第三代核电CAP1000主管道和波动管挤压制坯新工艺

郑建能 陈红宇 李文亮 司晨亮

(1.二重(德阳)重型装备有限公司国家能源极端装备虚拟制造重点实验室，四川618013；2.河北宏润核装备科技股份有限公司，河北061300)

主管道是连接反应堆压力容器、蒸汽发生器和主循环泵的大型厚壁承压管道，是核蒸汽供应系统输出堆芯热能、形成封闭回路的“大动脉”，核电站运行时处于高温、高压、高流速和放射性的工况，是核岛一回路重要的压力边界。稳压器波动管连接主管道热段和稳压器，工作时处于变温、变压的工况，是核岛一回路压力边界的组成部分[1]。第三代核电CAP1000主管道采用直管与弯头、管嘴与管道整体锻造结构，稳压器波动管采用U形、门框形结构，材料采用316LN超低碳含氮奥氏体不锈钢，尺寸大，结构复杂，技术要求高，制造难度大。目前锻造主管道和波动管制造的主流技术路线为冶炼+锻造+弯曲成形+固溶热处理[2]，其中锻造主要采用实心锻造，空心锻造仍处于科研开发阶段，尚没有成功的应用案例。

本文分析了CAP1000主管道和波动管锻造制坯工艺特点和主要技术难点，介绍了挤压制坯新工艺的特点和CAP1000主管道、波动管挤压制坯研制情况，对比分析了实心锻造和挤压制坯的优缺点，为第三代核电锻造主管道和波动管新工艺的开发提供参考。

1 CAP1000主管道、波动管锻造制坯工艺特点及技术难点分析

CAP1000主管道和波动管交货产品形状复杂，在制坯时锻造成直管，锻坯加工后进行弯曲成形，最终的复杂形状通过弯曲来保证，其中CAP1000主管道热段L001A见图1。CAP1000主管道和波动管材料采用316LN超低碳含氮奥氏体不锈钢，化学成分见表1。该材料锻造时变形抗力大、可锻温度范围窄、裂纹敏感性强，热处理过程无相变，不能通过热处理细化晶粒，组织的均匀性和晶粒尺寸必须通过锻造来保证[3]。

图1 CAP1000主管道热段L001AFigure 1 Hot leg L001A of CAP1000 main piping

表1 CAP1000主管道和波动管化学成分要求(质量分数，%)Table 1 Chemical composition for CAP1000 main piping and surge line(mass fraction, %)

对于CAP1000主管道管坯的锻造，由于管坯尺寸大且带一体化管嘴，锻造要解决的主要问题是锻造裂纹问题和晶粒度问题。锻造裂纹产生的主要原因包括：

(1)钢锭质量问题。对于采用大气下注制造的钢锭，由于钢锭凝固时间长、冷却速度慢，结晶过程产生粗大的柱状晶，锻造初始阶段塑性差，容易产生较大的表面裂纹。对于电渣重熔钢锭，由于纯净度高、组织致密、成分均匀，大大提高了钢锭质量，锻造过程裂纹敏感性降低，但在重熔最后阶段补缩时，可能形成缩孔并带入熔渣，夹渣是脆性的，锻造过程一旦受力，在夹渣物内部或夹渣物与合金基体之间就会产生较大的锻造裂纹。

(2)局部位置温降过快的问题。在锻造过程中，坯料表面、棱边和棱角由于散热快及与温度较低的工装辅具接触等原因，导致温降大，材料塑性降低，当与高温部位发生足够的相对剪切位移时产生裂纹，裂纹容易出现在与锤头或下砧接触的表面以及棱边、棱角位置[4]。

(3)坯料截面尺寸过大的问题。CAP1000主管道管坯由于坯料尺寸大、结构复杂，锻造成形过程中不同部位冷却不均匀，316LN超低碳含氮奥氏体不锈钢导热性差，热膨胀系数大，锻造过程坯料内外温差大，锻坯表面容易产生裂纹。

(4)一体化管嘴成形时的剪切撕裂问题。一体化管嘴成形时以剪切变形为主，管嘴成形过程产生撕裂，管嘴高度越高撕裂现象越严重，因此，一体化管嘴成形时产生大裂纹的风险很大。

对于CAP1000主管道的晶粒度控制，技术难点主要包括：

(1)由于材料裂纹敏感性强、坯料尺寸大，锻造准备时间长、温降大，316LN不锈钢可锻温度范围窄，难以争取到大变形的温度。

(2)坯料长度大，结构复杂，要求弯曲部位、端部以及管嘴部位晶粒度≥2.0级，管嘴部位最终变形量小且和端部无法在1个火次完成成形，局部位置经历无锻比、小锻比加热，晶粒的均匀性难以保证。

