首批國產AP1000汽輪機高壓轉子鍛件的質量監造與評價

冀潤景，汪培成

（中國電能成套設備有限公司，北京 100080）

首批國產AP1000汽輪機高壓轉子鍛件的質量監造與評價

冀潤景，汪培成

（中國電能成套設備有限公司，北京 100080）

針對首批國產AP1000汽輪機高壓轉子鍛件的制造過程，分析轉子鍛件形成過程的技術重點和30Cr2Ni4MoV材料的回火脆性、組織遺傳的特性，以及從質量監造角度分析了主要工藝環節及其質量，并與進口轉子鍛件的指標進行了對比，對國產鍛件的質量水平給出了結論。

轉子鍛件；30Cr2Ni4MoV；質量；監造

作為全球在建核電項目最多的國家，主要設備的國產化迫在眉睫。對常規島汽輪機設備來說，關鍵原材料和關鍵制造工藝的掌握，直接制約著國產化的程度，特別是AP1000整鍛轉子鍛件的制造，對冶煉、鑄錠、鍛造、熱處理以及探傷等工藝環節要求很高，國產化率一直不高。百萬核電高壓轉子鍛件材料、尺寸，與火電超臨界機組低壓轉子相當，因此依托本項目，高壓轉子鍛件在外方技術轉讓基礎上，率先進行了國產化。

為了確保鍛件質量形成過程可控，應嚴格按相關程序，對制造過程實施質量監造，對重點環節進行了跟蹤監督。本文在對鍛件制造過程各重要環節剖析基礎上，闡述了監造所做工作及其作用，并與同類進口鍛件在性能指標、質量狀況方面進行了比較評價，分析了制造過程中出現的問題，對首批AP1000鍛件國產化的評價工作提供重要的參考。

1 AP1000高壓轉子鍛件技術要求

AP1000核電汽輪機為半速機［1］，主汽壓力約5.4 MPa，溫度270℃，濕度0.45%，高壓轉子工

作環境處于濕蒸汽狀態下，因此對材料的低溫脆性斷裂，抗腐蝕等要求高。從圖1核電與超臨界火電汽輪機熱力過程線看出［2］，核電汽輪機高壓段AB的工作環境與超臨界汽輪機低壓段de接近，僅壓力要高一些，因此在選材上也是相同的。對材料的高韌性、低FATT50值、抗腐蝕、抗水蝕要求高。AP1000汽輪機高壓整鍛轉子材質30Cr2Ni4MoV，該材料綜合機械性能好，具有熱加工工藝性能好、淬透性好等優點［3］，但這種材料是一種粗晶粒鋼，組織遺傳性較強，易產生晶粒粗大和混晶現象。另外，該材料回火脆性敏感性高［4］，長期使用（280℃）會產生韌性惡化現象，直接引起FATT值的上升。

圖1 核電與火電汽輪機熱力過程線

轉子鍛件輪廓尺寸：軸身直徑為1 722 mm，軸身長度為4 530 mm，總長為8 511 mm，交貨重量約91 t，鍛件毛重約125 t，粗加工重約101 t，鋼錠重219 t。該鍛件的技術要求如下。

a.對冶煉純凈性要求高。由于鋼中殘余元素含量的影響會造成30Cr2Ni4MoV轉子鋼韌性發生一定惡化，因此需對殘余元素純凈化控制使鋼中的有害元素含量充分降低，降低回火脆性的敏感性，使材料的機械性能和組織狀態分配合理，表1為雜質元素含量技術要求。

表1 雜質元素含量技術要求%

b.大型鋼錠不可避免地存在偏析及夾雜的冶煉缺陷，其影響因素多。

c.大型鋼錠中心疏松和縮孔嚴重，需保證鍛造壓實，得到均勻的鍛造組織和晶粒度。

d.需合理確定熱處理工藝，既保證心部晶粒細化，又保證心部力學性能，特別是良好的抗脆化性能，同時還要防止鍛件尺寸過大在淬火時出現開裂。

2 基于鍛件制造流程的質量監造工作

2.1 高壓轉子鍛件制造主要流程

鍛件主要制造流程：冶煉、澆注（化學成分分析）→鍛造→鍛后熱處理（毛坯尺寸檢查、毛坯探傷）→粗加工（尺寸檢查、超聲波探傷）→性能熱處理（硬度均勻性檢測）→機械加工（超聲波探傷、檢驗機械性能、化學及金相檢測）→半精加工（尺寸檢查）→消除應力（殘余應力檢測）→精加工（尺寸檢查、MT、PT）→熱穩定試驗（硬度均勻性檢測）→包裝發運。

