华龙一号主泵主螺栓制造工艺研讨.pdf

中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 149 华龙一号主泵主螺栓制造工艺研讨 张 鹏1 刘友夫1 高 行1 陈俊杰1 曲兆国2 1.华能海南昌江核电有限公司，海南 海口 570000 2.哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000 摘要：摘要：华龙一号主泵主螺栓锻件材料为 ASME SA-540M Grade B24 Class3 调质钢，该锻件采购技术要求考核室温、高温性能，而且室温性能、高温性能要求接近，已经达到材料的性能极限，经常出现性能不合格的情况。因此对冶炼、浇注、锻造、热处理以及检验等关键制造工艺有很高的技术要求。为成功得到品质良好、性能优异的主螺栓锻件,从锻造与浇注、铸造与热处理、机加工以及检测与测量 4 个角度,就主螺栓锻件生产的技术和品质管理要求作出详细阐述。经过多次检验和试验，可根据 ASME 标准的要求总结锻件总体尺寸、理化性能和无损检测指标方面的相关技术要求，证明该工艺方案的可行性，为主螺栓的批量制造提供了可参考的工艺路线。关键词：关键词：华龙一号；主螺栓；锻造；热处理；无损检验 中图分类号：中图分类号：TG62 主泵是反应堆一回路中关键设备，是核安全1级、质保 1 级部件，负责驱动反应堆冷却剂在一回路中循环，将核燃料产生的热量传递给二回路，被誉为核电站中的“心脏”。主螺栓是连接泵壳和泵盖的关键部件，维持压力边界的完整性，同样也是核安全 1 级、质保 1级部件，重要性不言而喻。在主泵长期运转的过程中，要在高温环境中承受较高的拉力和辐照，因此要求主螺栓要有足够的强度和韧性。1 主泵简介 核电主泵主要分为轴封式主泵和屏蔽式主泵，华龙一号主泵采用的是轴封式主泵。对于华龙一号机组来说，主泵是一回路最关键的主设备之一，是核岛内唯一的转动设备，是核电的心脏。华龙一号机组中，一个堆芯有三条环路，在每条环路有一台主泵，所以一台机组共有 3 台主泵，用于驱动一回路冷却剂的循环流动，实现连续不断地把堆芯中产生的热传递给蒸汽发生器二次侧。主泵在系统配置上未设置冗余，所以对其运行的可靠性、稳定性要求极高，一旦主泵运行发生故障，将直接导致停堆，甚至可能造成核安全事故等严重后果。在主泵制造方面，因为主泵属于一回路的压力边界，所以其安全等级为核 1 级并要求满足抗震类、质保等级为 QA1 级。主泵结构复杂、技术要求高、制造难度大，主泵制造体现着当代泵类产品设计制造的最高水平。主螺栓为典型旋转体长轴，外形尺寸较大，长度为 1041mm，最大外径为 125mm。主螺栓材料选用 ASME SA-540M Grade B24 Class3 调质钢，类似于国产材料40GrNiMoA,该材料经过调质后有较高的强度和韧性，综合性能好。主螺栓材料主要经历熔炼、锻造、热处理、机加工和无损检验等关键工序。主要制造流程如图 1 所示。图 1 主螺栓制造工艺流程图 2 发展前景 目前，国内首个“华龙一号”示范机组福清核电 5号机组在 2015 年 5 月开工建设，首次将互联网与核电建设深度融合，将“互联网+”技术全面应用至“华龙一号”科研、设计、采购、土建、安装、调试等领域，已先后完成了 FCD、穹顶吊装、蒸汽发生器吊装、堆内构件吊装等重大节点，大批重要设备如汽轮机、主泵等顺利到货。目前首堆建设进度正在加快，预计在 2020年并网发电并商运。同时，依托“华龙一号”示范工程，国家能源局会同国家标准化管理委员会、国家核中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 150 安全局开展核电标准化工作，力求完善优化现有压水堆核电标准体系，打破我国多机型、多技术路线并存的不利局面，健全一套自主的、能够满足“华龙一号”国内建设与出口需求的，涵盖核电全生命周期的压水堆核电标准体系，为中国核电更快更好地“走出去”搭桥铺路。