超大型加氢反应器过渡段筒体绿色制造技术

文／周岩，刘凯泉，展培培·天津重型装备工程研究有限公司

超大型加氢反应器过渡段由于结构复杂，是加氢反应器中制造难度最大，钢水收得率最低的大型锻件。本文开创性地提出了将加氢反应器过渡段与邻近筒体合锻，通过筒节轧机轧制后用水压机旋转锻造收口的方法进行制造，并通过有限元数值模拟及工程化等比例试验的方法进行论证，实现了加氢反应器过渡段筒体的绿色制造及近净成形。

传统制造方式

针对加氢反应器过渡段的锻造成形，中国一重近几年做了大量尝试，但并未摆脱传统的自由锻造理念。目前，锻造加氢过渡段的方法主要有三种，以下分别对三种方式进行论述。

直圈覆盖式锻造

直圈覆盖式锻造(图1)是将加氢过渡段设计为一直筒，用截面轮廓覆盖过渡段外形轮廓的方法，成形工艺最为方便简单，但此方法锻件净液比最低，是最不经济的锻造方式，同时由于设计锻件截面壁厚较厚，最后一火锻造成形过程中，截面心部难以锻透，易出现混晶的问题，除此之外，在后续精加工过程中，由于切断了锻件的纤维流线，导致锻件的性能降低，不能够体现锻件的优势，因此这种方式目前已被淘汰。

过渡段冲形工艺

图1 直圈覆盖式锻造

将过渡段首先预制为一直筒坯料，然后用冲头及下模冲形的方式实现过渡段的仿形锻造，也是较为常见的锻造成形方法之一，如图2所示。这种方法净液比相对有所提升，但冲形后无法实现坯料与冲头的整体贴合，因此必须在壁厚方向预留一定的锻造余量，同时，所投辅具较多，且冲形后过渡段难以脱模，只能将冲头及过渡段一同返炉短时间加热后使过渡段膨胀实现脱模，不能够实现过渡段的连续生产。除此之外，此方法只适合于不带裙座的上过渡段制造，对于含有法兰裙座的变壁厚过渡段则不能适用。

图2 过渡段冲形工艺成形原理

两件过渡段合锻仿形扩孔成形

将两个上过渡段或两个下过渡段合锻成一个灯笼形，最后切开成为过渡段，这种方法是近年来中国一重生产大型加氢反应器过渡段的主要方式，如图3所示。这种方式锻件材料收得率高，纤维流线分布合理。但与此同时，该成形方式仍存在着严重不足，即不同型号的加氢反应器球半径不同，导致每套产品必须配合制造与其配套的扩孔辅具，不仅造成了制造成本的增加，同时由于需重新制作辅具，延长了项目的交货期。锻件最终通过水压机扩孔出成品，锻件周身存在锤棱，因此锻造余量较大，不能称之为近净成形。

绿色锻造技术

图3 两件过渡段合锻仿形扩孔成形原理

超大型锻件的绿色制造是当下大型锻件生产企业所追求的变革性生产理念，它主要体现为大型锻件的一体化锻造和近净成形，使锻件既能够得到铸件所拥有的复杂形状，同时也具备锻件的致密性和组织均匀性，不仅如此，通过锻件的一体化锻造使超大型设备的焊缝数量明显减少，提高了设备的服役稳定性。

绿色锻造技术在核电超大型锻件的制造领域得到了广泛应用（图4)。加氢反应器的上下过渡段结构复杂，成形难度较大，目前是加氢反应器中锻造余量最大，钢水收得率最低的主锻件。在某项目加氢产品的制造中，中国一重首次独创性地将加氢过渡段与邻近筒体进行一体化处理，同时借助一重自主设计的筒节成形机，实现了锻件的近净成形和一体化制造，开创了加氢产品绿色制造技术的新局面。

技术论证

成形工艺方案

传统的加氢反应器分段方式(图5)为容器上下封头，筒体，以及封头与筒体之间的过渡段三类锻件，由于加氢反应器体积庞大，按现有水压机设备能力无法制作超大型板坯，因此无法将封头和过渡段进行合锻处理，若实现加氢反应器锻件的一体化锻造，达到减少焊缝的目的，只能寻求将过渡段与邻近筒体一体化锻造的成形方法。上下过渡段分别与邻近筒体合锻后，整个容器可减少两道焊缝，具体分段形式如图6所示。

