CN108145392B

CN108145392B - 核岛蒸发器套件成孔方法

Info

Publication number: CN108145392B
Application number: CN201810141832.3A
Authority: CN
Inventors: 马武江; 张乐福; 王元华; 白琴; 宣禹澄; 李志坤; 杨铭
Original assignee: SHANGHAI XINMIN (DONGTAI) HEAVY FORGING CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI XINMIN (DONGTAI) HEAVY FORGING CO Ltd
Priority date: 2018-02-11
Filing date: 2018-02-11
Publication date: 2020-07-03
Anticipated expiration: 2038-02-11
Also published as: CN108145392A

Abstract

本发明公开了一种核岛蒸发器套件成孔方法，其步骤：（1）钢锭加热；（2）锻坯下料；（3）锻坯镦拔；（4）首次冲孔；（5）二次冲孔，向冲头内腔填充入退模膨爆剂，退模膨爆剂与高温锻件孔底接触而膨爆将冲头从孔中推出；（6）三次冲孔，再向冲头内腔填充入退模膨爆剂，膨爆后将冲头推出；（7）四次冲孔，还向冲头内腔填充入退模膨爆剂，膨爆后将冲头推出；（8）修孔；（9）锻后热处理，所述退模膨爆剂为：桐油：8—12，锯末：20—25，石墨：10—15，水：3—5，余量为无烟煤。退模膨爆剂的一次填充量为200克—500克。本发明了实现核锻件的深孔冲压，具有退模速度快、锻件组织均匀密实，材料利用率高的优点。

Description

核岛蒸发器套件成孔方法

技术领域

本发明涉及核电用大型结构件的锻造成孔技术领域，尤其涉及核岛蒸发器上封头、下封头、管板、筒体及接管等套件的锻件深孔冲压成型方法。

背景技术

核电核岛蒸汽发生器是岛内的三大设备之一，是压水堆核电厂一回路、二回路的边界，它将反应堆产生的热量传递给蒸汽发生器二次侧，产生的蒸汽经一、二级汽水分离器干燥后推动汽轮发电机发电。因此，核电蒸汽发生器与反应堆压力容器相连，不仅直接影响电站的功率与效率，而且进行热量交换时还起着阻隔放射性载热器的作用，对核电站的安全至关重要。

蒸汽发生器壳体套件主要有上封头、下封头、管板、筒体及接管等套件的锻件，这些套件均属于大型厚壁形锻件，其锻造件的结构特点是大尺寸、厚壁、深孔，长期处于高温高压的恶劣环境中，且承受高变荷载和管道涡流冲击所产生的压力突变，极易引起应力分布不匀或者应力集中，从而产生疲劳、蠕变损伤，甚至造成降参数运行，影响发电效率，严重时将会带来安全问题。采用耐热合金材料，虽然能提高管类零件的耐高温耐高压的性能，但不能优化这些大型块状零件内部材料组织结构，以及粗晶、裂纹等物理性缺陷，这些材料的内部组织缺陷只能通过后期加工工艺来克服和优化。

蒸汽发生器套件通过锻造工艺明显改善锻件材料内部结构，强化其机械性能。但是套件锻件深孔的冲压成孔过程中，由于冲杆与坯件孔壁间的摩擦力较大，加之孔壁对冲头杆的束紧力和冲头端部的阻力作用，冲压后冲头无法从坯件中拔出，所以目前对蒸汽发生器套件锻件深孔是难以通过冲压成型工艺实现深孔加工的，只能在锻造坯件上，通过钻孔、镗孔等机加工方法进行深孔切削加工，但这种加工方法存在诸多不足：首先材料利用率低，孔在机加工过程中产生的切屑成为废料而难以回用，形成优质合金材料的极大浪费。其二，切削加工不能改变孔壁周边材料的组织结构，不利于增强零件的耐温耐压性能，由于核电锻件属于大型厚饼实心类锻件，很难热透、压实，钢锭内层、外层、心部的热力学和动力学条件存在差异，钢坯内部存在偏析、疏松和缩孔等缺陷，而深孔又往往处于钢坯裂纹、粗晶最为严重的心部位置，切削加工难以保证管孔轴向力学性能的一致性。其三，机加工工艺流程复杂、生产效率低，由于深孔的长径比较大，加工时需钻孔后再进行镗孔至预定尺寸，因此工件需在多工序中转运，生产周期长，效率低。

