ITER極向場線圈支撐結構關鍵部件的鍛造工藝及監造技術

廖 敏，李鵬遠，康道安，張 令

(1.核工業西南物理研究院，四川 成都 610041；2.貴州航天新力鑄鍛有限責任公司，貴州 遵義 563000 )

ITER極向場線圈支撐結構關鍵部件的鍛造工藝及監造技術

廖 敏1，李鵬遠1，康道安1，張 令2

(1.核工業西南物理研究院，四川 成都 610041；2.貴州航天新力鑄鍛有限責任公司，貴州 遵義 563000 )

在ITER磁體支撐結構中，極向場線圈支撐的關鍵部件中不僅含超長超厚的大尺寸規格，還含U形兩端不均勻狹縫設計，具有尺寸精度要求高，冶煉、鍛造技術要求高、結構難以加工、機加工時間長、成形工藝復雜、制造難度大等特點，相比最初多道焊接成型產品帶來的變形風險，采用奧氏體不銹鋼整體鍛造技術，保證了316LN大鍛件鋼錠材料化學成分，機械性能（室溫和低溫），微觀組織等均滿足ITER的技術要求，并有效保證產品的裝配精度和無損檢測等質量要求。通過對ITER極向場線圈支撐結構制造過程的技術要點分析和總結，介紹了制造環節中的關鍵控制點，同時對制造過程中的質量監督重點作了分析。

ITER；奧氏體不銹鋼；鍛造；監造

核工業西南物理研究院承擔的ITER磁體支撐采購包制造任務中，超導磁體部分由18個環向場線圈、6個極向場線圈，18個校正場線圈組成，重達9 000 t。主體支撐材料選用高含氮量（質量分數為0.12%～0.22%）的316L奧氏不銹鋼[1]。其中極向場支撐線圈中不僅包括長度超過3 m，厚度達0.5 m的大尺寸規格部件，還包括兩端帶有不均勻狹縫設計，結構難以加工的PF2 U形盒，以及PF3/4支撐軸等關鍵部件[2]。由于支撐結構組件在運行期間無法維修，設備的工作溫度也十分苛刻，從室溫到液氮（-196 ℃）溫度，甚至接近液氦（-269 ℃）溫度，因此對組件的制造和組裝工藝的質量要求很高，以確保運行期間的所有支撐部件能正常工作。

針對ITER極向場線圈支撐結構制造過程的技術要點，本文主要介紹了制造環節中的關鍵控制點，同時對制造過程中的質量監督重點作了分析。鍛件制造過程中，曾出現過鋼錠化學成分不達標、鍛件鍛造開裂、內部缺陷超標等問題。本文主要針對大鍛件鋼錠的冶煉、鍛造工藝、微觀組織的控制、晶粒度的控制（晶粒度大于等于2級）、超厚大鍛件（超過200 mm）的無損檢測等制造過程中可能出現的問題進行了分析，旨在提出ITER PF支撐結構在制造過程中的質量監督要點，以便在產品監造工作中更好地控制其制造質量。

1 文件準備

1.1 質量計劃

制造開始前，制造企業必須提供資質證明，須按要求提交項目質量計劃（QP）。ITER磁體支撐認證測試件所用的316LN不銹鋼鍛件必須進行質量認證[3]，鍛件須在室溫和低溫下進行性能測試，并滿足ITER項目對材料的晶粒度要求。

質量計劃內容具體要求涵蓋17項，內容包括：1）制造任務的范圍；2）質量管理體系；3）合同審核；4）文件的編制和管理；5）設計；6）采購；7）產品標識與控制；8）制造過程中用于指導冶煉、鍛造、熱處理及機加工的實施方案，以及超聲波檢測、理化試驗用試樣的制取和試驗過程、目視檢查、尺寸檢查、標志等操作將編制專用程序文件；9）檢驗及測試，取樣并進行理化性能測試；10）測量及檢驗設備，定期校準；11）處置、儲存、包裝、發貨及交貨；12）記錄的檢索、貯存及存檔保存；13）偏離項及不合格項的處理；14）人員的培訓及資質，特別是試驗人員資格評定和認定程序；15）統計技術，找到影響產品質量的關鍵因素，制定解決途徑；16）評估，指對該質量計劃的實施狀態和有效性進行驗證，以便持續改進；17）參考標準及技術要求。