2.2 質量監造工作

由于本項目首次采用國產化的AP1000汽輪機高壓轉子，設備總承包方對2臺機組高壓轉子鍛件的制造過程實施基于鍛件制造流程的駐點監造，監造工作通過3個層面開展，即例行監造、質量對比以及專家質量評審。采用3個層面的監造，目的是起到“縱深防御”，多道把關，確保產品質量受控。

2.2.1 例行監造

按監造工作相關程序開展監造，包括：對鍛件廠家編制的質量計劃審查、設置監督點；冶煉開始前進行先決條件檢查，確認制造大綱類文件的準備、工藝文件準備、工器具等的準備情況；執行監督點的見證，簽署質量計劃。監督點的選擇和設置基于各環節的重要性和技術難度，分為R點（文件見證）、W點（現場見證）、H點（停工待檢點見證），具體來說，對先決條件審查、完工文件審查等設置H點，對調質前、后的UT、取試樣及進行拉伸、沖擊、脆化、脫脆化試驗、最終加工后的尺寸檢查、表面探傷、硬度檢查、標識和鋼印等選擇W點控制。對熔煉化學分析、鍛造及鍛件尺寸檢查、調質、成品化學分析、顯微組織分析、晶粒度試驗、非金屬夾雜物、殘余應力檢查、去應力熱處理、熱穩定試驗等選擇R點控制。

2.2.2 質量對比

通過與前期進口AP1000高壓轉子鍛件的相關參數、性能指標進行比較，以及通過對進口轉子在可及部位實施UT探傷，與國產轉子的探傷情況進行比較分析。此環節的目的在于對鍛件國產化的質量情況進行橫向比較，便于綜合評價。

2.2.3 專家質量評審

在決定高壓轉子鍛件制造質量相關階段完成后，邀請行業內相關專家，組織質量方面的評審，并給出相關意見。

3 主要工藝環節控制

3.1 冶煉及純凈度控制

研究證實，30Cr2Ni4MoV材料長時間加熱下回火脆性的產生有2個原因：滲碳體在低溫回火時以薄片狀在原奧氏體晶界析出造成晶界脆化；與鋼中殘余元素含量有關［4］，P、S、As、Sn等元素含量P、S、As、Sn（%）在晶界偏聚析出導致韌性下降，而Si、Mn元素含量Si、Mn（%）會助長這種偏聚。Watanabe和Murak提出了代表雜質元素含量和回火脆性的J因子關系：

Yashioka等通過研究發現，為避免回火脆性，J應小于10。因此在冶煉時，對雜質元素的純凈化控制要求較高。

低硫鋼生產方法有“堿性電爐＋真空除氣”和“堿性電爐＋真空碳脫氧”2種，本項目2臺機組的2個高壓轉子鍛件采用堿性電爐粗煉，適當的造渣制度和鋼包精煉并真空碳脫氧（LVCD＋VCD）技術。而前期進口轉子鍛件則采用真空除氣法。

一般認為，真空除氣的工藝措施為硅錳除氧，會導致硅含量增多助長回火脆性，因此VCD法更適合這種鋼材［7］。VCD法使未經脫氧的沸騰鋼水在真空條件下，利用鋼水中的碳脫氧，生成CO被抽吸去，以達到脫氧目的。真空度越高，脫氧能力越強。主要優點有：S、P及氣體含量低；由于雜質元素含量低，轉子各向異性相差小，中心棒料切向塑性相對好。

3.2 鍛造、熱處理

大鍛件的鍛造有2個作用：成型和控性。成型即達到最終鍛件所需的尺寸、形狀精度，控性則是鍛合內部疏松、縮孔，消除夾雜等缺陷。鍛造的2個基本工序是鐓粗和拔長，其中拔長對大鍛件質量影響更主要［8］，通過拔長使鋼錠截面縮小，長度加大，并打碎碳化物，破壞鑄態組織，鍛合疏松和縮孔，得到均質致密的鍛件。通常VCD法生產的轉子鍛件采用萬噸水壓機上硬殼鍛或上下V型砧鍛。