发明内容

针对现有技术所存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种核岛蒸发器套件成孔方法，它不仅能够实现核岛蒸汽发生器套件的深孔冲压，使锻件组织均匀密实，材料利用率高，而且能够使冲压头冲压孔中自行退出，退模速度快，生产效率高。

为了解决上述技术问题，本发明的核岛蒸发器套件成孔方法，该冲压退模方法包括以下步骤：

（1）钢锭加热：将马氏体耐热钢锭送至加热炉中加热至600℃，保温3小时；再以60℃/h的加热速度加热至850℃，保温4小时；再以80℃/h的加热速度加热至1150°，保温4小时；再以80℃/h的加热速度加热至1230℃±20℃，保温2 小时；

（2）锻坯下料：将上述加热钢锭从炉中取出，切剁钢锭头尾，冒口头端切剁量为钢锭重量的16%—20%，尾端切剁量为钢锭重量的8%—12%；

（3）锻坯镦拔：对锻坯进行镦粗和拔长而成锻件；

（4）首次冲孔：在锻件上进行首次冲孔，冲头压下量为冲孔深度的35%，退出冲头；

（5）二次冲孔：向冲头内腔填充入退模膨爆剂后，将冲头放入首次冲孔形成的孔中下压，压下量为冲孔深度的30%；在冲头下压过程中冲头内的退模膨爆剂被挤至锻件孔底，冲头下压力撤除，退模膨爆剂与高温锻件孔底接触而膨爆，将冲头从孔中推出；

（6）三次冲孔：再次向冲头内腔填充入退模膨爆剂后，将冲头放入二次冲孔形成的孔中下压，压下量为冲孔深度的20%；在冲头下压过程中冲头内的退模膨爆剂被挤至锻件孔底，冲头下压力撤除，退模膨爆剂与高温锻件孔底接触而膨爆，将冲头从孔中推出；

（7）四次冲孔：又一次向冲头内腔填充入退模膨爆剂后，将冲头放入三次冲孔形成的孔中下压，压下量为冲孔深度的15%；在冲头下压过程中冲头内的退模膨爆剂被挤至锻件孔底，冲头下压力撤除，退模膨爆剂与高温锻件孔底接触而膨爆，将冲头从孔中推出；

