超厚不锈钢封头的压制成形

2012-06-23陈春雄许向东乐永星

电站辅机 2012年2期

陈春雄，许向东，乐永星

（上海电气电站设备有限公司电站辅机厂上海 200090）

1 概述

欧洲第三代压水堆（Europe Pressure Reactor）简称EPR，作为世界上具有代表性的新一代核电堆型，是由国际核能公司（NPI）、德国西门子公司（SIEMENS）和法国法玛通公司（FRAMATOME）及法国电力公司（EDF）联合开发设计的，与美国西屋公司开发的AP1000并称第三代核电技术。

国内台山EPR项目的单台装机容量可达1750MW，是目前世界上单台容量最大的核电机组。

台山项目中的安注箱按法国RCC－M2007标准设计、制造，是目前国内核电项目中厚度最大的不锈钢安注箱，设计厚度达到82mm。

该设备为立式容器，见图1所示。该立式容器由上椭圆封头、下封头组件、筒体、裙座、人孔、吊耳、拉杆以及接管等零部件组成，属于核电站一回路辅助系统中的安全注入系统。其主要功能为：（1）当一回路系统破裂引起失水事故时，安全注入系统向堆芯注水，用水淹没堆芯进行冷却，防止堆芯熔化；（2）当主蒸汽管道发生破裂时，反应堆冷却剂由于受到过度冷却而收缩，稳压器水位下降，安全注入系统向一回路注入高浓度含硼水，重新建立稳压器水位。迅速停堆并防止反应堆由于过冷而重返临界状态。

2 超厚不锈钢封头成型工艺

根据设备结构及参数要求，该设备椭圆形上封头的最小壁厚为82mm，内径为2936mm，内高为774mm。椭圆形下封头的最小壁厚为82mm，端口内径为2650mm，内高为404mm。封头材料牌号均为Z2CN19.10（控氮），其材料的化学成分及力学性能数据，见表1、表2所示。

图1 安注箱示意图

表1 奥氏体不锈钢Z2CN19.10（控氮）的化学成分 %

表2 控氮奥氏体不锈钢Z2CN19.10（控氮）的力学性能

封头的加工主要有冷、热冲压成形，冷、热旋压成形等方法。在国内核电设备的建造中，对于奥氏体不锈钢封头的加工成形，需考虑到奥氏体不锈钢材料的特殊性。制造时，通常避免采用热加工成形，而利用冷加工成形的工艺。该安注箱封头的毛坯厚度达90mm，如采用冷加工，对设备能力、模具强度等方面的要求更高，因此，只能选用合适的热成形工艺。

由于封头板材交货时的热处理状态为固溶热处理状态，而该封头需采用热压成形，选用的加热温度超过封头材料的奥氏体相变温度，达此温度才能出炉压制。材料经高温加热后，将改变该种材料的热处理交货状态，要恢复材料的力学性能，必须重新进行固溶热处理。因此，经二次加热过程后，防止该不锈钢封头材料的晶粒粗大和力学性能降低，成为一个新课题。

防止不锈钢材料的晶粒粗大和力学性能降低，实际上就是防止不锈钢材料在热处理过程中出现过热和过烧现象。热处理时，如果加热温度过高或保温时间过长，不锈钢材料的晶粒会变得粗大。粗大的奥氏体晶粒会导致材料韧性降低，脆性转变温度升高，增加淬火时的变形开裂倾向。有过热组织的不锈钢材料，需重新进行加热固溶处理，虽能使奥氏体晶粒细化，但有时仍出现粗大颗粒状断口。加热温度过高，不仅引起奥氏体晶粒粗大，还使晶界局部出现氧化或熔化，导致晶界弱化。材料过烧后力学性能严重下降，淬火时易形成龟裂。过烧组织无法恢复。在加工中必须避免发生过热和过烧现象。鉴于这些原因，在热处理的加热过程中应缓慢加热，保证钢板能均匀受热，同时限定加热的最高温度，缩短保温时间，减少材料在高温区的停留时间，避免出现过热及过烧现象。

该安注箱封头的制造验收按照RCC－M3312标准进行，在封头坯料下料时，根据钢板的轧制方向，在钢板的两端设置了封头母材见证件试样板，试样板将与封头同炉一起进行热处理。

