馬武江 任發(fā)才 王元華,3 陳飛，4

(1.上海新閔(東臺)重型鍛造有限公司，東臺 224200；2.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200062；3.上海新閔重型鍛造有限公司，上海 200241；4.上海交通大學(xué)模具CAD國家工程研究中心，上海 200030)

國家“十四五”能源戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃明確指出，“十四五”階段我國仍將積極安全有序地推進(jìn)發(fā)展核電事業(yè)。按照穩(wěn)健安全的路線圖，我國提出了核電發(fā)展的新節(jié)點(diǎn)，計(jì)劃在2025年實(shí)現(xiàn)核電裝機(jī)容量7000萬千瓦的戰(zhàn)略目標(biāo)，同時將積極推進(jìn)城市集中供暖小型模塊化反應(yīng)堆建設(shè)。

模塊化反應(yīng)堆(簡稱SMR)是一種更加先進(jìn)的核反應(yīng)堆，其功率容量高達(dá)每臺300 MW，約為傳統(tǒng)核動力反應(yīng)堆發(fā)電容量的三分之一。按照設(shè)計(jì)要求，許多小型模塊化反應(yīng)堆可以在工廠組裝并運(yùn)輸?shù)桨惭b地點(diǎn)。SMR的許多優(yōu)點(diǎn)與其設(shè)計(jì)性質(zhì)有著內(nèi)在聯(lián)系，其占地面積較小，可以安裝在不適合大型核電站的位置。大型動力反應(yīng)堆通常是為特定地點(diǎn)定制設(shè)計(jì)的，有時會導(dǎo)致施工延誤，而SMR的小型機(jī)組可以預(yù)先制造，再運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場安裝，使得它們比大型動力反應(yīng)堆更便宜。SMR可節(jié)省成本和建設(shè)時間，并且可以逐步部署以滿足不斷增長的能源需求，是解決未來城市集中供暖的主要途徑之一。

反應(yīng)堆壓力容器(簡稱RPV)是核島主要保護(hù)屏障之一，其工作環(huán)境極為惡劣(高溫、高壓和強(qiáng)中子輻照)，要求服役全壽命周期內(nèi)不可更換[1-9]。因此，對RPV鍛件的低溫韌性、塑性轉(zhuǎn)變溫度、中子輻照脆化等性能提出了苛刻的要求[10-11]。從制造的角度，對鍛件的均質(zhì)化和整體成形提出了更高的要求。筒體法蘭接管段是RPV殼體的關(guān)鍵核心部件之一，主要采用奧氏體不銹鋼制造。以鍛代焊，研發(fā)核一級部件的整體鍛造工藝是核島重大裝備永恒的追求目標(biāo)[12]。本文主要介紹筒體法蘭接管段整體鍛造成形工藝，新工藝能夠大幅減少接管段焊縫數(shù)量，延長核能裝備在役檢測周期、降低檢測頻次。

1 技術(shù)要求

筒體法蘭接管段鍛件如圖1所示，材質(zhì)為SA508.3，鍛件技術(shù)要求、化學(xué)成分及取樣要求均按照RCC-M一般標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

圖1 筒體法蘭接管段鍛件圖

2 筒體法蘭接管段鍛造工藝分析

2.1 整體鍛造成形工藝

筒體法蘭接管段周向分布4個管嘴，位置如圖1所示。筒體外徑最大為2640 mm，內(nèi)徑最小處為1930 mm，高度為1660 mm。根據(jù)技術(shù)條件要求，在此基礎(chǔ)上設(shè)置試樣母材取樣件、鍛造余量、熱處理余量等。按傳統(tǒng)分體制造工藝，會采用焊接的方式將4個管嘴跟筒體進(jìn)行連接，焊縫面積很大，是核島設(shè)備在役重點(diǎn)檢測區(qū)域。鍛件重量約60 t，尺寸較大、形狀復(fù)雜，整體鍛造容器筒體法蘭接管段成為研制面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。由于大鍛件單件成本極高，多場耦合的數(shù)值仿真是進(jìn)行工藝優(yōu)化的有效手段[13]，本文以計(jì)算機(jī)模擬代替部分鍛造試驗(yàn)，采用文獻(xiàn)[14]建立的SA508-3鋼兩段式流動應(yīng)力模型，研究整體鍛造成形及性能控制規(guī)律。

