反应堆压力容器整体顶盖锻件锻造质量控制研究

王水平

(海军驻上海电站辅机厂军事代表室，上海 200240)

反应堆压力容器(简称RPV)主要作用是固定和包容堆芯及堆内构件，是防止放射性物质外逸的第二道屏障之一，其中顶盖处于压力容器的顶端，是一回路压力边界内重要的核一级部件，其完整性对核动力设备的安全运行意义重大。

传统顶盖研制工艺是将上封头和顶盖法兰焊接。焊缝的组织、性能和母材之间存在一定的差异，使焊缝区很容易产生应力集中、气泡和腐蚀薄弱环节等缺陷；而顶盖整体成型以后，上封头和顶盖法兰同工序研制，极大的减少了不同部位之间的组织差异；减少装备在役检测工作量，使得装备在复杂工况下可靠性更高，安全性更好。

本文以国内某企业制造的材料为SA508 Gr．3 Cl．2钢反应堆压力容器整体顶盖锻件为例，分析如何通过控制锻造成型环节的关键工艺参数，即在锻造方案中涉及加热、塑性成型、锻后热处理的三个过程对锻件质量的影响因素，分析如何加强锻造过程控制，实现顶盖锻件的整体锻造。

表1 材料力学性能要求

1 技术指标要求

锻件在法兰口端、螺栓孔、管座孔三个位置材料力学性能见表1。

材料牌号为 SA508 Gr．3 Cl．2，成品化学成分要求见表2。

2 锻造过程控制

2.1 锻造工艺过程

反应堆压力容器整体顶盖锻件所用材料为SA508Gr．3 Cl．2钢。经过 EBT+LF 钢包精炼 +VD 真空脱气+VC真空浇注的冶炼工艺，降低钢中S、P和非金属夹杂物的含量，达到预定目标化学成分；钢锭冶炼后热送至锻压车间，利用台车式天然气炉对其加热，然后在5000吨液压锻机上，采用胎模锻造，温度控制在1240～850℃范围内，总锻造比约为11，以消除铸造缺陷，保证锻造微观组织均匀性；锻后热处理为正火+扩氢退火，旨在消除锻造应力，改善组织状态，消除白点影响，为后续性能热处理做准备。

表2 成品化学成分要求（wt.%）

2.2 钢锭加热过程控制

在锻造前需对钢锭进行加热，加热工艺通常包括最高加热温度的控制、装炉温度、升温速度、均热控制、保温时间。

对于装炉温度的控制，装炉温度对于顶盖锻件所采用的SA508 Gr．3 Cl．2多组元合金钢影响较大，因为钢锭等铸态组织及多组元合金钢导热性差，过高的装炉温度将给加热件带来较大的附加应力，严重的可使高合金钢中心开裂。炉温待料实际上给钢锭一个由表及里的热传导过程，减少了内外层温度差，即减小了热应力差异，并给后续升温提供了一个快速升温的基本条件。

对于加热速度的控制，加热时经常用到“尽速”、“尽功率”升温的要求。另外也有限制升温速度的标记，如“≤70/h℃”，指的是保证加热件的热应力不超过它所能承受的极限值的安全升温速度。它主要取决于加热过程中产生的热应力，而热应力的大小又与金属的热扩散率、热容量、线膨胀系数、高温力学性能和加热件形状尺寸有关。

对于均热保温的控制，均热指的是当测温偶反映到仪表指示温度达到工艺规定的温度后，炉子内部加热区的温度场均匀化和钢锭表面各处均匀化（即温色一致）。保温指的是这种表面均匀化向钢锭中心导热后达到内外温度一致的过程。保温应取“最小保温时间”，避免出现严重的粗晶、脱碳等质量缺陷，也加快周期、节约能源。

2.3 成型过程控制

通过锻造可使锻件获得良好组织，即通过锻造破碎钢锭的铸态组织，细化晶粒、改善夹杂物的分布；锻合缩孔、气孔和疏松等缺陷。并通过切除水口、冒口来去除钢锭中夹杂、疏松的聚集部位，使锻件的各部位致密程度和缺陷锻合程度相对均匀且不产生内部锻造裂纹。由于组织致密、晶粒细化，这将大大地提高锻件的可淬性，为后序加工做好了组织准备（图1）。

2.4 锻后热处理控制

锻后热处理又称第一热处理或预备热处理。主要目的是防止白点与氢脆，消除内应力，降低硬度，改善锻件的切削性能，改善零件内部组织，细化晶粒，为最终热处理做好组织准备。

图1 顶盖锻件毛坯图

本次顶盖锻件在锻造成型后，将锻件放置炉台空冷，待表面温度降至350～450℃时进炉加热。装炉时应全面考虑工艺要求、加热均匀性、便于目测、出炉方便、冷却均匀等，并力求做到台车负荷均匀。工件温度及其均匀性以大表读数和目测工件表面颜色为准。封炉冷为停火并关闭闸板、点火孔炉冷，在冷却过程中不得打开炉门和炉盖。炉冷台车炉400度以上停火关闭闸板炉内冷却。

在对锻后热处理工艺的控制中还应着重考虑白点的影响，白点是钢中的一种内部裂纹，常出现在大型锻件的纵向断裂面上，呈现边缘清晰的圆形或椭圆形银白色斑点，长度可达几毫米至数毫米。对白点敏感的大型锻件进行锻后冷却与热处理时，若能将氢大量扩散出去，同时尽量减小组织应力，就可避免产生白点。

2.5 性能试验结果

该反应堆压力容器整体顶盖锻件通过对法兰口端、管座孔、螺栓孔进行取样，并对不同区域试样的数据进行比较来看，化学成分、力学性能及金相组织不仅满足了验收要求，而且具有很好的均匀性。如表3～5。

表3 法兰口端力学性能检测结果（wt.%）

表4 螺栓孔力学性能检测结果（wt.%）

表5 管座孔力学性能检测结果（wt.%）

3 结语

通过对反应堆压力容器整体顶盖锻件锻造方案中，涉及的加热、塑性成型、锻后热处理三个过程中主要工艺参数的控制，分析了其对锻件质量的影响因素。

（1）在对钢锭加热过程控制中，主要对最高加热温度、装炉温度、升温速度、均热控制、保温时间等关键工艺参数的控制，防止产生较大的温度应力并引起裂纹等缺陷，提高了金属塑性，降低变形抗力。（2）在成型过程的控制中，严格控制钢锭的头尾切除量和总锻造比，采用饼形板坯冲型法使得驱动机构贯穿件区域承受较大的静水压力，形成三向压应力，提高了压实效果。（3）在锻后热处理的控制中，采用正火+扩氢退火的工艺细化了晶粒，防止白点与氢脆，消除内应力，降低硬度，改善锻件的切削性能，为最终热处理做好组织准备。

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]．热加工工艺,2009,38(23):138-141．

[2]杨钟胜．大型锻件锻后热处理的研究及注意事项[J]．金属加工(热加工 ),2013，(19):40-42．

[3]康大韬．叶国斌大型锻件材料及热处理[J]．科学出版社,1998．

[4]吴京华．大型钢锭和锻件加热与冷却过程的实验研究[J]．大型铸锻件文集,1992,(6):79-81．