晏桂珍，湯傳樂，陽作勇，楊中偉，高　偉

（山東核電設備制造有限公司，山東 海陽265118）

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試驗與研究

鋼制安全殼封頭瓣片成形

晏桂珍，湯傳樂，陽作勇，楊中偉，高偉

（山東核電設備制造有限公司，山東 海陽265118）

摘要：鋼制安全殼是非能動安全壓水堆核電站非能動安全殼冷卻系統(tǒng)的重要組成部分，是一個帶有上下橢圓形封頭的獨立式圓柱形容器，其大型橢圓形封頭的制造難點是大尺寸、多曲率、高強度、調(diào)質(zhì)處理的中厚板封頭瓣片的成形。通過對各種封頭瓣片沖壓成形方法的分析，針對鋼制安全殼封頭瓣片尺寸、形狀及材質(zhì)方面的特點，介紹了鋼制安全殼封頭瓣片適用的成形方法及要求；介紹了鋼制安全殼封頭瓣片溫模壓成形精度保障措施。通過實踐，驗證了鋼制安全殼封頭瓣片溫模壓成形方法的合理性。

關鍵詞：鋼制安全殼；封頭瓣片；橢圓形瓣片；溫模壓成形

鋼制安全殼是非能動安全壓水堆核電站特有的設備，是一個帶有上下橢圓形封頭的獨立式圓柱形容器，它既是阻止放射性物質(zhì)向環(huán)境釋放的屏障，同時也是最終熱阱（周圍環(huán)境以及外部冷卻水）的非能動安全級換熱界面。鋼制安全殼是整個非能動安全殼冷卻系統(tǒng)的重要組成部分，非能動安全殼冷卻系統(tǒng)的作用是從安全殼移除足夠的熱量，保證在設計基準事故下安全殼不會超壓。

鋼制安全殼的設計、制造標準為ASME標準第三卷NE分卷MC級設備，其殼體材質(zhì)為低合金高強度SA738 Gr.B調(diào)質(zhì)鋼板。其超大型橢圓形封頭的制造是整個設備制造的關鍵內(nèi)容。

對于中、小型球形封頭、橢圓形封頭的成形通常采用整體沖壓或旋壓，而對于大型封頭的成形如采用整體沖壓或旋壓，需要大型壓力機、大型模具或旋壓機，還存在著設備利用率低、壁厚減薄量大、運輸困難等問題，因此大型封頭的制造一般采用先分瓣壓形再拼裝組焊的方法。

以AP1000核電鋼制安全殼為例，其封頭為內(nèi)徑39 624 mm，內(nèi)高11 468 mm的超大型橢圓形封頭，封頭最小壁厚為41.3 mm.整個封頭由4層共64塊瓣片組成，其中最大的瓣片經(jīng)向展開尺寸約10 000 mm，緯向（環(huán)向）展開尺寸約4 000 mm.AP1000鋼制安全殼封頭尺寸及分瓣情況見圖1[1]。

圖1　AP1000鋼制安全殼封頭尺寸及分瓣情況

從以上可以看出，鋼制安全殼橢圓形封頭的制造難點是大尺寸、多曲率、高強度、調(diào)質(zhì)處理的中厚板封頭瓣片的成形。

本文描述了目前工程主要采用的幾種封頭瓣片成形方法，結合鋼制安全殼封頭瓣片成形的特點，分析了鋼制安全殼封頭瓣片采用單板模壓成形的原因，介紹了單板溫模壓成形的主要保證措施和具體應用結果。

1　封頭瓣片成形方法概述

1.1各種成形方法及其特點

封頭瓣片一般是采用沖壓成形，成形方法按成形模具和成形溫度分別劃分如下。

1.1.1按成形模具劃分

按成形模具不同可分為點壓成形和單瓣模壓成形。

（1）點壓成形。點壓成形是將鋼板逐點、逐次按順序壓制成瓣片的方法[2]。壓點排列順序有從中心向四周的回字形縱向點壓法、從端部開始的S形橫向點壓法以及綜合點壓法等多種類型，成形時可根據(jù)瓣片板料特點及操作者經(jīng)驗合理選用。相鄰兩壓點之間相互有1/2至1/3的重復率，以保證兩壓點之間成形過渡圓滑，確保成形壓力分布均勻，并得到較好的釋放效果，減少成形后的自然變形[2]。點壓成形的特點是可以用同一套胎具壓制不同曲率的瓣片，實現(xiàn)邊壓延邊校正曲率[3]，成形設備及模具投資小。但成形效率低，同種瓣片形狀一致性差，對壓制操作人員技能要求高且操作相對較困難。

