第三代核電CAP1000主管道和波動管擠壓制坯新工藝

鄭建能 陳紅宇 李文亮 司晨亮

(1.二重(德陽)重型裝備有限公司國家能源極端裝備虛擬制造重點實驗室，四川618013；2.河北宏潤核裝備科技股份有限公司，河北061300)

主管道是連接反應堆壓力容器、蒸汽發生器和主循環泵的大型厚壁承壓管道，是核蒸汽供應系統輸出堆芯熱能、形成封閉回路的“大動脈”，核電站運行時處于高溫、高壓、高流速和放射性的工況，是核島一回路重要的壓力邊界。穩壓器波動管連接主管道熱段和穩壓器，工作時處于變溫、變壓的工況，是核島一回路壓力邊界的組成部分[1]。第三代核電CAP1000主管道采用直管與彎頭、管嘴與管道整體鍛造結構，穩壓器波動管采用U形、門框形結構，材料采用316LN超低碳含氮奧氏體不銹鋼，尺寸大，結構復雜，技術要求高，制造難度大。目前鍛造主管道和波動管制造的主流技術路線為冶煉+鍛造+彎曲成形+固溶熱處理[2]，其中鍛造主要采用實心鍛造，空心鍛造仍處于科研開發階段，尚沒有成功的應用案例。

本文分析了CAP1000主管道和波動管鍛造制坯工藝特點和主要技術難點，介紹了擠壓制坯新工藝的特點和CAP1000主管道、波動管擠壓制坯研制情況，對比分析了實心鍛造和擠壓制坯的優缺點，為第三代核電鍛造主管道和波動管新工藝的開發提供參考。

1 CAP1000主管道、波動管鍛造制坯工藝特點及技術難點分析

CAP1000主管道和波動管交貨產品形狀復雜，在制坯時鍛造成直管，鍛坯加工后進行彎曲成形，最終的復雜形狀通過彎曲來保證，其中CAP1000主管道熱段L001A見圖1。CAP1000主管道和波動管材料采用316LN超低碳含氮奧氏體不銹鋼，化學成分見表1。該材料鍛造時變形抗力大、可鍛溫度范圍窄、裂紋敏感性強，熱處理過程無相變，不能通過熱處理細化晶粒，組織的均勻性和晶粒尺寸必須通過鍛造來保證[3]。

圖1 CAP1000主管道熱段L001AFigure 1 Hot leg L001A of CAP1000 main piping

表1 CAP1000主管道和波動管化學成分要求(質量分數，%)Table 1 Chemical composition for CAP1000 main piping and surge line(mass fraction, %)

對于CAP1000主管道管坯的鍛造，由于管坯尺寸大且帶一體化管嘴，鍛造要解決的主要問題是鍛造裂紋問題和晶粒度問題。鍛造裂紋產生的主要原因包括：

(1)鋼錠質量問題。對于采用大氣下注制造的鋼錠，由于鋼錠凝固時間長、冷卻速度慢，結晶過程產生粗大的柱狀晶，鍛造初始階段塑性差，容易產生較大的表面裂紋。對于電渣重熔鋼錠，由于純凈度高、組織致密、成分均勻，大大提高了鋼錠質量，鍛造過程裂紋敏感性降低，但在重熔最后階段補縮時，可能形成縮孔并帶入熔渣，夾渣是脆性的，鍛造過程一旦受力，在夾渣物內部或夾渣物與合金基體之間就會產生較大的鍛造裂紋。

(2)局部位置溫降過快的問題。在鍛造過程中，坯料表面、棱邊和棱角由于散熱快及與溫度較低的工裝輔具接觸等原因，導致溫降大，材料塑性降低，當與高溫部位發生足夠的相對剪切位移時產生裂紋，裂紋容易出現在與錘頭或下砧接觸的表面以及棱邊、棱角位置[4]。

(3)坯料截面尺寸過大的問題。CAP1000主管道管坯由于坯料尺寸大、結構復雜，鍛造成形過程中不同部位冷卻不均勻，316LN超低碳含氮奧氏體不銹鋼導熱性差，熱膨脹系數大，鍛造過程坯料內外溫差大，鍛坯表面容易產生裂紋。

(4)一體化管嘴成形時的剪切撕裂問題。一體化管嘴成形時以剪切變形為主，管嘴成形過程產生撕裂，管嘴高度越高撕裂現象越嚴重，因此，一體化管嘴成形時產生大裂紋的風險很大。

對于CAP1000主管道的晶粒度控制，技術難點主要包括：

(1)由于材料裂紋敏感性強、坯料尺寸大，鍛造準備時間長、溫降大，316LN不銹鋼可鍛溫度范圍窄，難以爭取到大變形的溫度。

(2)坯料長度大，結構復雜，要求彎曲部位、端部以及管嘴部位晶粒度≥2.0級，管嘴部位最終變形量小且和端部無法在1個火次完成成形，局部位置經歷無鍛比、小鍛比加熱，晶粒的均勻性難以保證。

