AP1000核電穩壓器大鍛件特點及制造技術

0 引言

長期以來，中國的能源結構以煤炭為主，造成了較為嚴重的環境問題，同時已難以滿足經濟快速發展的需要，大力發展高效、清潔的能源——核電是我國現階段解決能源緊缺、改善能源結構的戰略選擇。在目前世界63座在建核電站中，中國就有26座，主要堆型包括自主開發的二代和二代改進型核電、俄羅斯VVER-1000核電、美國AP1000核電以及法國EPR核電，其中AP1000核電和EPR核電由于其優越的安全性和經濟性，屬于典型的第三代核電。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。

AP1000是由美國西屋公司開發的先進的非能動壓水堆機組，采用ASME標準設計，單機發電功率約為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。目前在浙江三門建設的AP1000核電廠1號機組將成為世界上首臺并網發電的AP1000核電機組。上海電氣核電設備有限公司承接的AP1000穩壓器是三門1號機組中唯一的一個國產關鍵核島主設備，上海重型機器廠有限公司（簡稱上重）作為上海電氣旗下的大型鑄鍛件專業制造企業，依托三門AP1000核電項目，成功研制出世界首套AP1000穩壓器大鍛件。

1 AP1000穩壓器大鍛件技術特點

1.1 AP1000穩壓器概況

目前國內運行及在建的核電廠主要為壓水堆，穩壓器位于壓水堆反應堆一回路，連接壓力容器與蒸汽發生器，基本功能是建立并維持一回路系統的壓力，避免冷卻劑在反應堆內發生容積沸騰，屬于保證整個核電廠安全運行的關鍵設備。

AP1000穩壓器是一個鍛焊結構的立式圓筒，上下分別是半球形的封頭，總高12.1 m，最大外徑?2.34 m。穩壓器下封頭底部波動管接管與波動管對接后與一環路熱管段相連，穩壓器上封頭設有噴淋管道以及能提供超壓保護的安全閥組。

圖1 AP1000核島主設備分布

二代和二代改進型核電穩壓器為板焊+鍛焊結構，其中筒體采用鋼板卷焊制成，封頭則由半球形封頭與若干個接管鍛件組焊而成。AP1000穩壓器為提高安全裕度，全部采用鍛焊結構，減少了主要焊縫數量并避免了縱焊縫。

圖2 AP1000核電穩壓器結構及大鍛件分布

1.2 鍛件技術特點和制造難點

(1)概況

建造AP1000穩壓器所需的大鍛件包括兩個封頭（上、下封頭）和三個筒體（上、中、下筒體），鍛件材料為SA-508MGr3Cl2。與二代改進型核電相比，由于設計安全裕度更高、壽命更長，AP1000穩壓器鍛件性能要求較二代和二代改進型核電有較大提高，除此之外，AP1000穩壓器采用了一體化設計以減少主要焊縫，導致封頭幾何形狀十分復雜。

表1 AP1000、二代改進型核電穩壓器鍛件主要技術特點對比

(2)化學成分

AP1000穩壓器鍛件材料為SA-508MGr3Cl2，主要合金成分與制造二代改進型核電穩壓器的16MND5相近，但有害元素的控制要求更高，提高了冶煉難度。

(3)力學性能

AP1000穩壓器鍛件力學性能要求較二代改進型核電提高幅度較大，如室溫拉伸試驗抗拉強度下限從552MPa提高至620MPa，落錘試驗RTNDT考核值從≤-12℃提高至≤-21℃。更嚴格的性能要求意味著AP1000穩壓器鍛件對冶煉成分控制、熱處理技術提出了更高的要求。

表2 AP1000、二代改進型核電穩壓器鍛件主要成分對比 （質量分數，%）

(4)封頭鍛件

AP1000穩壓器封頭鍛件采用一體化設計，要求將二代改進型核電中焊接到球形封頭上的接管改為直接鍛出，其中上封頭帶有兩個安全閥接管和一個噴淋管接管，下封頭帶有一個波動管接管和四個方形底座。改為一體化設計后，穩壓器封頭鍛件的幾何形狀十分復雜，成型難度顯著增加。

