1000 MW核電管板純凈鋼鍛件制造工藝及其性能

鄧林濤，劉志穎，王 濤，沈賢莉，孫 嫘

（中國第二重型機械集團公司，四川 德陽 618013）

1000 MW核電管板純凈鋼鍛件制造工藝及其性能

鄧林濤，劉志穎，王 濤，沈賢莉，孫 嫘

（中國第二重型機械集團公司，四川 德陽 618013）

根據1 000 MW核電管板用純凈鋼鍛件性能和組織的要求，利用合金化原理確定了冶煉時鋼中各合金元素的成分控制方向；采用電爐加鋼包爐加真空澆注進行冶煉澆注，真空澆注過程中加保護防止二次氧化；采用特殊的鐓粗工藝避免了管板鐓粗過程心部產生超標缺陷；采用合理的熱處理工藝，保證管板鍛件的組織和性能。經檢驗表明，鍛件用鋼的質量達到了純凈鋼的要求，管板鍛件的綜合性能達到世界領先水平。

純凈鋼；管板鍛件；核電站蒸汽發生器

截至2000年，我國發電量先后超過法國、英國、加拿大、德國、俄羅斯和日本，位居世界第2位。進入21世紀，電力工業進入高速發展時期，2004年全國發電裝機容量突破4億千瓦，2005年超過5億千瓦、發電量達到2.4萬億度。中國已經成為世界上名副其實的電力生產和消費大國。由于能源結構以化石能源為主，中國已成為SO2和CO2排放大國。由于石油和天然氣更多地依賴國際市場，燃煤發電對環境的壓力越來越大，水能開發的余地逐步越少，考慮到國家安全、能源安全和環境安全，核能作為可大規模發展的替代能源，必將迎來更大規模的發展。

我國現役運行的核電機組11臺，裝機容量910萬千瓦，占總裝機容量的1.6%，發電量占總量的2.2%。2008年3月，國務院原則通過《核電中長期發展規劃（2005—2020年）》，規劃目標為：2010年運行裝機容量1200萬千瓦；到2020年，達到4 000萬千瓦，約占當時總裝機容量的4%，在建1 800萬千瓦。這就需要在今后十多年間新開工建設40多臺百萬千瓦級核電機組，從現在起平均每年要開工建設3～4臺百萬千瓦級的核電站。我國核電建設將進入由“適度發展”到“積極發展”的快速增長期。

國際原子能機構（IAEA）預測：今后15年內，全世界要新建約130個核電機組，在未來的20～30年迎來一個新的發展高潮。為適應國家核電發展的需要，實現核電設備國產化目標，盡快進入核電鍛件及設備制造領域，建立制造核電設備及鍛件生產基地，在中廣核工程公司和東方電氣集團公司的大力支持下，中國第二重型機械集團公司開展了18MND5純凈鋼管板鍛件的制造技術研究(63 GW)。

圖1 管板鍛件制造的工藝流程Fig.1 Manufacturing process of forgerd tubesheets

1 管板鍛件的制造工藝流程

核電管板純凈鋼鍛件制造的工藝流程如圖1所示。

2 18MND5管板純凈鋼鍛件制造研究

2.1 18MND5鋼的化學成分要求及冶煉難點分析

2.1.1 18MND5鋼的化學成分要求及冶煉難點分析

根據研制大綱、采購技術規范和RCC-M規范及相關標準的規定，鋼的化學成分要求如表1所示。

根據1 000 MW核電管板鍛件質量要求高、尺寸大（調質時直徑φ3 520 mm）、截面厚（820 mm）的特點，為提高鋼的淬透性，同時考慮力學性能和組織要求，鋼的化學成分設計原則如下。

