張靈芳 陳永波 宋雷鈞 周天煜 上海重型機器廠有限公司 (201245）

張靈芳（1966年～），女，本科，工程師，主要從事大型不銹鋼鍛件研制。

0 引 言

長期以來，中國的能源結構以煤炭等化石能源為主，對生態(tài)環(huán)境帶來了很大的壓力，難以滿足國民經濟的健康、持續(xù)發(fā)展。大力發(fā)展高效、清潔的能源——核電是我國現(xiàn)階段解決能源緊缺、改善能源結構的戰(zhàn)略選擇。日本“福島”事故后，國際社會對核電的安全性更加重視，安全性能更高的第三代核電技術倍受重視而成為市場主流。中國目前的核電發(fā)展將著力于第三代核電站的設計和建設。

AP1000是由美國西屋公司開發(fā)的非能動壓水堆機組，采用ASME標準設計，單機發(fā)電功率約為1 250MW，設計壽命達60年，是我國將來較長一段時間內核電建設的主力機型之一。AP1000核電采用創(chuàng)新的理念設計，其中最重大的變革是將鑄件改為鍛件，對主管道的制造提出更高的要求。AP1000核電主管道一直是國內外制造行業(yè)討論的熱點問題。

為促進AP1000主管道國產化工作，國家核電技術公司在國家重大科技專項設備制造類項目中安排了AP1000主管道研制課題，并組織國內主要重機企業(yè)開展技術攻關工作，上重公司承擔了其中冶煉、鍛造工藝攻關任務，彎管、固溶工藝攻關由其他單位實施。本文介紹了主管道鍛件的技術特點和上重公司主管道鍛件冶煉、鍛造工藝攻關情況。

1 技術特點

1.1 主管道概況

AP1000核電反應堆冷卻劑系統(tǒng)由2條環(huán)路組成，每條環(huán)路包括1臺蒸汽發(fā)生器、2臺主泵和將這些設備與反應堆壓力容器連接起來的反應堆冷卻劑管道，即通常所說的主管道。主管道的用途是輸送反應堆堆芯中加熱后的冷卻劑，從反應堆壓力容器的出口端通過管道送入蒸汽發(fā)生器的進口端，進行熱交換后再由蒸汽發(fā)生器的出口端流出，再進入主泵后，把冷卻劑送入反應堆壓力容器，由此形成了反應堆冷卻劑的一次循環(huán)。主管道作為反應堆冷卻劑系統(tǒng)的壓力邊界之一，是防止裂變產物外泄的第二道屏障，是關系到整個核電站是否能長期、安全服役的關鍵設備之一（見圖1）。

圖1 AP1000核電反應堆冷卻劑系統(tǒng)

目前國內生產的二代、二代改進型核電站主管道均采用鑄件，AP1000核電站為提高在設計基準事故乃至超設計基準事故狀況下的安全性和可靠性，改為采用超低碳控氮不銹鋼整體鍛造大鍛件。

1.2 主管道鍛件的技術特點

一套AP1000核電主管道包括2根熱段和4根冷段，其中熱段A為帶2個互成45°夾角直管的異型管件（見圖2），是主管道鍛件中尺寸較大、形狀較為復雜的鍛件，具有一定的制造難度，國內重機企業(yè)均以熱段A為試制件來開展主管道鍛件研制工作。

圖2 AP1000主管道熱段A直管坯的結構

AP1000主管道鍛件采用超低碳控氮奧氏體不銹鋼制造，其中主管道熱段和冷段的材料應符合ASME SA-376 TP316LN中的相應要求，且為滿足在強輻照環(huán)境下長期服役的需要，制造技術規(guī)范對有害元素的含量做了進一步的限制，熱段和冷段的化學成分如表1所示。除表1所述要求外，主管道鍛件As、Sn、Sb、Pb要求為單個元素重量百分比含量≤0.005。

表1 主管道化學成分要求

主管道需要ASTM E112測定晶粒度，測試位置至少要包括：熱段支管延長段、管嘴部位（長度和徑向延長部位）。熱段、冷段管件和接管嘴的晶粒度應滿足ASTM 2級或更細（4級或以上更好）。