表3 AP1000、二代改進型核電穩壓器鍛件主要力學性能指標對比

(5)筒體鍛件

AP1000穩壓器筒體鍛件調質尺為? 2 805/?2 510×4 015mm，鍛造成型方法與二代改進型蒸發器筒體鍛件相同。除性能要求高帶來的難度外，由于其調質壁厚僅為148mm，而筒身高度超過4m，加熱至高溫狀態時鍛件整體剛度較弱，易發生較為嚴重的熱處理變形，如何有效控制熱處理變形將是筒體鍛件需要克服的主要制造難點。

2 技術準備

整個鍛件的研制依托三門核電穩壓器項目進行。在正式進行試制之前，必須進行必要的技術準備工作。

2.1 確定工藝路線

根據工藝裝備特點和核電大鍛件的技術要求，AP1000穩壓器大鍛件的制造工藝流程如下：

雙真空冶煉、注錠→鍛造→鍛后熱處理→粗加工→性能熱處理 取樣、性能試驗→精加工→終檢測（包括無損檢測、尺寸檢查等）

其中冶煉、鑄錠、鍛造、性能熱處理是保證獲得合格鍛件的關鍵工序。

2.2 成分設計和優化

SA508MGr3Cl2鋼是一種低合金鋼，主要合金元素為C、Mn、Mo、Ni以及其他微量元素。不同合金的具體含量的直接影響了鍛件的最終性能，故需要在規范允許的范圍內調整合金的具體含量以盡量挖掘材料潛力。主要合金的作用如下：

C：這是最重要的強化元素，但過多的C會使鋼的韌性下降。因此在保證強度的前提下，應盡可能的選取相對較低的碳含量。

Mn：可以較強的提高鋼的淬透性，可強化基體、使鐵素體韌性特別是低溫韌性提高。同時，Mn會促成P和其他雜質原子在原奧氏體晶界產生偏聚，降低晶界內聚力，增加回火脆性，為了彌補這一缺點，提高Mo含量，通過Mo的固溶抑制P和其他雜質原子的晶界偏聚。由于SA508MGr3Cl2本身合金含量偏低，Mn的作用至為關鍵，宜將Mn控制在成分范圍的上限。

Mo：可以提高淬透性、耐熱性和減小回火脆性。為保證鍛件具有足夠的抗回火脆性，應將Mo控制在規范要求的中上限。

Ni：鎳能提高碳的活度，增強碳原子在位錯周圍的偏聚，阻礙位錯移動，從而起到間接固溶強化作用。在強化的同時，能提高鐵素體韌性特別是低溫韌性，所以將鎳含量控制在成分范圍的上限對鍛件的性能有利。

除此之外， P、S、Sn、Sb、As等有害元素將惡化鋼的韌性，含量應盡量低。

2.3 材料相變研究

為研究SA508MGr3Cl2材料的相變行為，給制定熱處理工藝提供科學依據，故在 Gleeble-3500 熱模擬試驗機上采用膨脹法測量了SA508MGr3Cl2材料的連續冷卻曲線（CCT曲線）見圖3。

圖3 SA508MGr3Cl2材料的CCT曲線

由CCT曲線可以看出：等速連續冷卻過程中SA508MGr3Cl2鋼貝氏體轉變的冷速區域很大，即在0.5～20℃/s 之間可以獲得完全的貝氏體組織，但溫度范圍較窄（400～600 ℃），要避免出現先共析與共析組織必須冷卻速度大于 0.5℃/s。

AP1000穩壓器力學性能要求很高，應盡量提高冷卻速度以獲得轉變溫度較低的下貝氏體組織。

2.4 封頭成型工藝路線

AP1000穩壓器封頭鍛件由于幾何形狀復雜，已不能采用傳統的沖壓成型方案獲得所需尺寸的鍛件。如何完成封頭成型是鍛件研制過程中需要解決的首要難題。

此類異型封頭的成型存在兩種技術路線，一是設計出復雜的成型模具和鍛造工藝實施仿形鍛造，二是將異型封頭包含在一個尺寸較大的實心圓柱體中，然后使用機械加工方法成型。前者如法國克魯索在制造二代核電水室封頭時，設計了復雜的專用成型模具和沖孔翻邊工藝，將封頭上的管嘴直接鍛出，而日本制鋼所則采用了第二種方案。

