核電用大鍛件浸水和噴水熱處理效果比較

周 旭

(國核工程有限公司，上海200233)

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核電用大鍛件浸水和噴水熱處理效果比較

周 旭

(國核工程有限公司，上海200233)

通過對(duì)不同結(jié)構(gòu)類型的核電用大鍛件采用噴水淬火工藝試驗(yàn)，得出中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)的鍛件可采用噴水淬火工藝改善鍛件性能，而非中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)的鍛件則不宜采用噴水淬火，為該類型大鍛件的生產(chǎn)提供借鑒。

核電用大鍛件；噴水淬火

我國CAP1400示范電站項(xiàng)目的反應(yīng)堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器的部分鍛件淬火熱處理厚度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了材料標(biāo)準(zhǔn)的上限，導(dǎo)致傳統(tǒng)的浸水熱處理工藝達(dá)不到理想的效果，鍛件性能很難滿足要求。因此，借鑒發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等大型鍛件噴水冷卻的方法，對(duì)核電用主設(shè)備鍛件采用噴水淬火的工藝。本文對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的核電主設(shè)備大鍛件采用噴水淬火工藝的效果進(jìn)行比較和分析，進(jìn)而判斷噴水淬火和浸水淬火工藝對(duì)不同形式鍛件的適用性，為核電用大鍛件生產(chǎn)提供借鑒。

1 大厚度鍛件的熱處理難題

根據(jù)ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范第II卷SA508標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，筒體類鍛件的取樣要求是T×T/4原則，即試樣縱軸到最近的熱處理表面距離至少為T/4，試樣長度的中點(diǎn)到任何第二表面的距離至少為T，T是鍛件的最大熱處理厚度。該標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)規(guī)定：在使用這個(gè)取樣方法時(shí)，對(duì)于AP1000壓力容器鍛件用鋼，ASME SA508 Grade 3 Class 1建議的最大熱處理厚度是205 mm；對(duì)于AP1000蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器等鍛件用鋼，ASME SA508 Grade 3 Class 2建議的最大熱處理厚度是150 mm。實(shí)際上AP1000和CAP1400主設(shè)備的厚度均大大超過了該標(biāo)準(zhǔn)建議的上限。

考慮到調(diào)質(zhì)熱處理后的加工余量，對(duì)于AP1000反應(yīng)堆壓力容器上筒體鍛件，按照T×T/4要求取樣的中部和下部的實(shí)際熱處理壁厚分別約為300 mm和260 mm，均超出了標(biāo)準(zhǔn)的要求。對(duì)于CAP1400反應(yīng)堆壓力容器上筒體鍛件，其熱處理壁厚比AP1000還要大。

大厚度鍛件制造難度大的主要原因就是高溫階段在鍛件表面形成的蒸汽膜降低了鍛件在厚度方向上的冷卻速度。借鑒發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等鍛件噴水冷卻的方法，噴水的過程能有效去除高溫階段鍛件表面形成的蒸汽膜，對(duì)核電用主設(shè)備鍛件的噴水淬火熱處理工藝進(jìn)行研究。

2 噴水淬火在筒體類鍛件上的試驗(yàn)

AP1000反應(yīng)堆壓力容器上筒體鍛件只要求兩端取樣，上部取樣要求為t×2t(t為高應(yīng)力區(qū)到最近熱處理表面的距離，且t應(yīng)不小于19 mm)；下部取樣要求為T×T/4。國內(nèi)轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)后，對(duì)上筒體鍛件增加了中間部位(接管開口處)的取樣，取樣要求為T×T/4。在CAP1000反應(yīng)堆壓力容器上筒體鍛件生產(chǎn)過程中，連續(xù)出現(xiàn)了中間部位取樣試驗(yàn)拉伸強(qiáng)度不合格問題，重新熱處理后仍不滿足要求，導(dǎo)致報(bào)廢。

為解決上述問題，借鑒發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子大鍛件噴水冷卻方法，開發(fā)出用于筒體類鍛件的噴水淬火工藝。將已報(bào)廢的反應(yīng)堆壓力容器上筒體鍛件作為1∶1模擬件在特制的噴水淬火工藝裝備上進(jìn)行了噴水淬火試驗(yàn)，驗(yàn)證噴水淬火工藝對(duì)冷卻效果的改善情況。

表1 筒體類鍛件不同取樣部位噴水和浸水冷卻速度對(duì)比(℃·min-1)

