CN109986283B - 一种反应堆堆内构件整体式吊篮筒体结构成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于反应堆结构设计领域，具体涉及一种反应堆堆内构件整体式吊篮筒体结构成形方法；本发明的目的是，针对现有技术不足，提供一种采用电熔增材制造技术，制造出反应堆堆内构件整体式吊篮筒体反应堆堆内构件整体式吊篮筒体结构成形方法；取消了各类板材、锻件以及焊材的生产，缩短了采购周期；取消了所有焊缝，包括吊篮筒体所有的全焊透连接焊缝和钴基合金耐磨堆焊技术，避免了结构的焊接变形，提高了成形质量；采用了整体成形的吊篮筒体，结构连续性好，力学性能更好；整体成形的吊篮筒体的结构材料性能均匀，尤其是结构厚度方向材料性能无差异；制造周期大幅度缩短，制造工艺大大简化。
Description
技术领域
本发明属于反应堆结构设计领域，具体涉及一种反应堆堆内构件整体式吊篮筒体结构成形方法。
背景技术
反应堆堆内构件作为反应堆的关键主设备，吊篮筒体是其关键组成部分。基于现有制造技术，吊篮筒体目前普遍采用“锻件+焊接、板材卷制+焊接、大厚锻件、锻件+板材+焊接”的结构，随着反应堆功率的增大，吊篮筒体的锻件(或板材)+焊接的传统制造工艺面临着一系列问题：
(1)制造能力接近极限，型材制造难度大
功率的增大造成吊篮筒体尺寸加大，如吊篮筒体外径及堆芯支承板厚度都显著增大，部分型材(如筒体板材和堆芯支承板锻件)的制造和热处理都达到了现有重装装备的极限，材料的制造面临着轧制能力、锻造能力和淬透性的技术挑战。虽然现有装备能够完成大型先进压水堆堆内构件板材和特大厚锻件的制造，但对于材料性能而言是不利的，尤其是整个锻件性能会非常不均匀，可能会降低产品综合性能。
(2)制造周期长，成为工程建造的瓶颈
采用传统制造工艺进行反应堆堆内构件吊篮筒体的制造，必须提前订货才可能满足核电厂FCD的进度要求，从材料的炼钢、锻造、轧制、热处理、多次焊接、多次无损检验、多次机加工等，整个工艺过程很长，经常出现不符合项，需要相当多的分析处理时间，反应堆堆内构件大型构件制造周期长、不符合项多已是业内的共识。根据多年的供货经验，能够满足合同进度的少之又少，交货延期少则半年，多则一年，很少能够按期交付。
(3)原材料利用率低，经济性不佳
传统制造工艺中，锻件生产过程需多次去皮，还需留有较大的加工余量，这使得传统制造工艺的材料利用率非常低下，既造成材料的浪费，也提高了制造业的单位能耗，通过简单的技术革新很难有实质性的提高材料利用率。
(4)制造工艺复杂，产品性能较低
基于现有制造技术，堆内构件目前普遍采用“锻件(或板材)+焊缝”的结构，其制造工艺十分复杂。如常规的吊篮筒体，属于复杂的高精度组合结构件，根据现有设计要求和国内制造厂的制造工艺，其由一件吊篮法兰(Z2CN19-10(控氮)锻件)、一件上部筒体(Z2CN19-10(控氮)板材)、一件中部筒体(Z2CN19-10(控氮)板材)、一件下部筒体(Z2CN19-10(控氮)板材)、一件堆芯支承板(Z3CN18-10(控氮)锻件)、二至四件出口管嘴(Z2CN19-10(控氮)锻件)、四件径向支承键(Z2CN19-10(控氮)锻件)组焊而成(见图2)，一共有三道纵焊缝、十余道环形焊缝。该构件制造工艺极为复杂，尤其是由于大量采用了焊接连接，导致构件精度(如吊篮筒体的圆度、同轴度、垂直度、与法兰下表面的平行度等)很难达到设计要求，对制造厂的制造水平提出了很高的挑战，也因此产生了大量不符合项，严重影响了产品综合性能。
3D打印(增材制造)技术是近年来出现的一种新型材料成型技术，目前多应用于医疗、航空等领域的小型部件的制造上，重型金属构件增材制造技术此前尚未有核电商业应用的案例。电熔增材制造技术属于3D打印(增材制造)技术的一种，相比于其它技术，该技术特别适合用于重装大型构件的制造，而且得到的材料具有复杂结构一体化性良好、材料性能优异、均匀、无尺寸效应、成品率高且制造周期短等诸多优点，同锻件相比有明显的优势。
