高溫氣冷堆壓力容器封頭近凈成形技術研究

艾海昆 董凱

(上海電氣上重鑄鍛有限公司,上海 200245)

高溫氣冷堆核電站重大專項是我國于2006年2月份確定的國家中長期科技發展規劃綱要16個重大專項之——“大型先進壓水堆和高溫氣冷堆核電站”的重要組成部分,目標是建設世界上第一座具有第四代核能系統安全特征的200 MW級高溫氣冷堆核電站,是中國建設創新型國家的標志性工程之一[1]。其中高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件是高溫氣冷堆核電裝備的關鍵零部件之一。

我國在大鍛件成形技術的研究方面起步較晚,在過去很長一段時間內,沒有形成成熟的大鍛件成形技術,許多關鍵大鍛件無法實現國產化,或者國產化成品率很低,嚴重依賴進口,國家和企業為此付出了高昂代價。

面對大鍛件的巨大市場需求,公司依托165 MN油壓機,聯合上海交通大學等院校開展攻關,開展了一系列復雜大鍛件成形方法研究和生產工作,形成了具有自主知識產權的鍛造技術,在高品質大鍛件成形制造技術方面取得了一定突破,成功制造了以高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件等為代表的一系列核電大鍛件。這些研究成果打破了國外的技術封鎖,滿足了國家核電裝備制造業的急需,為提升我國核電裝備的自主研發與制造做出了貢獻。

1 高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件的結構特點和成形方法分析

高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件(見圖1),材質為SA508 Cr.3 Cl.1,其化學成分見表1,整體呈116°規則球型結構,是高溫氣冷堆壓力容器中的典型大鍛件。該封頭特點主要為:1)壁厚均勻,交貨圖壁厚均為100 mm;2)尺寸規格大,交貨尺寸的開口直徑達到?5689 mm/?5520 mm,內半球徑為3250 mm,高度約1633.4 mm;3)形狀比較規則。

表1 力學性能測試結果

表1 SA508 Gr.3 Cl.1鋼的化學成分(質量分數,%)

圖1 高溫氣冷堆壓力容器封頭交貨圖

業界針對封頭類鍛件成形主要有兩種成形方法:沖壓成形方法和旋轉碾壓成形方法。沖壓成形方法,是通過先預制板坯,再利用上下模具將板坯拉伸成形的方法。沖壓成形方法具有成形質量好、仿形程度高等特點,主要應用于壁厚均勻規則封頭類鍛件。旋轉碾壓成形方法是直接利用胎膜和旋轉扇形上模,采用旋轉扇形上模進行局部成形,通過同一方向、小角度逐砧旋轉扇形上模實現整面成形的方法。旋轉碾壓成形方法具有生產流程相對簡單(無需板坯加工)、鍛件內表面平整度相對較差和鍛件余塊相對偏大等特點,主要應用于結構相對復雜或規格偏大的較難直接使用沖壓成形方法的一體化結構封頭類鍛件,如一體式頂蓋鍛件和水室封頭等鍛件。目前,業內在復雜一體化封頭類產品上應用沖壓成形方法的研究意愿較大,也在部分試驗件和產品中有一定的試驗和應用。

基于高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件壁厚均勻、規則球型的結構特點,適宜采用“預制板坯+沖壓”的成形工藝方案。

2 高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件的板坯制備

2.1 預制板坯設計

高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件在放置試樣區和熱處理余量后,鍛件熱處理余量圖壁厚為170 mm,開口直徑達到?5966 mm/?5578 mm,內半球徑為3210 mm,高度為1791 mm。

根據經驗,球形封頭展寬公式如下:

Dw=3RD/(3R-h)

(1)

式中,Dw為展開直徑;D為封頭開口中線直徑,D=(5966 mm+5578 mm)/2=5772 mm;R為封頭中線球半徑,R=(3210+170/2)mm=3295 mm;h為封頭中線高度,h=(1791-170/2)mm=1705 mm。

將D、R和h的值代入公式(1)可得:

Dw≈6975 mm

根據經驗,按20%拉薄量計算板坯厚度:

t=170/(1-20%)mm=212.5 mm≈215 mm

考慮封頭沖壓偏心裕量,最終確定高溫氣冷堆壓力容器封頭沖壓前板坯尺寸為?7170 mm×215 mm。為保證最終沖壓成形質量,沖壓前需要對板坯進行粗加工無損檢測。

在沖壓前板坯基礎上加放粗加工余量后,高溫氣冷堆壓力容器封頭板坯鍛件尺寸為?7300 mm×300 mm。

2.2 板坯成形工藝設計

根據高溫氣冷堆壓力容器封頭板坯鍛件的材料特性和外形特點,選擇在“始鍛溫度1240℃,終鍛溫度850℃”的條件下采用“鐓粗+拔長+下料+鐓粗+鐓剝”的工藝方案。工藝流程圖見表2。

表2 工藝流程圖

由于高溫氣冷堆壓力容器封頭板坯鍛件直徑約?7300 mm,厚度300 mm,外形尺寸已接近公司油壓機工作面的極限尺寸(壓機開檔7500 mm),鍛造過程中最大的難點是鍛件橢圓度的控制。通過變形過程分析,發現產生橢圓形狀的原因主要是,厚壁大直徑板坯鍛造時,板坯與工裝接觸面積較大,因而摩擦阻力增大,易引起變形不均勻,造成鍛件橢圓。為此,需要在變形時盡量減小變形區的面積。在鍛造過程中,通過回轉臺帶動鍛件繞中心360°范圍內旋轉,協調上下模具的壓下運動,調整壓下量、進給量,可以有效減小變形區的面積和控制摩擦力造成的橢圓問題。

大型板坯成形通常采用由外到內逐圈旋轉壓下鐓剝的方式進行成形,如圖2(a)所示。此種成形方式雖然能有效地降低大型板類件鐓剝成形過程的變形抗力,但成形效率較低,需要下部旋轉平臺旋轉數圈才能完成整面的鍛造,表面平整度欠佳,易在砧角位置形成淺臺階[2-4]。為了解決以上問題,研究設計了整體長砧過中心鐓剝的板坯控圓成形工藝,在高溫氣冷堆壓力容器封頭板坯鍛件鐓剝成形時,采用整體上長砧直接過鍛件中心鐓剝,并借助下部旋轉平臺旋轉實現整體壓下變形。該工裝和成形方法,理論上旋轉半圈即可完成整面的成形,極大地提高了板坯成形效率[5]。這種成形方式如圖2(b)所示。

(a)常規旋轉壓下鐓剝方法 (b)長砧過中心鐓剝成形方法

3 高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件的沖壓成形

3.1 模具設計

根據高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件外形尺寸,設計了專用的上下沖壓模具。其中,上模具為半球體凸模,外球半徑為高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件內球半徑加線膨脹系數,為R3245 mm;下模具為規則半球體內凹模,內球半徑為高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件外球半徑加線膨脹系數,為R3425 mm。上下模具尺寸在高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件內外球半徑基礎上增加線膨脹系數,是為了保證高溫氣冷堆壓力容器封頭板坯在熱沖壓成形后保留一定的熱脹冷縮量,使其在冷卻后滿足高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件的尺寸要求。模具形狀尺寸見圖3。

(a)沖壓成形上模具

3.2 沖壓成形工藝設計

高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件沖壓前板坯尺寸為?7170 mm×215 mm,規格偏大、壁厚較厚,屬于厚壁封頭。相對于薄壁封頭,厚壁封頭沖壓成形需要更大的設備能力。為了降低材料的變形抗力,匹配165 MN油壓機設備能力,高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件沖壓成形時,采用熱沖壓的方式,板坯沖壓前先進爐按1000℃±10℃進行保溫,保溫時間為8～10 h。

為了保證高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件沖壓成形過程中對中性,減少板坯和模具之間的偏斜量,沖壓前上下模具要進行冷對中操作,上下模具對中偏差應控制在10 mm以內,并在下模上焊擋塊,擋塊相對位置為“板坯冷態直徑+線膨脹系數”。沖壓前模具涂潤滑劑,以減少板坯與模具之間的摩擦。沖壓時,采用四點鏈式起吊方式將熱板坯吊運到下模具上,保證沖壓板坯的水平度和坯料與模具的對中效果,按照大沖壓速度,點動沖壓,保證封頭的成形質量。沖壓成形方案如圖4所示。

圖4 沖壓成形方案示意圖

4 計算機數值仿真模擬

針對高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件沖壓成形實施過程中,板坯、上模和下模之間相對位置的偏心對沖壓方案的影響進行分析,本論文對板坯和上下模之間完全對中,板坯相對上下模分別偏心20 mm、50 mm和100 mm,上模和下模分別偏心10 mm、20 mm、30 mm、40 mm和50 mm進行了計算機數值仿真模擬。計算機數值仿真模擬參數詳見表3。