試驗(yàn)方法如下：在模擬件上安裝24個(gè)熱電偶，分布在中部(45°和225°開孔取樣處)和下部取樣部位(0°和90°)的內(nèi)外表面1/4壁厚和1/2壁厚處。對(duì)模擬件采用噴水淬火和浸水淬火兩種工藝進(jìn)行熱處理，對(duì)不同取樣部位內(nèi)外表面1/4壁厚和1/2壁厚處的冷卻速度進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，由水浸淬火改為噴水淬火后，下部外表面1/4壁厚處的冷卻速度得到大幅度提高，接管開孔處和其他部位的冷卻速度均有提高，但內(nèi)表面1/4壁厚處改善不大。通過調(diào)整噴水裝置內(nèi)外兩圈管道距離和旋轉(zhuǎn)速度，使內(nèi)表面1/4壁厚處的冷卻速度有了提高。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，將噴水淬火工藝應(yīng)用在后續(xù)的筒體類鍛件的生產(chǎn)中，筒體類鍛件一次合格率達(dá)到80%。

3 噴水淬火在非中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)鍛件上的應(yīng)用

在核電主設(shè)備大鍛件中，還有一類生產(chǎn)難度較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的封頭類鍛件，蒸汽發(fā)生器水室封頭就是這類鍛件的典型代表。水室封頭結(jié)構(gòu)見圖1。CAP1400水室封頭鍛件鋼錠重量約460 t，大開口端外徑約5 050 mm，熱處理壁厚約300 mm。蒸汽發(fā)生器鍛件材料為SA508 Grade 3 Class 2，其強(qiáng)度要求比反應(yīng)堆壓力容器更高，熱處理難度更大。鑒于噴水淬火工藝在筒體類鍛件中的成功實(shí)踐，為了提高水室封頭的熱處理效果和合格率，也對(duì)水室封頭進(jìn)行了噴水淬火工藝試驗(yàn)。

3.1 應(yīng)用噴水淬火工藝出現(xiàn)的問題

采用噴水淬火進(jìn)行冷卻處理后，水室封頭鍛件內(nèi)外表面均出現(xiàn)了裂紋。內(nèi)表面裂紋出現(xiàn)在出口管嘴內(nèi)壁，外表面裂紋出現(xiàn)在封頭球冠面和出口管嘴外表面。經(jīng)過分析，認(rèn)為裂紋的性質(zhì)屬于應(yīng)力裂紋，產(chǎn)生的主要原因是出口管嘴內(nèi)部的噴水盲區(qū)以及不同部位噴水量不均勻?qū)е碌臏囟炔?。鍛件各部位裂紋原因具體分析如下：

圖1 水室封頭結(jié)構(gòu)示意圖

(1)水室封頭結(jié)構(gòu)形狀特殊，造成內(nèi)外噴水水管的布置、噴嘴數(shù)量和水流量不均勻。兩個(gè)垂直凸出的出口管嘴不在封頭球冠面的中心，整個(gè)形狀屬于非中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此在出口管嘴內(nèi)部幾乎沒有水流覆蓋；而在水室封頭的外側(cè)，由于噴水管道的旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)非對(duì)稱管嘴的迎水面和背水面得到的水量也相差較大，造成表面應(yīng)力異常。

(2)解剖鍛件后，使用掃描電鏡對(duì)取樣斷口分析，發(fā)現(xiàn)兩處斷口裂紋源區(qū)域微觀形態(tài)均呈解理+準(zhǔn)解理狀，均未發(fā)現(xiàn)微觀冶金缺陷；管嘴部位斷口微觀形態(tài)也呈解理+準(zhǔn)解理狀。雖然取樣斷口面都已被氧化著色，但在掃描電鏡下高倍觀察，均未發(fā)現(xiàn)氧化及氧化層的形態(tài)痕跡特征。這說明在原始裂紋形成后，鍛件本體只經(jīng)過較低溫度的熱處理過程，僅使貫通到鍛件表面的原始裂紋面氧化著色，或形成極薄的氧化層，既不影響裂紋面上的形態(tài)細(xì)節(jié)觀察，也不顯示出氧化的痕跡。

(3)在原始裂紋源區(qū)域以及管嘴裂紋區(qū)域取樣進(jìn)行了低倍檢驗(yàn)，均未發(fā)現(xiàn)有任何宏觀冶金缺陷，其低倍組織相對(duì)均勻，偏析程度較輕。對(duì)原始裂紋源區(qū)域及管嘴部位沿壁厚連續(xù)取樣進(jìn)行金相高倍檢驗(yàn)，結(jié)果表明其非金屬夾雜物及晶粒度級(jí)別均在合格界限內(nèi)。進(jìn)一步確認(rèn)該裂紋性質(zhì)為淬火裂紋，說明原始裂紋形成于淬火冷卻過程中，與水室封頭鍛件的冶金質(zhì)量無關(guān)。

(4)根據(jù)有限元方法對(duì)鍛件的溫度場分布和應(yīng)力場分布進(jìn)行分析和計(jì)算。當(dāng)垂直凸出的出口管嘴內(nèi)表面淬火水冷不均勻時(shí)，內(nèi)表面大部分區(qū)域處于受拉狀態(tài)；而在均勻噴淬情況下，其內(nèi)表面大部分處于受壓狀態(tài)。噴淬(0～100)s內(nèi)的溫度場變化很劇烈，導(dǎo)致應(yīng)力場與組織場變化劇烈，主應(yīng)力值增加。因此，水室封頭噴水淬火時(shí)水冷不均勻使垂直凸出管嘴內(nèi)表面處于受拉狀態(tài)，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生及延伸。