发明内容
本发明的目的是，针对现有技术不足，提供一种采用电熔增材制造技术，制造出反应堆堆内构件整体式吊篮筒体反应堆堆内构件整体式吊篮筒体结构成形方法。
本发明的技术方案是：
一种反应堆堆内构件整体式吊篮筒体结构成形方法，包括以下步骤：
步骤一、选择电熔增材制造原材料，选择满足表1和表2要求的Z2CN19-10(控氮)丝材和辅料，丝材直径在0.8mm～4mm之间；
步骤二、根据所需制造的堆内构件吊篮筒体结构的图纸，并考虑材料检验相关的检验取样尺寸余量，确定增材制造程序编写；
步骤三、清理增材用基板表面，并打磨抛光基板表面；
步骤四、采用以电弧为热源，以送丝熔覆方法进行图1所示的堆芯下板(5)和径向支承键(6)的成形，逐层熔覆堆积，直到完成设计所需增材制造的尺寸，熔覆堆积时，电熔基体预热温度不低于15℃，道间温度不大于180℃；
步骤五、堆芯下板(5)和径向支承键(6)打印成形后，采用同样方法完成下部筒体(4)、的成形，并在下部筒体(4)成型过程中，完成钴基合金耐磨堆焊(7)的成型，其中钴基合金耐磨堆焊(7)选择ERCoCr-A(6级)丝材和辅料；
步骤六、下部筒体(4)和钴基合金耐磨堆焊(7)打印成形后，采用与步骤4)相同的方法完成上部筒体(2)、出口管嘴(3)和吊篮法兰(1)的成形；
步骤七、对电熔增材成形的整体式吊篮筒体结构进行固溶热处理，热处理制度为：(1000～1100)℃×(1～4)h+水冷，固溶热处理次数不超过2次，固溶热处理后的晶粒度等级为4～7级；
步骤八、电熔增材成形后，对整体式吊篮筒体结构进行机加工，直至达到图纸要求的最终尺寸和表面粗糙度要求；
步骤九、加工完成后，对整体式吊篮筒体结构进行尺寸稳定化处理，尺寸稳定化处理的温度为(400～450)℃×(6～12)h；
步骤十、对整体式吊篮筒体结构进行液体渗透检验：
(1)在整个液体渗透检验过程中，被检验件和渗透剂的温度应保持在10℃～50℃之间，液体渗透剂停留时间至少应为20分钟，且在整个渗透时间内，渗透剂必须保持湿润状态；
(2)使用温度为10℃～45℃的去离子水去除多余的渗透剂，用干净海绵或吸水纸进行擦洗，也可用小于2bar的水冲洗，但要防止过清洗，采用自然干燥；
(3)在待检表面干燥后涂敷一层又细又均匀的显像剂；
(4)用裸眼在不小于500Lux光照下进行观察。必须在干燥后10～30分钟内评定完毕(包括清洗时间)。
步骤十一、液体渗透检验只记录大于2mm的缺陷显示，要求不允许出现以下三种缺陷：
(1)线性显示缺陷；
(2)最大尺寸大于4mm的圆形显示缺陷；
(3)3个或3个以上缺陷显示在一条直线上，并且显示边与边之间的距离小于3mm；
(4)面积为100cm2的矩形框范围内存在5个或5个以上显示，矩形框选择在显示最密集的区域且矩形框的最大边长不大于20cm。
步骤十二、对整体式吊篮筒体结构进行超声波检验：
(1)检测用探头的标称频率为1MHz～2.5MHz；
(2)直探头的晶片直径为Φ10mm～Φ40mm，斜探头的晶片面积在300mm2～625mm2；
(3)斜探头的折射角(K值)，一般为35℃～63℃(K0.7～K2)；
(4)对比试块的晶粒大小和声学特性应与被检件大致相近，两者衰减系数的差值不大于4Db/m；
(5)检测时耦合方式采用直接接触法，并根据实际情况进行耦合补偿、衰减补偿和曲面补偿。
步骤十三、超声波检验不允许出现以下两种缺陷：
(1)任何体积型显示，其缺陷反射波最大幅度Hd>参照试块圆孔上反射波幅值Hr/2，其长度等于或大于100mm；
(2)连续未熔合显示，其反射波高大于等于参考波高。