表3 計算機數值仿真模擬參數

4.1 板坯和上下模之間完全對中的情況

當板坯、上模和下模完全對中時,計算機數值仿真模擬結果如圖5所示。

(a)初始狀態 (b)沖壓結束時狀態 (c)模擬結束與余量圖對比

由圖5可知,當板坯和上下模完全對中時,計算機數值仿真模擬結果良好。通過與封頭鍛件余量圖進行對比,滿足余量圖尺寸要求,整體余量比較均勻。說明高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件沖壓方案可行。

4.2 板坯和上下模發生偏心的情況

當上模和下模完全對中,板坯與上下模分別發生20 mm、50 mm和100 mm偏心時,計算機數值仿真模擬結果如表4所示。

表4 板坯與上下模分別發生20 mm、50 mm和100 mm時模擬結果

由表4可知,當板坯與上下模偏心20 mm、50 mm和100 mm時,模擬結果通過旋轉一定角度進行偏借后滿足余量圖,偏借后整體余量相對比較均勻。說明球形封頭板坯沖壓成形時對板坯與上下模之間的相對偏心不敏感,可以通過旋轉一定角度進行偏借,偏借后整體余量比較均勻。

4.3 上模和下模發生偏心的情況

當板坯與下模完全對中,上模與下模分別發生10 mm、20 mm、30 mm、40 mm和50 mm時,計算機數值仿真模擬結果如表5所示(當上模與下模最小間距達到板坯壁厚時停止沖壓)。

表5 上模與下模分別偏心10 mm、20 mm、30 mm、40 mm和50 mm時模擬結果

由表5可知,當上模和下模偏心10 mm和20 mm,且當上模和下模最小距離達到板坯厚度停止沖壓后,通過適當偏借,模擬結果滿足余量圖,但整體余量分布較不均勻,局部余量較少。當上模和下模偏心達到30 mm或更大,且當上模和下模最小距離達到板坯厚度停止沖壓后,板坯扭轉嚴重,已無法通過借調使其滿足余量圖。說明球形封頭板坯沖壓成形時對上模和下模之間偏心較為敏感。在現有板坯余量情況下,上模和下模之間偏心不應超過20 mm,考慮到工程裕度,工藝要求上模和下模之間偏心不超過10 mm是必要的。如果工程實踐中,無法將上模和下模的對中偏心控制在10 mm以內,應將球形封頭沖壓前板坯的厚度余量適當放大,從而保證沖壓后的板坯滿足余量圖的要求。

5 工程驗證

高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件按照預設的整體上長砧過中心碾壓制板坯,再按照“預制板加工沖壓”工藝方案進行了封頭的工程制造。工程制造實際過程中照片見圖6。

(a)板坯制備 (b)沖壓前狀態 (c)沖壓后狀態

高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件板坯圓度好,經過加工沖壓成形后,外形良好,表面平整美觀,未發現熱開裂等質量問題。對該封頭鍛件外形尺寸進行測量,經對比分析后,滿足熱處理余量圖尺寸要求。尺寸檢測結果見圖7。

圖7 高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件尺寸檢測示意圖

按照ASME標準和采購規范的要求,在高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件板坯粗加工和最終精加工后,采用縱波法,使用2 MHz或4 MHz探頭,基準靈敏度為?6.4 mm,沿經向和緯向進行無損檢測。檢測結果表明該封頭內部質量良好,完全滿足高溫氣冷堆壓力容器鍛件采購技術要求。

6 結論

材料為SA508 Gr.3 Cl.1高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件按照“預制板坯+沖壓”的工藝方案進行了工程制造,最終結果滿足高溫氣冷堆壓力容器鍛件采購技術要求。

工程實踐結果表明,高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件板坯采用整體上長砧過中心旋轉鐓剝方式可以很好地控制板坯橢圓的問題,獲得外觀質量良好的預制板坯。此外,“預制板加工沖壓”的成形方法是一種大位移小變形的近凈成形工藝,減少了以往大型異形封頭鍛件在碾壓過程中的大變形成形帶來的表面質量損傷問題,滿足了高溫氣冷堆壓力容器封頭鍛件的近凈成形需求。