2 AP1000主管道及波動管擠壓制坯新工藝

2.1 擠壓制坯新工藝介紹

與鍛造多火次成形相比，擠壓成形具有各部分變形連續，成形時間短，可在1道次實現大變形且變形均勻，有利于晶粒度控制，在提高產品質量和縮短制造周期方面具有明顯優勢。二重(德陽)重型裝備有限公司和河北宏潤核裝備科技股份有限公司依托5萬噸垂直擠壓機開展了CAP1000穩壓器波動管和主管道熱段L001A試制件(1∶3)的擠壓制坯工作。

2.2 擠壓制坯新工藝試驗結果

2.2.1 CAP1000波動管管坯擠壓成形

按照CAP1000波動管產品尺寸進行管坯制造，鋼錠開坯后進行擠壓成形，內外表面預留15 mm余量，管坯模擬固溶熱處理后晶粒度檢驗結果見表2。和實心鍛造管坯相比，晶粒度明顯提高，由于毛坯內外表面只有15 mm余量，材料利用率大大提高，制坯周期、后續加工周期明顯縮短。

表2 CAP1000波動管晶粒度檢驗結果Table 2 The test result of grain size for CAP1000 surge line

2.2.2 CAP1000主管道熱段L001A試制件(1∶3)的擠壓制坯

CAP1000主管道熱段L001A制坯難點主要在兩個一體化管嘴的擠壓成形。鋼錠開坯后先成形直管管坯，之后采用“軸向補料-徑向擠壓”成形兩個一體化管嘴，管坯彎曲成形后進行固溶熱處理，不同位置的晶粒度檢驗結果見表3。和實心鍛造管坯相比，試制件晶粒度改善不明顯，但驗證了擠壓制坯成形一體化管嘴的可行性。

表3 CAP1000主管道熱段L001A試制件晶粒度檢驗結果Table 3 The test result of grain size for hot leg L001A for CAP1000 main piping

3 實心鍛造制坯和擠壓制坯優缺點分析

3.1 實心鍛造制坯工藝優缺點分析

目前，二重(德陽)重型裝備有限公司、吉林中意核管道有限公司、煙臺臺?，斉瑺?、意大利IBF等國內外主管道主要供貨商均采用實心鍛造工藝制坯，實心鍛造是目前主管道和波動管最穩定的制坯工藝?？招腻懺煊捎阱懺爝^程裂紋敏感性更強，一體化管嘴分料難度大，導致其應用受到一定限制。

實心鍛造工藝的優點是管嘴成形難度小，工藝穩定，缺點是材料利用率低，加工周期長，制造成本高。主管道產品單件價值高，產品報廢損失很大，為保證鍛坯裂紋清理后滿足管坯尺寸要求，實心鍛造時的余量主要在外圓和一體化管嘴上。CAP1000主管道熱段L001A交貨理論重量約11 t，采用下注錠需要115 t，利用率約10%；采用電渣重熔鋼錠約82 t，利用率約13.4%。由于管嘴和兩端無法在一個火次完成鍛造，管坯不同位置的晶粒度不夠均勻，特別是管嘴部位的晶粒度僅達到設計要求的下限。

3.2 擠壓制坯新工藝優缺點分析

擠壓制坯可實現高溫狀態大塑性變形，擠壓過程坯料溫度不降低，成形周期短，在裂紋控制和晶粒度控制方面具有明顯的優勢，通過波動管的擠壓成形，驗證了空心坯擠壓成形的可行性，在提高材料利用率、縮短制造周期、降低制造成本方面具有明顯的優勢。在CAP1000主管道熱段1∶3試制件一體化管嘴制坯方面，由于一體化管嘴成形過程需要補償的料較多，管嘴成形難度較大，目前的晶粒度雖能滿足設計要求，但和實心鍛造相比沒有明顯的提高，尚需要進一步完善坯料加熱制度、管嘴成形方法以及冷卻方式，使不同位置的晶粒度進一步提高。

4 結論

和實心鍛造相比，擠壓制坯在裂紋控制和晶粒度控制方面具有明顯的優勢，通過第三代核電CAP1000波動管的擠壓成形，驗證了波動管空心坯擠壓成形的可行性，在提高材料利用率、縮短制造周期、降低制造成本方面具有明顯的優勢。在CAP1000主管道熱段1∶3試制件擠壓成形方面，通過試制件一體化管嘴的擠壓成形，驗證了擠壓成形一體化管嘴的可行性，但在坯料加熱制度、管嘴成形方法以及冷卻方式方面需要進一步優化工藝，實現晶粒度的明顯提高。

參考文獻

[1] 陳紅宇，宋樹康，杜軍毅.AP1000鍛造主管道制造技術進展[J].大型鑄鍛件，2013(2)：1-3.

[2] 潘品李，鐘約先，馬慶賢，等.大型核電主管道制造技術的發展[J].鍛壓裝備與制造技術，2011(1)：13-17.

[3] 宋樹康，劉志穎，鄭建能，等.第三代AP1000核電主管道的研制[J].大型鑄鍛件，2011(1)：1-3.

[4] 余江山，石玉萍，陳紅宇，等.CAP1400主管道整體鍛造成形和晶粒度控制研究[J].大型鑄鍛件，2017(5)：37-38.