（2）單瓣模壓成形。單瓣模壓成形是根據(jù)瓣片成形曲面要求，采用特定的上下模模具壓制成形，如圖2所示。

圖2　模具成形示意圖

單瓣模壓成形的特點是可以一次壓制成形，成形效率高，同種瓣片形狀一致性好、壓制操作人員技能要求低且操作簡便。但由于要求的壓力大且不同型面不同材質(zhì)的瓣片均需要配備一套特定的模具，造成成形設備、模具的投資及模具的設計難度較大。

1.1.2按成形溫度劃分

按成形溫度不同可分為冷成形、熱成形和溫成形。

（1）冷成形。冷成形是鋼板在未加熱情況下進行擠壓、彎曲、拉伸等方式加工成理想形狀[4]。冷成形的特點是不需要加熱，能耗低且操作環(huán)境好。但由于常溫下材料的強度較高，容易產(chǎn)生冷作硬化現(xiàn)象[5]，對成形設備的工作能力要求大。

（2）熱成形。熱成形是鋼板在加熱到再結晶溫度以上的情況下進行擠壓、彎曲、拉伸等方式加工成理想形狀[2]。熱成形的特點是可以降低材料成形時的強度，提高成形的塑性和韌性，從而減輕成形設備的工作負擔和防止冷作硬化現(xiàn)象的產(chǎn)生。但需要高溫加熱設備，能耗及操作安全保障要求高，壁厚減薄量大。為防止高溫加熱造成脫碳和過燒對鋼板性能造成破壞，需要控制加熱速率和加熱溫度[4]。為了保證成形后的機械性能，需要配套裝置控制鋼板成形后的冷卻速率[6，7]。對于正火、正火加回火或調(diào)質(zhì)處理的鋼板，成形后的工件還需要進行恢復材料性能熱處理。

（3）溫成形。為了彌補冷成形和熱成形的不足，可以采用介于兩者之間的一種成形方法——溫成形。溫成形是鋼板進行加熱但加熱溫度不超過再結晶溫度情況下進行擠壓、彎曲、拉伸等方式加工成理想形狀[4]。溫成形既可以防止冷作硬化現(xiàn)象的產(chǎn)生，又可以防止高溫加熱造成脫碳和過燒，確保成形產(chǎn)品的材料性能不受影響。特別是對于正火、正火加回火或調(diào)質(zhì)處理的鋼板，成形后的工件不需要進行恢復材料性能熱處理。但需要中溫加熱設備，能耗較高且操作安全保障要求高，對成形設備的工作能力要求比冷成形有較大的減小，比熱成形有所增加。

1.2常用組合成形方法及其適用范圍

在封頭瓣片的實際制造中是將上述按不同模具和溫度劃分的各種成形方法予以組合后應用。由于點壓成形需要人員近距離操作和頻繁進行測量，不適宜與熱成形和溫成形組合，因此，封頭瓣片沖壓的組合成形方法有冷點壓成形、冷模壓成形、熱模壓成形和溫模壓成形四種。上述四種成形方法的適用范圍如下：

（1）冷點壓成形：一般適用于批量較小、厚度不大、沖壓深度較淺、曲率一致的封頭瓣片的成形。

（2）冷模壓成形：一般適用于批量較大、厚度不大、強度不高、沖壓深度淺的封頭瓣片的成形。

（3）熱模壓成形：一般適用于批量較大、厚度較大、強度較高、沖壓深度較深的封頭瓣片的成形。

（4）溫模壓成形：一般適用于不宜采用冷、熱模壓成形的情況，如用正火、正火加回火或調(diào)質(zhì)處理且強度較高的鋼板制造的封頭瓣片的成形。

2　鋼制安全殼封頭瓣片成形方法的分析

2.1鋼制安全殼封頭瓣片的特點

鋼制安全殼封頭瓣片有以下幾個特點：

（1）尺寸及厚度較大。AP1000核電鋼制安全殼封頭最大的瓣片經(jīng)向展開尺寸約10 000 mm，緯向（環(huán)向）展開尺寸約4 000 mm，瓣片最小壁厚為41.3 mm.

（2）形狀為雙向多曲率。由于鋼制安全殼封頭為橢圓形封頭，其瓣片經(jīng)向及緯向（環(huán)向）的曲率不同且是漸變的。

（3）材質(zhì)為調(diào)質(zhì)型高強鋼。鋼制安全殼封頭瓣片的材質(zhì)為SA738 Gr.B鋼板，該材料屬于中低溫壓力容器用低合金高強度鋼板，為采用淬火加回火處理生產(chǎn)的調(diào)質(zhì)型鋼板[8]。

2.2鋼制安全殼封頭瓣片成形方法的選擇

2.2.1熱模壓成形可行性分析

鋼制安全殼封頭瓣片的材質(zhì)為調(diào)制型鋼板，采用熱成形（加熱到再結晶溫度以上）時會破壞其調(diào)質(zhì)狀態(tài)（淬火＋回火），成形后需要進行恢復材料性能熱處理。采用此成形方法，有如下缺點：

