CN101691895A - Ap1000核电技术一回路主管道的制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种AP1000核电技术一回路主管道的制造工艺，包含以下步骤：1)采用电弧炉+AOD炉生产自耗电极，2)电渣重熔的方法生产钢锭：3)锻造：采用8000吨以上压力机对钢锭进行锻造；4)粗加工：采用卧式车床对钢锭进行外圆加工，深孔镗床进行内孔加工；5)采用冷弯方法钢锭弯制；6)固溶热处理：采用燃气丙烷炉进行固溶热处理；7)精加工：采用镗床进行内孔精加工。采用合理、有效的冶炼方法保证钢锭锻造后力学性能、晶粒度及锻造时不产生裂纹。采用本工艺可以生产出成分合格，结晶组织优良，内部纯净的钢锭，为锻造创造良好的条件。采用冷弯方法，可以保证弯曲部位的晶粒度。
Description
技术领域 本发明涉及一种AP1000核电技术一回路主管道的制造工艺。
背景技术 在压水堆核电厂中，主管道是核岛内七大关键设备之一，被称为核电站的“主动脉”。主管道连接了反应堆压力容器、蒸汽发生器和反应堆冷却剂泵，从而组成一条闭式的循环回路。在反应堆冷却剂泵驱动下，反应堆冷却剂在环路中流动，带出反应堆压力容器中核燃料裂变所产生的热量，并通过蒸汽发生器产生的蒸汽驱动汽轮发电机组。
我国目前许多在建核电站所采用的称之为两代加的CPR1000和CNP1000核电技术。主管道安全等级为安全1级，RCC-M等级1级，质保等级为QA1级，抗震类别为1I类，清洁度为A1级，设计压力Pj＝17.23MPa(绝对压力)，设计温度tj＝343℃，水压试验压力Pt＝31MPa(绝对压力)，设计寿命40年，材料牌号Z3CN20-09M，执行标准：RCC-M M3403(弯头)、RCC-M M3406(直管段)。采用铸造奥氏体-铁素体不锈钢，其化学成分及力学性能要求如表1、2所示。
表1主管道化学成分(％)
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Cu | Co |
| ≤0.040 | ≤1.50 | ≤1.50 | ≤0.030 | ≤0.015 | 19.00～21.00 | 8.00～11.00 | ≤1.00 | ≤0.10 |
表2主管道力学性能
其制造工艺包括：(1)直管的制造；(2)弯头的制造；(3)直管和弯头的焊接。
AP1000目前世界上最先进的核电技术之一，也是我国未来核电建设所采用的主要核电技术。主管道安全等级为安全1级，质量等级QA1级，抗震类别为SSE，设计压力Pj＝17.15MPa(绝对压力)，设计温度tj＝360℃，水压试验压力Pt＝21.5MPa(绝对压力)，设计寿命60年，材料牌号316LN，执行标准：ASME。采用锻造奥氏体不锈钢，其化学成分及力学性能如表3、4所示。
表3主管道化学成分(％)
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Mo | Cu | Co | N |
| ≤0.020 | ≤0.75 | ≤1.50 | ≤0.025 | ≤0.005 | 16.00～18.00 | 11.00～14.00 | 2.00～3.00 | ≤0.10 | ≤0.05 | 0.10～0.16 |
表4主管道力学性能
注：一个位置的三个试样为一组；MV为一组中三个试样的平均值；SV为一组中允许一个试样的最低值。
另外，AP1000主管道要求晶粒度为ASTM2级或更细。
AP1000主管道采用整锻式结构不锈钢锻造管，包括两个循环环路，每个环路包括一个热段(连接反应堆与蒸汽发生器)和两个冷段(连接蒸汽发生器和主泵)。该产品在制造上存在几个难点：(1)、如何生产出满足锻造要求的钢锭；(2)、采用何种方法进行弯制来保证弯曲部位的晶粒度。
由于AP1000主管道在世界上未有制造成功的先例，所以只有选择合理的工艺路线才能制造出满足要求的产品。
发明内容本发明所要解决的技术问题在于提供一种AP1000核电技术一回路主管道的制造工艺，采用合理的工艺路线生产出满足锻造要求的钢锭并保证弯曲部位的晶粒度。
为了解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案。
