能良好的結(jié)構(gòu)組織。

圖5 去應(yīng)力熱處理工藝

3. 制造要點(diǎn)分析

（1）鋼錠制備要點(diǎn) 為防止鋼液氧化，必須去除鋼液中的氧氣和其他有害氣體（如H2，N2），從而得到純凈度較高的鋼。澆注時(shí)應(yīng)采用合理的澆注工藝，適當(dāng)控制碳及其他元素的成分和出鋼溫度，以減少鋼錠在凝固過(guò)程中形成的各種偏析。同時(shí)，應(yīng)做好澆口及冒口的標(biāo)識(shí)以利于去除澆冒口。鋼錠在鍛造過(guò)程中，為保證優(yōu)質(zhì)金屬保留在最終的鍛件上，一般冒口比例設(shè)定為17%～24%。

（2）鍛造要點(diǎn) 鍛造過(guò)程是一個(gè)典型的高溫塑性變形過(guò)程，因孔洞、夾雜物及粗大晶界的存在，塑性變形過(guò)程中這些缺陷都可能引起內(nèi)部應(yīng)力變化并導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展。因此，必須采取以下措施提高鍛件質(zhì)量：①改善鍛模形狀，抑制其與試件接觸處的裂紋產(chǎn)生。同時(shí)，降低鍛件心部的壓力，提高變形的均勻性。②嚴(yán)格控制變形量，減少片狀?yuàn)A雜物形成，減小應(yīng)力、應(yīng)變集中。③控制終鍛火次和變形量，修復(fù)可見(jiàn)的夾雜性缺陷，避免混晶現(xiàn)象的發(fā)生。④采用多次中心壓實(shí)拔長(zhǎng)加鐓粗的特殊鍛造工藝保證鍛造效果。

（3）熱處理要點(diǎn) 水室封頭鍛件厚大，淬透性差，因此熱處理過(guò)程中一定要注意以下幾點(diǎn)：①熱處理前應(yīng)檢查鍛件表面，消除缺陷后進(jìn)行裝爐熱處理。同時(shí)控制鍛件的入爐溫度。②淬火及回火熱處理（調(diào)質(zhì)處理）前應(yīng)進(jìn)行正火及高溫回火處理，以細(xì)化晶粒，增強(qiáng)調(diào)質(zhì)熱處理的效果。③調(diào)質(zhì)處理過(guò)程中嚴(yán)格控制淬火溫度和保溫時(shí)間，避免晶粒長(zhǎng)大，同時(shí)嚴(yán)格控制冷卻水溫、鍛件停留時(shí)間，并加強(qiáng)水槽中冷卻水循環(huán)和控制鍛件出水溫度。高溫回火溫度要嚴(yán)格控制為635～650℃。

4. 結(jié)語(yǔ)

AP1000蒸汽發(fā)生器水室封頭鍛件鍛造工藝復(fù)雜，影響其鍛造質(zhì)量的因素非常多，如鋼錠質(zhì)量、鍛造方法、鍛造溫度、變形量、鍛模類型與寬度、鍛后熱處理等。這些因素對(duì)鍛件內(nèi)部溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及金屬的流動(dòng)均有不同程度的影響，進(jìn)而影響鍛件質(zhì)量。根據(jù)某國(guó)外制造廠的制造經(jīng)驗(yàn)，從鋼錠制備、鍛造、鍛后熱處理等方面進(jìn)行了分析與探討，認(rèn)為為消除鍛件內(nèi)部存在的各種缺陷，必須從以上工序著手，嚴(yán)格制訂工藝程序并認(rèn)真執(zhí)行，使缺陷類型和數(shù)量限定在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的限值范圍內(nèi)并盡量低，才能使水室封頭鍛件的質(zhì)量滿足核電廠長(zhǎng)壽命的運(yùn)行要求。