由于不锈钢封头的坯料板壁较厚，且该种Z2CN19.10控氮不锈钢板是宝钢首次生产的国产化材料［1］，受技术条件限制，钢厂无法生产出大门幅的钢板，因此，需拼焊封头坯料。根据不锈钢焊接工艺的要求，拼焊之后无须进行焊后消应力热处理，但不锈钢厚板拼焊后的应力较大，对于后期的封头压制会产生影响。为保证封头最终的压制成形，仍进行了消应力热处理。在加热时，将坯料板随炉加温至300℃，再以≤60℃／h的升温速率，升温至550℃。采用这种热处理工艺，可消除坯料板拼接后所产生的应力［2］，同时也可以使整块坯料在炉膛内得到充分均热，使坯料表面与内部的温度更均匀。然后，再以≤220℃／h的升温速率，升温至1050℃＋30℃，再保温90min。为防止坯料保温时间过长，每炉只能加热1块封头板，且该封头板所对应的试板须与封头料板一并进炉加热，以保证后续试验的一致性。

在加热前，应在封头板中心及封头边缘布置热电偶监测点，每块试板上也放置1个热电偶。对炉温的控制以封头板中心点所测的热电偶温度为准。周边各点与中心点的温差不超过55℃，以封头板的热电偶显示数值为准。封头热压前的加热曲线，见图2所示。

图2 封头热压前的加热曲线图

封头压制前，应对压机的压边圈及上模具的表面进行清洁处理。对不锈钢板表面进行吹扫，去除垃圾及颗粒性杂物后，再将封头坯料送进炉内加热，这样可有效避免热压封头的表面出现缺陷。

达到预定保温时间后，将坯料板从加热炉内取出，迅速置于模具上，一次压制成形，见图3所示。从出炉至压制完成，应使整个过程迅速连贯，可用红外仪进行测温，终压温度控制在860℃。封头热压成形后，采用自然冷却方式冷却至室温。

图3 封头压制示意图

图4 封头固溶处理曲线图

3 固溶热处理

为了使最终成品封头材料达到原有的性能要求，需要对压制成形后的封头进行一次恢复性能热处理，即固溶热处理，使封头材料恢复到板材的交货状态。

在恢复性固溶热处理前，为了避免封头在热处理过程中产生热变形，影响封头的尺寸和形状，应预先装好封头的防变形加强环，见图5所示。加强环材料选用与封头板膨胀系数相同或相近的材料，并焊于成形封头的端口，起到加固和防变形的作用；同时，在加强环周围均布装焊吊耳，方便热处理过程中的吊运。封头试板也临时固定于加强环上，试板应均匀布置于封头周边或对称布置于封头两侧，与封头同时进炉热处理，出炉后一同入水冷却。

图5 固溶处理前的工装图

封头以自由状态垫平后装炉，随炉加温至300℃，再以≤220℃／h的升温速率升至1050℃＋30℃，保温90min。在加热过程中，封头中心及封头边缘均布置电偶，每块试板上也放置1个热电偶，保证各点温度均匀可控。温度控制以封头中心点的热电偶为基准，周边各点与中心点的温差不超过55℃，封头固溶处理曲线见图4

封头冷却时入水方式的不同，容易造成封头冷却过程中的变形。如果采用竖直状态入水，可能因冷却不均产生变形。为减小已压制封头的变形，采用开口朝下的入水状态是一个比较理想的冷却方式。入水时，为保证封头的充分冷却，封头内部必须进行排气处理［3］。在加强环上安装3根或4根直径较大的排气管用于排气。利用加强环上吊耳或直接用板勾吊起封头，从热处理炉的炉车上水平地吊至水箱并浸入水中进行冷却。

在降温冷却过程中，为了使封头温度能够迅速穿越不锈钢的敏化温度区，在达到预计保温时间后，将封头从加热炉内取出迅速水冷。为确保封头的充分冷却，预计冷却水的水温在热交换过程中将从20℃上升至50℃，而封头温度将从1050℃下降至50℃，对冷却过程所需的冷却水量进行了估算：

Q＝CM△T

Q吸＝4200×M×（50－20）

Q放＝500×7500×（1050－50）

根据Q吸＝Q放，得：M＝29762kg

为确保冷却效果，采用了增大温差、增加水量、促进流动等方式。水箱注水前，预先设置冰块并固定在水箱底部，然后再注水，使封头入水前水箱内水的温度远低于环境温度，从而使封头能够获得更大的温差；水箱需有足够的高度，其冷却水水量不少于80t，封头浸没水中时，封头的顶部距离水面至少为1500mm，确保冷却均匀；为促进冷却水充分流动，水箱底部中设置多个位置参差的进水口，出水口设置在水箱上端。进水时，注入的水具有一定的水压，使冷却水以特定的速度旋转流动并从水箱上部流出，及时降低水箱中水的温度。

实际操作中，封头出炉至入水的时间约5min；封头入水前，采用红外仪测温。经测量，封头入水时的温度为960℃。封头的出水温度必须小于300℃。该封头冷却后，封头的出水温度为80℃左右。