2 AP1000主管道及波动管挤压制坯新工艺

2.1 挤压制坯新工艺介绍

与锻造多火次成形相比，挤压成形具有各部分变形连续，成形时间短，可在1道次实现大变形且变形均匀，有利于晶粒度控制，在提高产品质量和缩短制造周期方面具有明显优势。二重(德阳)重型装备有限公司和河北宏润核装备科技股份有限公司依托5万吨垂直挤压机开展了CAP1000稳压器波动管和主管道热段L001A试制件(1∶3)的挤压制坯工作。

2.2 挤压制坯新工艺试验结果

2.2.1 CAP1000波动管管坯挤压成形

按照CAP1000波动管产品尺寸进行管坯制造，钢锭开坯后进行挤压成形，内外表面预留15 mm余量，管坯模拟固溶热处理后晶粒度检验结果见表2。和实心锻造管坯相比，晶粒度明显提高，由于毛坯内外表面只有15 mm余量，材料利用率大大提高，制坯周期、后续加工周期明显缩短。

表2 CAP1000波动管晶粒度检验结果Table 2 The test result of grain size for CAP1000 surge line

2.2.2 CAP1000主管道热段L001A试制件(1∶3)的挤压制坯

CAP1000主管道热段L001A制坯难点主要在两个一体化管嘴的挤压成形。钢锭开坯后先成形直管管坯，之后采用“轴向补料-径向挤压”成形两个一体化管嘴，管坯弯曲成形后进行固溶热处理，不同位置的晶粒度检验结果见表3。和实心锻造管坯相比，试制件晶粒度改善不明显，但验证了挤压制坯成形一体化管嘴的可行性。

表3 CAP1000主管道热段L001A试制件晶粒度检验结果Table 3 The test result of grain size for hot leg L001A for CAP1000 main piping

3 实心锻造制坯和挤压制坯优缺点分析

3.1 实心锻造制坯工艺优缺点分析

目前，二重(德阳)重型装备有限公司、吉林中意核管道有限公司、烟台台海玛努尔、意大利IBF等国内外主管道主要供货商均采用实心锻造工艺制坯，实心锻造是目前主管道和波动管最稳定的制坯工艺。空心锻造由于锻造过程裂纹敏感性更强，一体化管嘴分料难度大，导致其应用受到一定限制。

实心锻造工艺的优点是管嘴成形难度小，工艺稳定，缺点是材料利用率低，加工周期长，制造成本高。主管道产品单件价值高，产品报废损失很大，为保证锻坯裂纹清理后满足管坯尺寸要求，实心锻造时的余量主要在外圆和一体化管嘴上。CAP1000主管道热段L001A交货理论重量约11 t，采用下注锭需要115 t，利用率约10%；采用电渣重熔钢锭约82 t，利用率约13.4%。由于管嘴和两端无法在一个火次完成锻造，管坯不同位置的晶粒度不够均匀，特别是管嘴部位的晶粒度仅达到设计要求的下限。

3.2 挤压制坯新工艺优缺点分析

挤压制坯可实现高温状态大塑性变形，挤压过程坯料温度不降低，成形周期短，在裂纹控制和晶粒度控制方面具有明显的优势，通过波动管的挤压成形，验证了空心坯挤压成形的可行性，在提高材料利用率、缩短制造周期、降低制造成本方面具有明显的优势。在CAP1000主管道热段1∶3试制件一体化管嘴制坯方面，由于一体化管嘴成形过程需要补偿的料较多，管嘴成形难度较大，目前的晶粒度虽能满足设计要求，但和实心锻造相比没有明显的提高，尚需要进一步完善坯料加热制度、管嘴成形方法以及冷却方式，使不同位置的晶粒度进一步提高。

4 结论

和实心锻造相比，挤压制坯在裂纹控制和晶粒度控制方面具有明显的优势，通过第三代核电CAP1000波动管的挤压成形，验证了波动管空心坯挤压成形的可行性，在提高材料利用率、缩短制造周期、降低制造成本方面具有明显的优势。在CAP1000主管道热段1∶3试制件挤压成形方面，通过试制件一体化管嘴的挤压成形，验证了挤压成形一体化管嘴的可行性，但在坯料加热制度、管嘴成形方法以及冷却方式方面需要进一步优化工艺，实现晶粒度的明显提高。

参考文献

[1] 陈红宇，宋树康，杜军毅.AP1000锻造主管道制造技术进展[J].大型铸锻件，2013(2)：1-3.

[2] 潘品李，钟约先，马庆贤，等.大型核电主管道制造技术的发展[J].锻压装备与制造技术，2011(1)：13-17.

[3] 宋树康，刘志颖，郑建能，等.第三代AP1000核电主管道的研制[J].大型铸锻件，2011(1)：1-3.

[4] 余江山，石玉萍，陈红宇，等.CAP1400主管道整体锻造成形和晶粒度控制研究[J].大型铸锻件，2017(5)：37-38.