1.2 制造與檢測計劃（MIP）文件

制造開始前，制造與檢測計劃（MIP）應結合進度計劃，按照質量要求，覆蓋生產制造過程中所有制造過程和檢測內容。制造企業在生產之前，須向采購方和業主提供詳細的質量保證文件供審查和批準，取得開工授權資格后方可開始制造。開工授權審查文件包括：質量計劃（QP）、制造檢測計劃（MIP）文件、產品規格清單、制造轉化圖紙、NDE檢查程序、原材料采購驗收管理程序、冶煉/鍛造控制程序，還包括審查制造檢測計劃（MIP文件）中引用的適用文件（三級操作工藝，檢測規程等），諸如：鍛造工藝、變形工藝、取樣工藝、熱處理工藝、機加工工藝、化學分析操作規程、金相檢測規程、磁導率檢測規程、機械性能檢測規程、液體滲透檢測規程、超聲波探傷規程、目視檢查規程、尺寸檢查規程、清潔規程、包裝規程等。

2 PF支撐結構大鍛件的制造

PF支撐結構大鍛件的制造工藝為：金屬冶煉→鍛造→NDE檢查→預備熱處理→機加工→異型成型→固溶熱處理→NDE檢查→酸洗→清潔→包裝等。PF支撐結構中關鍵部件的結構如圖1所示。

2.1 冶煉

316LN(C3)屬于超低碳控氮奧氏體不銹鋼，在冶煉過程中需要重點控制碳含量、氮含量。為了克服碳鉻元素形成高鉻的Cr23C6型碳化物導致的晶界鉻的貧化，降低耐晶間腐蝕性能，鋼錠的冶煉選采用EAF（電弧爐）粗煉+VODC精煉方法，可把碳脫到0.035%以下，有效控制316LN鋼錠中的碳氮含量，保證鋼錠冶煉的高純凈度和高均勻性。在對原材料進行復驗時，重點是復驗材料中的磷、銅、鈷、砷等有害元素。

圖 1 316LN不銹鋼大鍛件半成品及PF線圈支撐U形盒原型件Fig.1 316LN austenite stainless forgings product & PF coils supports U-shaped box

在大鍛件制造過程中，盡可能建立使用大容量的爐批量。鋼錠直徑、重量及廢棄部分有嚴格要求，如鋼錠錠底和冒口的切除量占整支鋼錠質量分數分別不小于3%和14%，鍛件由大于等于17 t/支的鋼錠制造，去除了鋼錠缺陷和偏析部分，使產品位于鋼錠的錠身部位。監造中嚴格遵守對316LN不銹鋼鋼錠冶煉的控制和合理的鋼錠使用，并嚴格按照冶煉工藝規程執行，鋼水和成品成分分析按照ASTM A751[4]標準執行。

2.2 鍛造

316LN大鍛件規格為500 mm×1 020 mm×2 619 mm，重量為10 551 kg，截面尺寸大，鍛造工藝難度大，且對材料機械性能和微觀組織有著很大的影響。鍛造的重點是保證鍛件的晶粒度滿足設計要求。ITER磁體支撐結構對鍛件的技術要求較高，鍛件的晶粒度等級按ASTM E112[5]執行，必須大于等于2級。由于鍛件尺寸過大，很難保證晶粒度的均勻，特別是鍛件芯部的晶粒度，加之不銹鋼鍛造具有導熱率低、可鍛溫度范圍窄、過熱敏感性強、高溫下抗力大、塑性低等特點，因此鍛造過程中對表面及芯部開裂的控制是技術難點。

316LN大鍛件主要的變形工藝為“鋼錠鐓粗+SUF法打扁壓實+打薄再收高”。鍛造溫度選用1 180～850 ℃，在最后一火采用1 150～800 ℃，鍛后立即水冷。通過對鍛造最低溫度的控制避免了金屬間化合物δ相析出，防止鍛件開裂；而對鍛造最高溫度的控制，避免了由于加熱溫度過高引起的晶粒劇烈長大，導致抗晶界腐蝕性能變差，同時也避免在1 200 ℃時α鐵素體增多而引起的塑性變差和鍛打時易開裂的情形。

在鍛造完成后，為保證316LN不銹鋼大鍛件的性能，通過固溶熱處理使鍛件二次再結晶，消除由于鍛造變形不均勻等造成的混晶現象，使組織均勻，同時使碳化物充分溶解，減少晶界碳化物的分布，消除由于碳化物析出造成的晶間腐蝕。