根據(jù)材料分配規(guī)律，本文提出的鍛造工藝方案如圖2所示，具體步驟如下：

圖2 筒體法蘭接管段整體鍛造工藝流程

(1)鋼錠“切頭去尾”后，通過兩次鐓粗拔長進(jìn)行壓實(shí)，消除疏松、縮孔缺陷，壓成八方坯料并用剁刀對坯料進(jìn)行號印；

(2)分料完成后，先用上下對稱平砧對坯料不同分料區(qū)域進(jìn)行拔長，再滾圓拔長，形成一個帶裙邊的圓柱體形狀；

(3)對裙邊號印、壓實(shí)并壓出4個管嘴位置，將坯料制成一個帶4個凸臺的預(yù)制坯。該過程中比較了3種不同號印三角刀對坯料成形的影響；

(4)將已經(jīng)預(yù)成形4個凸臺的坯料采用中心沖孔后再擴(kuò)孔，保留機(jī)械加工余量，獲得最終鍛件。

2.2 生產(chǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證

(1)冶煉：為了提高鋼的純凈度，降低鋼中氫、氧和非金屬夾雜物的含量，改變夾雜物的形態(tài)，確定鋼錠的雙真空冶煉澆注工藝方案為EBT+LF鋼包精煉+VD真空脫氣+VC真空澆注。

(2)鍛造：主要通過多道次、多火次開坯，消除鑄錠的冶金缺陷，如打碎粗大的夾雜物、消除宏觀偏析、打碎粗大枝晶等。同時通過工藝路徑規(guī)劃，合理分配材料的流動，避免發(fā)生折疊、開裂等缺陷，保證鍛造變形后的坯料能夠完全包絡(luò)目標(biāo)鍛件。鍛造過程中還需要制定合理的溫度、變形量和變形速率，通過再結(jié)晶的方式進(jìn)一步細(xì)化初始晶粒，達(dá)到均質(zhì)化指標(biāo)，保證鍛件的力學(xué)性能滿足服役要求。鍛造過程中鋼錠切頭量約20%，切尾量10%，總鍛造比約9.9，工藝試驗(yàn)如圖3所示。

圖3 筒體法蘭接管段整體鍛造工藝試驗(yàn)

(3)性能熱處理：鍛件加熱到900～925℃溫度區(qū)間，保溫4～6 h，獲得均勻的奧氏體組織，然后水冷，入水前水溫約19℃，鍛件冷卻時間240 min，獲得貝氏體組織。鍛件冷卻后的表面溫度控制在28℃左右。冷卻之后進(jìn)行回火處理，其工藝參數(shù)：保溫溫度630～660℃、保溫時間10 h，回火處理后獲得較穩(wěn)定的回火索氏體組織。

3 試驗(yàn)件性能檢測分析

(1)化學(xué)元素分析：主要元素都控制在比較合理的范圍，其中強(qiáng)化元素如C、Mn、Cr含量都控制在驗(yàn)收要求的中上限，為確保鍛件心部材料的強(qiáng)度，提供了良好的成分基礎(chǔ)。Ni元素含量控制在0.61%～0.66%的范圍，確保了大厚壁鍛件的韌性要求。有害元素S、P含量均控制在0.005%以下，H、O、N等氣體元素均控制在較低的水平，材料的夾雜物得到了有效地控制，提高了材料的低溫韌性。

(2)拉伸性能分析：總體來看，所有抗拉強(qiáng)度均符合設(shè)計(jì)要求，材料的室溫抗拉強(qiáng)度在580～610 MPa之間，模擬態(tài)高溫抗拉強(qiáng)度余量至少30 MPa，見圖4。從強(qiáng)度數(shù)據(jù)變化趨勢來看，法蘭內(nèi)側(cè)和接管套料位置的強(qiáng)度較高，接管位置、堆芯側(cè)1/4壁厚及螺栓孔套料位置強(qiáng)度相對較低，特別是堆芯側(cè)試環(huán)中心位置強(qiáng)度明顯高于1/4厚度位置，充分表明了采用的鍛造工藝達(dá)到了中心壓實(shí)的效果。在鍛件截面變化及取樣位置差異較大的情況下，可以認(rèn)為鍛件不同位置的強(qiáng)度數(shù)據(jù)比較均勻。

圖4 試樣拉伸性能的對比

(3)沖擊性能分析：如圖5所示，對比第三方檢測數(shù)據(jù)，同狀態(tài)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)有一定的偏離，主要原因是取樣位置的差異和沖擊試驗(yàn)存在一定的隨機(jī)性造成的。但總體來看，所有數(shù)據(jù)均滿足對應(yīng)的設(shè)計(jì)要求，并且由于鍛件自身形狀、鍛造及熱處理工藝過程的影響，不同取樣位置的沖擊數(shù)據(jù)呈相近的趨勢分布。

(a)調(diào)質(zhì)態(tài)

