CN110026671B - 球面封头及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种球面封头及其制造方法，制造方法包括以下步骤：S1、采用爆炸焊复合的奥氏体不锈钢‑低合金高强钢复合板作为第一板材，将第一板材以热冲压成型方式制成球瓣件；S2、采用爆炸焊复合的奥氏体不锈钢‑低合金高强钢复合板作为第二板材，将第二板材以冷弯成型方式制成曲面件；S3、将多个曲面件配合在球瓣件的外周并依次相接，焊接形成一体，制得球面封头。本发明的球面封头的制造方法，采用奥氏体不锈钢‑低合金高强钢复合板作为板材，根据球面封头中球瓣件和曲面件不同的弯曲度分别以热冲压成型和冷弯成型方式制得，提高生产效率且克服了常规冲压成型导致复合板发生层间剥离等问题，提高核反应堆抑压池结构的可靠性和安全性。

Description

球面封头及其制造方法
技术领域
本发明涉及核电技术领域，尤其涉及一种可用于抑压池的球面封头及其制造方法。
背景技术
304L不锈钢(典型的超低碳奥氏体不锈钢)是一种通用性的标准型号的超低碳奥氏体不锈钢，广泛地用于制作要求具备耐腐蚀和良好成型性等综合性能的设备和机件中。晶体结构是面心立方晶体结构，大约小于等于0.030％含量的碳使得304L奥氏体不锈钢适用于焊接的场合。较低的碳含量使得在靠近焊缝的热影响区中所析出的碳化物减少到最小，而碳化物的析出可能导致不锈钢在某些环境中产生晶间腐蚀(焊接侵蚀)。
10CrNi3MoV低合金高强钢为调质热处理钢，经过淬火+回火热处理获得高强和优良韧塑机械性能。同时，10CrNi3MoV低合金高强钢属于低碳可焊接的低合金结构钢，适用于耐压壳体结构，适用于如下场合：耐压壳或核反应堆抑压池结构、舰船钢结构、海水系统、海水换热中的板式设备等市场领域对优良结构复合材料需求旺盛。但由于受材料和价格的限制，应用还是较少。
在海洋平台中，紧凑布置小型核反应堆抑压池结构位于核反应堆外，设计基准事故条件下，短期抑制核反应堆舱内瞬态压力峰值，防止核反应堆舱瞬时超压，保持核反应堆舱内压力在设计值以下并维持在可接受范围。过去常规核电设施中，抑压池构件原材料均选择了碳钢板+防腐涂层的方法进行构件腐蚀防护。采用此种方法不利的是，由于防腐涂层的使用寿命较短，需要不定期的检查和维护来保证涂层的完整性和耐蚀性，这对于长期安置应用在海洋平台的小型核反应堆有诸多不利。
采用奥氏体不锈钢/10CrNi3MoV复合板来作为抑压池构件材料，可以解决碳钢板+防腐涂层带来的问题。然而，现有的奥氏体不锈钢/10CrNi3MoV复合板通常采用在10CrNi3MoV作为基层的基础上进行堆焊不锈钢的结构，这样做往往对大批量产品造成堆焊成本较高、工作量较大、焊接难度高等问题。若采用爆炸复合焊接结构，由于奥氏体不锈钢和10CrNi3MoV低合金高强钢两者间的热膨胀系数差别比较大，在冲压成型过程中容易发生基层与复合层剥离。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种高强度、耐蚀、耐核辐照的球面封头的制造方法以及制得的球面封头。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种球面封头的制造方法，包括以下步骤：
S1、采用爆炸焊复合的奥氏体不锈钢-低合金高强钢复合板作为第一板材，将所述第一板材以热冲压成型方式制成球瓣件；
S2、采用爆炸焊复合的奥氏体不锈钢-低合金高强钢复合板作为第二板材，将所述第二板材以冷弯成型方式制成曲面件；
S3、将多个所述曲面件配合在所述球瓣件的外周并依次相接，焊接形成一体，制得球面封头。
优选地，步骤S1包括：
S1.1、将所述第一板材以≤150℃/h的速率均匀加热至910℃-940℃，保温1-2h；
S1.2、将所述第一板材匀速升温至所述第一板材的上下表面温度均达到930℃-950℃，保温10-30min；