3 熔炼和钢锭浇注 钢锭冶炼采用碱性电弧炉冶炼，真空精炼和真空脱气处理控制钢水的化学成分，在熔炼过程中，液态金属液体通过高温电弧区落到金属坩埚中，在水冷结晶器中凝固成铸块。目的是在液态金属与气相之间以及熔炉内的一系列物理和化学反应中，提高金属的纯度、晶体结构和性能。真空电弧熔炼不受大气、耐火材料和模具的污染，能去除钢铁和合金中的气体和有害金属杂质。混合物还可以在熔炼过程中悬浮除去，从而改善混合物在合金中的分布和形态。采用此种熔炼工艺，能够获得理想的化学成分，严格控制 P、S 等有害元素的含量，以提高材料的性能。此外，为了保证性能并兼顾后期运行的辐照，禁止有意添加 Pb、Zn、Cd、Sn、Sb、Hg、Bi、S、Tm 及其化合物等低熔点材料。钢锭熔炼的化学成分应满足表 1 规定。表 1 熔炼化学成分 元素 熔炼分析(%)P 0.020 S 0.010 C 0.37-0.44 Mn 0.70-0.90 Si 0.15-0.35 Cr 0.70-0.95 Ni 1.65-2.00 Mo 0.30-0.40 注：不允许有意添加铅、锌、镉、汞、铋、铥、碲、硒等低熔点材料及其化合物。4 锻造及热处理 主螺栓在液压机上锻造，采用自由锻工艺进行锻造，锻件坯料的轴线与钢锭的轴线平行，锻件不能进行补焊。钢锭从加热炉取出至锻造的过程中，应对钢锭温度进行实时监查，为了保证钢锭在锻造温度范围内具有良好的可锻性，足够的塑性、低的变形抗力，并防止过热或过烧，始锻温度应控制在 1180-1200。为了保证锻造结束之前金属还有足够的塑性以及锻件在锻造后能够获得再结晶组织，并防止过高的终锻温度使锻件在冷却过程中晶粒继续长大，终锻温度应控制在 850 以上。钢锭冒口切除率 15%、锭底切除率10%，采取镦粗、拔长两次，最后滚圆校直成型工艺，总锻造比20 的要求，足够的锻造比，能够细化晶粒，去除缩孔和过分偏析部分，可有效防止锻造裂纹的产生。锻件经过粗加工去除氧化皮和黑皮，然后进行调质处理，热处理期间记录加热和冷却方式，时间和温度应形成记录。淬火时工件随炉升温加热到 820880，保持适当的时间，以达到材料组织足够奥氏体化，获得细化的晶粒组织，然后采用水冷的方式快速冷却。为了提高组织稳定性，减少锻件中的内应力，采取回火处理，回火温度选择在 549639温度区间，然后水冷至室温。结合之前项目经验，主螺栓性能试验时经常出现不合格现象，经常是室温拉伸合格，高温拉伸不合格，或者性能合格，但后续加工中出现变形问题，因此回火温度的选择至关重要，材料的性能要求已经接近材料的极限，温度范围可供选择的空间很窄，因此在实际工程中应特别加以关注。结合多个项目经验，主螺栓锻件在精加工过程中经常出现跳动值不合格的现象，主要原因是锻棒的残余应力过大，在加工中应力释放导致工件变形。因此锻件调质处理后要及时采取消除应力处理，根据法规的要求，消应力热处理时温度至少比回火温度要低55，同时为了保证去除应力的效果，温度控制在490580。热处理时，至少用两支热电偶接触锻件本体，并放在锻件的两端。热处理过程中，锻件不同零件的实际温度与规定热处理温度的允许偏差不能超过10。具体的热处理工艺曲线见图 2图 3 图 2 调质热处理 中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 151 图 3 消应力热处理 5 检查和试验 5.1 理化性能检验 5.1.1 化学分析 每个熔炼炉次的棒材做一个成品分析试验，从同一炉次的任一棒材上取样，成品分析须满足表 2 的要求。表 2 成品化学成分 元素 熔炼分析(%)P 0.020 S 0.010 C 0.35-0.46 Mn 0.66-0.94 Si 0.13-0.37 Cr 0.65-1.00 Ni 1.60-2.05 Mo 0.28-0.42 5.1.2 拉伸试验 为了保证锻棒的性能满足设计要求，每批次取两根锻棒，其中一根锻棒两端切取试料，另一根锻棒一端切取试料。尺寸相同，熔炼炉次相同，热处理批次相同的棒材作为一批。拉伸试样的纵轴应位于 1/4 厚度处。拉伸试样的标距部分距热处理端面至少为一倍直径或一倍热处理厚度。