一种AP1000核电技术一回路主管道的制造工艺，其特征在于：工艺步骤如下：
1)、自耗电极冶炼：采用电弧炉+AOD炉冶炼自耗电极；冶炼时加入0.05％～0.10％的铌和0.01％～0.03％的锆，主管道化学成分如表5所示：
表5主管道化学成分(％)
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Mo | Cu | Co | N |
| ≤0.015 | ≤0.4 | ≤1.25 | ≤0.020 | ≤0.005 | 17.00～18.00 | 12.00～13.00 | 2.00～2.50 | ≤0.10 | ≤0.05 | 0.10～0.13 |
2)、电渣重熔生产钢锭：采用三相电渣炉、75吨结晶器进行电渣锭冶炼；采用316LN本钢底垫，采用本钢起弧，采用TiC作为引弧剂。
3)、锻造：采用8000吨以上压力机对钢锭进行锻造；
4)、粗加工：采用卧式车床对钢锭进行外圆加工，深孔镗床进行内孔加工；
5)、采用冷弯方法钢锭弯制；
6)、固溶热处理：采用燃气丙烷炉进行固溶热处理；
7)、精加工：采用镗床进行内孔精加工。
本发明的积极效果在于：
(1)、本发明的关键在于工艺步骤的组合，采用本工艺可以生产出成分合格，结晶组织优良，内部纯净的钢锭，为锻造创造良好的条件。
(2)、采用电渣重熔的方法可以减少夹杂、细化晶粒、获得趋于轴向的结晶组织，从而提高材料的锻造性能。
(3)、合理的化学成分保证材料最终力学性能和具有良好锻造性能。在冶炼时，加入少量的铌和锆，前者形成的碳化铌在金属凝固时起作用，而后者形成的氮化锆在锻造时起作用，达到细化晶粒的目的。
(4)、采用316LN本钢底垫，采用本钢起弧，采用TiC作为引弧剂，可以很好的解决钢锭冶炼时的增碳问题。
(5)、采用冷弯方法，可以保证弯曲部位的晶粒度。
(6)、所述镗床通过X、W和B轴联动，即X和Z向水平运动，镗削动力头同时绕联接轴旋转。通过三轴联动控制镗削动力头刀尖切削平面始终沿弯管圆弧的径向方向，最终实现既定角度切削。实现了AP1000核电技术一回路主管道弯管弯制后的精加工。镗削动力头4的动力由液压马达提供，可以实现低速大扭矩输出动力，较机械传动系统结构更简单，并因此能够减轻动力系统重量。本设备可以使用单片机或PLC进行控制，只进行简单平面圆弧插补和镗削动力头摆角控制，算法简单，精度容易满足。
附图说明 图1是本发明的镗床的整机结构示意图。
图2是显示本发明镗床的镗削动力头与直镗杆之间连接关系的示意图。
具体实施方式 下面结合具体实例进一步描述本发明。
以主管道热段为例来说明本发明的工艺。要成功锻造出主管道热段，所需钢锭约为75吨。工艺步骤如下：
1)、自耗电极冶炼：在采用电弧炉+AOD炉生产自耗电极时，要考虑以下问题：
(1)、成分设计
合理的化学成分是保证材料最终力学性能和具有良好锻造性能的基础。在锻造主管道热段时，钢锭的重量将超过70吨，对于大型316LN不锈钢的锻造，我国尚缺乏经验。对比于普通碳钢，316LN不锈钢具有较高的高温强度，为了提高其锻造性能，要提高其锻造加热温度，而加热温度的增加，在奥氏体晶界易形成δ相铁素体，在达到一定数量时，会急剧降低材料的锻造性能。所以，成分设计的第一个要求是控制δ相形成温度及数量。在表1所示的各种合金成分中，C、N两种元素以间隙固溶方式存在于奥氏体中，可以大幅度提高材料抗拉强度；而Cr、Si、Mn、Mo、Ni元素以置换固溶方式存在于奥氏体中，除Ni降低材料抗拉强度外，其余元素均有利于材料的抗拉强度。从以上两点出发，设计的主管道成分如表5所示：
表5主管道化学成分(％)
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Mo | Cu | Co | N |
| ≤0.015 | ≤0.4 | ≤1.25 | ≤0.020 | ≤0.005 | 17.00～18.00 | 12.00～13.00 | 2.00～2.50 | ≤0.10 | ≤0.05 | 0.10～0.13 |
(2)、微合金化
