反应堆压力容器筒体法兰接管段整体锻造成型方法

摘要

本发明公开了一种反应堆压力容器筒体法兰接管段整体锻造成型方法，其步骤：⑴钢锭加热并将其压成八棱柱钢坯；⑵锻坯下料：对上述八棱柱钢坯切剁头尾成八棱柱锻坯；⑶锻坯镦拔：对锻坯镦粗拔长；⑷镦粗滚圆：将锻坯镦粗并滚压成短圆柱锻坯；⑸周向号印分料：在短圆柱锻坯两端分别切剁出两道号印分料槽；⑹滚圆压肩：形成中段带有凸圈的接管坯料；⑺轴向号印分料：切剁出沿轴向布置的四道轴向分料槽；⑻圆压裙边；⑼号分裙边凸台：使之在裙边接管坯料上形成四段凸台；⑽冲压主孔；⑾扩孔成形；⑿整形扩孔；⒀冲压接管孔；⒁锻后热处理；⒂坯件粗加工；⒃淬火处理；⒄调质处理；⒅成品加工。该方法实现整体锻造成型，组织均匀密实、金属流线完整。

说明书

技术领域

本发明涉及一种核电大型结构件的锻造成型工艺，尤其涉及反应堆压力容器(简称RPV) 壳体的筒体法兰接管段的整体锻造成型工艺方法。

背景技术

核电是一种清洁、安全的能源，核电不会像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，核能发电不会造成空气污染，其环境影响小；核能发电所用的核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便。

反应堆压力容器(简称RPV)在整个压水堆核电站核岛核岛一回路处于核心地位,属于核安全一级设备。其主要作用是固定和包容堆芯及堆内构件，使核燃料的裂变反应限制在一个密封的空间内进行，它和蒸汽发生器、冷却剂泵以及一回路管道等共同构成反应堆冷却剂的压力边界，是防止放射性物质外逸的第二道屏障之一。反应堆压力容器长期在高温、高压和中子辐照的条件下工作，并且在核反应装置运行寿命周期内不可更换，因此，反应堆压力容器用钢必须具备各种特殊性能和要求，比如良好的低温韧性、低的无塑性转变温度、中子辐照脆化小等特性。

反应堆压力容器壳体从上到下通常由筒体法兰接管段、接管筒体、进出口接管、堆芯筒体、过渡段和球形下封头等锻件组焊、联结构成整体，容器内表面堆焊奥氏体不锈钢。其中筒体法兰接管段处于压力容器的顶盖锻件的下面，是一回路压力边界内重要的核一级部件，其完整性对核动力设备的安全运行意义重大。

反应堆压力容器筒体法兰接管段包括有筒体部分，以及位于筒体筒壁上的四个接管嘴，属于超大型块状构件，锻造难度非常大。由于受制造技术和制造工艺的限制，现有的筒体法兰接管段是将四个接管沿筒体径向逐个地将其拼接焊接到筒体的筒壁上的，这种研制工艺简单易行，但由于部件上存在四条环形焊缝，降低了筒体法兰接管段的安全性，同时增加了在役检查的工作量。尽管随着材料科学的发展，焊接材料的性能得到了很大的提高，焊接新工艺也层出不穷，但其通过拼接而焊接的结构总是不能形成完整的金属流线，由于核反应堆压力容器筒体处于极其恶劣的运行环境中，且长期工作在高温、高压和中子辐照的条件下，这种拼接结构极容易产生疲劳、蠕变和损坏，带来非常危险的安全问题，限制了核电的发展；并且焊接工艺十分复杂、焊接周期长，复杂应力区质量稳定性差，直接造成成品率低，制造成本大幅上升。因此反应堆压力容器筒体法兰接管段采取整体锻造工艺虽在制造上具有极大的难度，但对其保证核电的使用安全性，减少在役检查的工作量，以及提高锻件组织性能稳定性和产品合格率，降低制造成本均有着非常重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种反应堆压力容器筒体法兰接管段整体锻造成型方法，它不仅能实现筒体法兰接管段的整体锻造成型，而且锻件组织均匀密实、金属流线完整、锻件纤维组织和外形更趋一致。