3、4號高壓轉子鍛件采用兩次鐓粗拔長的工藝，在最后火次的終鍛加以溫度和形變控制，最大限度滿足中心壓實。鍛件毛重125 t，鋼錠利用率達到57%。對比地說，1、2號轉子廠家JCFC的鍛造工藝僅一次鐓粗和拔長，終鍛時高鍛造比達到4.1，鍛件毛重115 t，鋼錠利用率63%。結合后續的UT、晶粒度、夾雜物檢查情況看，國產鍛件的鍛造工藝較為可靠，但在鋼錠利用率、終鍛后尺寸的精度方面，還有提高空間。

熱處理包括鍛后熱處理、調質以及去應力處理。鍛后熱處理的主要作用是均勻組織、降低偏析、細化晶粒、消除組織遺傳、混晶。

30Cr2Ni4MoV鍛件組織遺傳的機理是：在AC1～AC3兩相區等溫加熱，形成2種奧氏體晶核，即在低溫側（690～750℃）占優勢、與母材存在位向關系的針狀晶粒，以及在高溫側（750～790℃）占優勢、與母材無位向關系的球狀晶粒。針狀晶粒的不斷發展、合并成為大的晶粒，與原奧氏體晶粒大小、形狀及位向一致，即組織遺傳。因此要解決組織遺傳，需在熱處理時在高溫側長期加熱，促進球狀奧氏體晶粒的發展。研究表明，多次高溫正火可消除組織遺傳，細化晶粒，但對混晶的改善效果不好［9］，且造成大的能耗、污染。因此一般采用“正火＋回火”的鍛后熱處理方式。3、4號高壓轉子鍛件的鍛后熱處理采用工藝為“兩次高溫正火（850～920℃，不低于20 h）＋一次回火（630～670℃，不低于40 h）”。

調質為“淬火＋回火”，均在垂直狀態下進行，靜止狀態加熱保溫（800～880℃，不低于40 h），旋轉狀態下噴水冷卻。回火溫度560～640℃，保溫不低于50 h。

4 主要質量指標的評價

4.1 化學成分和殘余元素控制

從2根轉子鍛件生產中熔煉分析和成品分析情況看，主要元素含量均嚴格控制在技術要求范圍內，甚至符合鍛件廠家更為嚴格的內控要求。其中成品鍛件影響回火脆性和韌性惡化S元素含量約0.002，P元素含量小于0.005%，As元素含量分別為0.004%、0.002%，Sn元素含量分別為0.003%、0.002%，Sb元素含量不大于0.000 7%，Si元素含量Si小于0.05%，Mn元素含量分別為0.28%、0.29%。

通過數據看出，國產的3、4號機組高壓轉子鍛件與日本JCFC進口的1、2號機組轉子在純凈度的控制上達到同一水平，其中適當的Mn含量有利于鍛件的淬透性。另外，從進口轉子Si含量（0.03%、0.04%）看出，真空除氣法生產的轉子也可以采取手段控制Si含量。

4.2 常規機械性能指標

技術規范要求在軸身處調端端面、中部、電端端面三處取徑向試樣，鍛件兩端面取軸向試樣。而1、2號進口轉子鍛件廠家技術要求僅取徑向試樣。強度和塑性指標值分布見圖2、圖3。

圖2 抗拉強度指標情況

圖3 屈服強度指標情況

可以看出，國產轉子鍛件的強度指標滿足技術要求，略高于進口轉子鍛件的水平且波動小。其塑性指標延伸率和斷面收縮率也滿足技術要求，與進口轉子水平相當，且波動小。

室溫沖擊功和FATT50指標分布見圖4、圖5。可以看出，國產轉子的韌性指標明顯滿足技術要求，與進口轉子相比，室溫沖擊功略低，但FATT50略優于進口轉子，且波動小。

