反应堆压力容器筒体及接管整体集成锻件成型方案研究_王昫心.pdf

科技视界Science&Technology VisionDOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2022.30.11反应堆压力容器筒体及接管整体集成锻件成型方案研究王昫心1，2胡杰3周高斌1，2（1.核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都610213；2.中国核动力研究设计院，四川 成都610213；3.中国一重集团有限公司，天津300000）【摘要】受 限 于 国 内 工 业 生 产 能 力 和 锻 件 生 产 水 平，目 前 核 电 上 反 应 堆 压 力 容 器 的 筒 体 部 分 一 般 为 多 个 锻 件 或锻 件集 合组 焊 而 成 的 锻 焊结构。多 个 锻件组 焊而成 的筒 体 结 构会 增 加了焊 缝 区 域，增 加了 产 生 缺 陷 的 风 险，同 时 制 造速度和 材料利 用 率 较 低，增加 了制造 成 本。通过 锻 件 有 效集成 整 合已 成 为提 高 设 备 安 全性、可 靠 性 的 主 要 技 术 途 径 之一。反 应 堆 压 力 容器 筒体 及接 管整 体 集成锻 件是 指 将筒 体 法兰-接 管 段、进/出 口 接 管、堆 芯 筒 体 集 成 一 体 化 的 整 体 锻件。不 同于 目 前 成熟 的锻造成 型方 案，为避 免 因锻 造 辅 具 或锻 造 工艺 不 合理 造 成 的 预 制毛 坯 流 线 紊 乱，需 要 专 门 针 对一 体化 整体 集 成 锻件 结 构设 计锻造 辅 具 与 成型 方 案，并通 过数 值 模拟 进 行不 断 优 化，验证 该 锻 件 成 型 方 案 可 行 性 的 同时，对 优化 实 际 制造 工艺 同样具 有 重要 的理 论 指导 意 义。【关 键词】反 应 堆 压力容 器；集 成 锻件；成 型工 艺0引言受限于国内工业生产能力和锻件生产水平，目前核电上反应堆压力容器的筒体部分一般为多个锻件（包括筒体法兰-接管段、接管、堆芯段筒体、底封头等）或锻件集合组焊而成的锻焊结构1。多个锻件组焊而成的筒体结构一方面增加了焊缝区域，导致材料组织不连续，增加了产生缺陷的风险，并且增加了后期在役检查的成本和周期；另一方面，压力容器构件的制造速度和材料利用率较低，增加了制造成本。通过锻件有效集成整合已成为提高设备安全性、可靠性的主要技术途径之一。反应堆压力容器筒体及接管整体集成锻件是指将筒体法兰-接管段、进/出口接管、堆芯筒体集成一体化的整体锻件（见图 1 所示）该结构能够大大缩减焊缝数量，降低焊缝产生缺陷的风险和概率，从而提高设备安全可靠性。但对于整体集成锻件而言，由于其一体化结成结构，制造过程中的成型方案是其关键难点之一。本文的目的，即针对反应堆压力容器筒体及接管整体集成锻件，区别于目前成熟的“锻造+焊接”成型方案，设计专门的锻造辅具与成型方案，并通过数值模拟对成形辅具不断优化，以验证该锻件成型方案的可行性。1国内外研究概况国内外尚未进行过筒体与接管集成的整体锻件设计研究，均是采用分体制造加焊接成形的方式。近些年来，国内开展了反应堆压力容器锻件复杂锻件集成技术研究，复杂锻件制造已呈现出整体化趋势，国内外先后出现了筒体法兰段与接管段集成的整体锻件、上封头与顶盖法兰集成的整体顶盖锻件，均已成功应用于反应堆压力容器产品。对于反应堆压力容器复杂锻件集成技术，国产大型整体锻件的性能能够满足产品使用要求，但与国外锻件相比，锻件性能均匀性仍存在差距。国外已经针对反应堆压力容器大型锻件进行了锻造成形方案的优化，以保核电之窗040Science&Technology Vision科技视界证获取高纯净度、力学性能优异而均匀的锻件。国内反应堆压力容器大型锻件相关基础研究相对薄弱，需开展锻件锻造成形方案的优化研究，以提高锻件性能均匀性，满足锻件大型化及集成化的需要。图1整体集成锻件结构图2集成锻件成型方案研究2.1工艺流程制定集成锻件锻造工艺流程制定如下：冒口压钳口、倒棱FM 法拔长、倒八角镦粗、FM 拔长、倒八角气割钳口下料镦粗冲孔芯棒拔长马杠扩孔专用辅具拔长专用辅具扩孔分瓣管嘴锻造成形。根据设计的成型方案，对于关键步骤需设计相应的锻造成形辅具。通过数值模拟对成形辅具不断优化，验证该锻件成形辅具的可行性，确定最终的锻造成形辅具和锻造工艺。本文选择成型方案中的关键步骤进行分析研究。