監造中必須嚴格檢查按照鍛造工藝規程執行，重點關注鍛造溫度，如控制始鍛溫度和終鍛溫度。檢查鍛造比，鍛造或熱軋應保證在加工過程中組織均勻，鍛、軋比應在4以上。鍛后及時進行鍛件熱處理，鍛后鍛件在空氣中暴露不得超過24 h。還應關注鍛件外觀、尺寸以及UT檢查，滿足工藝及驗收標準的要求。

2.3 機加工

機械切削分為粗加工和精加工，所有的加工過程應盡可能在最終熱處理之前完成，在機加工期間嚴禁使用含鹵族或含有低熔點化合物的冷卻潤滑液，不允許由于加工不好導致機加工表面過熱而變色。

監造中必須重點檢查是否按照機加工工藝規程執行。此外，嚴禁使用含鹵族或含有低熔點化合物的冷卻潤滑液。

2.4 熱處理

按照ITER采購協議要求，材料須經固溶處理(1 050～1 150 ℃)，隨后水冷淬火以滿足ASTM45[6]，ASTM112要求的性能。材料在固溶溫度下應保持合適的時間。熱處理相關參數（溫度、保溫時間等）應包含在生產過程認證中。

監造中須確保供貨為固溶熱處理狀態，且按要求水冷淬火。監造中須檢查：熱處理爐操作人員的資格是否適用、有效；記錄儀、熱電偶是否已檢驗且合格，并在有效期內；熱電偶固定的方式、數量和固定位置；熱處理升溫速度、恒溫溫度、恒溫時間、降溫速度是否滿足工藝規程的要求；熱處理后的鍛件標記位置、內容是否正確、清楚。督促廠家嚴格按照熱處理工藝規程執行，確保控制加熱溫度、速度和時間，升溫及淬火時快速通過其敏化溫度區間。要求下料時材料裝爐時堆放好，熱電偶能準確測量材料實際溫度和爐膛溫度，以便準確達到每一火次的變形方向和變形量。當材料實際溫度不夠或與爐膛溫度偏差很大時，應調整裝爐或保溫時的溫度、時間。溫度記錄曲線、加熱和冷卻方法應體現在最終完工報告中。

2.5 磨削加工及最終表面要求

工件應在固溶處理前進行粗拋磨，在固溶處理后進行精拋磨加工。所有磨削砂粒必須是新的或者之前只是用于奧氏體不銹鋼材料的。磨削和拋光加工時應嚴格控制打磨速度，防止工件過熱（引起材料溫度達到敏化溫度）或工件表面冷作硬化。

如果是在最終固溶熱處理之后進行磨削加工，則最終拋光應采用粒徑細小的砂粒進行打磨，最終表面光潔度達到設計要求。

3 成品分析

制造廠在固溶熱處理后需取樣，對成品進行化學成分分析。

監造時應要求制造方提供316LN不銹鋼鍛件制備的樣品，成品成分取樣應從成品兩側邊沿1/4和1/2厚度處選取。成品分析公差應滿足ASTM A484M[7]標準中具體材料規范的要求和其他設計規范附加要求。同時，制造廠商還須按照技術規范要求，測試316LN不銹鋼鍛件在各項要求下的技術指標，并提供4 K、77 K和300 K下相關性能測試的數據。

冶煉的316LN不銹鋼化學成份分析結果，符合ITER對材料化學成份的要求。鍛件的組織及夾雜物測試結果表明，鍛件中心無疏松，φ2 mm平底孔超聲波探傷合格，夾雜物滿足ITER要求。

4 力學性能和金相試驗要求

4.1 試驗方法和取樣位置

試驗方法、試樣的位置及取樣方向應符合ASME Section Ⅲ NB-2000要求，與產品的幾何軸向、徑向和切向相關的抗拉特性、金相、晶粒度、腐蝕試驗應按設計要求切去試樣。監造時應從同批次材料中取一個成品，在成品橫向方向上沿兩側1/4和1/2厚度處取樣。

4.2 試驗類型和試樣數量

常溫拉伸試驗取樣數量及取樣位置應能覆蓋力學試驗的全部要求。此外，還應進行如下試驗取樣，如金相組織、晶粒度、碳化物分布、敏化和腐蝕試驗、化學分析、硬度測量等。金相試驗涵蓋最終產品內表面和外表面，其中硬度測量應在最終表面上進行，腐蝕試驗應位于距離外表面1/4處，冷作表面應做徑向截面的金相結構檢查。

4.3 拉伸試驗及低溫力學性能測試

材料供貨商應按照標準ASTM A370在室溫下進行拉伸性能測試（見表1）。鍛件樣品抽樣結果符合低溫下相應的材料力學性能測試結果，參照標準ASTM E1450[8]。

