高精度18MND5高强度钢筒体成型技术研究

欧凡强 孙楷桢 王健

哈电集团（秦皇岛）重型装备有限公司 河北秦皇岛 066206

近年来，随着核电、石化工业的发展，核电产品对筒体的材料、厚度、要求也越来越高，安注箱中筒体为降低成本未选用锻件，而采用高强度18MND5钢板进行高精度卷制成型，因此对成型后筒体尺寸、厚度等要求高；同时，由于原材料尺寸超出了厂内成型设备能力范围，且成型过程中上辊受力后会产生弹性变形导致弯曲，导致筒体成型后存在束腰变形的风险，通过验证性试验并制定方案实现了高精度18MND5高强度钢筒体的成型，最终经各项检查后，成型精度和性能均达到了要求。

1 筒体概况及成型技术难点

筒体规格Φi3500×78mm、长度4000mm，成形标准按RCC-M F4000：筒体两端300mm范围内的圆度不超过6mm，其余部位不超过12mm；直线度5mm/4000mm；纵缝错边量不得超过3mm。

（1）筒体材料18MND5为高强度钢，筒体成型时设备负荷较大，筒体成型过程难度大。

（2）筒体成型为全板幅卷板成型，卷板机卷板宽度极限为4050mm，筒体长度净尺寸加上两端余量超出厂内卷板机参数上限，筒体容易出现束腰现象。

（3）筒体为冷成型，按照筒体规格及尺寸要求，筒体直线度、圆度要求较高，纵、环缝错边量要求小，对成型的尺寸要求严[1]。

2 工艺方案的制定

（1）筒体变形率的计算。按照RCC-M F4100，成型筒体的变形率计算公式为：

筒体内径Φi=3500mm，名义厚度e=78mm，经计算得变形率A=2.18%。

（2）成型工艺评定的论证。按照RCC-M F4120，满足下列情况需做成型工艺评定：

（a）在高于150℃温度下进行任何一项或一系列操作；

（b）在不高于150℃温度下进行的任何成型操作，按（1）中所给出的公式计算，碳钢或合金钢工件的最大变形率超过5%。

我公司卷板机型号HDR-AS-hy4050-6000；卷板最大宽度：4050mm；冷卷板最大厚度：180mm；热卷板最大厚度：280mm；冷卷板预弯最大板厚：160mm；热卷板预弯最大板厚：280mm；最小卷筒直径：Φ1800mm。

综合考虑筒体材质、尺寸规格、变形率及我公司卷板机的能力，筒体成型采取冷成型的工艺方法，免除筒体成型工艺评定。

（3）筒体成型工艺制定。考虑筒体的材质为18MND5，属于低合金高强钢，室温拉伸强度为600-720MPa，由于筒体成型精度高，为获得较好的圆度和棱角度，筒体卷制采取直边+预弯的成型工艺。

为满足错边量要求，且上、下封头为冷作冲压成型，筒体内径应与上、下封头实测内径配加工，为满足产品封头与筒体环缝错边量要求，筒体采取二次合口工艺方法。

为避免校圆时筒体纵缝处的应力集中，降低筒体校圆难度，获得较好的圆度和棱角度，筒体纵缝焊接后，进行消应力热处理，温度降至150℃以下开始校圆。

3 成型研究及工程实践

（1）筒体校圆过程中下压力及下压量数据分析

（a）下压量计算。当卷板机主要参数确定，预卷制筒体规格确定，可理论计算在不考虑筒体回弹的情况下，卷板机上、下辊之间的理论中心距h：

其中：R—预卷制筒体内径；S—预卷制筒体厚度；r2—卷板机下辊半径；a—下辊中心距设备中心线距离；r1—卷板机下辊半径。

按卷板机技术参数，上辊直径为Φ=1430mm，下辊直径为Φ=1260mm，下辊中心距设备中线距离为850mm。故根据上述公式，可计算卷板机上、下辊之间的理论中心距h=1271.35mm。

（b）回弹量的理论计算。筒体采用冷卷成型，成型过程中会产生回弹，因此筒体在卷板机的辊筒压力下，将内径卷制成略小于所要求的曲率（即上辊的下压量要超过上述计算h值），回弹后符合图纸要求。回弹前筒体内径计算公式如下：

其中：Dn’—回弹前的筒节内径；K0—相对强化系数；E—弹性模量；K1—截面形状系数；卷制板材K1=1.5

经查表，K0=20；σs约540MPa；E约200KN/mm2；

计算得：Dn’≈2801mm。

（c）工程实践。结合筒体成型过程，对筒体实际成型过程中的下压力、下压量进行统计汇总，见表1。

表1 筒体校圆下压量、下压力统计

结合上表统计数据，筒体校圆上辊下压至最低点时，上、下辊之间的理论中心距为h’=1243mm，利用软件模拟工况，此时筒体的成型直径约为2778mm。

通过理论计算及成型实际数据分析，理论数据与工程实践数据基本一致。

（2）筒体成型内周长收缩数据分析。结合筒体成型过程对筒体成型数据进行收集，对各阶段筒体左端、中间、右端内周长收缩量统计见表2。

表2 各阶段筒体内周长收缩量统计

结合上表数据可以看出，卷制过程中上辊受反作用力，中心区域内周长与两端不同，出现筒体束腰（中心区域直径略小于端部直径）；同时，筒体成型过程中，中性层向外侧偏移，即存在筒节周长伸长的现象；结合实际数据，筒体成型过程中，内周长收缩量范围约在254mm之间，收缩量最大部位发生在筒体长度方向中间束腰处[2]。

（3）筒体纵缝焊接焊缝收缩量。筒体纵缝焊接前，在纵缝长度方向在焊缝两侧均匀打样冲眼进行标记，在纵缝焊妥和筒体校圆后分别对样冲眼间的距离进行测量，得到纵缝焊接焊缝收缩量，见表3。

分析上表数据看出，纵缝焊接收缩量均值为：3.25mm，端部收缩量小，中间部位收缩量大；由于筒体端部装焊门形板进行固定，强度高于中心区域，端部的焊接收缩量要小于中间部位的焊接收缩量[3]。

表3 纵缝焊接焊缝收缩量

4 结语

通过对安注箱筒体成型工艺方案的实施，以及理论计算与实际产品的成型控制措施相结合，有效控制了筒体的成型尺寸，为后续产品环缝组装奠定了良好基础。同时，总结了大板幅、高强度、高精度筒体成型过程的数据，在进行后续类似规格、材质筒体成型时，可通过理论计算与实际相结合，有效保证了筒体成型后的πd及直径，解决了筒体卷制板幅大、强度高、精度严的问题。