介绍一种新的大型异形件核电用过渡管锻造工艺

赵和安

摘要：对内径超过1m的大型异型件钢管接头锻造工艺进行分析，结合生产实际情况制定了具体合理有效的操作规程，提出了切口必须平整，控制压下量以及改用砧子等方法以防止锻件产生裂纹，为核电、火电异型锻管件接头锻造提供了参考，该工艺已成功地解决了许多核电异型件的国产化。

Abstract： The forging process of large special-shaped steel pipe joints with an inner diameter of more than 1m is analyzed. According to the actual production situation， a specific reasonable and effective operation procedure is established. It is proposed that the incision must be leveled， controlling the amount of pressing and changing the use of anvil is to prevent cracks in the forgings， which provides a reference for the forging of nuclear power and thermal power forged pipe joints. This process has successfully solved the localization of many nuclear power shaped parts.

关键词：异形件；锻造；工艺；裂纹；芯轴

Key words： special-shaped parts；forging；process；crack；mandrel

中图分类号：TG316 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）31-0146-03

0 引言

随着锅炉及核电、火电工业的迅速发展，市场竞争日益激烈，对大型、复杂管接头质量的要求越来越高。

我单位的异型管接头，它们用于核电、火电系统，使用工况特殊、复杂、恶劣，要求寿命长，对可靠性要求非常高，从而对设计、工艺、制造、试验都有非常高的要求。核电设备对于安全性要求较高，因为一旦泄露，其后果将是灾难性的。所以对过渡管的密封、寿命和可靠性等诸多性能有着严格的技术要求，其尺寸、结构、性能直接影响管道的结构尺寸和主要技术指标。因此，对其外形尺寸和内在质量的要求很高。我们结合锻造经验，采用一些新的工艺方法，解决了过渡管在锻造过程中产生的裂纹、褶皱等缺陷存在问题，大大减少了成本。

1 工艺要求分析

大型过渡管是在8MN液压机上进行锻造的。

大型过渡管是锅炉上的重要产品。材质为12CrMoV钢（统一数字代号为A31122）是一种合金结构钢，执行GB/T 3077-2015合金结构钢标准。

12CrMoV钢是一种珠光体型耐热钢，此钢主要用在管壁温度≤570℃的各种过热器管、导管和相应的锻件。在高温使用下，具有高的组织稳定性，通常在-40～560℃使用。

过渡管零件如图1所示，重量3080kg。零件长1050mm。大端外径（D大外）为？准1050mm，长200mm，壁厚为（1160-990）/2=170/2=85mm；小端外径（D小外）为？准747.5mm，长250mm，壁厚为（747.5-647.5）/2=100/2=50mm。过渡管中间为过渡区，壁厚由85mm过渡到50mm。

2 制定自由锻工艺过程

2.1 绘制自由锻锻件图

①加工余量设计：由于大、小两端都需要加工，取大、小两端外圆加工余量为A，大、小两端内圆加工余量为B，大端长度加工余量为C，小端外圆加工余量为D。

②锻造公差设计：由于各种因素的影响，如终锻温度的差异，因而允许有一定的误差，即锻造公差。

根据我厂的情况，我们取锻造公差的正偏差为E，负偏差为F。

对于有特殊要求的锻件，还需要在自由锻锻件的适当位置添加试样余块，供检验锻件内部组识和测试力学性能之用。

2.2 确定坯料的重量和尺寸

①坯料重量的计算。

根据锻件图计算坯料重量G坯（kg）

G坯=G鍛+G切（1+δ%）

式中：G锻-锻件重量，根据公称尺寸计算体积，然后乘以密度，即得。

G切-锻件拔长后由于端部不平整而应切除料头的重量（kg），G切与锻件拔长后的直径（内径和外径）有关，可根据本厂的经验确定，也可按有关资料介绍的经验公式确定，如G切=（1.65～1.80）乘（外径的平方减去内径的平方）。

采用钢锭锻造时，为保证锻件重量，还应考虑必须切去的钢锭冒口和锭底的重量。

δ为钢料的燃烧烧损率，大约为2%～4%。

②坯料尺寸的计算。

由坯料的重量除以密度，即得坯料体积。

③钢锭规格的选择。

通过计算，结合本单位炼钢实际生产安排。最后选用长1550mm的八角形钢锭。重达6.3t。其简图如图2。

按照有关重量确定好下料尺寸，用锯床下料。

为减少操作时对锻压设备的占用时间，在锻造前要将钢锭的底部去除，还要拔冒口。

2.3 确定变形工艺和锻造比

由此，根据该过渡管为锥形管，连接两端不同直径的孔的情况，结合本厂生产其它管类件的实际经验，采用下列工艺：（倒棱→拔长）→镦粗→冲孔→心轴拔长→冲头扩（锥）孔→整形

在镦粗前增加一道拔长工序是为了提高锻造比，保证产品质量。

如果只对锻件进行拔长，在锻造比（简称锻比，拔长锻造比为锻前之截面积与锻后截面积之比）大于3时，便会出现纤维组织，如先镦粗后拔长，则拔长锻造比达到4～5时，才形成纤维组织。这是由于金属塑性流动方向的改变，影响了定向纤维的形成。

