核电用大锻件浸水和喷水热处理效果比较

周 旭

(国核工程有限公司，上海200233)



核电用大锻件浸水和喷水热处理效果比较

周 旭

(国核工程有限公司，上海200233)

通过对不同结构类型的核电用大锻件采用喷水淬火工艺试验，得出中心对称结构的锻件可采用喷水淬火工艺改善锻件性能，而非中心对称结构的锻件则不宜采用喷水淬火，为该类型大锻件的生产提供借鉴。

核电用大锻件；喷水淬火

我国CAP1400示范电站项目的反应堆压力容器和蒸汽发生器的部分锻件淬火热处理厚度已远远超过了材料标准的上限，导致传统的浸水热处理工艺达不到理想的效果，锻件性能很难满足要求。因此，借鉴发电机转子等大型锻件喷水冷却的方法，对核电用主设备锻件采用喷水淬火的工艺。本文对不同结构形式的核电主设备大锻件采用喷水淬火工艺的效果进行比较和分析，进而判断喷水淬火和浸水淬火工艺对不同形式锻件的适用性，为核电用大锻件生产提供借鉴。

1 大厚度锻件的热处理难题

根据ASME锅炉和压力容器规范第II卷SA508标准规定，筒体类锻件的取样要求是T×T/4原则，即试样纵轴到最近的热处理表面距离至少为T/4，试样长度的中点到任何第二表面的距离至少为T，T是锻件的最大热处理厚度。该标准同时规定：在使用这个取样方法时，对于AP1000压力容器锻件用钢，ASME SA508 Grade 3 Class 1建议的最大热处理厚度是205 mm；对于AP1000蒸汽发生器、稳压器等锻件用钢，ASME SA508 Grade 3 Class 2建议的最大热处理厚度是150 mm。实际上AP1000和CAP1400主设备的厚度均大大超过了该标准建议的上限。

考虑到调质热处理后的加工余量，对于AP1000反应堆压力容器上筒体锻件，按照T×T/4要求取样的中部和下部的实际热处理壁厚分别约为300 mm和260 mm，均超出了标准的要求。对于CAP1400反应堆压力容器上筒体锻件，其热处理壁厚比AP1000还要大。

大厚度锻件制造难度大的主要原因就是高温阶段在锻件表面形成的蒸汽膜降低了锻件在厚度方向上的冷却速度。借鉴发电机转子等锻件喷水冷却的方法，喷水的过程能有效去除高温阶段锻件表面形成的蒸汽膜，对核电用主设备锻件的喷水淬火热处理工艺进行研究。

2 喷水淬火在筒体类锻件上的试验

AP1000反应堆压力容器上筒体锻件只要求两端取样，上部取样要求为t×2t(t为高应力区到最近热处理表面的距离，且t应不小于19 mm)；下部取样要求为T×T/4。国内转化设计后，对上筒体锻件增加了中间部位(接管开口处)的取样，取样要求为T×T/4。在CAP1000反应堆压力容器上筒体锻件生产过程中，连续出现了中间部位取样试验拉伸强度不合格问题，重新热处理后仍不满足要求，导致报废。

为解决上述问题，借鉴发电机转子大锻件喷水冷却方法，开发出用于筒体类锻件的喷水淬火工艺。将已报废的反应堆压力容器上筒体锻件作为1∶1模拟件在特制的喷水淬火工艺装备上进行了喷水淬火试验，验证喷水淬火工艺对冷却效果的改善情况。

表1 筒体类锻件不同取样部位喷水和浸水冷却速度对比(℃·min-1)

试验方法如下：在模拟件上安装24个热电偶，分布在中部(45°和225°开孔取样处)和下部取样部位(0°和90°)的内外表面1/4壁厚和1/2壁厚处。对模拟件采用喷水淬火和浸水淬火两种工艺进行热处理，对不同取样部位内外表面1/4壁厚和1/2壁厚处的冷却速度进行对比。试验结果如表1所示。

从表1可以看出，由水浸淬火改为喷水淬火后，下部外表面1/4壁厚处的冷却速度得到大幅度提高，接管开孔处和其他部位的冷却速度均有提高，但内表面1/4壁厚处改善不大。通过调整喷水装置内外两圈管道距离和旋转速度，使内表面1/4壁厚处的冷却速度有了提高。

根据试验结果，将喷水淬火工艺应用在后续的筒体类锻件的生产中，筒体类锻件一次合格率达到80%。

3 喷水淬火在非中心对称结构锻件上的应用

在核电主设备大锻件中，还有一类生产难度较大、结构复杂的封头类锻件，蒸汽发生器水室封头就是这类锻件的典型代表。水室封头结构见图1。CAP1400水室封头锻件钢锭重量约460 t，大开口端外径约5 050 mm，热处理壁厚约300 mm。蒸汽发生器锻件材料为SA508 Grade 3 Class 2，其强度要求比反应堆压力容器更高，热处理难度更大。鉴于喷水淬火工艺在筒体类锻件中的成功实践，为了提高水室封头的热处理效果和合格率，也对水室封头进行了喷水淬火工艺试验。

3.1 应用喷水淬火工艺出现的问题

采用喷水淬火进行冷却处理后，水室封头锻件内外表面均出现了裂纹。内表面裂纹出现在出口管嘴内壁，外表面裂纹出现在封头球冠面和出口管嘴外表面。经过分析，认为裂纹的性质属于应力裂纹，产生的主要原因是出口管嘴内部的喷水盲区以及不同部位喷水量不均匀导致的温度差。锻件各部位裂纹原因具体分析如下：