为了解决上述技术问题，本发明的反应堆压力容器筒体法兰接管段整体锻造成型方法，其整体锻造成型方法包括以下步骤：

⑴钢锭加热：将钢锭送至加热炉中加热至580℃—620℃，保温3小时，再以55℃/ h—60℃/ h的加热速度加热至830℃—870℃，保温4小时；再以78℃/ h—82℃/ h加热速度加热至1130℃—1170℃，保温4小时；再以78℃/ h—82℃/ h加热速度加热至1210℃—1240℃，保温1小时；从加热炉中取出锭钢并将其压成八棱柱钢坯；

⑵锻坯下料：对上述八棱柱钢坯切剁头尾，冒口端切剁量为钢坯重量的20%—22%，尾端切剁量为钢坯重量的10%—12%，并去除氧化层形成八棱柱锻坯；

⑶锻坯镦拔：将切剁头尾的八棱柱锻坯镦粗拔长，总锻造比9.0—12.0；

⑷镦粗滚圆：将上述经镦粗拔长后的锻坯镦粗并滚压成短圆柱锻坯；

⑸周向号印分料：在短圆柱锻坯两端分别切剁出两道号印分料槽，该号印分料槽沿短圆柱锻坯周向布置；

⑹滚圆压肩：在号印分料后的短圆柱锻坯两道号印分料槽外侧进行滚圆拔长压肩，使锻坯两端直径小于中段直径，形成中段带有凸圈的接管坯料；

⑺轴向号印分料：在接管坯料的中段凸圈上切剁出沿轴向布置的四道轴向分料槽，使中段凸圈形成四段分开的凸圈段；

⑻圆压裙边：将上述接管坯料上位置相对的两段凸圈段压低为弧面，使另两段凸圈段成为裙边凸台，形成带有两段相互分隔裙边凸台的裙边接管坯料；

⑼号分裙边凸台：分别将裙边接管坯料上的两段裙边凸台沿轴向进行剁分，在每一裙边凸台上均形成一剁分槽，使之在裙边接管坯料上形成四段凸台；

⑽冲压主孔：沿裙边接管坯料的轴线方向冲压主孔，该主孔为通孔；

⑾扩孔成形：将扩孔芯棒穿入主孔中，并以带有中间凹槽的上砧对裙边接管坯料外周施压，不断地转动裙边接管坯料且上砧不断施压完成扩孔成形；

⑿整形扩孔：扩孔芯棒仍穿于主孔中，以平砧为上砧对裙边接管坯料外周凸台之间的弧面和空隙进行修整施压而完成整形扩孔；

⒀冲压接管孔：分别对上述接管坯料的四段凸台沿坯料径向冲压接管孔，而形成接管坯件；

上述各步骤的锻坯温度均控制在850℃—1270℃范围内；

⒁锻后热处理：将接管坯件空冷至400℃—500℃后，再送至加热炉中加温至640℃—660℃，保温3—5小时后，随炉冷却至120℃出炉空冷至室温；再将接管坯件送入加热炉加温至940℃—960℃，保温7小时后，从加热炉中取出空冷；

⒂坯件粗加工：将经锻后热处理的接管坯件进行初步的切削加工，去除接管坯件的毛刺和凹凸面而形成接管粗成品；

⒃淬火处理：对接管粗成品进行淬火处理，其淬火处理工艺为：将接管粗成品送入加热炉中加温至600℃后保温1—2小时，再以90℃/h—100℃/h的加热速度加温至850℃保温1—2小时后，仍以90℃/h—100℃/h的加热速度加温至930℃保温4—6小时后水冷；

⒄调质处理：将经淬火处理的接管粗成品送入加热炉加温至400℃保温1—2小时，再以45℃/h—50℃/h的加温速度加热至580℃保温1—2小时，并加温至650℃保温8—10小时后空冷至室温，以完成调质处理；

