ACP1000稳压器封头锻件制造及性能研究

司晨亮 杨丽冬 余江山

(二重集团(德阳)重型装备股份有限公司，四川618000)

稳压器是核电站核岛内的重要设备，属于核安全一级设备。由于稳压器在使用过程中要承受较高的压力，因此，锻件要有足够的强度和较高的塑韧性。ACP1000压水堆核电站稳压器壳体采用的材料为RCCM标准的16MND5，近似于ASME标准的SA508 Gr.3，其中封头锻件由于形状复杂，锻造、热处理条件差，制造难度较大。本文中的ACP1000稳压器封头锻件由中国二重实现国内首次制造，采用旋转模压法锻造成型，性能热处理后对封头锻件不同部位进行了全面解剖性试验。

1 制造方案及关键技术

1.1 稳压器封头产品图

稳压器封头锻件产品图见图1。

图1 稳压器封头锻件产品图Figure 1 Product picture of pressurizer head forging

1.2 工艺路线

工艺路线为：电炉冶炼、钢包精炼→真空注锭→中间坯锻造→冲压成型→预备热处理→粗加工、超声检测→性能热处理→理化性能检验→半精加工→最终超声检测→最终精加工→目视、尺寸检验→渗透检测→产品。

1.3 冶炼

封头锻件用16MND5合金钢，在钢锭制造的过程中首先利用电弧炉炼出粗钢，然后进行钢包精炼从而调整化学成分并去除杂质，最后进行真空浇注。冶炼的重点和难点：严格控制钢中的O含量，保证小五害P、S、As、Sn和Sb含量降低到极低含量，并保证经过二次精炼的纯净含Al钢液在真空浇注过程中避免从精炼钢包到中间包浇注过程中产生二次氧化。

1.4 锻造成型方法的选择

稳压器封头国际上一般采用钢板冲压来制造，这种方法需要较大的压机台面，同时该方法由于需要首先将钢锭锻造或轧制成板材，然后再将钢板进行冲压而得到成品的形状。该方法有两个制约因素：1)钢板，由于受到钢板预制尺寸形状的限制，该制造方法适合厚度较小、形状简单的封头制造；2)冲压成型控制技术，无论冷冲压还是热冲压，成型控制技术是保证成品尺寸的关键，需要一定的制造经验积累。

封头锻件另一种制造方法为旋转模压法(又称旋压法)，由日本JSW发明，该方法具体做法是：将预成型的锻件毛坯置于凹模中，通过半月形上模和凹模进行旋转锻造、模压成型制造封头锻件。该方法适合制造尺寸较厚、形状复杂的封头锻件。

ACP1000稳压器封头锻件形状复杂，腰部有一凸台(最终将用于本体与支撑部件的焊接)，如采用钢板冲压法制造，钢板预制困难且冲压成形时凸台部位有错位缺肉风险。而采用旋转模压法可以充分保证凸台部位的尺寸，而且省略了将钢锭轧制成钢板这一工序，生产效率大为提高，因此，选择采用旋转模压法在160 MN水压机上制造。

1.5 热处理

锻件化学成分确定之后，热处理成为锻件获得服役时力学性能指标的最后一道关键工序，包括三部分：预备热处理；粗加工后的性能热处理；取样加工后试样坯料的模拟消除应力热处理(SSRHT)。

(1)预备热处理

预备热处理的主要目的是消氢、调整和细化晶粒，为性能热处理和粗加工后的检测做准备。尽管封头锻件钢水经过了双真空处理，但对于特厚壁碗形件，为防止心部产生白点性氢致缺陷，要根据钢锭的原始H含量进行长时间的去氢处理。同时，正火时采用的奥氏体化温度要高些，有利于合金元素的扩散，消除微区偏析，并割断原始粗晶与再次奥氏体化后晶粒之间的联系。因此，锻件锻后缓冷并使过冷奥氏体充分地转变，随后加热到630～670℃去氢处理；之后930～950℃正火，600～670℃回火。

(2)性能热处理

为满足性能要求，合理地选择奥氏体化温度和时间、淬火冷却速度、回火参数对锻件获得良好的综合力学性能至关重要。锻件淬火后的基本组织是贝氏体，冷却不足将出现先共析铁素体组织或先共析铁素体和珠光体组织。由工艺试验研究确定出封头锻件的奥氏体化温度为875～920℃，回火温度为635～665℃，淬火冷却时应采用尽可能快的冷却速度。同时，在冷却过程中，不仅要控制水温，还要控制工件冷却后的反热温度。同时为了保证温度能够达到既定要求，应该至少放置两支热电偶来记录温度变化，锻件加热、冷却均按工件上热电偶实际测温为准。