（1）C含量控制在成分范圍的上限；

（2）Mn、Ni和Mo都是提高鋼淬透性的元素，Ni可大幅度提高鋼的低溫沖擊韌性，這些元素宜控制在成分范圍的上限；

（3）Si對強度的貢獻不大，在大鋼錠中Si有促進偏析的作用，因此Si含量控制在成分范圍的中下限；

（4）P、S、As、Sn、Sb、O和H都是有害元素，為大幅度降低鋼的低溫沖擊韌性并影響落錘結果，宜控制越低越好，達到痕量。

表1 管板鍛件制造的工藝流程Table 1 Manufacturing process of forgerd tubesheets

根據上述特點，鋼的冶煉的重點和難點如下。

（1）嚴格控制鋼中的O含量，達到純凈鋼的要求；

（2）保證C含量精確控制在目標值；

（3）保證小五害P、S、As、Sn和Sb含量降低到極低含量,滿足純凈鋼要求；

（4）保證經過二次精煉的純凈含Al鋼液在真空澆注過程中避免從精煉鋼包到中間包澆注過程中產生二次氧化。

2.1.2 冶煉工藝的確定

根據18MND5鋼的冶煉特點及難點，決定采用如下冶煉工藝方案，見圖2。

2.1.3 冶煉工藝要點

（1）精選爐料:為保證微量有害元素如Sn、Sb和As等控制在盡可能低的范圍，采用小五害極低的優質生鐵及大塊優質廢鋼作為冶煉爐料。

（2）鋼水粗煉: 在堿性電爐粗煉鋼水，爐底配以適量的石灰及氧化鐵皮，以利于早期形成高堿度高氧化鐵的爐渣，為脫P創造有利條件。粗煉鋼水的主要任務是脫P，通過大渣量并多次換渣操作，將P降到0.002%以下，為鋼包精煉創造良好條件。

（3）鋼包精煉：粗煉鋼水兌入鋼包爐時嚴禁帶入粗煉渣，添加造渣材料，以碳粉、硅粉及鋁粉進行擴散脫氧，補加合金達到內控要求。鋼水進行真空處理，在真空狀態下利用C和O的反應進一步降低鋼中的O（≤20×10-6）。利用良好的還原渣，在真空下將硫降低到極低的水平（0.001%）。鋼包精煉的最終目標是達到純凈鋼水。真空結束后，精確調整鋼水化學成分到目標成分，溫度合適即可出鋼。

圖2 18MND5純凈鋼冶煉工藝方案Fig.2 Smelting process of 18MND5 steel

（4）真空鑄錠：在澆注過程中，采取嚴密的保護措施，避免鋼水二次氧化。通過真空澆注，使鋼中的O進一步和C發生反應，達到降低鋼中O、H及夾雜的目的，進一步提高鋼的純凈度。

2.2 18MND5純凈鋼管板鍛件的鍛造

大型餅形鍛件的鍛造以鐓粗成型為主，是大鍛件制造的難點。常規鐓粗過程中，鍛件心部易產生兩向拉應力而使鍛件心部產生裂紋，同時夾雜物在鐓粗過程中易被壓成片狀，導致超聲波探傷超標而報廢。由于核電管板鍛件直徑、重量大，更加大了鍛造的難度。根據核電管板鍛件的特點，根據已有經驗和試驗研究，采用新的鐓粗方法，避免了上述缺陷的產生，保證了管板鍛件的制造質量。

主要工藝要點如下。（1）鍛造工藝要點

鋼錠高溫擴散加熱增加充足的保溫時間，采取鐓粗與拔長相結合的鍛造工藝，壓實鍛透鋼錠內部的凝固缺陷，力求使鍛件的各向異性減至最小。嚴格控制始鍛和終鍛溫度，保證管板鍛件獲得均勻的細小晶粒，為后續熱處理工藝創造良好的原始組織條件。

（2）鍛造工序

鋼錠130 t，加熱到1 250 ℃左右，在125 MN水壓機上進行鍛造，分6火完成。第1火：壓鉗口，滾圓；第2火：鐓粗，拔長；第3火：鐓粗，拔長，下料，切冒口；第4火：鐓粗；第5火：展壓；第6火：出成品。

圖3 管板鍛件粗加工取樣圖Fig.3 Rough machined drawing of the tubesheet

2.3 18MND5純凈鋼管板鍛件的熱處理和無損探傷

熱處理是決定管板鍛件質量的最后一道關鍵工序，包括3部分：鍛后熱處理；粗加工后的性能熱處理；取樣加工后試樣坯料的模擬焊后熱處理。

（1）鍛后熱處理

盡管18MND5鋼水經過了雙真空處理，但對于超大型餅形件，為防止心部產生白點性氫制缺陷，要根據鋼錠的原始氫含量進行長時間的去氫處理。鍛后熱處理的主要任務是除氫、細化晶粒和均勻組織。鍛件鍛后緩冷并使過冷奧氏體充分地轉變，隨后加熱到630～670 ℃去氫處理；之后950 ℃正火，670 ℃回火。

（2）性能熱處理和無損探傷

鍛件粗加工見光見圓，對整個鍛件體積進行超聲波檢測，沒有發現超出規定的缺陷。

合理地選擇奧氏體化溫度和淬火冷卻速度對鍛件獲得良好的綜合力學性能至關重要。由工藝試驗研究確定，18MND5鋼管板鍛件的奧氏體化溫度不大于920 ℃，大型水槽中強冷后不低于665 ℃進行回火。管板鍛件加熱、冷卻均按工件上熱電偶實際測溫為準。

