主管道热段成形技术研究

魏雷 吴展

摘 要： 受限于主管道热段结构特点和技术要求，大型奥氏体不锈钢冶炼、锻造和焊接技术难度较大。通过分析主管道热段成形过程电渣重熔铸造、整体锻造、弯管成形、热处理和焊接的关键技术难点，提出了相应工艺控制要点。

关键词： 主管道; 奥氏体不锈钢; 锻造成形

华龙一号是我国自主研发的具有完整自主知识产权的第三代核电技术，其技术性能指标达到国际三代核电技术水平。主管道是核电站反应堆冷却剂系统的主要承压设备之一，连接反应堆压力容器、蒸汽发生器和反应堆冷却剂泵，为反应堆冷却剂提供循环通道。其服役环境较为苛刻，需要在高温、高压、高流速、腐蚀、辐射的条件连续服役长达六十年，因此要求主管道具有良好的强度、塑性、韧性、耐晶间腐蚀和耐热老化性能。

1 技术特点

华龙一号主管道采用X2CrNiMo18-12超低碳控氮不锈钢，其C含量极低，耐晶间腐蚀性能较好。N作为间隙固溶强化元素，弥补了C含量降低带来的强度损失，同时提高了耐腐蚀能力[1]。此外Co元素在长期辐照环境下产生放射性极强的同位素，Co含量限制为不大于0.05%。

主管道热段2的设计压力17.23 MPa，设计温度343℃。主管道为单相奥氏体不锈钢，无法通过热处理发生相变细化晶粒，只能采用锻造的方式塑性变形使得晶粒发生动态再结晶。但是奥氏体不锈钢的锻造变形抗力大，加热温度要求高，且可锻温度范围窄，裂纹敏感性强。且热段2包含2个互为135°的大尺寸接管嘴，采用整体锻造成形技术，成形技术难度大。

2 制造难点和关键技术

2.1 电渣重熔

电渣重熔后钢锭具有组织致密、纯净，成分均匀等优点。钢锭的冶金质量是主管道锻件达到技术要求的先决条件，三代压水堆的主管道的钢锭大多采用电渣重熔技术冶炼。

电渣锭常出现增碳问题，且多由上而下增碳量递增。氮含量区间要求较窄，接近控氮型奥氏体不锈钢，氮在面心立方奥氏体中的溶解度远大于体心立方晶格铁素体中的，凝固相变过程中会出现含氮量的变化[2]，需注意避免氮的析出。应尽量降低制备电极中的C、S、P、Co、Cu等元素含量，选用合适的渣系、脱氧剂以及重熔工艺，合理设计结晶器结构获得较大冷却速率。

2.2 整体锻造

因主管道尺寸较大，且需同时完成一体化接管嘴锻造，使得锻造难度较大，整体锻造关键控制要点为锻造裂纹和晶粒度。主管道锻造须严格控制锻件加热规范，选择合理锻造温度范围和锻造工艺，以提高可锻性，获得良好的组织性能。奥氏体不锈钢的导热系数随温度的升高而增加，锻前加热采用分步升温的形式控制升温速率。在低温区间缓慢加热避免锻件因温度差异较大而受热应力影响出现裂纹，高温区间则快速升温。在镦粗和拔长主变形阶段，采用高温大变形量成形，诱发动态再结晶实现晶粒细化，使得晶粒尺寸均匀，避免出现混晶现象。锻件圆整阶段可采用小锻比修整，使得主管晶粒大小满足技术要求。

2.3 弯管成形

主管道采用冷弯成形工艺，成形难点主要表现为壁厚减薄、截面畸变、管嘴阻碍和弯曲回弹。应力中性层内侧受压应力金属堆积而壁厚增加，应力中性层外侧受拉应力金属流动而壁厚减薄，变形截面受压缩而畸变。主管道弯管成形主要采用壁厚预补偿、专用模具和工装、分步下压的方式控制成形质量。考虑到弯管成形壁厚变化规律，热段弯管成形采用壁厚预补偿，用于一定程度抵消弯管过程金属流动引起的內腹区增厚和外腹区减薄。模具弯曲半径和角度需考虑成形后的弯曲回弹，模具和工装的设计通过有限元模拟和模拟件试验相结合，多次修正优化。弯管成形过程为分步下压多次变形，变形量逐步減小，均进行尺寸测量和表面质量检查以便及时调整。

2.4 热处理

主管道采用固溶热处理，能有效地细化晶粒，改善组织，提高力学性能;减小锻造成形中的残余应力和加工硬化，获得良好的切削性能。固溶温度和保温时间影响晶粒长大速度及晶粒尺寸大小，冷却速率则影响析出相的含量。固溶温度为1050℃至1150℃，保温时间不低于4h，随后采用流动冷却水快速充分冷却，水温升高后不得超过75℃。取主管段两端和两个一体管嘴段进行室温拉伸、高温拉伸及晶粒度试验，结果满足设计要求，且经无损检验合格，这表明主管道热段的成形工艺是科学合理的。

2.5 管嘴焊接

主管道热段有多个用于连接其他管路的小尺寸接管嘴，采用焊接与主管道相连。奥氏体不锈钢焊接性较差，因热导率较低，线膨胀系数较大，焊接时形成内应力，如晶间塑性变形过大则出现热裂纹[3]。受焊接热源作用，焊缝及热影响区处于敏化温度区域的材料，在晶界易析出含铬碳化物，形成贫铬边界，导致晶间腐蚀。因而，主管道管嘴焊接质量控制，必须选择合理的焊接工艺，提高焊接速度，控制层间温度，降低熔池热度。

主管道管嘴焊接采用TIG 焊打底、SMAW 焊填充及盖面的方法焊接方法，焊材选用为E316L和ER316L，按照RCC-M S3000制定焊接工艺评定。选择合适焊接速度，严格控制焊接过程中的线能量和层间温度。

3 结论

X2CrNiMo18-12超低碳控氮不锈钢锻件具有良好的强度、塑性、韧性和耐晶间腐蚀性能，应用于华龙一号主管道。主管道热成形中存在电渣重熔铸造增碳和析氮问题，整体锻造裂纹和晶粒度不均问题，弯管成形壁厚减薄、截面畸变和弯曲回弹问题，热处理组织变化和尺寸偏差问题，小管嘴焊接裂纹和敏化问题，均需要结合成形理论和工艺深入分析，创新成形技术，优化工艺参数，以达到质量控制要求。

参考文献

[1] 郑建能，陈红宇，司晨亮， 等. 第三代压水堆核电站核岛一回路主管道的选材 [J] .大型铸锻件，2018（1）：41-45.

[2] 姜周华，李花兵，董艳伍， 等. 电渣重熔高氮钢技术的进展 [J] .钢铁研究学报，2006，18（10）：1-6.

[3] 满达虎，王丽芳. 奥氏体不锈钢焊接热裂纹的成因及防止对策 [J] .热加工工艺，2012，41（6）：181-184.

【作者简介】魏雷（1986.11～），工程师，研究方向为核电项目管理