室温拉伸试验和 350拉伸的尺寸满足 ASME SA-370 图 4 的规定。试验结果应满足表 3 的规定。表 3 拉伸性能要求 试验温度 室温 350 RmMPa 1000 979 Rp0.2MPa 896 782 延伸率，A%（4d）12 10 断面收缩率，Z%40 提供数值 5.1.3 冲击试验 同一批次棒材中选两根棒材进行试验，其中一根棒材两端切取试料，另一根棒材一端切取试料。尺寸相同，熔炼炉次相同，热处理批次相同的棒材作为一批。冲击试样的纵轴应位于 1/4 直径或厚度处，或位于表面以下 25mm+每面的机加工公差，取较小值。冲击试样缺口以下的部分距热处理端面至少为一倍直径或一倍热处理厚度。冲击试样的缺口应垂直于材料表面。-12.2KV 冲击试验和 15KV 冲击试验满足 ASME SA-370 图 11 的规定，试验结果应满足于表 4 的规定。表 4 冲击要求 试验温度-12.2 15 冲击吸收功J,三个试样的平均值，41 61 冲击吸收功J，单个试样值，411 61 侧向膨胀量mm，0.64 1 一组试样中允许有 1 个试样冲击功小于 41J，但应不小于34J。5.1.4 硬度试验 消应力处理后，硬度检测在每根棒材的两端进行硬度检测，硬度测量示意图如图 4 所示，硬度值在302388HB，一批中硬度偏差在 30HB 范围内。图 4 硬度测量点 5.1.5 金相检验 进行晶粒度和显微组织（最小 100 倍）检验，并形成报告，提供金相照片。5.2 目视及无损检验 5.2.1 目视检验 锻件精加工后进行目视检查，不能有裂纹、热裂或其他有害显示。5.2.2 UT 检验 按照 ASME BPVC 第卷 NB-2586 对所有产品外表面进行 UT 检验,检测时应从产品两个端面进行轴向探测，同时采用直探头和斜探头对锻件所有可达表面进行检验。检测时应采用额定频率为 2.5MHz，探头为圆形截面，其直径大于或者等于13mm，也小于或等于29mm。仪器标准应通过试验棒进行，试验棒应具有规定的化学成分和规定的直径，至少应为产品长度的一半。在直径 10mm、深度 75mm 的平底上钻孔。在试验棒的一端填充孔，通过扫描法测定试验棒两端距离-幅度曲线。中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 152 验收基准必须满足由距离振幅曲线修正后各个不连续误差的要求，在超过所述修正样本的修正孔中产生显示指示，则这种缺陷是不可接受的。6 结语 华龙一号主螺栓采用 ASME SA-540 Grade B24 Class3 调质钢,钢锭冶炼采用碱性电弧炉冶炼，真空精炼和真空脱气处理控制钢水的化学成份，熔炼过程中液态金属熔滴通过高温弧区后落入金属熔池，并在水冷铜结晶器内凝固成锭。通过金属液与气相间以及熔池内发生的一系列物理化学反应，达到提高金属的纯净度，改善其结晶组织和性能的目的。锻造时始锻温度应控制在 1180-1200，终锻温度应控制在 850 以上，总锻比大于 3。淬火时工件随炉升温加热到 820880，保持适当的时间，以达到材料组织足够奥氏体化，获得细化的晶粒组织，然后采用水冷的方式快速冷却。为了提高组织稳定性，减少锻件中的内应力，采取回火处理，回火温度选择在 549639温度区间，然后水冷至室温获得理想的组织性能。为了避免金属内部存在残余应力，防止后续加工使用时产品发生变形或弯曲，产品加工到接近交货尺寸时，采取消除应力处理，消应力热处理时温度至少比回火温度要低 55。经过以上冶炼、浇注、锻造、热处理、消应力、加工、检验等工艺过程，能够获得品质可靠的产品。总而言之，华龙一号的主泵系统十分复杂，但是其安全性、经济性与生产效率都较高，满足核电运行要求，体现了我国核电设计、生产制造的超高水平。虽然目前主泵各部件国产化率较高，但仍未达到 100%的要求，后续应加大科研投入，攻克关键工艺及关键部件制造真正实现全面国产，走向世界。参考文献 1王松波,杨建国,齐盼进.反应堆冷却剂泵主螺栓的制 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