（3）模擬焊后熱處理

從管板鍛件上切取的試樣經過模擬焊后熱處理后進行力學性能試驗。拉伸、沖擊和落錘試驗的試樣經過（615±5）℃×16.5 h的模擬焊后熱處理后進行性能檢驗。

3 管板鍛件理化性能的試驗結果

由兩支130 t鋼錠鍛成管板鍛件兩件，經粗加工后對整個鍛件體積進行超聲波檢驗檢測，對所有表面進行磁粉試驗和液體滲透試驗，未發現可記錄缺陷，見圖3。

3.1 管板鍛件化學分析結果

兩塊管板的鋼包分析及鍛件不同部位化學成分分析結果見表2。

3.2 管板鍛件的力學性能試驗結果

管板鍛件的常溫和高溫拉伸性能試驗結果見表3。

3.3 管板鍛件的沖擊試驗結果

管板鍛件的沖擊試驗結果見表4和表5。

3.4 管板鍛件的落錘試驗結果

管板鍛件落錘試驗結果見表6。

表2 鋼包分析及管板鍛件不同部位化學成分的質量分數Table 2 Chemical composition of different position by ladle and product analysis (mass fraction)

表3 管板鍛件常溫和高溫拉伸性能試驗結果Table 3 The strength at room ang high temperatue of tubesheets

4 試驗結果的綜合分析與評定

從表2的結果看，兩塊管板鍛件樣坯A和樣坯C的化學元素的偏差很小，表明鍛件各部位的成分均勻，為獲得材質均勻的鍛件提供了內在的條件。鋼中的P、S、As、Sn、Sb、O、H含量非常

低，控制水平達到國外同類產品的先進水平，達到了純凈鋼的要求。

表4 管板1沖擊試驗結果Table 4 Impact properties of tubesheet 1

表5 管板2沖擊試驗結果Table 5 Impact properties of tubesheet 2

從表3中管板鍛件常溫和高溫拉伸性能看，管板鍛件各部位的力學性能滿足采購技術規范要求。同一截面上各部位的室溫強度和高溫強度差別很小，說明其均質性好，各向異性小，滿足管板鍛件性能要求。但抗拉強度富裕量不大，需在以后的制造中適當提高鋼的碳當量，適當提高鋼的強度。

從表4和表5管板鍛件沖擊性能結果看，兩塊管板鍛件各部位的韌性也非常好，特別是低溫沖擊功較高，已經大大超過世界著名大鍛件制造商同種產品的韌性指標值，達到世界領先水平。同一截面上各部位的沖擊功相近，各組的三個沖擊值沒有明顯的差別，進一步說明了鋼均質性。

表6 管板鍛件不同部位RTNDT測試結果Table 6 RTNDTof different positions for tubesheets

兩塊管板鍛件不同部位的落錘試驗結果見表6，管板1兩樣塊RTNDT都達到-42 ℃，管板2兩樣塊RTNDT分別達到-62 ℃和-52 ℃，達到世界領先水平，遠低于要求的0 ℃。落錘試驗結果進一步說明管板均勻性好、強韌性匹配恰當，完全滿足采購技術條件要求。

5 結論

通過對1 000 MW核電管板鍛件的研制，掌握了制造1 000 MW核電管板的冶煉工藝、鍛造工藝和熱處理工藝。鍛件用鋼的質量達到純凈鋼要求，力學性能和組織完全滿足產品性能要求，實物質量達到世界領先水平。

Manufacturing process and mechanical properties of forged clean steel tubesheets for 1000 MW nuclear power plant

DENG Lin-tao ，LIU Zhi-ying，WANG Tao ，SHEN Xian-li ，SUN Lei
(Institute of Heavy Pressure Vessel and Nuclear Power Technique of China National Erzhong Group Co.，Deyang of Sichuan Prov. 618013，China)

According to the requirements of the mechanical properties and structure for forged clean steel tubesheets used for 1000 MW nuclear power plant, the appropriate range of alloying elements was defined by analyzing alloying principle. Smelting and casting was done by electric furnace + ladle furnace + vacuum pouring, and reoxidation was prevented by protective casting. Overamplitude defects in the core of forgings during upsetting were prevented by particular upsetting process. With appropriate heat treatment process, the mechanical properties were improved. The results showed that the quality of steel meets the requirements of clean steel and the comprehensive performance of tubesheets has been on the world leading level.

clean steel; tubesheet forgings; steam generator of nuclear power plant

TL35

A

1674-1617(2009)02-0126-07

2008-10-30

鄧林濤（1961—），男，陜西人，教授級高工，工學學士，從事核電大鍛件、重型壓力容器的研發和技術管理工作。