S1.3、将所述第一板材送至压机处，通过压机将其压制为球面件；
S1.4、调质处理；
S1.5、将经过调质处理的球面件进行切割处理，形成球瓣件；
S1.5、在球瓣件上进行坡口加工。
优选地，所述调质处理中，淬火温度为890℃±10℃，回火温度为660℃±10℃。
优选地，步骤S2包括：
S2.1、根据曲面件的弯曲部位在所述第二板材做标记线；
S2.2、将所述第二板材放置在模具上，根据标记线对其进行弯曲压制，制得曲面件；
S2.3、在制得的曲面件上进行坡口加工。
优选地，步骤S3包括：
S3.1、所述曲面件与所述球瓣件之间、相邻配合的两个所述曲面件之间均以坡口相接，相接的坡口形成X形坡口；在X形坡口内两侧，奥氏体不锈钢层与奥氏体不锈钢层正对，低合金高强钢层与低合金高强钢层正对；
S3.2、采用第一低合金钢焊条在所述X形坡口内最窄处施焊，形成打底层；
S3.3、采用第二低合金钢焊条在所述打底层的相对两侧轮流施焊，填充所述X形坡口至靠近奥氏体不锈钢层，形成第一连接焊层将正对的低合金高强钢层焊接；
S3.3、采用第一奥氏体不锈钢焊条在所述第一连接焊层上施焊，形成过渡焊层，覆盖所述X形坡口内每一侧的奥氏体不锈钢层与低合金高强钢层的连接界面；
S3.4、采用第二奥氏体不锈钢焊条在所述过渡焊层上施焊，形成第二连接焊层将正对的奥氏体不锈钢层焊接。
优选地，所述第一低合金钢焊条直径小于所述第二低合金钢焊条的直径。
所述第一奥氏体不锈钢焊条为E309L奥氏体不锈钢焊条，所述第二奥氏体不锈钢焊条E308L奥氏体不锈钢焊条。
优选地，步骤S3还包括：
S3.5、对凸出X形坡口相对两侧的第一连接焊层和第二连接焊层进行磨平处理。
优选地，步骤S1、S2所述奥氏体不锈钢-低合金高强钢复合板中，奥氏体不锈钢层为304L奥氏体不锈钢，低合金高强钢层为10CrNi3MoV低合金高强钢。
优选地，步骤S1、S2所述奥氏体不锈钢-低合金高强钢复合板中，奥氏体不锈钢层厚度为3-6mm，低合金高强钢层厚度10-35mm。
优选地，所述球瓣件中，奥氏体不锈钢层位于内凹的一面；所述曲面件中，奥氏体不锈钢层位于内凹的一面。
本发明还提供一种球面封头，采用上述的制造方法制得。
本发明还提供一种球面封头，包括球瓣件、以及多个围接在所述球瓣件外周并相接的曲面件；所述球瓣件和曲面件均采用爆炸焊复合的奥氏体不锈钢-低合金高强钢复合板制成。
本发明的球面封头的制造方法，采用爆炸焊复合的奥氏体不锈钢-低合金高强钢复合板作为板材，根据球面封头中球瓣件和曲面件不同的弯曲度分别以热冲压成型和冷弯成型方式制得，提高生产效率且克服了常规冲压成型导致复合板发生层间剥离和钢材破裂裂纹产生等问题，成型的球瓣件和曲面件再通过拼接焊接为一体，制得的球面封头具有奥氏体不锈钢和低合金高强钢的优点，焊缝少，提高整体的耐腐蚀性能，适用于抑压池等诸多场合中，提高了核反应堆抑压池结构的可靠性和安全性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明一实施例的球面封头的制造过程结构示意图；
图2是本发明一实施例的球面封头的制造过程中热冲压成型的流程曲线图；
图3是本发明一实施例的球面封头的制造过程中焊接示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明一实施例的球面封头的制造方法，可包括以下步骤：
S1、采用爆炸焊复合的奥氏体不锈钢-低合金高强钢复合板作为第一板材，将第一板材以热冲压成型方式制成球瓣件1。
奥氏体不锈钢-低合金高强钢复合板中，奥氏体不锈钢层为304L奥氏体不锈钢，低合金高强钢层为10CrNi3MoV低合金高强钢。304L奥氏体不锈钢具备良好耐除盐水、海水的腐蚀性能，10CrNi3MoV低合金高强钢具备高强度及优良韧塑性能，所形成的复合板综合了两种金属材料的各自优点。
奥氏体不锈钢-低合金高强钢复合板中，奥氏体不锈钢层厚度为3-6mm，低合金高强钢层厚度10-35mm。