由于最终产品对晶粒度有要求，而对于铸造不锈钢来讲，其晶粒较为粗大，如果不在冶炼时进行晶粒的控制，如要达到晶粒度的要求，必定增加锻造的难度和工作量。所以在冶炼时，采用微合金化技术来细化晶粒，主要从两个方面来考虑：①金属凝固时，细化结晶组织；②锻造时，能形成小的二次相析出，阻碍晶粒长大。因此，在冶炼时，加入0.05％～0.10％的铌和0.01％～0.03％的锆，前者形成的碳化铌在金属凝固时起作用，而后者形成的氮化锆在锻造时起作用。
2)、电渣重熔的方法生产钢锭：采用三相电渣炉、75吨结晶器进行电渣锭冶炼；采用316LN本钢底垫，采用本钢起弧，采用TiC作为引弧剂。
在进行电渣重熔时，要考虑钢锭增碳的问题。由于美国西屋技术标准对于碳的要求非常严格，所以在重熔时要采取特殊的工艺，使重熔时不增碳。常规的冶炼方法一般是采用石墨电极化渣和采用碳钢底垫，由于前两者均会使钢锭增碳，所以不适用于一回路主管道钢锭的生产。采用316LN本钢底垫，采用本钢起弧，采用TiC作为引弧剂，可以很好的解决钢锭冶炼时的增碳问题。
采用电弧炉+AOD生产的自耗电极化学成分如表6所示：
表6自耗电极化学成分
| 元素(％) | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Ni | Cu | Co | N |
| 标准 | ≤0.02 | ≤0.75 | ≤2.00 | ≤0.025 | ≤0.005 | 16.00～18.00 | 2.00～3.00 | 11.00～14.00 | ≤0.10 | ≤0.050 | 0.10～0.16 |
| 实际 | 0.010 | 0.36 | 1.33 | 0.019 | 0.003 | 17.32 | 2.50 | 12.54 | 0.075 | 0.042 | 0.128 |
电渣重熔后化学成分如表7所示：
表7电渣锭化学成分
| 元素(％) | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Ni | Cu | Co | N |
| 标准 | ≤0.02 | ≤0.75 | ≤2.00 | ≤0.025 | ≤0.005 | 16.0018.00 | 2.00～3.00 | 11.00～14.00 | ≤0.10 | ≤0.050 | 0.10～0.16 |
| 实际 | 0.010 | 0.30 | 1.26 | 0.024 | 0.0015 | 17.62 | 2.42 | 12.21 | 0.069 | 0.047 | 0.138 |
3)、锻造：采用8000吨以上压力机对钢锭进行锻造；
4)、粗加工：采用卧式车床对钢锭进行外圆加工，深孔镗床进行内孔加工；
5)、采用冷弯方法钢锭弯制；
6)、固溶热处理：采用燃气丙烷炉进行固溶热处理；
7)、精加工：采用镗床进行内孔精加工。
未述及的工艺条件均属于常规工艺。
参照图1，本发明所用镗床的床身9上安装有可沿床身9Z向滑动的机械滑座10，机械滑座10上安装有与X轴步进电机8传动连接并可沿机械滑座10X向滑动的立柱1。直镗杆2直接固定在立柱1上，直镗杆2后端带有配重块以平衡长悬臂结构带来的偏重。
机械滑座10由液压油缸推动并带动立柱1、直镗杆2和镗削动力头4产生Z向运动，达到Z轴粗定位的目的。滑座10上带有液压夹紧机构，切削时可以提高整机系统刚性。立柱1在滑座10上沿X方向运动并由X轴步进电机8实现精确定位和进给。
参考图1、2，镗削动力头4通过联接机构3和直镗杆2铰接，联接机构3同时起到角度控制的作用。具体地，直镗杆2前端安装有角度调节步进电机3-4，互相啮合的第一直齿轮3-5、第二直齿轮3-6与角度调节步进电机3-4传动连接。其中第一直齿轮3-5与蜗杆3-3传动连接，与所述的蜗杆3-3配合的蜗轮3-1通过联接轴3-2(定义为B轴)与镗削动力头4铰接。
角度调节步进电机3-4通过互相啮合的第一直齿轮3-5、第二直齿轮3-6带动蜗杆3-3进而带动蜗轮3-1转动，实现镗削动力头4的角度精密分度。镗削动力头4的动力由液压马达提供，可以实现低速大扭矩输出动力，较机械传动系统可以简化结构设计，减轻动力系统重量。
仍如图1，本发明所用镗床还包括工作台床身6，在工作台床身6上可滑动地安装有工作台滑座5，工作台床身6和工作台滑座5之间通过滚珠丝杠传动连接，滚珠丝杠与W轴步进电机7传动连接。
