核電穩壓器下封頭鍛件制造工藝及質量控制

趙廣宇

（海軍駐上海電站輔機廠軍事代表室，上海 200240）

穩壓器作為核島內三大主設備之一，其主要作用是將一回路(RCP)的壓力維持在15．5MPa(abs)的整定值上，以防止冷卻劑水在一回路中汽化。穩壓器內貯有兩相狀態的水，水和蒸汽都在確定的壓力所對應的同一溫度，依靠噴淋閥和加熱器進行壓力調節，另外可緩沖一回路系統水容積的迅速變化。其中下封頭是穩壓器鍛件的關鍵部件,也是典型難成形件。封頭鍛件的特點是：曲率半徑偏小、封頭直邊大、技術條件要求高、制造工藝難度大、工序復雜、生產周期長。穩壓器下封頭下部有一凸臺和裙座合為一體,屬于整體封頭，這種整體封頭的結構設計代表當今壓力容器封頭的發展方向。

本文以國內某企業制造的材料為508-3鋼穩壓器下封頭鍛件為例，結合鍛造和熱處理兩個主要過程，介紹其制造過程的質量控制。

1 技術指標要求

材料牌號為508-3，成品化學成分要求見表1。

材料取樣位置要求為試樣的軸線垂直于主鍛造方向，試樣軸線到最近熱處理表面的距離為厚度的一半，試樣中與實驗有關部門到其他熱處理表面的距離不得小于部件厚度；沖擊試樣缺口軸線應垂直于鍛件表面，力學性能見表2鍛件應進行超聲波探傷，驗收標準符合RCC-M MC2300(2000版+2002版補遺)規定在鍛件開工前編制了制造方案、質量計劃、鍛造工藝、熱處理工藝、機加工工藝、檢驗檢測大綱等文件，并提交給業主與設計單位審批。

2 制造工藝及控制要點

2.1 鋼錠冶煉及成分控制

為了提高鋼的純凈度，降低鋼中氫、氧和非金屬夾雜物的含量，改變夾雜物的形態，確定了鋼錠的雙真空冶煉澆注工藝方案；為了改善鍛件的力學性能，在滿足技術條件的基礎上，提出了鋼錠化學成分的目標值控制要求。

（1）冶注工藝：EBT+LF鋼包精煉+VD真空澆注+VC真空脫氣。

（2）降低鋼中S、P的含量；將S、P含量控制在≤0．008的范圍之內。

（3）優化鋼錠的化學成分，設定熔煉目標值。

2.2 鍛造工藝

鍛件在5000T液壓機上鍛造，始鍛溫度為不得超過1250℃，終鍛溫度不得低于800℃，鍛件重量為12．8噸；鍛件總鍛造比為16．9。如圖1為下封頭鍛件毛坯圖。為了清除縮孔和主要偏析部分，鋼錠頂部切除量≥20%，底部切除量≥10%（對切除的頂部和底部做好稱重記錄并標識），通過鍛造使鍛件獲得良好組織，即通過鍛造破碎鋼錠的鑄態組織，細化晶粒、改善夾雜物的分布；鍛合縮孔、氣孔和疏松等缺陷。通過切除水口、冒口來去除鋼錠中夾雜、疏松的聚集部位，使鍛件的各部位致密程度和缺陷鍛合程度相對均勻且不產生內部鍛造裂紋。由于組織致密、晶粒細化，這將大大地提高鍛件的可淬性，為后序加工做好了組織準備。

表1 成品化學成分要求（wt.%）

表2 材料力學性能要求

鍛造變形工序完成后轉入鍛后熱處理工序，鍛后采用正火+擴氫工藝，按鍛后熱處理工藝嚴格控制鍛后冷卻溫度、加熱速率、最高加熱溫度、保溫時間等參數，做好溫度記錄。

圖1 下封頭鍛件毛坯圖

2.3 性能熱處理工藝

作為用于穩壓器上關鍵部件的508-3鋼鍛件，在滿足材料強度指標的前提下，需儲備足夠富裕的韌性指標。要滿足這些要素，需從工藝及其控制上采取措施，首先是控制鋼中的C含量、降低S、P含量，從材料化學成分上來保證508-3鋼的力學性能要求。其次是通過調整熱處理制度來獲得細晶粒的回火索氏體組織。

為了達到理想的性能指標和金相微觀組織，結合以往核電508-3鋼鍛件產品的成熟經驗，并根據試制件產品的實際結構尺寸，制定熱處理工藝方案。圖2為熱處理曲線。

（1）確定熱處理加熱規范為Ac3以上適當的溫度范圍（900～925℃的水淬）（635～655℃回火），并選擇合適的保溫時間。

（2）強化鍛件的冷卻速度，在17．6×7×4m淬火水槽內配備了2臺流量為200立方米/每小時的外循環泵，在水槽四側共配備了10臺內循環泵，直接對工件進行強制冷卻。整個淬火過程水溫的實際溫度升高值不超過5℃。

（3）按熱處理工藝規范進行升溫、保溫、冷卻的控制，保溫溫度均以產品外接熱電偶為準，鍛件的裝爐以及外接熱電偶的布置均按裝爐工藝要求進行，確保工件在爐膛中受熱均勻。采用多點接觸式熱電偶測量鍛件加熱過程中表面的實際溫度，更加有效的控制溫度值；在保溫期間偏離熱處理規定溫度最大允許偏差為±10℃。

圖2 熱處理曲線

2.4 檢測結果

鍛件在產品階段進行超聲波檢測（如圖3），采用型號4P-20N直探頭，斜探頭在徑向緯向四個方向探傷，沒有發現可記錄缺陷，符合標準要求。

圖3 超聲波探傷掃查方向圖

下封頭鍛件力學性能檢測結果見表3。

表3 力學性能檢測結果（wt.%）

3 結語

在鍛件的制造過程中，通過對鍛造及熱處理等相關制造工序的嚴格控制，總結出了一套完整且較為成熟的制造工藝和過程控制方法，對預先設定的質量風險點進行了防范，有效減少了質量風險，提高了產品質量的穩定性和可靠性。

參考文獻：

[1]趙全強，白泉．核電瓦坯鍛件制造工藝及質量控制[J]．大型鑄鍛件,2016．