球瓣件1的弯曲弧度接近或为球面。在该球瓣件1中，奥氏体不锈钢层位于内凹的一面，作为内侧层，低合金高强钢层相对位于外侧层。
具体地，结合图1、2，该步骤S1可包括：
S1.1、将第一板材以≤150℃/h的速率均匀加热至910℃-940℃，保温1-2h。作为选择，可将第一板材加热至930℃，保温1.5h。
S1.2、将第一板材匀速升温至第一板材的上下表面温度均达到930℃-950℃，保温10-30min。
匀速升温的速率可为150℃/h-250℃/h。保温时间可根据实际情况选择，如20min。
S1.3、将第一板材送至压机处，通过压机将其压制为球面件。
球面件的终压温度不低于580℃。
S1.4、对球面件进行调质处理。调质处理包括淬火和回火。
其中，淬火温度为890℃±10℃。球面件在进炉淬火时，炉内温度不高于淬火温度。球面件进炉后，先保温20min后再缓慢升温至淬火温度，并且淬火温度保温1.5h后出炉水淬。球面件自炉中取出到淬火过程中应控制在5min内完成。淬火过程应保证水温应不超过50℃。球面件在水中冷却到表面温度≤150℃后取出，直至冷却到室温，再进行回火。
回火温度为660℃±10℃。球面件进炉时，炉内温度不高于回火温度。进炉后，炉内温度达到回火温度后，保温3h后出炉，在空气中冷却至室温。
S1.5、将经过调质处理的球面件进行切割处理，形成球瓣件1。
切割时，为避免产生复合板界面分离缺陷，采用热切割处理，并在热切割处理后清除表面的氧化层和过热层。
经过对球面件切割处理，形成的球瓣件1如图1所示，包括有三个侧边，分别可与三个曲面件2配合连接。可以理解地，球瓣件1也不限于图1所示的三个侧边，根据实际需要侧边可以增减。
S1.5、在球瓣件1上进行坡口加工。
坡口主要加工在球瓣件1的侧边，以用于与曲面件2配合后进行焊接。
S2、采用爆炸焊复合的奥氏体不锈钢-低合金高强钢复合板作为第二板材，将第二板材以冷弯成型方式制成曲面件2。
第二板材与第一板材为相同的复合的奥氏体不锈钢-低合金高强钢复合板，其中的奥氏体不锈钢层为304L奥氏体不锈钢，低合金高强钢层为10CrNi3MoV低合金高强钢。奥氏体不锈钢层厚度为3-6mm，低合金高强钢层厚度10-35mm。
曲面件2中，奥氏体不锈钢层位于内凹的一面作为内侧层，低合金高强钢层相对位于外侧层。曲面件2以一端对应球瓣件1的弯曲弧度设置，不需整体进行弯曲，因此可采用冷弯成型方式制得。
具体地，该步骤S2可包括：
S2.1、根据曲面件2的弯曲部位在第二板材做标记线。
S2.2、将第二板材放置在模具上，根据标记线对其进行弯曲压制，制得曲面件2。
S2.3、在制得的曲面件2上进行坡口加工。
坡口主要加工在曲面件2的侧边，以用于与球瓣件1、曲面件2之间配合后进行焊接。
如图1所示，本实施例中，曲面件2为长方形结构，具有相接的两端，第一端经过完全压制与球瓣件1的侧边弧度一致，第二端可与另一曲面件2配合连接。
S3、将多个曲面件2配合在球瓣件1的外周并依次相接，焊接形成一体，制得球面封头。
如图1中所示，本实施例中，球瓣件1具有三个侧边，将三个曲面件2以第一端分别拼接在球瓣件1的三个侧边，每一曲面件2的第二端相对球瓣件1延伸在外可与相邻的另一曲面件2的第一端侧边拼接，三个曲面件2在球瓣件1的外周以头尾相接的方式拼接。
结合图1、3，步骤S3具体可包括如下步骤：
S3.1、曲面件2与球瓣件1之间、相邻配合的两个曲面件2之间均以坡口相接，相接的坡口形成X形坡口300。
在X形坡口300内两侧，奥氏体不锈钢层100与奥氏体不锈钢层100正对，低合金高强钢层200与低合金高强钢层200正对。
即：在曲面件2与球瓣件1配合拼接后，两者的坡口相接形成X形坡口300，曲面件2的奥氏体不锈钢层100与球瓣件1的奥氏体不锈钢层100相对，曲面件2的低合金高强钢层200与球瓣件1的低合金高强钢层200相对。在两个曲面件2配合拼接后，两者的坡口也相接形成X形坡口300，两个曲面件2的奥氏体不锈钢层100相对，两个曲面件2的低合金高强钢层200相对。