⒅成品加工：对经调质处理的接管粗成品进行取样，并对试样进行理化试验，将达到理化试验技术条件的接管粗成品进行机加工至合格的筒体接管段成品。

所述锻坯的每一次铸造镦粗比为1.3—1.6，每一次铸造拔长比为1.8—2.2。

所述周向号印分料步骤中的号印分料槽截面呈直角三角形，槽底角为30°，两道号印分料槽的直角边沿锻坯径向布置，且两槽的直角边相近设置。

所述滚圆压肩步骤中采用上平砧和下平砧对压进行拔长压肩，并逐步转动锻坯而形成中段带有凸圈的接管坯料。

经圆压裙边而形成的裙边凸台与筒体法兰接管嘴位置相对应。

所述圆压裙边步骤中被压低的弧面和接管坯料两端圆柱面大体上位于相同的圆柱面上。

所述号分裙边凸台步骤中的剁分槽截面呈三角槽，三角槽的槽底角为90°—150°。

以平砧沿所述三角槽下压使裙边凸台分隔成相互分离的凸台。

所述冲压接管孔为盲孔。

所述接管粗成品带有加工余量和试料截取层。

本发明采用筒体法兰接管整体结构并运用特定的镦拔锻造，热处理和整体成形等工艺步骤，使得本发明具有如下显著优点：

本发明的锻造成型工艺使得进口接管、出口接管与堆芯筒体段整体锻造为一整体，减少了四个接管位置焊缝，能够形成完整连续的金属流线，而且锻件的金属纤维组织与锻件外形能够最大限度地保持一致，筒体法兰接管成品的力学性能得极大的提高，更能承受恶劣工况，有利于筒体法兰接管工作应力的均匀化，封头工作可靠性大大增强，从而减少压力容器在使用过程中的潜在风险，提高了核岛关键设备安全和可靠性。

本发明通过锻件镦粗、拨长和成形工艺，实现锻件成形尺寸与产品尺寸的接近，最大限度避免锻件组织缺陷，获得锻件控形与控性的统一、耐高温与耐高压同步的力学性能；解决了大型锻件一次成型变形量过大所带来的锻件各向异性，以及所导致各向力学性能的塑性指标急剧下降的问题，符合锻件材料的流变特性，实现了大变形量、复杂曲面的整体锻造成型，并且使得金属流线完整，为最终的整体近终成型创造了条件。

本发明将原来的多个部件组焊，变为一个整体的锻件，大幅减少了加工所需的时间，缩短了筒体法兰接管加工周期，进而也缩短了设备制造周期；采用整体锻造成型工艺，也大大减少了材料的切削加工量，使材料利用率提高，具有减少加工工艺流程、缩短整个生产工艺，提高生产效率和材料利用率的优点。焊缝的减少，设备运行期间也减少了相应焊缝的在役检查工作，为整个在役检查节约时间。

本发明从锻造开始，热处理、机加工是一个整体，使得整体锻件的锻造比、热处理状态均一致，从而保证了锻件整体力学性能、内部组织的均匀性。本发明采用钢锭分区段加温保温规范，以及不同加工阶段的热处理规范，确保大体积、大断面锻件能够均匀热透，使锻件心部、表面各区域间加热温度一致，避免因断面温度差产生温度应力而导致锻件钢锭开裂。本发明根据锻件所处的不同工艺过程，确定了不同的热处理规范，既有效地消除了锻造应力，改善组织，为下一工序作为准备，又有效地细化了晶粒、消除偏析，使钢的组织和性能更加均匀。最终包括淬火和调质的性能热处理，既使得成品锻件的外部强度高、耐磨性好，内部又保持良好的韧性、抗冲击力强，使得成品锻件的组织更加细致均匀，有效消除加工过程中产生的内应力，保证成品锻件的加工精度，稳定和提高成品锻件的综合力学性能。

本发明锻件曲线区域按成品一体化成形，所以锻件整体能形成连续的金属流线，生产加工环节也不会切断整体流线，提高了锻件的安全性，使得反应堆的使用寿命得到了大大的延长。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明反应堆压力容器筒体法兰接管段整体锻造成型方法作进一步说明。

图1是本发明反应堆压力容器筒体法兰接管段整体锻造成型方法的工艺流程图。

具体实施方式

图1是本发明法兰接管段整体锻造成型方法的工艺步骤流程图，该工艺方法各步骤中钢锭锻件的始锻温度为850℃，钢锭锻件的终锻温度为1270℃，即在锻造过程中锻件的温度低于850℃时，应将锻件重新送入加热炉中进行加热至1270℃，使锻件的锻造温度保持在850℃—1270℃范围内。本实施例的锻造成形方法其步骤如下：

钢锭加热：本实施例的钢锭材料选用508—3钢，钢锭量为100吨。首先对钢锭进行分段式加热，先将钢锭放入加热炉中进行加热，以提高金属塑性，使其易于流动成型并获得良好的锻后组织，选择恰当的加热温度区间，可使金属坯件在塑性较好的状态下成型；由于钢锭属于大型块状件，为减少由断面温度差产生的温度应力，应使钢锭均匀加热升温。本发明采用分段加热升温规范，首先将钢锭送至加热炉中加热至580℃，在此温度下保温3小时，第二加热段以55℃/h的加热速度加热至830℃，在此温度下保温4小时，第三加热段以78℃/h的加热速度加温至1130℃，由于钢锭温度大于800℃时，钢锭已具有一定的塑性，因此本加热段采用了相对较快的加热速度，第四段也以78℃/h的加热速度加温至1270℃，钢锭在此温度下保温1小时，从加热炉中取出钢锭并在大型液压机上将其压成八棱柱状钢坯。