图1 水室封头结构示意图

(1)水室封头结构形状特殊，造成内外喷水水管的布置、喷嘴数量和水流量不均匀。两个垂直凸出的出口管嘴不在封头球冠面的中心，整个形状属于非中心对称结构，因此在出口管嘴内部几乎没有水流覆盖；而在水室封头的外侧，由于喷水管道的旋转，两个非对称管嘴的迎水面和背水面得到的水量也相差较大，造成表面应力异常。

(2)解剖锻件后，使用扫描电镜对取样断口分析，发现两处断口裂纹源区域微观形态均呈解理+准解理状，均未发现微观冶金缺陷；管嘴部位断口微观形态也呈解理+准解理状。虽然取样断口面都已被氧化着色，但在扫描电镜下高倍观察，均未发现氧化及氧化层的形态痕迹特征。这说明在原始裂纹形成后，锻件本体只经过较低温度的热处理过程，仅使贯通到锻件表面的原始裂纹面氧化着色，或形成极薄的氧化层，既不影响裂纹面上的形态细节观察，也不显示出氧化的痕迹。

(3)在原始裂纹源区域以及管嘴裂纹区域取样进行了低倍检验，均未发现有任何宏观冶金缺陷，其低倍组织相对均匀，偏析程度较轻。对原始裂纹源区域及管嘴部位沿壁厚连续取样进行金相高倍检验，结果表明其非金属夹杂物及晶粒度级别均在合格界限内。进一步确认该裂纹性质为淬火裂纹，说明原始裂纹形成于淬火冷却过程中，与水室封头锻件的冶金质量无关。

(4)根据有限元方法对锻件的温度场分布和应力场分布进行分析和计算。当垂直凸出的出口管嘴内表面淬火水冷不均匀时，内表面大部分区域处于受拉状态；而在均匀喷淬情况下，其内表面大部分处于受压状态。喷淬(0～100)s内的温度场变化很剧烈，导致应力场与组织场变化剧烈，主应力值增加。因此，水室封头喷水淬火时水冷不均匀使垂直凸出管嘴内表面处于受拉状态，导致裂纹的产生及延伸。

3.2 喷水淬火工艺的改进措施和试验验证

根据裂纹形成原因，为了改善喷水淬火过程中水室封头各部位的冷却均匀性，针对不同部位采取了改进措施。水室封头喷水设备改进措施见图2。

(1)针对两个垂直出口管嘴。在其内部增加旋转喷淋的直喷管，用于直管嘴内壁喷淋冷却(见图2中Ⅰ)；

(2)针对斜管嘴(进口管嘴)。根据斜管嘴方位结构特点，在原内喷管上增加定向喷嘴，用于斜管嘴内壁喷淋冷却(见图2中Ⅱ)；

图2 水室封头喷水设备改进措施

(3)针对球顶复杂结构。对于两个垂直出口管嘴、斜管嘴与球面相贯位置喷淋盲区以及球顶凸台位置喷淋盲区，将外环管按一定角度加长，并在加长部分增加定向喷嘴，用于覆盖喷淬盲区(见图2中Ⅲ)。

为了验证改进措施的效果，对AP1000的蒸发器水室封头进行了模拟试验。在模拟件上安装多个热电偶，测温位置分别为距封头开口端端面335 mm处的球面内、外表面，距封头开口端端面1 150 mm处的球面外表面，距封头开口端端面2 000 mm处的球面内、外表面及水室封头各管嘴附近球面外表面。所有位置都距表面20 mm深度，共敷设热电偶30支，用于记录封头喷淋淬火冷却过程中各处温度。

经过喷水试验后，各热电偶的温度记录见表2。

表2 试验件各测温点温度(℃)

从表2可以看出，在球面(远离管嘴)处的冷却速度比较均匀，进口管嘴高度不大，影响也较小。而出口管嘴的非中心对称结构和较高的凸出高度造成冷却条件的差异偏大，特别是迎水面和背水面冷却速度相差很大，同一时间最大温差达到600℃左右，较大的温差必然形成较大热应力，增加锻件开裂风险。另外，较大的冷却速率差异也使锻件性能指标的可靠性大幅度下降。

4 结论

对于中心对称的筒形锻件和结构简单的封头锻件、饼类锻件，使用喷水淬火时锻件的冷却速度比浸水处理有明显的改善，而且各处冷却速率差异不大。在实际操作过程中，为了获得合适的冷却速率，还需要调整喷管与锻件之间的距离以及喷水水管的旋转速度，减少辅助操作的间断时间。

由于喷水淬火工艺是通过喷水管道旋转、喷淋实现的，喷水管道的旋转形成了中心对称的冷却效果，使非中心对称结构的锻件处于中心对称的冷却场中而无法达到均匀冷却的效果。因此，非中心对称结构的异形锻件不适用喷水淬火工艺。原因是这种结构将导致喷水淬火过程中，锻件不同部位的冷却速率差异大，较大的温差会导致材料组织异常，使锻件性能检验的可靠性降低，甚至在淬火过程中产生应力裂纹。所以，对于非中心对称的锻件，采用水浸淬火更合理。

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编辑 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