對316LN材料進行拉伸性能測試，測試方法將按照標準ASTM A370[9]標準執行。

由于ITER磁體支撐結構需要工作在超低溫狀態下，技術協議中對77 K和4 K下低溫力學性能測試明確要求，試樣在室溫、4 K、77 K溫度下機械性能測試結果如表1所示，滿足技術要求。

4.4 機械性能外的其他性能

材料供貨商應完成材料微觀、宏觀組織觀察、晶粒尺寸測量、磁導率測量、非金屬夾雜物及δ鐵素體含量并滿足要求。

316LN大鍛件材料性能測試結果為：微觀組織均為奧氏體組織，未見碳化物、氮化物和δ相；晶粒尺寸均為3.5級，小于2級要求，如圖2所示，磁導率為1.003，小于1.05要求，非金屬夾雜在大于1.5視場級別下，A、B、C和D粗系、細系夾雜物均未發現，滿足A、B、C和D類夾雜物不超過2號范圍要求。δ鐵素體含量200倍下未見鐵素體，滿足小于 0.8%的要求。

表1 室溫、4 K、77 K溫度下機械性能測試結果Table1 Mechenical performance testing results at room temperature,4 K,and 77 K

圖 2 316LN大鍛件晶粒度Fig.2 Grain size of 316LN forgings（a）晶粒度2級；（b）晶粒度3級

5 NDE檢測

316LN不銹鋼大鍛件的無損檢測，主要采用液體滲透法和超聲波檢測兩種方法。其中PT探傷監造時要求，所有可觸及的表面PT檢查須按ASME鍋爐和壓力容器法規第Ⅲ卷的驗收標準進行。監造時還須重點關注PT測試時機是否合適，檢測試劑是否滿足核電用化學成分要求，檢測人員是否持核安全局頒發證書，操作是否規范等其他要求。UT探傷監造時要求參照標準ASME Section V，按照直探法和斜探法兩種方法進行超聲波探傷。要求制造廠商在檢查和驗收之前須提交詳細的NDE程序供采購方批準，程序應包含探傷基本參數、手法、順序以及探傷方法等，另外還應包括設備標定和驗收的標準。

實際上，由于鍛件厚度達500 mm，無損檢測難度很大。一般無損檢測，特別是常用于檢測鍛件內部的超聲波無損檢測（UT），能夠很好地檢測到鍛件內部缺陷（如縮孔、白點、芯部裂紋、夾渣等）。但是對于500 mm的超厚工件，超聲波檢測時，超聲波探傷波形衰減比較嚴重，不能真實有效地反映鍛件內部缺陷。因此，超厚鍛件的超聲波檢測采用了更多的檢測手段，比如對比試塊，超聲波檢測頻率，超聲波檢測方法的選擇等。在PF大鍛件采用超聲探傷進行無損檢測時，采用了低頻率探頭和大晶片尺寸探頭解決波形衰減嚴重的問題；且在超聲波斜探頭掃查時采用從相互垂直的兩個方向進行，解決了斜探頭能量弱造成的掃查區域有限的問題。

監造時，根據大尺寸鍛件的實際厚度，嚴格執行標準液體滲透檢測和超聲波檢測規程，所有檢測結果均滿足ITER磁體支撐結構對大鍛件的缺陷要求。

6 尺寸和清潔度檢查

監造時，清潔和包裝須在無塵車間進行。鍛件的包裝應按照ASTM A700要求，以保護在運輸途中表面狀態和平整性不受影響。所有成品應由材料供貨商和核工業西南物理研究院認可后，共同標記。采用壓蓋認證標記（通過壓印或其他方式），標記應包含以下內容：生產商名稱和商標；爐號和批次編號；生產商資質證書；材料和ITER等級。

7 完工報告

PF支撐結構大鍛件在制造完工后應編制詳細的完工報告，包括但不限于以下內容：

1）設計文件（含設計變更文件）。

2）材料質量認證報告：含取樣位置圖、化學成分分析結果、材料質量證明；采購訂單號；適用標準；鑒定符號；生產商名稱和商標；材料和ITER等級；爐號和批次編號；熱處理參數；化學分析；冶金性能；機械性能；超聲檢測和/或滲透劑測試；磁導率；外觀檢查；尺寸檢查（包括試樣）；NDE檢測報告；質量計劃；不符合項報告（若存在）。