S3.2、采用第一低合金钢焊条在X形坡口300内最窄处施焊，形成打底层(如图3中标号1、2所在层)。
根据X形坡口300内最窄处的宽度，选择对应较小直径的焊条施焊。
焊接打底层时，采用较低的焊接电流(如90-120A)，月牙形运弧。
S3.3、采用第二低合金钢焊条在打底层的相对两侧(如图3中所示上下两侧)轮流施焊，填充X形坡口300至靠近奥氏体不锈钢层100，形成第一连接焊层(如图3中标号3-12所在层)将正对的低合金高强钢层200焊接。
以两侧轮流施焊的方式，可以利用后一侧的焊接变形抵消前一侧的焊接变形。施焊填充X形坡口300一侧至靠近奥氏体不锈钢层100，预留出合适的间隔尺寸；施焊填充X形坡口300另一侧至低合金高强钢层200背向奥氏体不锈钢层100的表面，并使填充第一连接焊层适当凸出低合金高强钢层200背向奥氏体不锈钢层100的表面。
上述施焊每形成一层后，均进行PT(渗透无损检测)。
由于第一焊接层的施焊所在X形坡口处宽度较大，用于焊接第一焊接层的第二低合金钢焊条的直径可大于第一低合金钢焊条的直径。例如，第一低合金钢焊条的直径为3.2mm，第二低合金钢焊条的直径为4mm。
另外，对应曲面件2与球瓣件1均由奥氏体不锈钢-低合金高强钢复合板，第一低合金钢焊条和第二低合金钢焊条均采用与复合板中低合金高强钢层相同材料的焊条，例如10CrNi3MoV。
S3.3、采用第一奥氏体不锈钢焊条在第一连接焊层上施焊，形成过渡焊层(如图3中标号9、10所在层)，覆盖X形坡口300内相对两侧(如图3中左右两侧)中每一侧的奥氏体不锈钢层100与低合金高强钢层200的连接界面。
S3.4、采用第二奥氏体不锈钢焊条在过渡焊层上施焊，形成第二连接焊层(如图3中标号13、14所在层)将正对的奥氏体不锈钢层100焊接。
本实施例中，第一奥氏体不锈钢焊条为E309L奥氏体不锈钢焊条，第二奥氏体不锈钢焊条E308L奥氏体不锈钢焊条。
通过上述焊接将X形坡口300填充，形成位于球瓣件1与曲面件2之间、曲面件2之间的焊缝3。
进一步地，步骤S3还可包括：
S3.5、对凸出X形坡口300相对两侧的第一连接焊层和第二连接焊层进行磨平处理，使得第一连接焊层和第二连接焊层分别与对应的低合金高强钢层200、奥氏体不锈钢层100表面平齐。
另外，根据成型件的要求，还对球瓣件1和曲面件2的表面进行喷砂去氧化皮等表面处理，以及表面质量检测、超声波检测等。
通过上述步骤S3，完成曲面件2与球瓣件1之间、曲面件2之间的焊接，形成整体的球面封头，可用于抑压池，安装形成抑压池内壁角等。
参考图1，本发明采用上述的制造方法制得的球面封头，可包括球瓣件1、以及多个围接在球瓣件1外周并相接的曲面件2。球瓣件1和曲面件2均采用爆炸焊复合的奥氏体不锈钢-低合金高强钢复合板制成。
在图1所示实施例中，曲面件2包括三个，分别以第一端围接在球瓣件1的侧边，每一曲面件2的第二端与相邻的另一曲面件2的第一端侧边相接。
作为选择，球瓣件1的规格为
Figure BDA0002022861350000101
曲面件2规格为1150×550×(4+32)mm，曲面件2弯曲半径和球瓣件1半径均为R内径＝500mm，球瓣件1直边段长500mm。
按GB/T 8165《不锈钢复合钢板和钢带》标准及ASME SA-264《铬-镍不锈钢复合钢板》标准对球面封头的结合率和剪切强度进行检测，经超声波检测结合率达到100％，最小剪切强度≥360Mpa，屈服强度≥590Mpa，抗拉强度≥660Mpa，延伸率≥20％，-20℃冲击功≥260J，而且最小剪切强度与冲击功高于标准要求，具有高强和优良韧塑性，并且耐腐蚀性优良，可在诸多领域使用。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种球面封头的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用爆炸焊复合的奥氏体不锈钢-低合金高强钢复合板作为第一板材，将所述第一板材以热冲压成型方式制成球瓣件；