（1）設備投入大，一次性投資成本高

采用高于材料相變溫度的熱壓成形技術，材料成形時的溫度較高，鋼板需要采用中頻感應加熱爐或燃氣加熱爐進行加熱，同時配備往模腔中送料的機械手或類似的裝填設備，熱壓后需再次熱處理以恢復材料的機械性能，需配套淬火池、回火熱處理裝置、熱處理防變形工裝等設備。整條生產(chǎn)線需投入大量的設備，一次性投資成本高。

（2）熱處理變形控制困難

對于大尺寸的封頭瓣片經(jīng)熱成形后，再次進行調(diào)質(zhì)處理恢復材料的機械性能時，由于工件在淬火爐加熱過程中存在熱變形，在淬火和回火過程中組織轉變而使工件的變形更加復雜。雖然可以通過制造防變形工裝，但由于每塊鋼板本身性能的不一致性，以及成形后調(diào)質(zhì)處理過程中溫度控制的不均勻性，都將增加鋼板曲面的變形控制難度。

AP1000鋼制安全殼封頭整體組焊成形后，向內(nèi)向外偏差不能超過封頭理論形狀的一個壁厚（41.3 mm），對封頭瓣片單板成形精度相對較高。作為橢圓形封頭瓣片，再次調(diào)質(zhì)處理后若曲面形狀超差，進行矯形處理效率低。

綜上所示，鋼制安全殼封頭瓣片不宜采用熱成形。

2.2.2冷模壓成形可行性分析

鋼制安全殼封頭瓣片的尺寸及厚度較大且常溫下材料強度較高[8，9]，采用冷模壓成形時需要較大的壓力，增加成形設備（壓力機）的投資。常溫下成形時鋼板的回彈量大，需要的模具深度就大，從而增加模具的投資，同時較大的模具深度還會導致工件彎曲應力過大而容易產(chǎn)生裂紋。因此，冷模壓成形不宜作為鋼制安全殼封頭瓣片成形的優(yōu)先選擇方法。

2.2.3冷點壓成形可行性分析

在冷點壓成形過程中要用樣板不斷對形面曲率進行測量，對于曲率單一的球形封頭（球殼板）瓣片用一個局部樣板即可完成測量；而對于經(jīng)向及緯向（環(huán)向）曲率不同且漸變的鋼制安全殼橢圓形封頭瓣片，理論上需要經(jīng)向全樣板和無數(shù)個緯向樣板進行測量，這在實際生產(chǎn)中實施困難。如果將鋼制安全殼橢圓形封頭每層瓣片的經(jīng)向曲線用一至兩段圓弧近似替代，在經(jīng)向上以適當?shù)木嚯x設定幾個緯向（環(huán)向）圓弧曲率測量線，也可以實現(xiàn)鋼制安全殼封頭瓣片的冷點壓成形，但成形瓣片測量的成形偏差相對理論形狀誤差較大。

2.2.4溫模壓成形可行性分析

采用溫模壓成形（加熱溫度不超過再結晶溫度）時材料的強度及彈性模量下降較大，相對冷模壓成形需要的壓力及模具深度也下降較大；相對熱模壓成形不會改變材料的調(diào)質(zhì)狀態(tài)；相對冷點壓成形可以避免產(chǎn)生冷作硬化現(xiàn)象，成形效率高，同種瓣片形狀一致性好，壓制操作人員技能要求低且操作簡便。缺點是成形設備、模具的投資及模具的設計難度較大。

2.2.5小結

通過以上分析可知，冷點壓成形和溫模壓成形是鋼制安全殼封頭瓣片比較適宜的成形方法。雖然溫模壓成形的投資成本比冷點壓成形大，但考慮到鋼制安全殼封頭瓣片的橢圓體曲面結構形狀，以及封頭整體組裝精度要求，并結合瓣片成形的操作簡便性與成形效率，綜合分析鋼制安全殼封頭瓣片的成形，溫模壓成形比冷點壓成形更具有優(yōu)勢。

3　鋼制安全殼封頭瓣片溫模壓成形工藝流程和精度保證措施

3.1溫模壓成形工藝

鋼制安全殼封頭瓣片溫模壓成形的主要工藝流程如圖3所示。

圖3　封頭瓣片溫模壓成形主要工藝流程圖

3.2確定成形溫度和成形模具曲面

鋼制安全殼封頭瓣片溫模壓成形時不宜設置壓邊圈，為無壓邊壓制成形，成形中板材主要以面外彎曲變形為主，卸載后的回彈明顯，直接影響瓣片的最終形狀和尺寸精度。因此，確定適宜的成形溫度并根據(jù)成形回彈量確定合理的模具型面尺寸是保證成形精度的關鍵。