图4 绿色制造技术在核电产品上的应用

图5 加氢反应器传统分段方式

以此方案分段后，整个容器同样分为三类锻件，包括上下封头，上下过渡段筒体及直筒节，其中上下过渡段筒体为一直筒节端部带一收口段锻件，为减少加工量，在实现锻件一体化锻造的同时，必须还要实现仿形锻造，合锻后的锻件成形方案设计为经镦冲，芯棒拔长，马杠扩孔，筒节成形机轧制后制成直筒坯料，然后在水压机上收口成形成收口筒节，方案示意图如图7所示，以这种成形方式进行锻件的制造，由于采用了筒节成形机进行轧制，很大程度地减小了锻件的加工余量。

图6 采用一体化锻造后反应器的分段方案

⑴锻造过渡段筒体钢锭选用双联法冶炼上注24棱钢锭，钢锭冶炼前精选炼钢用原材料，确保As、Sb、Sn、Co、Cu、B等有害元素的含量不超标，采用电炉和精炼炉双联法炼钢降低钢中的P、S含量，并对其进行严格把控。对锻件所需的大型钢锭，采用多包MP合浇技术控制钢中C、Mo等元素成分的偏析，从而控制合浇后大型钢锭的成分偏析。采用真空浇注、钢水注流保护和新型中间包技术，降低钢渣的卷入和钢水二次氧化，提高钢水的纯净度，提高钢锭质量。

⑵钢锭经保温，脱模热送后进行锻造，首先气割水冒口，保证钢锭两端均有一定比例的切除量，从而有效切除水口沉积堆及冒口端的二次缩孔和偏析严重区域，保证锻件质量。

⑶切除两端弃料后，钢锭经长时间保温后进行镦粗冲孔，利用长时间的高温扩散，配合一定的镦粗比，既实现了钢锭内部的成分均匀化，也保证了凝固枝晶破碎，并向等轴状态转变。钢锭冲孔进一步将钢锭心部疏松区域去除，同时也是成形过程的需要。

⑷然后进行芯棒拔长，预扩孔，完成筒节成形机轧制前的直筒坯料制备，经一定轧制比的轧制后将筒体成形至成品直径尺寸，随后空冷，降温后利用全自动气割机将筒体收口端气割一定尺寸的倒角，最终在水压机上，利用收口锤头，配合回转台旋转锻造收口，完成最终成形。此火由于锻件局部不变形，因此始锻温度适当降低，既要保证锻件的晶粒不发生异常长大，也要保证锻件的韧性指标满足技术条件要求。

图7 加氢过渡段筒体成形过程示意图

⑸锻件在收口过程中采用上收口异形锤头，下回转台。坯料过渡段一侧朝上，摆放于回转台上，通过回转台带动坯料旋转，按0°，90°，45°，90°，再旋转22.5°按0°，90°，45°，90°，再旋转11.25°对称压4锤，再旋转22.5°对称压4锤的方式步锤。按上述方式压下一道次完成整个收口过程。

数值模拟结果

根据以上对锻件成形最后一火收口的叙述，用DEFORM-3D进行了有限元数值模拟，材料模型用JmatPro，根据材料的化学成分利用材料热力学原理进行计算，得到不同温度的应力应变曲线和热物性参数进行建模，材料与模具之间的摩擦选择剪切摩擦，摩擦系数设定为0.4，坯料与模具之间的热传导系数为1N/(sec·mm·℃)，与环境之间换热为0.02N/(sec·mm·℃)。坯料网格设置为四面体网格，既保证了计算精度，同时保证在大变形过程中良好的自适应性。

模拟结果如图8所示，其中图8(a)为数值模拟过程，图8(b)为模拟结果，模拟结果中，灰色部分为零件图尺寸，黄色部分为模拟后的锻件轮廓，可以看出，采用本发明中所述的加氢反应器过渡段与邻近筒体整体锻造技术可以实现加氢反应器过渡段与邻近筒体的一体化锻造。

典型锻件锻造过程

采用以上方式对锻件的成形过程进行了工程化试验，即采用气割钢锭两端弃料→镦粗、冲孔→芯棒拔长→预扩孔、平端面→筒节成形机扩孔→气割倒角→水压机旋转锻造收口的成形方式进行筒节过渡段的成形，图9为收口后锻件和精加工后状态。

结束语

⑴采用加氢过渡段与邻近筒体一体化锻造成形方法进行锻件制造，不仅能够减少焊缝数量，在提高设备可靠性的同时，大幅降低了产品的制造成本，缩短了制造周期，在减少能源消耗的同时，也大幅减少了制造过程中温室气体的排放量，降低了由制造活动带来的环境污染。

图8 过渡段筒体收口成形数值模拟结果

图9 典型产品的制造过程

⑵一体化锻造最大程度地减小了锻造余量，保留了锻造成形流线，在保证锻件力学性能的同时，实现了锻件的近净成形和绿色制造。