此外，對于接管區(qū)域分別比較了接管與接管套料試樣各溫度下不同方向的沖擊吸收能量，發(fā)現(xiàn)套料試樣軸向與周向沖擊數(shù)據(jù)偏差不大。分析認(rèn)為套料位置位于筒身，其鍛造狀態(tài)與法蘭側(cè)、堆芯側(cè)一致，各方向變形充分、差距不大。而對于接管延長段試樣，發(fā)現(xiàn)同溫度的軸向沖擊數(shù)據(jù)大幅低于周向數(shù)據(jù)(低溫沖擊更為明顯)。由于接管延長段的壁厚遠(yuǎn)小于其他位置，淬火冷卻速度和熱處理效果應(yīng)該較好，因此可以排除熱處理因素的影響，可以認(rèn)為兩個方向沖擊吸收能量差異的原因主要是鍛造變形的影響。經(jīng)過分析，從鍛造過程中對預(yù)留凸臺區(qū)域的處理來看，凸臺區(qū)域可近似看成一個帶孔的方形鍛件，在沖孔前通過三個方向的變形，將預(yù)留的凸臺壓實(shí)，由于筒體結(jié)構(gòu)和凸臺高度的限制，凸臺軸向的變形量小于其他兩個方向，軸向因此成為了性能較弱的方向，而且在后續(xù)的沖孔階段，孔四周的區(qū)域經(jīng)過擠壓，金屬流線更趨近于周向，因此軸向和周向的沖擊性能表現(xiàn)出差異，符合鍛件成形過程中金屬流向規(guī)律。

(4)力學(xué)性能均勻性分析：圖6是各取樣位置調(diào)質(zhì)態(tài)和模擬態(tài)的強(qiáng)度數(shù)據(jù)變化趨勢圖。其中法蘭內(nèi)側(cè)試環(huán)強(qiáng)度數(shù)據(jù)偏差在20 MPa以內(nèi)，接管與接管套料位置的強(qiáng)度偏差在40 MPa以內(nèi)，堆芯側(cè)由于在1/2壁厚與1/4壁厚位置均有取樣要求，強(qiáng)度數(shù)據(jù)的分布趨勢總體平穩(wěn)，除個別區(qū)域強(qiáng)度差值接近60 MPa，其余取樣區(qū)域的強(qiáng)度差值均在30 MPa以內(nèi)。對比堆芯側(cè)試樣不同取樣深度的強(qiáng)度數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)1/2壁厚處的強(qiáng)度略高于1/4壁厚處，分析認(rèn)為由于筒體馬架擴(kuò)孔階段，內(nèi)、外圈共同受力，壓力能夠充分傳遞至鍛件心部，而且通過熱處理工藝控制，材料心表組織一致性較高，這也解釋了鍛件中心的強(qiáng)度略高于外圈的現(xiàn)象?？傮w來看，同一試環(huán)上不同檢測位置、調(diào)質(zhì)與模擬態(tài)的強(qiáng)度數(shù)據(jù)相對均勻。模擬態(tài)的強(qiáng)度相對調(diào)質(zhì)態(tài)沒有大幅下降，說明回火處理比較充分，表明了產(chǎn)品未來經(jīng)過焊后去應(yīng)力處理后的強(qiáng)度仍然能夠保持現(xiàn)有水平。

(a)法蘭內(nèi)側(cè)

4 結(jié)論

(1)筒體法蘭接管段整體成形以后，一個筒體和四個接管同工序研制，極大地減少了不同部位之間的組織性能差異；傳統(tǒng)筒體法蘭接管段的研制過程工藝復(fù)雜，焊接周期長，采用整體成形以后，筒體法蘭接管段鍛件生產(chǎn)周期大大減少，極大提高生產(chǎn)效率；從使用上來看，筒體法蘭接管段整體鍛造成形后可減少裝備在役檢測工作量；從質(zhì)量上看，整體研制使得四個接管和筒體法蘭接管段法蘭連接處的復(fù)雜應(yīng)力區(qū)域形成連續(xù)的金屬流線，使得裝備在復(fù)雜工況下可靠性更高，安全性更好。

(2)通過對法蘭內(nèi)側(cè)、堆芯側(cè)1/2壁厚、堆芯側(cè)1/4壁厚、接管、接管套料、螺栓孔套料的不同區(qū)域試樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從調(diào)質(zhì)態(tài)和模擬態(tài)周向，軸向性能來看，強(qiáng)度數(shù)值波動不大，筒體法蘭接管段的化學(xué)成分、力學(xué)性能及金相組織不僅滿足驗(yàn)收要求，而且具有很好的均勻性。

(3)為了驗(yàn)證鍛件整體質(zhì)量及制造工藝流程的可靠性，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，均在鍛件特定位置上設(shè)置檢驗(yàn)用料和各種見證材料，根據(jù)筒體法蘭接管段整體鍛件形狀和制造工藝特點(diǎn)，在鍛件5個位置進(jìn)行取樣，分別是法蘭端內(nèi)側(cè)試環(huán)、錐芯筒體端延長段試環(huán)、接管延長段試環(huán)、接管套料芯料，螺栓孔套料芯料，其中接管套料芯料位于接管和筒體連接部位，熱處理厚度420 mm，為整個鍛件壁厚最厚的部位，對此部位進(jìn)行取樣可以充分地驗(yàn)證鍛件整體質(zhì)量及制造工藝流程的可靠性。測試結(jié)果表明，研制鍛件的各種性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。