锻坯下料：在大型液压机上以剁刀为上砧对八棱柱状钢坯切剁头尾，以保证有用的中段材料质量。其钢锭冒口端的切剁量为钢锭坯件总重量的21%，尾端段的切剁量钢锭为坯件总重量的12%，对留下的钢坯中段用钢锤敲击以去除钢坯外周的氧化皮层而得到用于锻造的八棱柱锻坯。

锻坯镦拔：将八棱柱锻坯沿轴向压下镦粗，以使锻坯内部孔隙充分压合，铸态树枝晶打碎，首次镦粗的镦粗比为1.5，在首次镦粗后进行首次拔长的拔长比为2.1；在完成首次镦粗、拔长后，进行镦粗比仍为1.5的二次镦粗，二次拔长的拔长比为2.1。经过上述镦粗拔长可以保证锻件内部缩松、缩孔等孔隙缺陷闭合，得到较好的锻造组织。

镦粗滚圆：将上述经过镦粗拔长后的锻坯再次进行镦粗，该次镦粗比也为1.5。镦粗后再将锻坯一边施压，一边转动而滚压形成短圆柱状的锻坯，以便进行下一步工序。

周向号印分料：将上述短圆柱锻坯放置于下钻板上，将号印剁刀固定于液压机的上施力平台上，压机带动剁刀下压沿短柱锻坯周向在锻坯的两端切剁出两道号印分料槽。该两道号印分料槽的截面形状呈直角三角槽，其槽底尖角为30°；与之对应，其号印剁刀的刀口形状也一面为直角边，另一面为具有30°倾斜角度的三角斜边，这种结构可以防止在分料后剁刀被卡死在坯料中，并且可以扩大分离后的坯料间隙，有利于后续变形。坯料在完成第一道号印分料槽的切剁后，再切剁第二道号印分料槽的加工。切剁出的两道号印分料槽的直角边相近设置，倾斜边则相远设置。

滚圆压肩：在完成对锻坯的号印分料后，将上平砧固定在压机主施力平台上，在压机工作平台上放置一宽度相同的活络下平砧，上下平砧对称放置。上砧向下施压，通过不断地翻转对号印分料后的锻坯分料槽外侧部进行拔长；在对锻坯一端进行翻转拔长后再对另一端进行翻转滚圆拔长，使得锻坯两端部直径小于中段直径，形成了中段带有凸圈的接管坯料。在压肩拔长过程中由于坯料中心部位金属材料移动较四周慢，逐渐在两端面形成内凹结构，在滚圆拔长过程中不断修整，将四周坯料压平，一面压完后，采用相同步骤压平另一面。

轴向号印分料：采用常用的号印三角刀在接管坯料的中段带有凸圈上压出四个管嘴位置，将接管坯料制成一个带有四个凸圈段的预制坯。将三角刀固定在压机主施力平台上，操作机夹持坯料，下平台上对称地放置第二三角刀，三角刀的刀口角度为30°，压机下压过程中，对称的两把三角刀对坯料进行分料，第一道次分料结束后，将坯料翻转约80°，进行第二道次分料。

圆压裙边：轴向号印分料结束后，将压机主施力平台装上上平砧，下平台装一个和上平砧对称的下砧。对称的上下平砧对接管坯料上位置相对的两段凸圈段进行对压，一边上砧下压，一边翻转接管坯料，从而压低该两段凸圈段使之成为弧面，该被压低的弧面和接管坯料两端的圆柱面大体上处于相同的圆柱面上，使得另两段未被施压的凸圈段成为裙边凸台，该裙边凸台的位置与筒体法兰接管段上的接管嘴位置相对应，形成带有两段沿周向布置、相互分隔裙边凸台的裙边接管坯料。为了避免对裙边坯料部分施压时产生折叠，本发明工艺中将三角刀刀口角度加大90度，刀尖部分可扩张为150度，优化后的三角刀形成比较大的坡度，在对裙边进行分料时可以产生较大的空档，避免后续对裙边施压产生折叠。