固溶熱處理后的主管道熱段和冷段的力學性能應符合ASME SA-376 TP316LN中的相應要求，如表2所示。

表2 熱段和冷段的力學性能要求

腐蝕敏化試驗按照ASTM A262進行，敏化制度為675℃×1h，然后進行晶間腐蝕試驗，以確認主管道鍛件材料無晶間腐蝕傾向。

2 制造難點和關鍵技術

2.1 冶煉技術

制造AP1000核電主管道需要大型優(yōu)質不銹鋼鋼錠，國內外一般采用電爐粗煉+爐外精煉或電渣重熔的工藝方案。根據(jù)其裝備特點，采用了電爐粗煉+電渣重熔工藝。

主管道用TP316LN鋼屬于控氮型超低碳奧氏體不銹鋼，如何在大型鋼錠電渣重熔過程中實現(xiàn)超低碳和精確控氮是需要解決的首要技術難題；其次，由于核電大鍛件對鋼水純凈度要求很高，對有害元素如磷、硫均提出了很高的控制要求。如何在電渣重熔過程中將有害元素控制到規(guī)定范圍，是冶煉技術的另一個難點。

2.1.1 超低碳的控制

采用大氣下電渣重熔生產超低碳不銹鋼材料時遇到的一個很大困難就是重熔過程的增碳問題。經驗表明，如不采取有針對性的工藝措施，TP316LN電渣錠在上、中、下部都會出現(xiàn)增碳，下部將存在特別嚴重的增碳現(xiàn)象，最高增碳量達到0.006%。

導致電渣錠增碳的原因主要如下：

(1)造渣原料中具有較高的碳含量，主要來源于氧化鋁粉；

(2)采用石墨電極造渣化渣，加重鋼錠的增碳，尤以底部較為明顯。

由此可見，要解決電渣重熔過程中鋼的增碳問題，實現(xiàn)超低碳控制，應從電渣重熔的原料（自耗電極）和整個電渣重熔過程進行全面質量控制，其中尤以過程中的造渣、補縮二個階段為主；其次是精心設計脫氧制度和重熔供電制度，穩(wěn)定重熔過程中碳的行為。

2.1.2 氮的控制技術

與一般的熔煉方法不同，電渣重熔把精煉和鑄錠合二為一，在同一個水冷銅模中進行，不接觸耐火材料。電渣重熔過程中，金屬是以薄膜形式熔化，以細小熔滴下落穿過渣池，渣-鋼反應接觸界面大，加之渣池過熱度大，電磁力及熱對流的強烈攪拌，電制度、渣制度、溫度制度、脫氧制度和速度制度等 對氮的控制影響非常大。電渣熔池中各合金元素間相互影響，熱力學條件相互牽扯，有的甚至是對立的，控制起來非常復雜。

從原材料化學成分設計、電渣重熔工藝設計和現(xiàn)場操作優(yōu)化等方面著手加強氮的控制：

(1)優(yōu)化自耗電極的化學成分。在研究電渣重熔過程中氮的行為的基礎上，確定自耗電極適宜的氮含量。

(2)改進電渣重熔工藝。設計改良的堿性多元渣系和重熔供電制度，穩(wěn)定重熔過程中的氮的行為。

2.1.3 有害元素的控制

磷、硫是鋼合金中主要的有害雜質。當硫的含量較高時，它會使鋼和合金產生熱脆，顯著降低耐熱強度，并可使可焊性變壞；當磷的含量較高時，會使鋼和合金發(fā)生冷脆，大大降低鋼和合金的塑性。故有必要嚴格控制鋼中磷、硫的含量。AP1000主管道技術條件對磷、硫的含量提出了嚴格的控制要求，要求磷不高于0.025%，硫不高于0.005%。

為實現(xiàn)低磷、低硫，采取的工藝措施如下：

(1)精選輔料，如造渣原料螢石、白剛玉等，將輔料中含有的硫、磷元素干擾降至最低。

(2)考慮到脫硫，應降低鋼水中的含氧量，在熔煉時啟用保護性氣氛。

(3)定期向渣池內加入脫氧劑，脫氧劑隨用隨配，減少外界對其影響。

(4)優(yōu)化供電制度，對爐渣和金屬熔池的溫度以及熔煉速率最佳化控制；同時，試驗優(yōu)選了最佳的爐渣組分配比。

2.2 鍛造技術

為保證鍛造壓實效果，AP1000主管道在具有足夠壓力的自由鍛壓機上進行成型。上重公司配置12 000t自由鍛水壓機和16 500t自由鍛油壓機，并配備了相應的鍛造操作機，在硬件上具備了主管道鍛造能力，但要鍛造出合格的主管道鍛件，需要克服一些重大的技術難題。

