CPR1000穩(wěn)壓器波動管制造技術(shù)研究

宋樹康　鄭建能　蓋仁濤　陰志英

(1.中國第二重型機械集團公司重型壓力容器與核電技術(shù)研究所，四川618013；

2.中廣核工程有限公司，廣東518000)

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CPR1000穩(wěn)壓器波動管制造技術(shù)研究

宋樹康1鄭建能1蓋仁濤2陰志英2

(1.中國第二重型機械集團公司重型壓力容器與核電技術(shù)研究所，四川618013；

2.中廣核工程有限公司，廣東518000)

摘要：根據(jù)X2CrNiMo18.12(控氮)奧氏體不銹鋼的材料特性和波動管的成形難點制定彎曲成形方法，采用模壓彎管不滑動理論完成彎曲成形模具設(shè)計，產(chǎn)品尺寸精度和性能均滿足設(shè)計要求，實現(xiàn)了CPR1000穩(wěn)壓器波動管的國產(chǎn)化。

關(guān)鍵詞：CPR1000；穩(wěn)壓器波動管；制造技術(shù)；彎曲成形

核反應堆穩(wěn)壓器波動管連接反應堆冷卻劑一回路熱段和穩(wěn)壓器，穩(wěn)壓器通過加熱或噴淋來調(diào)節(jié)內(nèi)部壓力，再由波動管把穩(wěn)壓器中的壓力傳遞到主回路中，從而保證主回路工作壓力穩(wěn)定。CPR1000穩(wěn)壓器波動管在工廠預制時分為4段，即波動管A、波動管B、波動管C和波動管D。波動管的工作環(huán)境苛刻(處于變溫、變壓的工況)，尺寸精度要求高，性能要求嚴格，是CPR1000設(shè)備中最后實現(xiàn)國產(chǎn)化的核島關(guān)鍵設(shè)備。其中，波動管D彎曲半徑R=2D(直徑)，彎曲角度90°，是CPR1000穩(wěn)壓器波動管中成形難度最大的工件。

根據(jù)X2CrNiMo18.12(控氮)奧氏體不銹鋼的材料特性和波動管D的成形難點制定彎曲成形方法，應用模壓彎管不滑動理論完成彎曲成形模具設(shè)計，經(jīng)過彎曲成形、固溶熱處理和性能檢驗，產(chǎn)品尺寸精度和性能均滿足設(shè)計要求，實現(xiàn)了CPR1000穩(wěn)壓器波動管的國產(chǎn)化。

1模壓彎管不滑動理論

管材彎曲成形過程是一個包括幾何非線性、材料非線性和接觸非線性的復雜過程[1]。在模壓彎管成形過程中，通過成形上模和成形下模施加力矩使管材外腹拉伸、內(nèi)腹壓縮，從而得到需要的彎曲半徑和彎曲角度。大型厚壁短半徑彎管在模壓彎管成形過程中，由于成形力較大，下模與工件之間的滑動會產(chǎn)生很大的摩擦力，嚴重影響管坯的受力狀態(tài)和成形后的質(zhì)量。因此，要保證彎曲過程中不受軸向力的作用，就要確保管坯和下模不產(chǎn)生滑動，即直段在彎曲過程中不受軸向力的作用。

管坯模壓成形時兩支撐點為W，管坯在兩支點間的距離AB長度為L，彎曲成形后A′B′之間的距離為Lg。管坯彎曲成形過程見圖1。

圖1　彎曲過程示意圖

要保證管坯中心線和彎管中心線在彎曲成形前后不變，則有：

(1)

(2)

將(1)、(2)式整理得到

(3)

式中，R為彎曲半徑；θ為彎曲角度；L為W之間間距；H為W與管坯中心線之間的距離。

根據(jù)(3)式，只要確定兩支撐點W之間距離后，就可以確定支撐點和管坯中心線之間的距離。

2制造方案和關(guān)鍵技術(shù)

2.1技術(shù)要求及制造難點

CPR1000穩(wěn)壓器波動管外徑355 mm，壁厚35.7 mm，橢圓度≤4%，材料采用X2CrNiMo 18.12(控氮)奧氏體不銹鋼。波動管A、波動管B、波動管C(R1800彎管)彎曲半徑為1 800 mm，最大彎曲角度90°；波動管D(2D彎管)彎曲半徑為711 mm，彎曲角度90°。R1800彎管彎曲半徑等于5.1倍管道直徑，δ(壁厚)/D(直徑)為0.1，彎曲過程最大延伸率/壓縮率為10%；2D彎管彎曲半徑等于2倍管道直徑，δ/D為0.1，彎曲過程最大延伸率/壓縮率為25%[2]。

CPR1000穩(wěn)壓器波動管A、波動管B和波動管C直徑小，形狀復雜，彎曲過程變形量不大，采用中頻彎管進行成形；而波動管D由于拉伸/壓縮變形量大，若采用中頻彎管成形則產(chǎn)生裂紋的風險大，決定采用模壓彎管的方法成形。