（8）修孔：以芯棒修整冲孔；

（9）锻后热处理：将冲孔的锻件送入加热炉依次进行正火、随炉保温、退火出炉；

所述退模膨爆剂的组成及质量百分比（wt%）为：桐油：8—12，锯末：20—25，石墨：10—15，水：3—5，余量为无烟煤。

本发明的优先实施方式，所述锻坯镦拔为至少对锻坯进行两次镦粗和两次拔长。

本发明的优先实施方式，所述正火温度为1040℃～1060℃，随炉保温温度为300℃～350℃，退火温度为740℃～760℃。

本发明的优先实施方式，所述退模膨爆剂的组成及质量百分比（wt%）为：桐油：8，锯末：22，石墨：10，水：5，无烟煤55。

本发明的优先实施方式，所述退模膨爆剂的一次填充量为200克—500克。

在核锻件深孔的冲压过程中，冲头与孔壁之间存在较大的摩擦力，孔越深摩擦力越大，同时随着冲孔工序的进行，锻件温度会逐步降低，锻件的变冷收缩会对冲头产生极大的束紧力，使冲头无法拔出，这是目前无法进行锻件深孔冲压首要原因。采用上述的核岛蒸发器套件成孔方法后，由于深孔冲压时先向冲头内腔填充入退模膨爆剂，当冲头向下冲压时其冲头部位与锻件孔底相接触，锻件高温瞬间点燃从冲头内腔挤出的退模膨爆剂，而使之发生膨爆，膨爆所产生的气压向上反向推动冲头使其弹出冲压孔，实现了深孔冲压的冲头自动退模，解决了大型锻件无法进行深孔冲压的技术难问题。在本发明的核岛蒸发器套件成孔方法中，还采用了四次冲孔的分步冲压工艺，且每次的冲压量逐步递减，有效地减少每次的冲压阻力和每次冲孔的退模阻力，既有利于孔壁金属组织的均匀和组织纤维流线的连续合理，又避免过大下压量所带来的锻件开裂等内部组织缺陷的形成；而且随着孔深的加深，其冲压阻力会变得越来越大，故每次冲压量递减，正巧均衡冲压阻力，利于冲头从冲孔中退出。本发明采用分段热规范，使得大型锻件能充分热透，内部组织均匀化；由于大型锻件断面尺寸大，直接连续升温加热方法会在坯件中形成较大的温度梯度，本发明根据耐热钢的材料特性，采用分区段加温、保温规范，确保大体积、大断面锻件能够均匀热透，使锻件心部、表面各区域间的加热温度一致，避免因断面温度差产生温度应力，而导致锻件钢锭开裂，杜绝钢锭加热升温所引起的内部组织缺陷。本发明以直接冲压成型工艺替代了切削成孔工艺，大大减少了材料的切削加工量，使材料利用率提高，即使是冲孔所形成的芯料也能全部回收利用，该直接成型工艺生产效率也得到大大提高。本发明的退模膨爆剂包括多种可燃易燃物，以便在瞬间燃烧并产生膨胀气体而将冲头从冲孔中反推弹出，退模膨爆剂的各种组成成份选择了具有不同燃点的组份材料，且燃点分布于锻件的不同温度点，使得各种组份能在不同温度点燃烧逐步产生需要的膨胀气体和反推力，防止膨爆剂集中燃烧膨胀而冲击力过大，既能使冲头的弹出推动逐渐增大，使反推力以一定的梯度递增，又避免了集中膨爆而导致事故的产生。在退模膨爆剂中桐油的燃点在410℃左右，无烟煤的燃点温度在550℃－700℃，锯末燃点则相对较低，其燃烧值也小，使用中锯末先行燃烧，产生初步弹出反推力，石墨的燃点则在1000℃，水高温环境下具有助燃的作用。

具体实施方式

以移动堆蒸发器下封头为例，该下封头呈半球状的球冠结构，在下封头主体上设置有两个冷却剂输入管孔和两个冷却剂输出管孔。采用八棱柱状的锻造钢锭，钢锭材料为马氏体耐热钢P112。

首先对钢锭进行分段加热升温。先将锻造钢锭放入加热炉进行加热，以提高金属塑性，使其易于流动成型并获得良好的锻后组织，选择恰当的加热温度区间，可使金属坯件在塑性较好的状态下成型。由于钢锭属于大型件，为减少由断面温度差产生的温度应力，应使钢锭均匀加热升温，本发明采用七段加热升温规范，首先将P112钢锭送至加热炉中加热至600℃后，在此温度下，保温3小时；第二加热段以60℃/h的加热速度加热至850℃，第三段为保温段，将加热至850℃的钢锭保温4小时，使钢锭温度均匀，消除温度应力。第四加热段以80℃/h的加热速度加温至1150℃，当钢锭温度大于800℃时，钢锭已具有一定的塑性，因此本加热段采用了相对较快的加热速度，第五段也为保温段，钢锭在1150℃的温度下保温4小时，以进一步消除钢锭温度应力，第六加热段以80℃/h的加热速将钢锭加热至1230℃±20℃，第七段又为保温段，钢锭在1230℃±20℃的温度下保温2小时而形成锻造加热锻坯。

锻坯下料。将上述加热锻坯从炉中取出送至大型液压机，以剁刀为上砧对加热锻坯切剁头尾，以保证有用坯件材料的质量，其冒口头端切剁量为锻坯总重量的16%～20%，尾端段的切剁量为锻坯重量的8%～12%，用钢锤敲击切除头尾的坯件，以去除坯件钢锭外周的氧化皮层而得锻造用的锻坯。

锻坯镦拔。将锻坯沿轴向压下镦粗，然后进行拔长，再进行镦粗，然后进行下一次拔长。镦粗比控制在2.0—2.1之间，每次拔长的压下率为20%～25%之间。锻坯经过镦拔直至成为设计要求的下封头锻件。