本发明的有益效果是：
1)取消了各类板材、锻件以及焊材的生产，缩短了采购周期。
2)取消了所有焊缝，包括吊篮筒体所有的全焊透连接焊缝和钴基合金耐磨堆焊技术，避免了结构的焊接变形，提高了成形质量。
3)采用了整体成形的吊篮筒体，结构连续性好，力学性能更好。
4)整体成形的吊篮筒体的结构材料性能均匀，尤其是结构厚度方向材料性能无差异。
5)制造周期大幅度缩短，制造工艺大大简化。
附图说明
图1是采用各零部件组装焊接成形的吊篮筒体结构图；
图2是采用电熔增材成形的整体式吊篮筒体图；
图1中：1—吊篮法兰；2—上部筒体；3—出口管嘴；4—下部筒体；5—堆芯下板；6—径向支承键；7—钴基合金耐磨堆焊。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明进行进一步的介绍：
现有反应堆堆内构件吊篮筒体结构设计中，基于各零部件采用组装后焊接的工艺，吊篮筒体分为吊篮法兰(1)、上部筒体(2)、出口管嘴(3)、下部筒体(4)、堆芯下板(5)、径向支承键(6)的结构，并在下部筒体(4)上堆焊一层钴基合金耐磨堆焊(7)，如附图1。上部筒体(2)和下部筒体(4)采用板材卷制成筒状结构，沿筒状结构的轴向进行全焊透焊接成形，在上部筒体(2)上安装并焊接出口管嘴(3)，再将吊篮法兰(1)、上部筒体(2)、下部筒体(4)和堆芯下板(5)进行环向全焊透焊接，在堆芯下板(5)上安装并焊接径向支承键(6)，并在下部筒体(4)内表面上进行环向的钴基合金耐磨堆焊(7)，经过以上工艺过程，制造出完整的吊篮筒体。
本发明是基于电熔增材制造技术，将吊篮筒体设计为整体式结构，即取消各类型材、焊材以及各结构之间的连接焊缝，将钴基合金耐磨堆焊(7)也采用电熔增材成形。基于电熔增材制造技术，将吊篮筒体逐层堆积成型，获得整体式吊篮筒体，如附图2。
本发明的技术方案是：
1)选择电熔增材制造原材料，选择化学成分和力学性能满足以下要求的Z2CN19-10(控氮)丝材和辅料，丝材直径在0.8mm～4mm之间；
表1 化学成分要求
表2 力学性能要求
2)根据所需制造的堆内构件吊篮筒体结构的图纸，并考虑材料检验相关的检验取样尺寸余量，确定增材制造程序编写；
3)清理增材用基板表面，并打磨抛光基板表面；
4)采用以电弧为热源，以送丝熔覆方法进行图1所示的堆芯下板(5)和径向支承键(6)的成形，逐层熔覆堆积，直到完成设计所需增材制造的尺寸，熔覆堆积时，电熔基体预热温度不低于15℃，道间温度不大于180℃；
5)堆芯下板(5)和径向支承键(6)打印成形后，采用同样方法完成下部筒体(4)、的成形，并在下部筒体(4)成型过程中，完成钴基合金耐磨堆焊(7)的成型，其中钴基合金耐磨堆焊(7)选择化学成分满足AWS A5.21堆焊用光焊条和填充丝标准中ERCoCr-A(6级)丝材和辅料；
6)下部筒体(4)和钴基合金耐磨堆焊(7)打印成形后，采用与步骤4)相同的方法完成上部筒体(2)、出口管嘴(3)和吊篮法兰(1)的成形；
7)对电熔增材成形的整体式吊篮筒体结构进行固溶热处理，热处理制度为：(1000～1100)℃×(1～4)h+水冷，固溶热处理次数不超过2次，固溶热处理后的晶粒度等级为4～7级；
8)电熔增材成形后，对整体式吊篮筒体结构进行机加工，直至达到图纸要求的最终尺寸和表面粗糙度要求；
9)加工完成后，对整体式吊篮筒体结构进行尺寸稳定化处理，尺寸稳定化处理的温度为(400～450)℃×(6～12)h；
10)对整体式吊篮筒体结构按以下要求进行液体渗透检验：
●在整个液体渗透检验过程中，被检验件和渗透剂的温度应保持在10℃～50℃之间，液体渗透剂停留时间至少应为20分钟，且在整个渗透时间内，渗透剂必须保持湿润状态；