号分裙边凸台：在圆压裙边后，用小的三角刀对未被施压的裙边凸台再进行分料，将裙边凸台剁分出两个与管嘴相对应的凸台，三角刀对裙边凸进行剁分所形成的剁分槽，切断了两凸台之间的金属流线，在后续扩孔时该两个凸台将分开走料，形成独立凸台。

冲压主孔：将上述经号分裙边凸台的裙边接管坯料进行冲孔，将裙边接管坯料竖立起来，在其顶端放置冲头，压机主施力平台对冲头进行下压，从而在接管坯料的轴向形成坯料主孔，该坯料主孔为通孔。冲孔时可以进行一次二次等多次冲孔或者分别从接管两端冲孔。

扩孔成形：将已经预成形四个凸台的接管坯料利用工装进行扩孔。将扩孔芯棒穿入主孔中，并将带有中间凹槽的上砧固定在压机施力主平台上，在中间带有凹槽上砧不断施压过程中，操作机夹持芯棒转动，逐渐完成扩孔成形。由于扩孔芯棒带动接管坯料不断转动，为防止上砧中间凹槽与坯料卡死，上砧的中间凹槽的两侧带有一定的锥度，该锥度角为20度。

整形扩孔：扩孔芯棒仍穿于主孔中，将压机主施力平台上的带凹槽上砧更换成平砧，平砧分别对号分裙边凸台的剁分的空隙处进行施压，使该剁分槽两侧的凸台之间间隙加大，形成独立凸台。平砧还对裙边接管坯料外周凸台之间的弧面进行施压，一边转动芯棒，一边以平砧施压，从而完成整形扩孔。该步骤中接管锻坯在上平砧和芯棒之间进行变形，变形方向为三个方向，其在径向的变形使得坯料厚度减薄，周向变形使得其孔径加大，轴向变形使得其高度增加。

冲压接管孔：经过上述的工艺步骤后，在接管坯料的外周形成了四段凸台，该四段凸台位置与筒体法兰接管上的四个管嘴位于相对应。依次将接管孔冲头放置于各个凸台顶面上，压机的主施力平台对接管冲头进行向下施压头，完成接管孔的冲压，使得在四个凸台上均形成沿径向布置的接管孔而形成接管坯件。冲压的接管孔为盲孔。

上述各工序步骤中，锻坯锻件的温度均应控制在850℃—1270℃范围内。

锻后热处理：将上述的接管坯件空冷至450℃，再送至加热炉中加温至650℃，保温4小时后，随炉冷却至120℃出炉，置于空气中空冷至室温。冷至室温后再将接管坯件送入加热炉加温至950℃，保温7小时后从加热炉中取出空冷至室温。

坯件粗加工：经上述热处理后对接管坯件再进行初步的机加工，以便于接管的粗成型。首先车削接管坯件的圆柱面以去除坯件上的毛刺和凹凸面，再采用铣削等机加工手段对坯件外周的四个凸台及其端面进行铣削加工，并以铣刀对主孔和接管孔进行修整铣削，以形成接管粗成品，该接管粗成品不仅带有加工余量，以完成成品的机加工，保证加工的精度要求，而且留有试料试样的截取段层，以便对接管的材料性能和组织结构进行检验监测，确保接管的高质量、高安全性。

性能热处理：对接管粗成品的性能热处理包括淬火处理和调质处理。先进行的淬火处理工艺为：将接管粗成品送入加热炉中加温至600℃后保温1.5小时；再以100℃/h的加热速度加温至850℃保温1.5小时后；仍以100℃/h的加热速度加温至930℃保温5小时后进行水冷。由于接管粗成品具有较大的体积和重量，水冷淬火池应具有足够的水量，以保证淬火效果。淬火处理后再进行调质处理，将经淬火处理的接管粗成品再送入加热炉中加温至400℃，保温1.5小时；再以50℃/h的加温速度加温至580℃保温1.5小时，继续加温至650℃保温9小时后，从加热炉中取出空冷至室温，以完成调质处理。

成品加工：经性能热处理的接管粗成品在其预留取样位置进行取样并按规定进行理化试验，经理化试验合格后而达到理化试验技术条件的接管粗成品进行机械精加工，以达到合格接管尺寸和形状要求，从而完成接管段的锻造加工和热处理，形成筒体法兰接管成品。