2.4 确定锻造的吨位

根据经验公式确定。

结合本单位的情况，采用8MN液压机组上进行自由锻。

过渡管件成形的主要变形工艺序是拔长和扩孔，所以锻造关键是在保证管件质量的前提下增强金属的轴向流动，减少金属的径向流动。

要注意分料准确，中间火次对变形工序和变形后的预制坯的形状设计要合理，对毛坯和制坯尺寸要控制适当。

克服壁厚不均现象。加热钢坯时，保证安放整齐加热均匀，每隔一定时间将钢锭（钢坯）翻转。

3 工艺操作

3.1 准备工具：

制作Ф240，和Ф420带锥度的芯轴两种其（如图3所示。工作带锥），带锥度的芯轴，保证斜度为1：（120～150），表面光洁并涂以石墨加油。

Ф250冲子。

3.2 按工艺规程将6.3t钢锭加热到1200℃。始锻温度1180℃，锻造温度控制在1180℃～850℃。要注意不能有过热、过烧缺陷。下料时H0=0.6～0.8D。

3.3 锻造时的注意事项

拔长前镦粗冲孔后，坯料端面距芯轴夹头端留200mm间隙，保证金属沿轴向流动和便于取下锻件。

3.4 用上平下V砧进行芯轴拔长，相当于三向受压，提高管件的致密程度，限制横向流动，提高轴向流动能力，有助于提高拔长效率。开始拔长时，要在高温下先压两端，以防止端面在较低温度下锻造产生裂纹。

3.5 要注意分料准确，中间火次对毛坯尺寸要控制适当，既要考虑到加热时装炉条件，可能产生的弯曲，还应考虑剩余锻比。

3.6 具体锻造工艺为：

第一火次：用上下平砧压冒口，用平砧、剁刀拔长下料；第二火：用镦粗板镦粗，用Ф250冲子冲孔；第三火：Φ240mm芯轴预扩孔、预一次拔长；第四火：用上平下V砧、Ф420芯轴拔长、用锥形冲头扩锥孔；第五火：用上下弧砧及锥形芯轴整形至成品符合锻件图尺寸要求。

4 过渡管锻造缺陷及防止措施

4.1 过渡管锻件的外部缺陷

①壁厚不均和端头不齐，或截面圆度不够。壁厚不均和端头不齐，或截面圆度不够，是过渡管锻件生产过程中产生的常见的外部缺陷。

②喇叭口。大型过渡管第二个重要的外观缺陷为喇叭口现象。主要由于在锻造过程中，芯轴未放置水平，导致上砧在下压锻打过程中，在芯轴较高端下压量较大，而芯轴较低端下压量小，最终形成锥形截面。另外，锻件镦粗冲孔后直接芯轴扩孔，冲孔导致锻件下端直径大于上端，在芯轴扩孔过程中导致形成喇叭口。因而，在锻造生产前，必须使芯轴支架摆放水平。锻件镦粗冲孔后，采用芯轴扩孔对锻件两端直径进行调节，扩孔过程中采用调头成形方式。

另外，在成形过程中及时观察两端直径的变化，在喇叭口不严重时及时将其修复。

4.2 过渡管锻件的内部缺陷

4.2.1 晶粒粗大

在锻后检查其内部组织时，有时发现过渡管锻件有晶粒粗大现象，其原因除钢锭内部质量外，主要与加热温度有关。应严格控制每一道加热的加热规范，如加热温度、保温时间和锻造温度。另外，在保证拔长相对送进量L/D在0.6左右，也有利于消除晶粒粗大。终锻温度不宜过高，要严格控制在850℃以上。

4.2.2 端面裂紋

有时发现过渡管锻件端面有裂纹，引起端面裂纹的原因大致有3个：①下料质量差，锯切下料时切面不必须平齐，不带毛刺大。②在芯轴拔长时操作不合理，没有必须先压两端再压中间。拔长时操作先压中间，避免因中间发生塑性变形而两端温度下降过快且受到拉应力从而容易造成端面裂纹。③镦粗时利用液压机压力机镦粗板代替平砧，可扩大接触面积，保证镦粗后坯料端面平整，杜绝产生裂纹根源。

4.2.3 内表面裂纹

有时过渡管锻件内表面发生裂纹，产生原因为冲孔时有毛刺没有及时清除，在芯轴拔长时存留在内表面。所以冲孔时必须冲净，及时清理毛刺，才能保证内表面光洁无裂纹。

4.2.4 外表面裂纹

过渡管锻件产生外表面裂纹的原因主要产生原因为钢锭质量不高和锻造压下量不合理。严格控制压下量，避免大变形倒棱和拔长，采取钢锭倒棱时单边压下量不得大于20mm，和拔长时单边压下量不得大于60mm的方法，可减少拉应力的产生，达到控制裂纹的目的。主要考虑建立良好的变形应力状态另外，采用上平下V砧进行拔长，具备良好的变形应力状态，也可以克服产生外表面裂纹现象和因大压下量造成的折叠缺陷。

除上述五种缺陷预防措施外，还需自由锻是一种技术性极强的劳动。必须严格按照工艺规程操作，不能粗枝大叶，更不能心存侥幸。在操作细节上加以注意，如砧子、芯轴等工具使用前应预热到200℃方开始工作等。

生产实践证明，在8MN液压机上按照本工艺方案锻造大型过渡管件是可行的，整体锻造的方法保护了金属的纤维流线方向，大大提高了产品的力学性能，同时保证了质量。采用该工艺方案已成功地为核电站核岛蒸汽发生器主给水管、一次侧人孔、二次侧人孔、稳压器的喷淋接管嘴安全端等中小型异型锻件制造，大大地提高满足了产品的综合性能提高的要求。

参考文献：

[1]谢懿主编.实用锻压技术手册[M].北京：机械工业出版社，2003，9.

[2]吕炎.锻造工艺学[M].北京：机械工业出版社出版社，1983.

[3]胡亚民.锻造工艺过程及设计[M].北京：北京大学出版社，中国林业出版社，2006，8.

[4]王亚宏，等.环形件自由锻造缺陷分析及改进[J].特钢技术，1994（1）：39-45.