2.2.1 鍛造裂紋

TP316LN奧氏體不銹鋼鍛造變形抗力大，比一般碳鋼約高1.6~2倍，可鍛溫度區(qū)間窄，如鍛造溫度控制不當，易產生鍛造裂紋。這種鍛造裂紋在后續(xù)的鍛造過程中極易擴展，嚴重時將造成工件尺寸不足。

對TP316LN材料的鍛造開裂行為，采取了以下工藝措施：

(1)合理設計主管道熱段A試制件的化學成分，嚴格限制惡化鍛造性能的鐵素體含量。

(2)設置合適的鍛造溫度區(qū)間。

(3)設置合理的墩粗、拔長壓下量。

(4)出現(xiàn)裂紋應及時清理，防止裂紋進一步擴展。

2.2.2 晶粒度控制

TP316LN奧氏體不銹鋼在鍛造溫度區(qū)間晶粒容易長大，如鍛造時沒有足夠的變形量，晶粒將迅速長大到不可接受的程度。奧氏體不銹鋼鍛件可鍛性差，最后一次的變形量往往難以保證，從而增大了晶粒度控制難度。

在主管道制坯階段，需要保證晶粒充分再結晶，并且完成晶粒組織控制準備工作；在管嘴成形階段，需要保證管嘴部分最終晶粒度與管身盡量一致，因此，考慮各個因素的影響制定合適的成形步驟。

2.2.3 異型鍛件成型技術

主管道中熱段A為帶支管的異型鍛件，兩個支管互成45°，如鍛造成軸對稱外形再加工出管嘴，則所需鋼錠將顯著增加，造成冶煉、鍛造及后續(xù)機械加工的成本大幅度上升，如想進行將兩個支管直接仿形鍛出，則對鍛造成型技術提出了很高的要求。

主管道熱段A試制件帶有管嘴，且要求管嘴和管身一體化鍛造，則管嘴和管身變形量很難保證一致，要使管嘴和管身滿足同樣的晶粒度要求難度較大，且在制坯和鍛造管嘴階段，塑性變形量分布規(guī)律存在較大差別。因此，在不同階段必須采用不同的控制鍛造工藝參數(shù)設計偏心鍛造工藝，確保鍛件形狀盡量接近交貨形狀。

3 主管道鍛件的制造

通過兩年的研制工作，上重掌握了整套AP1000主管道鍛件的冶煉、鍛造技術，并承制了數(shù)套AP1000主管道整套鍛件的制造任務，并已有整套鍛件交付采購方，典型鍛件的成分如表3所示。

表3 主管道成品化學成分

鍛件按ASTM E112的方法檢驗晶粒度，結果表明，主管道鍛件晶粒度均為2～4級，滿足規(guī)范要求。

為進一步掌握鍛件質量，在鍛件坯料上截取試料進行了模擬固溶熱處理，然后進行了力學性能和晶間腐蝕試驗，熱段模擬固溶熱處理規(guī)范如圖4所示。

圖4 試樣模擬固溶熱處理規(guī)范

力學試驗按ASME SA370標準執(zhí)行，性能結果詳見表4。

試驗結果表明，經過模擬固溶熱處理的試樣機械性能良好，完全符合規(guī)范要求。

表4 力學性能結果

腐蝕敏化試驗按照ASTM A262的要求進行，敏化制度為675℃×1h，然后進行晶間腐蝕試驗，未發(fā)現(xiàn)主管道材料存在晶間腐蝕傾向，圖5～圖7所示為已完工的AP1000主管道鍛件。

圖5 主管道熱段A

圖6 主管道熱段B

圖7 主管道冷段

4 結 論

公司通過在冶煉、鍛造等關鍵工序上開展自主創(chuàng)新，完成了主管道鍛件的研制工作，為實現(xiàn)主管道主設備的國產化提供了可靠的材料保障。