超大超薄管板鍛件技術方案的研究及實施

■ 趙學文，王維寧

1.引言

兩件加氫環氧乙烷反應器上、下管板，材質為S A-508 GR.3 CL1，交貨尺寸為φ6268mm×310mm（見圖1），是制造廠首次生產如此大直徑管板鍛件。

此類鍛件壁厚小直徑大，在熱處理生產方面有很大困難，難點有：

（1）管板能否正常落入水槽及性能容易波動 受熱處理冷卻設備所限，存在管板能否正常落入水槽及性能容易波動的兩大問題。

制造分廠現有淬火冷卻設備共有2個，分別是1#立噴、2#立噴，對于管板鍛件，2個淬火冷卻設備的的優缺點如下：

1#立噴：1#立噴尺寸比2#立噴大，管板在1#立噴淬火入水較方便，但在1#立噴淬火時只能選擇浸水式冷卻方式，浸水冷卻時管板下部水流動性差，管板下部瞬間集聚大量氣泡且氣泡破裂時間較長，冷速緩慢不利于管板整體性能，調質后性能容易出現波動；另外，在淬火蒸汽膜階段，蒸汽膜破裂時會對管板底部產生很大的向上壓力，使管板鍛件向上跳動，此管板鍛件直徑大，僅用吊具兩點支撐，劇烈跳動易發生脫落，造成生產事故，因此，浸水淬火對管板性能、尺寸和生產安全都會產生不利影響。

圖1 精加工圖

2#立噴：若在2#立噴浸水淬火，也會存在和1#立噴同樣的問題，而2#立噴的優點是有各種配套附具，管板下部可以通過內環噴嘴提高冷卻能力，但是，2#立噴配套的各種外環、內芯和墊鐵都是根據其他專用產品尺寸量身定制，加氫管板尺寸能否和淬火設備配套的附具相適應也是存在的問題之一，這需要我們通過選取適合的附具、冷試、試吊來驗證方案的可行性。另外，2#立噴尺寸本身就小且受外環管的影響，管板能否正常落入水槽也是當時存在的主要問題。

分析表明，冷卻設備對管板淬火的影響主要在于兩大方面：一是管板能否正常自由落入水槽，二是管板下部冷卻能力差對性能的影響。

（2）熱處理調質后變形風險大 根據技術條件的性能試料要求編制的粗加工圖如圖2所示，增加性能試料區和粗加工余量后粗加工尺寸變為φ6430mm×350mm。雖然在工藝準備時充分考慮到變形因素并適當增加厚度方向上的余量，力求在源頭上保證熱處理變形后尺寸能夠滿足精加工要求，但管板直徑大、壁厚小、高徑比小，熱處理調質時容易變形，調質后變形風險大。

2.方案研究及實施

從以上分析可以看出，該項目管板淬火主要存在3大難點：管板能否正常落入水槽、性能波動問題和防止尺寸變形問題。針對以上難題，逐一研究，落實具體措施。

（1）淬火能否正常落入水槽問題 根據淬火設備的優缺點，最終選用2#立噴淬火。在試吊期間，發現南立噴外環有5個外環管（4#、8#、9#、10#、19#）開度不夠大，阻礙管板落入。針對以上問題，制造廠會同維修人員一起研究問題解決方案，經過1天時間，維修人員順利對5根外環管全部矯直，矯直后再次進行試吊，管板可正常落入水槽（見圖3）。

（2）性能波動問題 為解決管板性能問題，采取措施：①成分調控。我們梳理了SA-508 GR.3 CL1材質的核電堆芯筒體、管板等的性能數據、成分和金相報告，綜合考慮各種因素后，重新制訂了管板化學成分方案。②調質熱處理工藝方案。根據化學成分、性能要求和取樣位置等，編制熱處理工藝（見圖4）。

（3）淬火前模擬吊運 工藝要求淬火時間為10min，為確保嚴格按工藝要求時間執行，淬火前我們對管板進行模擬吊運，實際吊運結果：從拉臺車到落至2#立噴共計時9min，可滿足工藝淬火時間要求，在確保滿足工藝要求的前提下才開始裝爐。

（4）合理選用淬火設備結合管板尺寸和各種內芯、墊鐵，我們對可用淬火內芯和墊鐵先在計算機上1∶1模擬裝配組合，較為直觀選取淬火效果最好的內芯和墊鐵組合，最終我們選用4#內芯和1#+6#墊鐵（見圖5）組合，4#內芯上部有一圈噴嘴，更有利于管板下部的冷卻和氣體排出，克服了浸水淬火時的缺陷；同時淬火時將管板放置在四組墊鐵上可進一步提高冷卻能力，減少熱處理變形，降低安全風險。

圖2 粗加工圖

圖3 矯直后管板可正常落入

圖4 調質熱處理工藝

圖5 管板用內芯和墊鐵示意

（5）熱處理過程控制 在熱處理過程中，嚴格按照工藝要求執行，提高了鍛件過程控制質量。

（6）跟蹤性能取料及加工

重點跟蹤試料切取過程，要求按粗加工圖示取樣位置執行，并跟蹤試樣加工過程，保證按圖示方向加工。

以上六大關鍵環節的控制，真正做到了事前控制、事中控制和事后控制，確保了管板的最終性能質量。

3.熱處理變形量的控制

（1）粗加工合理留量 在工藝準備時我們充分考慮到變形因素和經濟因素，熱處理余量僅40mm，力求在源頭上保證變形后尺寸能夠滿足精加工要求。

（2）加強熱處理過程控制

我們重點跟蹤和檢查熱處理裝爐及回火裝爐等關鍵節點，主要控制變形過程如下：裝爐時，管板下部用3根墊鐵支撐，有縫隙處用墊鐵、稍鐵、墊片等塞嚴實（見圖6）。淬火時，將管板放置在4組墊鐵上進行冷卻。回火裝爐時，根據電爐墊鐵特點將管板旋轉45°裝爐以防止變形，有縫隙處用墊鐵、墊片等塞實（見圖7）。回火空冷時，不立即吊下，而是空冷8h后待溫度下降后再吊下放置在墊鐵上（見圖8）。

圖6 調質裝爐

圖7 回火裝爐

圖8 回火后空冷

4.最終結果

（1）性能結果 如附表所示。

（2）熱處理變形情況 調質后，2件管板變形量僅為11mm、28mm，其結果滿足精加工要求。

性能結果

5.結語

針對反應器上下管板熱處理中存在的難點，逐一對標研究，深入一線落實具體措施，確保了管板的質量，真正做到了事前控制、事中控制和事后控制，最終反應器上下管板性能和尺寸均一次性合格，順利發往用戶。