3）UT標定試塊證書。

4）最終尺寸檢查報告。

5）產品清潔度報告。

6）標識報告。

7）無損檢測規程及人員資質。

8）機加工后產品圖紙。

9）生產過程中的進展文檔：質量保證和控制工序并附使用標準；鑄錠的幾何圖紙（包括尺寸、場所等）；鍛造和熱軋工藝并附工程圖、場所；熱處理工藝并附環境、場所；機加工和最后工序和場所；檢查和測試工序并附適用標準和場所。

10）生產記錄，指根據實際操作修改的生產過程認證記錄，附生產工序相關示意圖。

8 結論

本項目通過選用ITER磁體支撐項目中的大鍛件作為研發對象，采用整體鍛造技術，設計壽命30年，技術要求高，制造難度大，且處于首次國產化試制階段，要求監造人員熟悉標準，必須嚴格控制制造工藝，加強制造過程的質量控制，確保支撐結構部件的制造質量，滿足設計要求。必要時還須對制造過程中出現的問題進行分類、匯總和分析，盡可能減少人因失誤的發生，避免同類問題再現。

監造過程中，通過對316LN大鍛件鋼錠材料成分的控制，材料性能和微觀組織的研究，選用合適的鍛造工藝和無損檢測方法，完成了316LN大鍛件的生產和檢測，其相關的檢測和試驗結果均滿足ITER技術要求。取樣結果表明，材料化學成分，機械性能（室溫和低溫），微觀組織等均滿足ITER的要求，尤其是大鍛件的晶粒度達到了2級或以上。

[1] Liaomin，Lipengyuan，Houbing，etc. Prototype Engineering Test Platform of ITER Magnet Gravity support，Plasma Science and Technology，No.2，Feb，2013，Vol，15：192-195.

[2] 廖敏，李鵬遠，侯炳林，等. 中國核科學技術進展報告（第二卷），大型脈沖復雜受力工程測試系統的控制與測量方法研究[J]，2011.10：117-121.（LIAO Min, LI Peng-yuan, HOU Bing-lin, et al. China’s Scientific and Technological Progress Report (Vol. 2), Study on the control and measuring method for large-scale impulse complex stress engineering test system[J], 2011.10：117-121.）

[3] 羅德隆，主編. 國際大科學工程ITER計劃外部審核管理[M]. 北京：科學技術文獻出版社.（LUO De-long, editor-in-chief. External audit and management for large international project ITER [M]. Beijing: Science and Technology Literature Publishing House[M]. Beijing：Science and Technology Literature Press）

[4] ASTM A751 Test Methods，Practices，and Terminology for Chemical Analysis of Steel Products.

[5] ASTM E112-96 (2004)e1. Standard method for determining average grain size.

[6] ASTM E45-05 (2005). Standard practice for determining the inclusion content of steel.

[7] ASTM A484/A484 M. Standard Specification for General Requirements for Stainless Steel Bars，Billets，and Forgings.

[8] ASTM E1450. Standard Test Method for Tension Testing of Structural Alloys in Liquid Helium.

[9] ASTM A370. Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products.

The Main Surveillance Point of ITER PF Support

LIAO-Min1，LI Peng-yuan1，KANG Dao-an1，ZHANG ling2
(1.Southwestern Institute of Physics，Chengdu of Sichuan Prov. 610041，China；2.Guizhou Aerospace XinLi Casting & Forging Co.，Ltd. Zunyi of Guizhou Prov. 563000，China)

ITER PF contains not only the PF U box but also the super long and thick forgings. The structure is manufactured for the first time in the project by using stainless austentic steel integral forging technology, which is different from the traditional centrifugal casting technology. It has the following characteristics: smelting and forging with strict requirements, long machining time, complex bending techniques. Compared to the original multi-pass welding deformation risks, taking Austenitic stainless steel forging technology make ensure the following technical requirements of ITER, such as 316LN large forging steel ingot material chemical composition, mechanical properties (temperature and low temperature), microstructure etc. At the same time the final product could effectively ensure assembly precision non-destructive testing and other quality requirements of products.In this paper, the key quality control and supervision points in the manufacturing process are provided based on technical summary.

ITER；stainless steel；forging；surveillance

TL37 Article character：A Article ID：1674-1617(2014)03-0234-06

TL37

A

1674-1617(2014)03-0234-06

2014-07-22

廖 敏（1976—）,女，四川成都人，博士研究生，高級工程師，從事ITER磁體支撐質量監造管理工作。