S2、采用爆炸焊复合的奥氏体不锈钢-低合金高强钢复合板作为第二板材，将所述第二板材以冷弯成型方式制成曲面件；
步骤S1、S2所述奥氏体不锈钢-低合金高强钢复合板中，奥氏体不锈钢层为304L奥氏体不锈钢，低合金高强钢层为10CrNi3MoV低合金高强钢；
S3、将多个所述曲面件配合在所述球瓣件的外周并依次相接，焊接形成一体，制得球面封头；
其中，所述曲面件为长方形结构，具有相接的两端；每一所述曲面件的第一端与所述球瓣件的侧边弧段一致，并且以第一端拼接在所述球瓣件的侧边，每一所述曲面件的第二端相对所述球瓣件延伸在外并与相邻的另一所述曲面件的第一端的侧边拼接。
2.根据权利要求1所述的球面封头的制造方法，其特征在于，步骤S1包括：
S1.1、将所述第一板材以≤150℃/h的速率均匀加热至910℃-940℃，保温1-2h；
S1.2、将所述第一板材匀速升温至所述第一板材的上下表面温度均达到930℃-950℃，保温10-30min；
S1.3、将所述第一板材送至压机处，通过压机将其压制为球面件；
S1.4、调质处理；
S1.5、将经过调质处理的球面件进行切割处理，形成球瓣件；
S1.6、在球瓣件上进行坡口加工。
3.根据权利要求2所述的球面封头的制造方法，其特征在于，所述调质处理中，淬火温度为890℃±10℃，回火温度为660℃±10℃。
4.根据权利要求1所述的球面封头的制造方法，其特征在于，步骤S2包括：
S2.1、根据曲面件的弯曲部位在所述第二板材做标记线；
S2.2、将所述第二板材放置在模具上，根据标记线对其进行弯曲压制，制得曲面件；
S2.3、在制得的曲面件上进行坡口加工。
5.根据权利要求1所述的球面封头的制造方法，其特征在于，步骤S3包括：
S3.1、所述曲面件与所述球瓣件之间、相邻配合的两个所述曲面件之间均以坡口相接，相接的坡口形成X形坡口；在 X形坡口内两侧，奥氏体不锈钢层与奥氏体不锈钢层正对，低合金高强钢层与低合金高强钢层正对；
S3.2、采用第一低合金钢焊条在所述X形坡口内最窄处施焊，形成打底层；
S3.3、采用第二低合金钢焊条在所述打底层的相对两侧轮流施焊，填充所述X形坡口至靠近奥氏体不锈钢层，形成第一连接焊层将正对的低合金高强钢层焊接；
S3.3、采用第一奥氏体不锈钢焊条在所述第一连接焊层上施焊，形成过渡焊层，覆盖所述X形坡口内每一侧的奥氏体不锈钢层与低合金高强钢层的连接界面；
S3.4、采用第二奥氏体不锈钢焊条在所述过渡焊层上施焊，形成第二连接焊层将正对的奥氏体不锈钢层焊接。
6.根据权利要求5所述的球面封头的制造方法，其特征在于，所述第一低合金钢焊条直径小于所述第二低合金钢焊条的直径；
所述第一奥氏体不锈钢焊条为E309L奥氏体不锈钢焊条，所述第二奥氏体不锈钢焊条为E308L奥氏体不锈钢焊条。
7.根据权利要求5所述的球面封头的制造方法，其特征在于，步骤S3还包括：
S3.5、对凸出X形坡口相对两侧的第一连接焊层和第二连接焊层进行磨平处理。
8.根据权利要求1-7任一项所述的球面封头的制造方法，其特征在于，步骤S1、S2所述奥氏体不锈钢-低合金高强钢复合板中，奥氏体不锈钢层厚度为3-6mm，低合金高强钢层厚度10-35mm。
9.根据权利要求1-7任一项所述的球面封头的制造方法，其特征在于，所述球瓣件中，奥氏体不锈钢层位于内凹的一面；所述曲面件中，奥氏体不锈钢层位于内凹的一面。
10.一种球面封头，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的制造方法制得。
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