以对下封头锻件上任一管孔进行冲压为例：

首次冲孔。在下封头锻件上进行首次冲孔，冲头压下量为冲孔深度的35%，冲头外端留有一定长度，以便拔出冲头。

二次冲孔。第一次冲孔完成后，进行第二次冲压，在向冲头内腔填充入退模膨爆剂后，将冲头放入首次冲孔形成的孔中下压，压下量为冲孔深度的30%。在冲压过程中，冲头内腔的退模膨爆剂被挤至锻件孔底，冲头与锻孔形成密闭腔，退模膨爆剂与高温锻件孔底接触而在密闭腔中燃烧膨爆，在高温低氧条件下，退模膨爆剂放出大量热量和气体，对冲头产生较大的反推力，当撤除液压机下压力时，该反推力会自动将冲头从锻孔中推出，以退出冲头。退模膨爆剂产生的热量还维持了锻孔温度，以防止锻孔紧缩，同时可燃物本身及可燃物燃烧产生的焦炭具有一定的润滑作用，可减少冲头与孔壁间的摩擦力。

三次冲孔。在第二次冲孔完成后，进行第三次冲压，再次向冲头内腔填充入退模膨爆剂后，将冲头放入二次冲孔形成的孔中下压，压下量为冲孔深度的20%。同样冲头内的退模膨爆剂被挤至锻件孔底，冲头与锻孔形成密闭腔，退模膨爆剂与高温锻件孔底接触而密闭腔中燃烧膨爆，在高温低氧条件下，退模膨爆剂放出大量热量和气体，对冲头产生较大的反推力，当撤除液压机下压力时，该反推力会自动将冲头从锻孔中推出，以退出冲头。

四次冲孔。在第三次冲孔完成后，进行第四次冲压，再次向冲头内腔填充入退模膨爆剂后，将冲头放入三次冲孔形成的孔中下压，压下量为冲孔深度的15%。退模膨爆剂产生的大量热量和气体形成较大的反推力，而退出冲头完成本端冲孔。

修孔。冲压形成通孔后，再以长芯棒贯通入冲压通孔。

依次对下封头锻件上的四个管孔进行冲压后，再对锻件进行锻后热处理；

锻后热处理：将冲孔的锻件送入加热炉依次进行正火、随炉保证、退火出炉。

经冲孔后，将锻件降温至580℃保温6h ，再以80℃/h的加热速度加热升温至正火温度1040℃-1060℃，保温10h，再随炉降温至300℃-350℃，并在温度随炉保温6h，再以60℃/h加速度加温至退火温度740℃-760℃，随炉冷却后出炉。

上述中的退模膨爆剂由桐油、锯末、石墨、水和无烟煤充分搅拌均匀而组成，其组成及质量百分比（wt%）为桐油8—12、锯末20—25、石墨10—15、水3—5，其余为无烟煤，锯末为木材锯切时产生的木屑。每一次冲头下压过程中向冲头内腔的填充量控制在200克—500克。

本实施例中，所使用的退模膨爆剂组成及质量百分比（wt%）为桐油8、据末22、石墨10、水5、无烟煤55。向冲头内腔的每次填充量为300克；优选地，退模膨爆剂的一次填充量应控制为200克—500克。

Claims

1.一种核岛蒸发器套件成孔方法，其特征在于：该成孔方法包括以下步骤：

（3）锻坯镦拔：对锻坯进行镦粗和拔长而成锻件；

（8）修孔：以芯棒修整冲孔；

所述退模膨爆剂的组成及质量百分比（wt%）为：桐油：8—12，锯末：20—25，石墨：10—15，水：3—5，余量为无烟煤；

所述锻坯镦拔为至少对锻坯进行两次镦粗和两次拔长；

所述退模膨爆剂的一次填充量为200克—500克。

2.根据权利要求1所述的核岛蒸发器套件成孔方法，其特征在于：所述正火温度为1040℃～1060℃，随炉保温温度为300℃～350℃，退火温度为740℃～760℃。

3.根据权利要求1或2所述的核岛蒸发器套件成孔方法，其特征在于：所述退模膨爆剂的组成及质量百分比（wt%）为：桐油：8，锯末：22，石墨：10，水：5，无烟煤55。