2.2坯料压实火次钢液在凝固过程中，当由液相变成固相时，由于体积收缩，钢锭心部不可避免地存在缩孔、疏松、气泡等缺陷。集成锻件尺寸大、重量大、结构复杂，为了破碎钢锭铸态组织，细化晶粒、锻合缩孔、气孔和疏松等缺陷，同时也为后续热处理等工序奠定良好的基础，在钢锭开坯阶段，需要进行压实。锻造拔长常用压实方法有 FM 法、KD 法、WHF 法和 JTS 法等。本次拔长模拟选择 FM 法进行分析。FM 法是采用普通上平砧和下平台不对称地锻压坯料，避免锻件心部产生拉应力，有效锻合封闭孔洞、疏松缺陷而达到锻透的目的2。FM 法的拔长辅具模型如图 2 所示。通过数值模拟分析对坯料及其心部孔洞压实效果的影响发现，FM 法的临界压下率为 27%。在满足一定绝对压下量的情况下，最终能有效将钢锭心部二次缩孔孔洞压合。模拟过程见图3 所示。2.3冲孔冲孔是锻制空心锻件的必要工序，冲孔一般水口向下，可通过冲孔工序冲掉水口端沉积堆缺陷。冲孔可使钢锭缺陷聚集的心部冲掉，从而改善了空心锻件的质量。用空心冲子冲孔的效果显然要比实心的好，故大孔多用空心冲子冲孔。冲孔过程中等效应变如图 4 所示。2.4芯棒拔长和马杠扩孔坯料通过上平砧和下 V 砧完成芯棒拔长，芯棒为空心芯棒，在芯棒拔长火次，芯棒内通冷却水，防止芯棒温度过高变形。芯棒拔长如图 5，在芯棒拔长火图2FM辅具核电之窗041科技视界Science&Technology Vision次坯料的内外均与工具接触，坯料温度下降较快，摩擦阻力较大，金属流动困难，易造成锻件壁厚不匀，锻件内壁易产生裂纹，因此要求坯料在加热炉中必须加热均匀，避免加热不均匀造成阴阳面。芯棒拔长时操作机每次夹持芯棒转动的角度和压下量也要均匀。图3FM法模拟过程示意图坯料在马杠扩孔过程中（如图 6），坯料与工具接触弧长是变形区长度，而坯料的高度是变形区的宽度。按照最小阻尼定律，金属主要沿坯料切向流动，而在筒体的长度方向金属流动很少，因此，在马杠扩孔时，随着壁厚减薄，内外径同时扩大、高度稍有增加，为保证坯料高度，可通过平整端面，平整扩孔火次产生的鼓肚。图4冲孔等效应变图图5芯棒拔长图6马杠扩孔2.5台阶套拔长整体集成锻件在此拔长工序，首先要将直壁圆筒压出引导槽，下料如图 7 所示。然后拔长、部位，成形内孔台阶和外圆台阶。拔长后的坯料如图 8 所示。2.6专用辅具（台阶套、台阶锤头）扩孔整体集成锻件在结构上由六个接管、筒体法兰-接管段和堆芯筒体段三个部分组成，属于异形大型筒体锻件，目前比较先进的成形方式就是仿形锻造方法。仿形锻造有利于减少原材料消耗、减少机械加工余量，从而避免过多地切断金属自然流线，使得锻件纤维连续，提高锻件的综合机械性能。为了实现集成锻件的仿形锻造，辅具结构也采用仿形设计，扩孔辅具装配如图 9 所示。图7下料示意图图8拔长后的坯料图图9扩孔示意图核电之窗042Science&Technology Vision科技视界此外，通过专用辅具扩孔阶段各道次的模拟情况还可以发现，小头端（即堆芯筒体段）的锻坯外径增长明显快于其他部位，锻坯小头端呈现喇叭口的情况。这是由于锻件两端壁厚不一致，在变形过程中大端走料慢，小端走料快，因此造成锻件两端直径不同步增长的现象。修改专用辅具扩孔砧的结构，扩孔砧对应锻件小头端的部位增加一个斜度，即可解决锻件两端直径不同步增长的现象。一般根据锻件的长度尺寸和实际生产经验确定 角的角度，一般角度为 815。2.7分瓣管嘴锻造成形整体筒体锻件进出口接管部分采用专用辅具三角砧分瓣锻造，之后采用专用辅具进行拔长的方式成形。专用芯棒利用马架将锻坯架起，专用三角砧与水压机活动横梁相连，专用三角砧随活动横梁下行作用于锻坯上，依次旋转从而完成分瓣锻造，如图 10 所示。分瓣锻造结束后，可能存在局部缺肉的风险，可通过增加锻件内孔余量等方法消除。之后，可选择管嘴拔长的方式出最终的成品方案。3总结本文对反应堆压力容器筒体与接管整体集成锻件的成型方案进行了研究，利用成熟的数值模拟技术对集成锻件的锻造成形过程进行了数值模拟，并设计和优化了集成锻件锻造成型辅具、制定了切实可行的锻造工艺。以上工作对于进一步完善复杂整体集成锻件在热加工过程中的数值仿真技术具有重要意义，对于优化实际制造工艺同样具有重要的理论指导意义。【参考文献】1阚玉琦，陈晓青，梁书华.反应堆压力容器大型锻件热加工质量控制研究J.金属铸锻焊技术，2009，38（23）：138-141.2张景利，王少鹏，马庆贤.FM法拔长工艺中合理砧宽比和变形量研究J.大型铸锻件，2010（2）：5-8.图10分瓣锻造后模拟结果核电之窗043