(3)模拟消除应力热处理

封头锻件在实际组装过程中需要进行焊接，因此从该锻件上截取试料进行模拟消除应力热处理来保证锻件在焊接后的力学性能。模拟消除应力热处理制度为：615±5℃×16 h。

2 取样与性能分析

按照产品要求，封头锻件需要在开口端制取试料进行性能检验。为全面评价封头锻件的纯净性、均匀性和致密性，还在凸台、人孔处等典型区域解剖取样进行评定试验。取样示意图如图2所示。

图2 取样示意图Figure 2 Schematic diagram of sampling

2.1 化学分析

封头锻件各部位化学成分分析结果见表1。锻件的化学元素偏析控制在合格范围内，各部位化学成分的偏差很小，表明锻件各部位的成分均匀，钢中的杂质元素含量非常低。

2.2 力学性能

2.2.1 拉伸试验

表2为锻件不同取样位置在不同热处理状态下的室温拉伸和高温拉伸试验结果，试样方向为横向，表中T为锻件壁厚。从锻件各部位及不同厚度处的拉伸试验结果看，封头锻件的强度有较大富裕量，各部位间强度数值波动较小，强度分布均匀，整体拉伸试验指标偏差分布在±5%范围内。

2.2.2 冲击试验

表3为锻件在不同热处理状态下的冲击试验结果，试样方向为横向和纵向。综合锻件各部位及不同厚度处的冲击试验结果分析表明，该锻件的冲击韧性有较大富裕量，且各部位间冲击韧性数值波动较小，较为均匀。

2.2.3RTNDT温度的测定

在封头锻件开口端、凸台、人孔分别测定RTNDT温度(见表4)，试验结果温度达到-35～-40℃，达到世界先进水平，远低于要求的-20℃，说明锻件均匀性好、强韧性匹配恰当，完全满足采购技术条件要求。

表1 化学成分分析(质量分数，%)Table 1 Analysis of chemical composition (Mass, %)

表2 拉伸试验结果Table 2 Result of tensile test

表3 冲击试验结果Table 3 Result of impact test

(a)开口端0°处(b)180°内表面1/4厚度处(c)凸台处(d)人孔处

图3 金相组织Figure 3 Metallographic structure

2.3 金相检验

金相组织如图3所示，其显微组织均为回火贝氏体。开口端两处位置晶粒度皆为7.0级，人孔晶粒度也达7.0级，凸台晶粒度为6.5级，均高于5.0级的要求；非金属夹杂物A类(碳化物)、B类(氧化铝)、C类(硅酸铝)及D类(球状氧化物)夹杂的含量及大小均满足小于1.5级的要求。

可以看出，钢水冶炼纯净度非常高，锻件各部位的晶粒度都较细且均匀，说明锻造过程变形均匀，热处理效果理想。

2.4 无损检测

根据RCC-M MC篇相应要求对锻件本体采用直射法和斜射法进行100%超声检测，检测结果表明锻件内部无可记录的缺陷存在。锻件最终精加工后，进行100%目视检查和100%渗透检测，均未发现应记录的缺陷。

3 结论

通过对冶炼、锻造、热处理等关键工序的控制，采用旋转模压法制造出ACP1000稳压器封头锻件，并在封头开口端、凸台、人孔等3个部位分别取试检验，覆盖了锻件的典型区域，能够代表和说明封头锻件整体的性能。由以上试验结果分析可表明：

(1)封头锻件不同部位的化学成分及力学性能能够满足规定要求，且化学成分分布均匀，同时锻件本体上各处的力学性能基本上呈各向同性。

(2)金相检验及无损检测表明锻件内部无缺陷，组织均匀，具有优异的内部质量。

(3)利用旋转模压法锻造的核电站ACP1000稳压器封头能够满足产品性能要求与RCCM M140评定要求。

[1] 焦少阳，路晓晖，司晨亮，等. 旋转模压法封头锻造工艺及性能评价[J].材料导报，2011(s2)：221-224.

[2] 姚泽坤. 锻造工艺学[M]. 西北工业大学出版社，279-282.

[3] RCC-M，核岛机械设备设计和建造规则，2007版.

[4] Tomoharu. S, Iku. K, Etsuo. M, et al. Manufacturing and properties of closure head forging integrated with flange for PWR reactor pressure vessel[C]. 2003 October 9 and 10, 29th MPA Seminar, Stuttgart, 1-20.

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