2.2波動管D的彎曲成形方法及成形模具設(shè)計

(1)彎曲成形方法

管道的彎曲成形可以采用冷彎和熱彎，兩種成形方式各有優(yōu)缺點。冷彎的優(yōu)勢是彎曲過程中便于操作，晶粒不會長大；缺點是彎曲過程中材料沒有加熱軟化，成形力較大，彎曲過程回彈量大，精確控制彎曲角度和彎曲半徑的難度大。熱彎的優(yōu)點是彎曲過程中材料塑性好，成形力較小，彎曲成形后回彈小；缺點是彎曲過程操作難度大，坯料在加熱過程中晶粒長大，無變形部位不發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，由于奧氏體不銹鋼線膨脹系數(shù)大，熱態(tài)的形位尺寸和冷態(tài)差別大，尺寸精度控制難度大。

波動管D產(chǎn)品尺寸見圖2。彎曲段橢圓度≤4%，X2CrNiMo 18.12(控氮)奧氏體不銹鋼鍛后室溫延伸率約為55%，延伸率滿足波動管D冷彎成形的塑性要求。根據(jù)文獻[3]，波動管D彎曲成形時必須填充成形芯模，否則成形過程會出現(xiàn)塌陷。但是，波動管D的內(nèi)孔直徑只有284 mm，在成形后是否能夠順利取出芯模是研制的難點。為此，設(shè)計了專用楔形組合芯模，解決了成形后橢圓度≤4%和彎曲成形后取出芯模的難題。

圖2　波動管D產(chǎn)品尺寸

(2)成形模具設(shè)計

根據(jù)相關(guān)文獻和不銹鋼冷彎成形回彈量的控制經(jīng)驗[1、4]，波動管D回彈前的彎曲半徑設(shè)定為695 mm，以該值設(shè)計成形上模，彎曲成形后經(jīng)尺寸檢查，彎曲半徑滿足設(shè)計要求。

波動管D彎曲半徑711 mm，彎曲角度90°，彎曲中心線理論長度1 117 mm；回彈前彎曲半徑設(shè)定為695 mm，回彈前彎曲角度為92.1°。參考GB/T232—2010《金屬材料彎曲試驗方法》，成形下模兩支撐點W間距L取2 000 mm，代入(3)式，得到彎曲成形不滑動時的H值為268 mm，根據(jù)計算結(jié)果設(shè)計彎曲成形下模。

(3)彎曲成形

采用成形上模、成形下模和成形芯模進行波動管D彎曲成形，采用常溫冷彎成形方法，最后成形階段對彎曲角度進行實時監(jiān)控。彎曲成形后對彎曲角度、彎曲半徑、橢圓度和端口尺寸進行尺寸精度檢查，全部滿足工藝要求。

2.3固溶熱處理

表1　力學性能試驗結(jié)果

根據(jù)RCC-M M3321要求，CPR1000穩(wěn)壓器波動管應以固溶熱處理狀態(tài)交貨，固溶熱處理溫度1 050～1 150℃，浸水冷卻。考慮到固溶溫度過高會對晶粒度產(chǎn)生不利影響，實際固溶溫度采用1 070～1 090℃，固溶熱處理保溫結(jié)束后浸入流動水中進行快速冷卻。

2.4力學性能檢驗

在波動管D彎曲成形并固溶熱處理后，對鋼錠頂部直段、起彎位置、彎曲中點位置、終彎位置和鋼錠底部直段切取試環(huán)進行力學性能檢驗，檢驗結(jié)果見表1。從檢驗結(jié)果看，鋼錠不同位置的室溫拉伸結(jié)果和高溫拉伸結(jié)果基本一致，均滿足設(shè)計要求且富余量較大。

3結(jié)束語

以模壓彎管不滑動理論為基礎(chǔ)，順利完成了CPR1000穩(wěn)壓器波動管的鍛造、彎曲成形和固溶熱處理，尺寸精度和產(chǎn)品性能均滿足設(shè)計要求，技術(shù)指標達到國際先進水平。該產(chǎn)品成功應用于陽江5號機組，實現(xiàn)了CPR1000穩(wěn)壓器波動管的國產(chǎn)化。

參考文獻

[1]陳紅宇，宋樹康，杜軍毅.AP1000主管道冷段彎管回彈量的理論計算.大型鑄鍛件，2013 (3)：31-33.

[2]汪大年.金屬塑性成形原理(第二版).北京：機械工業(yè)出版社, 1986.

[3]王同海，管材塑性加工技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.

[4]張立玲. 管材塑性彎曲回彈量計算.鍛壓技術(shù),2002(3)：37-39.

Study on Manufacturing Technology of CPR1000 Pressurizer Surge Line

Song Shukang, Zheng Jianneng, Gai Rentao, Yin Zhiying

Abstract：Based on the material characteristics of X2CrNiMo18.2 (controlling nitrogen) austenitic stainless steel and the difficulties of forming for surge line, the bend forming method has been prepared. By adopting the theory of moulded pipeline without sliding, the design of mould used for bend forming has been accomplished. Meanwhile, the dimensional accuracy and properties of products have met the design requirements, so as to realize the localization of CPR1000 pressurizer surge line.

Key words：CPR1000; pressurizer surge line; manufacturing technology; bend forming

作者簡介：宋樹康(1953—)，男，大學，高工，從事鍛壓及核電設(shè)備制造工作。電話：0838-2340372

收稿日期：2015—09—03

中圖分類號：TM623.2

文獻標志碼：B