反應堆壓力容器整體頂蓋鍛件鍛造質量控制研究

王水平

(海軍駐上海電站輔機廠軍事代表室，上海 200240)

反應堆壓力容器(簡稱RPV)主要作用是固定和包容堆芯及堆內構件，是防止放射性物質外逸的第二道屏障之一，其中頂蓋處于壓力容器的頂端，是一回路壓力邊界內重要的核一級部件，其完整性對核動力設備的安全運行意義重大。

傳統頂蓋研制工藝是將上封頭和頂蓋法蘭焊接。焊縫的組織、性能和母材之間存在一定的差異，使焊縫區很容易產生應力集中、氣泡和腐蝕薄弱環節等缺陷；而頂蓋整體成型以后，上封頭和頂蓋法蘭同工序研制，極大的減少了不同部位之間的組織差異；減少裝備在役檢測工作量，使得裝備在復雜工況下可靠性更高，安全性更好。

本文以國內某企業制造的材料為SA508 Gr．3 Cl．2鋼反應堆壓力容器整體頂蓋鍛件為例，分析如何通過控制鍛造成型環節的關鍵工藝參數，即在鍛造方案中涉及加熱、塑性成型、鍛后熱處理的三個過程對鍛件質量的影響因素，分析如何加強鍛造過程控制，實現頂蓋鍛件的整體鍛造。

表1 材料力學性能要求

1 技術指標要求

鍛件在法蘭口端、螺栓孔、管座孔三個位置材料力學性能見表1。

材料牌號為 SA508 Gr．3 Cl．2，成品化學成分要求見表2。

2 鍛造過程控制

2.1 鍛造工藝過程

反應堆壓力容器整體頂蓋鍛件所用材料為SA508Gr．3 Cl．2鋼。經過 EBT+LF 鋼包精煉 +VD 真空脫氣+VC真空澆注的冶煉工藝，降低鋼中S、P和非金屬夾雜物的含量，達到預定目標化學成分；鋼錠冶煉后熱送至鍛壓車間，利用臺車式天然氣爐對其加熱，然后在5000噸液壓鍛機上，采用胎模鍛造，溫度控制在1240～850℃范圍內，總鍛造比約為11，以消除鑄造缺陷，保證鍛造微觀組織均勻性；鍛后熱處理為正火+擴氫退火，旨在消除鍛造應力，改善組織狀態，消除白點影響，為后續性能熱處理做準備。

表2 成品化學成分要求（wt.%）

2.2 鋼錠加熱過程控制

在鍛造前需對鋼錠進行加熱，加熱工藝通常包括最高加熱溫度的控制、裝爐溫度、升溫速度、均熱控制、保溫時間。

對于裝爐溫度的控制，裝爐溫度對于頂蓋鍛件所采用的SA508 Gr．3 Cl．2多組元合金鋼影響較大，因為鋼錠等鑄態組織及多組元合金鋼導熱性差，過高的裝爐溫度將給加熱件帶來較大的附加應力，嚴重的可使高合金鋼中心開裂。爐溫待料實際上給鋼錠一個由表及里的熱傳導過程，減少了內外層溫度差，即減小了熱應力差異，并給后續升溫提供了一個快速升溫的基本條件。

對于加熱速度的控制，加熱時經常用到“盡速”、“盡功率”升溫的要求。另外也有限制升溫速度的標記，如“≤70/h℃”，指的是保證加熱件的熱應力不超過它所能承受的極限值的安全升溫速度。它主要取決于加熱過程中產生的熱應力，而熱應力的大小又與金屬的熱擴散率、熱容量、線膨脹系數、高溫力學性能和加熱件形狀尺寸有關。

對于均熱保溫的控制，均熱指的是當測溫偶反映到儀表指示溫度達到工藝規定的溫度后，爐子內部加熱區的溫度場均勻化和鋼錠表面各處均勻化（即溫色一致）。保溫指的是這種表面均勻化向鋼錠中心導熱后達到內外溫度一致的過程。保溫應取“最小保溫時間”，避免出現嚴重的粗晶、脫碳等質量缺陷，也加快周期、節約能源。

2.3 成型過程控制

通過鍛造可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。并通過切除水口、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（圖1）。

2.4 鍛后熱處理控制

鍛后熱處理又稱第一熱處理或預備熱處理。主要目的是防止白點與氫脆，消除內應力，降低硬度，改善鍛件的切削性能，改善零件內部組織，細化晶粒，為最終熱處理做好組織準備。

圖1 頂蓋鍛件毛坯圖

本次頂蓋鍛件在鍛造成型后，將鍛件放置爐臺空冷，待表面溫度降至350～450℃時進爐加熱。裝爐時應全面考慮工藝要求、加熱均勻性、便于目測、出爐方便、冷卻均勻等，并力求做到臺車負荷均勻。工件溫度及其均勻性以大表讀數和目測工件表面顏色為準。封爐冷為停火并關閉閘板、點火孔爐冷，在冷卻過程中不得打開爐門和爐蓋。爐冷臺車爐400度以上停火關閉閘板爐內冷卻。

在對鍛后熱處理工藝的控制中還應著重考慮白點的影響，白點是鋼中的一種內部裂紋，常出現在大型鍛件的縱向斷裂面上，呈現邊緣清晰的圓形或橢圓形銀白色斑點，長度可達幾毫米至數毫米。對白點敏感的大型鍛件進行鍛后冷卻與熱處理時，若能將氫大量擴散出去，同時盡量減小組織應力，就可避免產生白點。

2.5 性能試驗結果

該反應堆壓力容器整體頂蓋鍛件通過對法蘭口端、管座孔、螺栓孔進行取樣，并對不同區域試樣的數據進行比較來看，化學成分、力學性能及金相組織不僅滿足了驗收要求，而且具有很好的均勻性。如表3～5。

表3 法蘭口端力學性能檢測結果（wt.%）

表4 螺栓孔力學性能檢測結果（wt.%）

表5 管座孔力學性能檢測結果（wt.%）

3 結語

通過對反應堆壓力容器整體頂蓋鍛件鍛造方案中，涉及的加熱、塑性成型、鍛后熱處理三個過程中主要工藝參數的控制，分析了其對鍛件質量的影響因素。

（1）在對鋼錠加熱過程控制中，主要對最高加熱溫度、裝爐溫度、升溫速度、均熱控制、保溫時間等關鍵工藝參數的控制，防止產生較大的溫度應力并引起裂紋等缺陷，提高了金屬塑性，降低變形抗力。（2）在成型過程的控制中，嚴格控制鋼錠的頭尾切除量和總鍛造比，采用餅形板坯沖型法使得驅動機構貫穿件區域承受較大的靜水壓力，形成三向壓應力，提高了壓實效果。（3）在鍛后熱處理的控制中，采用正火+擴氫退火的工藝細化了晶粒，防止白點與氫脆，消除內應力，降低硬度，改善鍛件的切削性能，為最終熱處理做好組織準備。

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