●使用温度为10℃～45℃的去离子水去除多余的渗透剂，用干净海绵或吸水纸进行擦洗，也可用小于2bar的水冲洗，但要防止过清洗，采用自然干燥；
●在待检表面干燥后涂敷一层又细又均匀的显像剂；
●用裸眼在不小于500Lux光照下进行观察。必须在干燥后10～30分钟内评定完毕(包括清洗时间)。
11)对整体式吊篮筒体结构按以下要求进行超声波检验：
●检测用探头的标称频率为1MHz～2.5MHz；
●直探头的晶片直径为Φ10mm～Φ40mm，斜探头的晶片面积在300mm2～625mm2；
●斜探头的折射角(K值)，一般为35℃～63℃(K0.7～K2)；
●对比试块的晶粒大小和声学特性应与被检件大致相近，两者衰减系数的差值不大于4Db/m；
检测时耦合方式采用直接接触法，并根据实际情况进行耦合补偿、衰减补偿和曲面补偿。
Claims (1)
1.一种反应堆堆内构件整体式吊篮筒体结构成形方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、选择电熔增材制造原材料，选择满足要求的Z2CN19-10控氮丝材和辅料，丝材直径在0.8mm～4mm之间；
步骤二、根据所需制造的堆内构件吊篮筒体结构的图纸，并考虑材料检验相关的检验取样尺寸余量，确定增材制造程序编写；
步骤三、清理增材用基板表面，并打磨抛光基板表面；
步骤四、采用以电弧为热源，以送丝熔覆方法进行堆芯下板(5)和径向支承键(6)的成形，逐层熔覆堆积，直到完成设计所需增材制造的尺寸，熔覆堆积时，电熔基体预热温度不低于15℃，道间温度不大于180℃；
步骤五、堆芯下板(5)和径向支承键(6)打印成形后，采用同样方法完成下部筒体(4)的成形，并在下部筒体(4)成型过程中，完成钴基合金耐磨堆焊(7)的成型，其中钴基合金耐磨堆焊(7)选择6级ERCoCr-A丝材和辅料；
步骤六、下部筒体(4)和钴基合金耐磨堆焊(7)打印成形后，采用与步骤四相同的方法完成上部筒体(2)、出口管嘴(3)和吊篮法兰(1)的成形；
步骤七、对电熔增材成形的整体式吊篮筒体结构进行固溶热处理，热处理制度为：(1000～1100)℃×(1～4)h+水冷，固溶热处理次数不超过2次，固溶热处理后的晶粒度等级为4～7级；
步骤八、电熔增材成形后，对整体式吊篮筒体结构进行机加工，直至达到图纸要求的最终尺寸和表面粗糙度要求；
步骤九、加工完成后，对整体式吊篮筒体结构进行尺寸稳定化处理，尺寸稳定化处理的温度为(400～450)℃×(6～12)h；
步骤十、对整体式吊篮筒体结构进行液体渗透检验：
(1)在整个液体渗透检验过程中，被检验件和渗透剂的温度保持在10℃～50℃之间，液体渗透剂停留时间至少为20分钟，且在整个渗透时间内，渗透剂必须保持湿润状态；
(2)使用温度为10℃～45℃的去离子水去除多余的渗透剂，用干净海绵或吸水纸进行擦洗，或用小于2bar的水冲洗，但要防止过清洗，采用自然干燥；
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(2)最大尺寸大于4mm的圆形显示缺陷；
(3)3个或3个以上缺陷显示在一条直线上，并且显示边与边之间的距离小于3mm；
(4)面积为100cm2的矩形框范围内存在5个或5个以上显示，矩形框选择在显示最密集的区域且矩形框的最大边长不大于20cm；
步骤十二、对整体式吊篮筒体结构进行超声波检验：
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(2)连续未熔合显示，其反射波高大于等于参考波高。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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