工件(弯管)通过专用工装安装在工作台滑座5上，工作台床身6和滑座5之间通过滚珠丝杠传动，其动力由W轴步进电机7提供，实现工件在Z向精密定位和进给。滑台的进给定义为W轴(Z轴的附加轴)。
本发明所用镗床的工作过程如下：将工件安装在工作台滑座5上，调节工件内孔与镗削动力头4的刀尖回转轴线同心，立柱1带动直镗杆2和镗削动力头4实现Z向粗定位和X向精密定位，工作台滑座5带动工件实现Z向精密定位，镗削动力头4到达指定切削起点位置后，X、W和B轴联动，即X和Z向水平运动，镗削动力头4同时绕联接轴3-2旋转。通过控制X、W和B轴实现三轴联动，进行圆弧插补，控制镗削动力头4刀尖切削平面始终沿弯管圆弧径向方向切削，达到镗削既定角度弯管的目的。
本发明所用镗床主要是依靠镗削动力头4实现对弯管内孔的机加工，镗削动力头4上带有阶梯排布可微调刀台，能够实现粗精加工或光整加工，镗削动力头4通过铰接方式与直镗杆2连接，直镗杆2上安装有摆角控制机构(B轴)，通过步进电机控制，可以精确控制镗削动力头的摆动角度，直镗杆2安装在一台带有步进电机的十字滑台上，可以实现X向定位和进给，Z向进给由液压缸控制，并且直镗杆2上带有配重机构以平衡由于大悬臂结构造成的“低头”现象，工件安装在可前后进给的工作台上，工作台的进给定义为W轴(Z向附加轴)由步进电机控制，可以实现精确定位和进给。
本机可以使用单片机或PLC进行控制，只进行简单平面圆弧插补和镗削动力头摆角控制，算法简单，精度容易满足。
采用以上工艺主管道(热段)最终的化学成分及力学性能如表8、9所示。
表8主管道(热段)化学成分
| 元素(％) | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Ni | Cu | Co | N |
| 标准 | ≤0.02 | ≤0.75 | ≤2.00 | ≤0.025 | ≤0.005 | 16.00～18.00 | 2.00～3.00 | 11.00～14.00 | ≤0.10 | ≤0.050 | 0.10～0.16 |
| 实际 | 0.010 | 0.30 | 1.26 | 0.024 | 0.0015 | 17.62 | 2.42 | 12.21 | 0.069 | 0.047 | 0.138 |
表9主管道(热段)力学性能
Claims (2)
1.一种AP1000核电技术一回路主管道的制造工艺，其特征在于：工艺步骤如下：
1)、自耗电极冶炼：采用电弧炉+AOD炉冶炼自耗电极；冶炼时加入0.05％～0.10％的铌和0.01％～0.03％的锆，主管道化学成分如表5所示：
表5主管道化学成分(％)
2)、电渣重熔生产钢锭：采用三相电渣炉、75吨结晶器进行电渣锭冶炼；采用316LN本钢底垫，采用本钢起弧，采用TiC作为引弧剂；
3)、锻造：采用8000吨以上压力机对钢锭进行锻造；
4)、粗加工：采用卧式车床对钢锭进行外圆加工，深孔镗床进行内孔加工；
5)、采用冷弯方法钢锭弯制；
6)、固溶热处理：采用燃气丙烷炉进行固溶热处理；
7)、精加工：采用镗床进行内孔精加工。
2.如权利要求1所述的AP1000核电技术一回路主管道的制造工艺，其特征在于：第7)步所述的镗床，包括床身(9)，床身(9)上安装有可沿床身(9)Z向滑动的机械滑座(10)，机械滑座(10)上安装有与X轴步进电机(8)传动连接并可沿机械滑座(10)X向滑动的立柱(1)；立柱(1)上固定安装有直镗杆(2)；直镗杆(2)的前端通过联接机构(3)铰接有镗削动力头(4)；还包括工作台床身(6)，在工作台床身(6)上可滑动地安装有工作台滑座(5)，工作台床身(6)和工作台滑座(5)之间通过滚珠丝杠传动连接，滚珠丝杠与W轴步进电机(7)传动连接；
所述的直镗杆(2)前端安装有角度调节步进电机(3-4)，互相啮合的第一直齿轮(3-5)、第二直齿轮(3-6)与角度调节步进电机(3-4)传动连接；其中第一直齿轮(3-5)与蜗杆(3-3)传动连接，与所述的蜗杆(3-3)配合的蜗轮(3-1)通过联接轴(3-2)与镗削动力头(4)铰接。
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