上述兩種方法各有利弊，仿形鍛造而成的鍛件外形與交貨尺寸接近，鋼錠利用率高，后續機械加工量小，制造周期短。但實施鍛造前需要設計、制造復雜、昂貴的專用成型模具，技術風險較大。雖然所需鋼錠較小，但考慮到制造模具所需的費用，制造成本亦十分高昂。加工成型方案需要更大的鋼錠，鋼錠利用率較仿形方案至少降低一倍，后續機械加工量很大，同時鍛造而成的圓柱形鍛件毛坯由于厚度大，其中心很難壓實，如何滿足嚴格的無損檢測要求，是設計鍛造工藝時需要解決的重要課題。

3 制造過程

3.1 雙真空冶煉、注錠

核電大鍛件對材料的純凈度要求非常高，一般選用真空冶煉+真空澆注（即雙真空冶煉）工藝制造所需高純凈度鋼錠。制造AP1000穩壓器大鍛件需要200 t級雙真空鋼錠。

AP1000穩壓器大鍛件要求有害元素含量控制到一個極低的水平，同時為滿足嚴格的性能要求，必須嚴格按照成分優化目標值將合金元素控制在規范上限。要實現上述工藝目的，首先應精選爐料，選用合理配比的優質重廢鋼、輕廢鋼和優質生鐵，然后在電爐中粗煉鋼水（見圖4），冶煉過程盡量降低P、S含量，并將Cr、Mo 等元素含量調整至接近規定值。鋼水粗煉結束后轉入精煉爐進行真空精煉（見圖5）。精煉目的是進一步去S，同時調整合金成分以符合內控指標要求。當精煉鋼水出鋼溫度、化學成分滿足規定要求時，鋼水在真空澆注室內進行澆注。

采用上述技術制造出的鋼錠純凈度優良，P≤0.005%，S≤0.002%。

圖4 電爐粗煉鋼水

圖5 精煉爐精煉鋼水

3.2 鍛造

3.2.1 封頭鍛件

為保證全球首套AP1000穩壓器的按期開工，上重選用了技術風險相對較小的機械加工成型方案，所需的雙真空鋼錠為200t級。采用此方案后，雖然避開了管嘴成型的難題，但由于鍛件外形由碗狀封頭改為圓柱形實心鍛件，中心鍛透、壓實難度顯著提高。

為充分打碎鋼錠原始鑄態組織，鍛合鋼錠中的疏松、氣孔等缺陷，故采用墩粗、寬砧強壓（WHF）、中心壓實鍛造法（JTS）等多種鍛造工藝方法，保證中心位置也有足夠的鍛比，從而獲得所需的中心壓實效果。

圖6 穩壓器上封頭鍛件毛坯尺寸

圖7 穩壓器下封頭鍛件毛坯尺寸

圖8 165MN壓機和630t·m操作機對穩壓器封頭鍛件實施鍛造

3.2.2 筒體鍛件

AP1000穩壓器筒體鍛件與其他核電主設備如蒸發器、壓力容器筒體鍛件相比尺寸較小，且形狀比較簡單，鍛造成型制造難度較小。AP1000穩壓器筒體鍛件的鍛造過程如下：

(1)熱送鋼錠，切頭、切尾，獲得所需坯料；

(2)對坯料進行鐓粗、拔長；

(3)鐓粗、沖孔；

(4)將沖孔后的坯料套在一個芯棒上，轉動所述芯棒，使得坯料也隨之轉動，同時三點砧相對于所述芯棒對套在所述芯棒上的坯料多次施加壓力，形成圓形筒體；

(5)鍛件外形精整完工。

合理使用三點砧保證筒體圓度是鍛造工藝實施過程中需重點關注的問題。

圖9 穩壓器筒體在165MN自由鍛油壓機上鍛造成型

3.3 性能熱處理

3.3.1 封頭鍛件的熱處理

與二代改進型核電相比，AP1000穩壓器大鍛件對材料的強度、韌性配比的要求顯著提高。SA508MGr3Cl2材料合金含量較少，本質上屬于中等淬透性能的鋼種，如何同時滿足鍛件嚴格的強度、韌性要求，是設計熱處理工藝所需解決的首要問題。

