魏雷 吳展

摘 要： 受限于主管道熱段結構特點和技術要求，大型奧氏體不銹鋼冶煉、鍛造和焊接技術難度較大。通過分析主管道熱段成形過程電渣重熔鑄造、整體鍛造、彎管成形、熱處理和焊接的關鍵技術難點，提出了相應工藝控制要點。

關鍵詞： 主管道; 奧氏體不銹鋼; 鍛造成形

華龍一號是我國自主研發(fā)的具有完整自主知識產權的第三代核電技術，其技術性能指標達到國際三代核電技術水平。主管道是核電站反應堆冷卻劑系統的主要承壓設備之一，連接反應堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器和反應堆冷卻劑泵，為反應堆冷卻劑提供循環(huán)通道。其服役環(huán)境較為苛刻，需要在高溫、高壓、高流速、腐蝕、輻射的條件連續(xù)服役長達六十年，因此要求主管道具有良好的強度、塑性、韌性、耐晶間腐蝕和耐熱老化性能。

1 技術特點

華龍一號主管道采用X2CrNiMo18-12超低碳控氮不銹鋼，其C含量極低，耐晶間腐蝕性能較好。N作為間隙固溶強化元素，彌補了C含量降低帶來的強度損失，同時提高了耐腐蝕能力[1]。此外Co元素在長期輻照環(huán)境下產生放射性極強的同位素，Co含量限制為不大于0.05%。

主管道熱段2的設計壓力17.23 MPa，設計溫度343℃。主管道為單相奧氏體不銹鋼，無法通過熱處理發(fā)生相變細化晶粒，只能采用鍛造的方式塑性變形使得晶粒發(fā)生動態(tài)再結晶。但是奧氏體不銹鋼的鍛造變形抗力大，加熱溫度要求高，且可鍛溫度范圍窄，裂紋敏感性強。且熱段2包含2個互為135°的大尺寸接管嘴，采用整體鍛造成形技術，成形技術難度大。

2 制造難點和關鍵技術

2.1 電渣重熔

電渣重熔后鋼錠具有組織致密、純凈，成分均勻等優(yōu)點。鋼錠的冶金質量是主管道鍛件達到技術要求的先決條件，三代壓水堆的主管道的鋼錠大多采用電渣重熔技術冶煉。

電渣錠常出現增碳問題，且多由上而下增碳量遞增。氮含量區(qū)間要求較窄，接近控氮型奧氏體不銹鋼，氮在面心立方奧氏體中的溶解度遠大于體心立方晶格鐵素體中的，凝固相變過程中會出現含氮量的變化[2]，需注意避免氮的析出。應盡量降低制備電極中的C、S、P、Co、Cu等元素含量，選用合適的渣系、脫氧劑以及重熔工藝，合理設計結晶器結構獲得較大冷卻速率。

2.2 整體鍛造

因主管道尺寸較大，且需同時完成一體化接管嘴鍛造，使得鍛造難度較大，整體鍛造關鍵控制要點為鍛造裂紋和晶粒度。主管道鍛造須嚴格控制鍛件加熱規(guī)范，選擇合理鍛造溫度范圍和鍛造工藝，以提高可鍛性，獲得良好的組織性能。奧氏體不銹鋼的導熱系數隨溫度的升高而增加，鍛前加熱采用分步升溫的形式控制升溫速率。在低溫區(qū)間緩慢加熱避免鍛件因溫度差異較大而受熱應力影響出現裂紋，高溫區(qū)間則快速升溫。在鐓粗和拔長主變形階段，采用高溫大變形量成形，誘發(fā)動態(tài)再結晶實現晶粒細化，使得晶粒尺寸均勻，避免出現混晶現象。鍛件圓整階段可采用小鍛比修整，使得主管晶粒大小滿足技術要求。

2.3 彎管成形

主管道采用冷彎成形工藝，成形難點主要表現為壁厚減薄、截面畸變、管嘴阻礙和彎曲回彈。應力中性層內側受壓應力金屬堆積而壁厚增加，應力中性層外側受拉應力金屬流動而壁厚減薄，變形截面受壓縮而畸變。主管道彎管成形主要采用壁厚預補償、專用模具和工裝、分步下壓的方式控制成形質量?？紤]到彎管成形壁厚變化規(guī)律，熱段彎管成形采用壁厚預補償，用于一定程度抵消彎管過程金屬流動引起的內腹區(qū)增厚和外腹區(qū)減薄。模具彎曲半徑和角度需考慮成形后的彎曲回彈，模具和工裝的設計通過有限元模擬和模擬件試驗相結合，多次修正優(yōu)化。彎管成形過程為分步下壓多次變形，變形量逐步減小，均進行尺寸測量和表面質量檢查以便及時調整。

2.4 熱處理

主管道采用固溶熱處理，能有效地細化晶粒，改善組織，提高力學性能;減小鍛造成形中的殘余應力和加工硬化，獲得良好的切削性能。固溶溫度和保溫時間影響晶粒長大速度及晶粒尺寸大小，冷卻速率則影響析出相的含量。固溶溫度為1050℃至1150℃，保溫時間不低于4h，隨后采用流動冷卻水快速充分冷卻，水溫升高后不得超過75℃。取主管段兩端和兩個一體管嘴段進行室溫拉伸、高溫拉伸及晶粒度試驗，結果滿足設計要求，且經無損檢驗合格，這表明主管道熱段的成形工藝是科學合理的。

2.5 管嘴焊接

主管道熱段有多個用于連接其他管路的小尺寸接管嘴，采用焊接與主管道相連。奧氏體不銹鋼焊接性較差，因熱導率較低，線膨脹系數較大，焊接時形成內應力，如晶間塑性變形過大則出現熱裂紋[3]。受焊接熱源作用，焊縫及熱影響區(qū)處于敏化溫度區(qū)域的材料，在晶界易析出含鉻碳化物，形成貧鉻邊界，導致晶間腐蝕。因而，主管道管嘴焊接質量控制，必須選擇合理的焊接工藝，提高焊接速度，控制層間溫度，降低熔池熱度。

主管道管嘴焊接采用TIG 焊打底、SMAW 焊填充及蓋面的方法焊接方法，焊材選用為E316L和ER316L，按照RCC-M S3000制定焊接工藝評定。選擇合適焊接速度，嚴格控制焊接過程中的線能量和層間溫度。

3 結論

X2CrNiMo18-12超低碳控氮不銹鋼鍛件具有良好的強度、塑性、韌性和耐晶間腐蝕性能，應用于華龍一號主管道。主管道熱成形中存在電渣重熔鑄造增碳和析氮問題，整體鍛造裂紋和晶粒度不均問題，彎管成形壁厚減薄、截面畸變和彎曲回彈問題，熱處理組織變化和尺寸偏差問題，小管嘴焊接裂紋和敏化問題，均需要結合成形理論和工藝深入分析，創(chuàng)新成形技術，優(yōu)化工藝參數，以達到質量控制要求。

參考文獻

[1] 鄭建能，陳紅宇，司晨亮， 等. 第三代壓水堆核電站核島一回路主管道的選材 [J] .大型鑄鍛件，2018（1）：41-45.

[2] 姜周華，李花兵，董艷伍， 等. 電渣重熔高氮鋼技術的進展 [J] .鋼鐵研究學報，2006，18（10）：1-6.

[3] 滿達虎，王麗芳. 奧氏體不銹鋼焊接熱裂紋的成因及防止對策 [J] .熱加工工藝，2012，41（6）：181-184.

【作者簡介】魏雷（1986.11～），工程師，研究方向為核電項目管理