圖4 室溫沖擊韌性情況

圖5 表面FATT50情況

4.3 首批國產化產品檢查項目

4.3.1 脆化和脫脆化試驗

為評定回火脆性，對首批國產AP1000高壓轉子X2位置取一組樣進行步冷脆化試驗和脫脆化試驗，工藝曲線見圖6、圖7。

對分別經過脆化和脫脆化的試樣進行室溫拉伸試驗和FATT50試驗，并記錄上平臺能量和下平臺能量。

通過表2試驗數據看出，材料經脆化處理后FATT50雖稍有上升，但變化不大，脫脆化后又略有下降，有較大裕度。

圖6 脆化熱處理工藝曲線

圖7 脫脆化熱處理工藝曲線

4.3.2 金相組織、晶粒度和夾雜物檢查

對首批國產轉子，要求在X2位置取樣進行金相組織、晶粒度和夾雜物檢查，要求平均晶粒度應不低于4.0級，鍛件的A、B、C、D、DS五種夾雜物均不應超過4.5級。

經檢查鍛件金相組織為回火索氏體，晶粒度等級分別達到6.5和5.5級，硫化物、氧化鋁、硅酸鹽、球狀氧化物等非金屬夾雜物最大1級。

表2 拉伸和FATT50試驗數據

4.4 UT探傷情況

根據技術要求，在調質前后分別用直探頭進行鍛件全表面的UT探傷，調質后用斜探頭對軸身外緣向下100 mm深度的葉根槽加工范圍進行UT探傷，對當量直徑D1.6 mm及以上進行記錄并由設計方評價。2根轉子在調質前UT均為發現缺陷顯示，調質后直探頭分別缺陷顯示47個和23個，斜探頭分別發現缺陷顯示5個和7個，所有缺陷顯示均小于D1.6 mm，最大的缺陷顯示當量直徑不到D1.2 mm。缺陷分布在深度28～285 mm范圍內。

為了對UT情況進行綜合評價，對已發往安裝現場的1號機組進口轉子可探部位進行探傷并與國產轉子的探傷情況比較分析。由于進口已是完工裝好葉片狀態，因此可探部位僅限于軸頸部位和葉根槽之間部位。經過探傷比較看出，國產轉子的衰減略優于進口轉子，但進口轉子可探部位未見缺陷顯示；二者的中心部位極限靈敏度相當，達到D1 mm，使用2.25 MHz直探頭時，均產生幻象波（晶粒較細）。

4.5 調質后UT缺陷產生原因及處理

盡管調質后UT發現的缺陷按標準要求都不需要記錄，考慮到轉子鍛件首次國產化，受關注度高，監造方還是協調廠家對缺陷產生進行了原因分析。

4.5.1 原因分析

UT探傷的缺陷最小檢出尺寸為1／2波長，若缺陷尺寸小于1／2波長，超聲波會發生繞射，使回波減弱。因此缺陷的最小檢出尺寸按下式（2）計算：

Dl＝0.5λ＝C／2v

式中：Dl為缺陷最小檢出尺寸，λ、C、v分別為超聲波波長、波速、頻率。

調質前，由于晶粒相對粗大，因雜波多不能使用4 MHz高頻探頭，因此選擇2.25 MHz探頭，缺陷最小檢出尺寸D1.3 mm；調質后由于幻想波的影響，不能使用低頻探頭，選用4 MHz高頻探頭，缺陷最小檢出尺寸D0.7 mm。因此，調質前后UT探傷的差異在于晶粒細化后采用不同頻率探頭而被檢出，缺陷產生在調質前的環節中［10］。

4.5.2 問題處理

為確保設備安全，監造方協調主機廠家設計部門對缺陷情況進行評估，通過斷裂力學、疲勞分析，轉子的低周疲勞壽命在9 000次以上，仍滿足設計要求。

5 結論

a.針對30Cr2Ni4MoV材料易產生回火脆性、組織遺傳和混晶的問題，首批AP1000高壓轉子國產鍛件的制造選用了先進、適用的冶煉、鑄錠、鍛造和熱處理工藝，通過對雜質元素、晶粒度和夾雜物等的分析，證明工藝是有效的。

b.國產AP1000汽輪機高壓轉子鍛件的化學成分、機械性能、沖擊韌性、探傷情況等方面均滿足技術要求，且有較大裕度。

c.除調質后UT發現了較多當量直徑較小的缺陷外，國產轉子的整體質量與進口轉子在同一水平。

d.通過例行監督、質量對比和組織專家評審三個層次的質量監造工作，可認為監造工作在鍛件質量形成過程中有重要作用。

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Quality Surveillance and Evaluation of First Lot Localized Turbine HP Rotor Forging for AP1000

JI Run?jing，WANG Pei?cheng
（China Power Complete Equipment Co.，Ltd.，Beijing 100080，China）

Regarding manufacturing process of first lot localized turbine HP rotor for AP1000，the technical focuses to forging，temper embritlement and structural herdity of 30Cr2Ni4Mov are analyzed.Main process and its quality are analyzed through surveillance as?pects，comparison work on technical values between localized forging and imported forging is done and conclusion of the quality level for localized forging is proposed.

Rotor forging；30Cr2Ni4MoV；Quality；Surveillance

TM311；TK266

A

1004－7913（2015）04－0037－05

冀潤景（1981—），男，碩士，工程師，主要從事核電設備監造技術及管理方面的研究工作。

2015－02－15）