壓力容器用大型管板的鍛造新工藝

文/劉賀，趙艷敏，李晶晶·沈陽鑄鍛工業有限公司

壓力容器用大型管板的鍛造新工藝

文/劉賀，趙艷敏，李晶晶·沈陽鑄鍛工業有限公司

劉賀，技術部工藝員，工程師，主要從事鍛件和發電機護環鍛造工藝的編制和新材料、新產品和新技術的開發工作，主持完成的項目多次獲得公司獎勵。

大型厚管板鍛件超聲波探傷合格率低的質量問題，長期困擾國內大鍛件生產廠家。雖然進行了多年的研究，他們也各自提出了內部缺陷的原因及相應的補救措施。但在實際操作過程中，內部質量還是不太穩定，大型厚管板鍛件廢品率較高，一次探傷合格率不到70%，返修后合格率能達到80%。為了提高大型厚管板的內部質量，我們對管板傳統鍛造成形工藝變形過程應力狀態進行分析，找出影響管板內部質量的變形因素，提出變向鍛造工藝方案，使坯料在有利的應力狀態發生塑性變形，使大型厚管板的內部質量，達到標準要求，具有較高的操作可靠性及質量穩定性。

工藝實施

我公司與哈爾濱某大型國企一次性簽訂了9件壓力容器專用管板鍛件的合同（圖1），材質為20MnMo，每個管板的鍛件重6280kg，交貨尺寸為φ1510mm×360mm，常規工藝設計鍛件尺寸為φ1565mm×415mm，采用新工藝方案后鍛件尺寸為φ1560mm×410mm，鍛件要求按NB/T 47008-2010標準Ⅳ級制造、驗收，超聲波探傷按JB/T 4730.3-2005標準執行。

圖1 壓力容器專用管板鍛件

如果按傳統常規工藝方案進行鍛造，出現超聲波探傷不合格幾率較高，存在二次返修可能。通過對工期和費用進行詳細研究和工藝實施方案比選后，決定本次管板鍛造采用新工藝進行嘗試，即由鐓粗成形改為拔長成形，保證鍛造比在5以上，這種方法是在變向鍛造的基礎上進行大壓下率走扁方拔長，然后切料，滾圓平整出成品的鍛造方法。

原方案采用9t真空精煉鋼錠，共需要5火次。第一火次壓鉗口、倒棱、剁水口。第二火次鐓粗為φ1400mm的坯料。第三火次走扁方，拔長坯料。①800mm寬砧預拔方至1300mm；②滿砧進給,壓下率20%,開始第一次走扁方拔長,以180°翻轉壓至截面1580mm×830mm；③翻轉90°,開始第二次走扁方拔長,以180°翻轉壓至截面1300mm×740mm；④翻轉90°壓至截面800mm；⑤換500mm寬砧,拔長下料6520kg(φ800mm×1670mm)。第四火次開邊鐓粗為φ1600mm×420mm的坯料。第五火次滾圓、平整至成品。

新方案采用8.5t真空精煉鋼錠，共需要三火次。第一火次壓鉗口、倒棱、不剁水口。第二火次鐓粗φ1400mm（不允許開邊鐓粗，防止錘印給下道壓扁工序造成局部開裂影響），上下800mm寬砧滿砧進給壓下率30%拔長，在一個方向上壓至截面1560mm×420mm，剁掉水口（約400kg）及鉗口。壓扁拔長時控制砧寬比為A/H=0.8～1（根據剛塑性力學模型的拉應力理論）。第三火次滾圓、平整至成品。

理論依據

根據剛塑性力學模型的拉應力理論對鍛造工藝方案進行分析，管板為寬板類鍛件，成形過程為兩次鐓拔成形。理論認為鐓粗體在鐓粗時由于鐓粗體受上下表面摩擦力的影響，在整個變形過程中各部分應力、應變是不均勻的，應力的大小、方向也是不斷變化的。我們借助剛塑性拉應力力學模型，對坯料鐓粗后的拔長過程簡略分析如下：

根據剛塑性拉應力力學模型及靜水應力切應力力學模型（圖2）可看出，變形體在平板間鐓粗，拉應力引起的萌生與擴展的裂紋都存在于被動塑性變形Ⅲ區內。當砧寬比在0.5到1之間時，在鐓粗體的被動變形區（Ⅲ區）中心存在軸向和橫向拉應力。隨著鐓粗體由圖2a變形到圖2c的狀態，此時A/H=1，進入到靜水應力區，有利于塑性變形。當鐓粗過程中達到圖2d所示狀態A/H＞1時，坯料內部的上下兩剛性區Ⅰ區相遇，由于上下剛性Ⅰ區相交的公共區域內產生附加橫向拉應力，從而引起剪切變形。隨著A/H數值的不斷增大，在靜水應力區內引起剪切變形強度逐漸增強，當剪切應力超過材料的抗剪強度時，就會在剪切變形劇烈處出現剪切裂紋，鍛件中就會出現內部裂紋性缺陷，即產生剛性滑動撕裂效應（RST效應）。表1為各變形區域的應力狀態。

圖2 剛塑性拉應力力學模型及靜水應力切應力力學模型

由表1可以看出，鋼錠的鍛透程度、內部裂紋的萌生和鍛件成形質量，均與變形坯料的尺寸變化直接有關。各變形區域的應力狀態反映在拔長工序中，就要對相對送進量（砧寬比）、料寬比和壓下量等方面進行有效地控制。管板在成形出成品過程中，寬高比逐漸增大，采取工藝措施，壓扁拔長時控制砧寬比為A/H=0.8～1，保證其最優的壓實效果。

表1 各變形區域的應力狀態

實際生產效果驗證

大型管板鍛件，不僅原材料（鋼錠）節省4.5噸，而且鍛造過程每件減少2個火次，直接節省18火次的燃氣消耗。最后，經超聲波探傷檢查其內部質量，9件管板全部合格。該項目采用變向鍛造，保證管板內部質量的工藝方法，在我公司大型餅類鍛件的鍛造中得到廣泛應用，成品鍛件的內部質量優于標準要求，UT探傷合格率、生產效率及材料利用率得到大幅提高，積累了大量的經驗和數據，為公司取得了良好的經濟效益。

結論

⑴將鐓粗后的坯料沿橫斷面進行橫(徑)向的走扁方拔長,最后沿軸向鐓拔出鍛件。此方法結合了軸向走大扁方拔長和徑向十字鐓拔鍛造方法的優點,技術要點明確,便于實際操作中掌握。

⑵現按照新方案鍛造出的大型管板鍛件，鋼錠利用率比傳統工藝方案大幅提高。

⑶鍛造過程每件減少2個火次，節省了燃氣消耗和水壓機工時。

⑷最后經檢查其內部質量，9件管板一次探傷合格率達到100%，等級均優于標準要求，經生產實踐證明，采用這種新的工藝方法，可以大大提高大型餅類鍛件的內部質量，滿足超聲波探傷標準要求，還可以降低生產成本。