采用有限元數(shù)值模擬技術虛擬成形分析的數(shù)值模擬的模具補償法，在不同溫度條件下，預測零件成形的回彈量，根據(jù)回彈量的大小和分布對模具型面進行修正，使得封頭瓣片在回彈后的形狀滿足幾何精度要求，這樣可以快速有效的獲得適宜的成形溫度以及合理的模具型面尺寸[9]。

3.3采用壓制成形定位和二次切割

根據(jù)大型曲面板模壓成形特點，采取在壓制成形模具上模下底面設置定位孔，在定位孔內(nèi)裝滿石墨等有色物或安裝低強度金屬，壓制成形時石墨等有色物或低強度的金屬會在工件上留下印記，壓制完畢后依然清晰可見；壓制成形后根據(jù)定位印記劃線進行二次切割，從而有效、簡便地解決大型曲面板整體壓制成形后的定位切割精度問題[10]。

考慮到二次切割時對封頭瓣片曲面精度的影響，在單板溫模壓成形時，實際成形曲面弦深應比理論曲面弦深稍大，以補償二次切割反彈量。

4　實際應用

封頭瓣片溫模壓成形方法已應用于浙江三門核電一期工程1號機組AP1000鋼制安全殼底封頭和頂封頭瓣片的制造過程中（見圖4所示）。經(jīng)驗證，封頭瓣片單板成形效果良好。以64張2B/T板為例，封頭瓣片成形后，采用激光三維測量設備，選取累計3 200個測量特征點進行實測，單板最大偏差為±12.2 mm.

圖4　三門1號AP1000鋼制安全殼封頭板中溫模壓成形

底封頭和頂封頭組裝完畢后（見圖5所示），各采用全站儀測量內(nèi)表面1 580個特征點的坐標，經(jīng)計算，與理論橢圓形狀相比，底封頭內(nèi)表面測量特征點法向最大偏差為±39.0 mm，頂封頭內(nèi)表面測量特征點法向最大偏差為±34.1 mm，均小于驗收要求±41.3 mm，滿足設計要求。

圖5　三門1號AP1000鋼制安全殼底封頭整體組焊成形

5　結束語

（1）根據(jù)鋼制安全殼封頭瓣片尺寸、形狀及材質(zhì)方面的特點，在生產(chǎn)批量較小時，封頭瓣片可以考慮采用冷點壓成形；在生產(chǎn)批量較大時，封頭瓣片采用溫模壓成形的成形方法是比較適宜的。

（2）溫模壓成形工藝的關鍵是確定合適的成形溫度和成形模具曲面。

（3）采用壓制成形初定位和二次切割精確控制，是一種與模壓成形相配合的有效方法。

參考文獻：

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中圖分類號：TG441.8

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）04-0001-04

收稿日期：2016-01-28

基金項目：國家科技重大專項（課題編號：2010ZX06001-019）；山東省自主創(chuàng)新成果轉化重大專項（項目編號：2011ZHZX1A0501）

作者簡介：晏桂珍（1982-），男，湖南株洲人，工程師，學士，主要從事核電設備制造和安裝技術研究；湯傳樂（1971-），男，安徽阜陽人，高級工程師，學士，主要從事核電設備制造和安裝技術研究；陽作勇（1975-），男，重慶永川人，工程師，學士，主要從事核電設備制造和安裝技術研究；楊中偉（1960-），男，山東肥城人，研究員級高級工程師，學士，主要從事核設備制造和安裝技術研究；高偉（1985-），女，河北衡水人，工程師，學士，主要從事材料性能研究和成形工藝的研究。

Forming of Steel Containment Vessel Head Petal

YAN Gui-zhen，TANG Chuan-le，YANG Zuo-yong，YANG Zhong-wei，GAO Wei
（Shandong Nuclear Power Equipment Manufacturing Co.Ltd.，Haiyang Shandong 265118，China）

Abstract：Steel Containment Vessel is an important part of the passive containment cooling system for passive safety PWR Nuclear Power Plant.It is a freestanding cylindrical vessel with top and bottom elliptical heads.The manufacturing difficulty of this kind of large size elliptical heads is the large size，multi-curvatures，high strength，and forming of head petals that is tempered and quenched with middle thickness.The applicable forming process and requirements for steel containment vessels are introduced in this paper based on the analysis of different press forming processes for head petals，and the characteristics of the steel containment vessel petals in size，shapes and material specifications.Measures for medium-temperature mould forming accuracy of Steel Containment Vessel petals are introduced.And the rationality of employing medium-temperature die forming is verified in practice.

Key words：steel containment vessel；head petal；elliptical petal；medium temperature die-forming