AP1000穩壓器上、下封頭均屬于異型封頭，不但需要在碗口處取樣，管嘴上亦需要取樣進行相關性能檢測。在大型通用水槽中淬火時，穩壓器封頭由于其結構特點，鍛件表面尤其是管嘴附近流場往往不佳，再加上封頭淬火時常見的蒸汽膜富集問題，冷卻效果很差，性能難以合格。為解決穩壓器封頭熱處理難題，上重公司與上海交通大學開展合作，根據穩壓器封頭形狀設計、制造了專用水槽噴射裝置，引導高速水流對封頭鍛件表面進行強有力的沖刷，改善鍛件表面附近的流場，有效打破阻礙熱交換的蒸汽膜，從而獲得強烈的淬火水冷效果。

圖10 穩壓器封頭淬火

表4 AP1000穩壓器典型鍛件主要力學試驗結果

在電子掃描顯微鏡（SEM）下觀察封頭鍛件金相組織，主要為下貝氏體組織，貝氏體鐵素體條成明顯針狀，析出的碳化物分布均勻、致密，基本沿針狀貝氏體鐵素體條平行排列，具有明顯的方向性。這種組織是在較高的冷速下條件下形成的。

圖11 穩壓器封頭鍛件金相照片（SEM）

最終力學檢測和金相分析結果表明，上述強冷淬火工藝方案取得了良好的效果，封頭鍛件強韌性水平較考核要求均有較大富余量。

3.3.2 筒體鍛件的熱處理

與封頭相比，筒體鍛件在水槽中的流場要好得多，且不存在蒸汽膜富集的問題，易獲得較好的淬火效果，獲得所需力學性能的難度相對較低，但由于整體剛度較低，如何控制熱處理變形是需要重視的問題。

為防止穩壓器筒體在熱處理加熱、冷卻過程中發生過大的變形，上重公司已摸索出一整套行之有效的熱處理變形預防方法，控制要點如下：

(1)工件在熱處理爐中水平擺放，支撐點均勻分布，保證工件受力均勻；

(2)避免偏心裝爐，保證加熱的均勻性；

(3)強化熱處理淬火轉移操作，保證工件進入水槽中心，保證工件冷卻的均勻性。

(4)機械加工

AP1000穩壓器上、下封頭形狀復雜，且由于采用加工成型方案，在調質之前，穩壓器封頭鍛件必須從圓柱體加工至盡量接近交貨狀態的尺寸，故粗加工工序的機械加工量大，技術難度高。為保證封頭加工的質量和速度，上重設計的機械加工方案如下：

(1)熱切割制坯

對于鍛出的圓柱形毛坯，采用熱切割的方法去除大部分余料。為避免熱影響區影響封頭鍛件本體，切割后的坯料應留有足夠的余量。

(2)碳弧氣刨成型

碳弧氣刨是利用在碳棒與工件之間產生的電弧熱將金屬熔化，同時用壓縮空氣將這些熔化金屬吹掉，從而在金屬上刨削出溝槽的一種熱加工工藝。碳弧氣刨操作靈活，可將封頭幾何形狀基本加工出，加工效率數倍于機床，但為避免碳弧氣刨帶來的增碳和熱影響區影響封頭鍛件本體，需留有足夠的余量待后續機床加工。

(3)數控機床加工完工

穩壓器上、下封頭形狀復雜，尺寸精度要求很高，最后一步的粗加工和最終的精加工均需在數控機床上完成。

圖12 上封頭鍛件在數控機床上加工曲面

圖13 精加工結束的穩壓器上封頭鍛件

圖14 完工的穩壓器下封頭鍛件

圖15 完工的穩壓器筒體鍛件

4 結 語

AP1000作為我國引進的第三代核電，已成為未來中國核電站主力堆型之一。盡快實現AP1000核電主設備大鍛件的國產化，對快速推進AP1000核電建設，緩解我國能源緊缺和環境惡化的處境，支持我國經濟可持續發展將起到舉足輕重的作用。穩壓器是采用大鍛件制造的AP1000核電關鍵主設備，由于性能要求提高和一體化設計帶來的復雜幾何外形，AP1000穩壓器大鍛件制造難度較二代加核電明顯增加。

經過兩年的技術攻關，上海重型機器廠有限公司通過在冶煉、鍛造、熱處理、機械加工等多個工序上開展自主創新，成功完成了世界首套AP1000穩壓器大鍛件的研制，鍛件各項性能滿足AP1000穩壓器鍛件采購技術規范要求且有較大富余量，綜合技術水平達到世界先進水平。