3.2 噴水淬火工藝的改進(jìn)措施和試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)裂紋形成原因，為了改善噴水淬火過程中水室封頭各部位的冷卻均勻性，針對(duì)不同部位采取了改進(jìn)措施。水室封頭噴水設(shè)備改進(jìn)措施見圖2。

(1)針對(duì)兩個(gè)垂直出口管嘴。在其內(nèi)部增加旋轉(zhuǎn)噴淋的直噴管，用于直管嘴內(nèi)壁噴淋冷卻(見圖2中Ⅰ)；

(2)針對(duì)斜管嘴(進(jìn)口管嘴)。根據(jù)斜管嘴方位結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在原內(nèi)噴管上增加定向噴嘴，用于斜管嘴內(nèi)壁噴淋冷卻(見圖2中Ⅱ)；

圖2 水室封頭噴水設(shè)備改進(jìn)措施

(3)針對(duì)球頂復(fù)雜結(jié)構(gòu)。對(duì)于兩個(gè)垂直出口管嘴、斜管嘴與球面相貫位置噴淋盲區(qū)以及球頂凸臺(tái)位置噴淋盲區(qū)，將外環(huán)管按一定角度加長，并在加長部分增加定向噴嘴，用于覆蓋噴淬盲區(qū)(見圖2中Ⅲ)。

為了驗(yàn)證改進(jìn)措施的效果，對(duì)AP1000的蒸發(fā)器水室封頭進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。在模擬件上安裝多個(gè)熱電偶，測溫位置分別為距封頭開口端端面335 mm處的球面內(nèi)、外表面，距封頭開口端端面1 150 mm處的球面外表面，距封頭開口端端面2 000 mm處的球面內(nèi)、外表面及水室封頭各管嘴附近球面外表面。所有位置都距表面20 mm深度，共敷設(shè)熱電偶30支，用于記錄封頭噴淋淬火冷卻過程中各處溫度。

經(jīng)過噴水試驗(yàn)后，各熱電偶的溫度記錄見表2。

表2 試驗(yàn)件各測溫點(diǎn)溫度(℃)

從表2可以看出，在球面(遠(yuǎn)離管嘴)處的冷卻速度比較均勻，進(jìn)口管嘴高度不大，影響也較小。而出口管嘴的非中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)和較高的凸出高度造成冷卻條件的差異偏大，特別是迎水面和背水面冷卻速度相差很大，同一時(shí)間最大溫差達(dá)到600℃左右，較大的溫差必然形成較大熱應(yīng)力，增加鍛件開裂風(fēng)險(xiǎn)。另外，較大的冷卻速率差異也使鍛件性能指標(biāo)的可靠性大幅度下降。

4 結(jié)論

對(duì)于中心對(duì)稱的筒形鍛件和結(jié)構(gòu)簡單的封頭鍛件、餅類鍛件，使用噴水淬火時(shí)鍛件的冷卻速度比浸水處理有明顯的改善，而且各處冷卻速率差異不大。在實(shí)際操作過程中，為了獲得合適的冷卻速率，還需要調(diào)整噴管與鍛件之間的距離以及噴水水管的旋轉(zhuǎn)速度，減少輔助操作的間斷時(shí)間。

由于噴水淬火工藝是通過噴水管道旋轉(zhuǎn)、噴淋實(shí)現(xiàn)的，噴水管道的旋轉(zhuǎn)形成了中心對(duì)稱的冷卻效果，使非中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)的鍛件處于中心對(duì)稱的冷卻場中而無法達(dá)到均勻冷卻的效果。因此，非中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)的異形鍛件不適用噴水淬火工藝。原因是這種結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致噴水淬火過程中，鍛件不同部位的冷卻速率差異大，較大的溫差會(huì)導(dǎo)致材料組織異常，使鍛件性能檢驗(yàn)的可靠性降低，甚至在淬火過程中產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。所以，對(duì)于非中心對(duì)稱的鍛件，采用水浸淬火更合理。

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編輯 杜 敏

Effect Comparison of Dip Quenching and Spray Quenching Heat Treatment of Heavy Forgings Used for Nuclear Power

Zhou Xu

By adopting spray quenching heat treatment process, the experiment has been performed on the heavy forgings used for nuclear power with different structures. The results show that the spray quenching process can be adopted for the forgings with centrosymmetric structure to improve the mechanical property. However, the spray quenching process should not be adopted for the forgings whose structure is not centrosymmetric, so as to provide reference to this kind of forging.

heavy forgings used for nuclear power; spray quenching

TG156.3

B

2016—06—15