AP1000核電常規(guī)島焊接低壓轉子軸頭的研制

□呂政上海重型機器廠有限公司 上海 200245

AP1000核電常規(guī)島焊接低壓轉子軸頭的研制

□呂政
上海重型機器廠有限公司 上海 200245

為攻克核電常規(guī)島大鍛件制造技術難題，通過對AP1000核電常規(guī)島焊接低壓轉子的典型部件——電機端軸頭進行分析，研究制定了該產品的冶煉、鍛造和熱處理工藝方案，并立項開展了1：1產品試驗件的生產。在試制過程中，克服了制造難點，最終生產出符合規(guī)范要求的試驗件產品。

美國西屋公司AP1000技術是一種先進的“非能動型壓水堆核電技術”，用鈾制成的核燃料在反應堆的設備內發(fā)生裂變而產生大量熱能，再用處于高壓下的水把熱能帶出，在蒸汽發(fā)生器內產生蒸汽，蒸汽推動汽輪機帶著發(fā)電機一起旋轉，電就源源不斷地產生出來，通過電網(wǎng)送到四面八方［1］。

核電常規(guī)島的汽輪機轉子與發(fā)電機轉子是發(fā)電設備的關鍵零件，轉子毛坯制造技術在汽輪機制造領域屬于關鍵技術，目前我國仍處于起步階段。汽輪機轉子按加工或裝配方式可分為整鍛轉子、焊接轉子和套裝轉子。焊接轉子以其結構緊湊、各部件質量相對較輕、易于鍛造、利于保證轉子的內在質量、生產周期較短、材料利用合理等優(yōu)點，應用也比較廣泛［2］。

為推進核電項目中常規(guī)島汽輪機低壓焊接轉子鍛件的國產化生產，提高企業(yè)在核電常規(guī)島鍛件產品的制造能力，上海重型機器廠有限公司對AP1000常規(guī)島汽輪機低壓焊接轉子鍛件的關鍵部件之一——電機端軸頭鍛件開展了試制開發(fā)。

1 AP1000核電常規(guī)島低壓焊接轉子鍛件介紹

1.1 概述

AP1000核電常規(guī)島汽輪機低壓焊接轉子總共包括電機端軸頭、輪盤Ⅰ/Ⅳ、輪盤Ⅱ/Ⅲ以及調閥端軸頭6個部件，如圖1所示。

單根低壓焊接轉子的毛坯交貨質量約為342 t，電機端軸頭鍛件具有圓盤類鍛件的特征，又有5 m長軸的特征，具有其它部件的典型特點，因此選定了電機端軸頭鍛件作為試驗件進行試制。

圖1 AP1000核電常規(guī)島汽輪機低壓焊接轉子

1.2 制造工藝要求

轉子鍛件的冶煉需采用堿性電爐冶煉，采用真空碳脫氧（VCD）工藝進行澆注；鍛造過程需保證有足夠的切除量和足夠的鍛比，確保整體組織均勻；鍛后熱處理時需經(jīng)過至少兩次以上的正、回火處理；調質時需要垂直水淬，達到規(guī)定的使用性能。

1.3 化學成分

核電低壓焊接轉子選用材料為25Cr2Ni2MoV，每爐鋼水進行熔煉分析，分析結果應滿足表1的要求，鍛件成品的氣體含量，應符合表2的要求。

表1 熔煉分析要求 wt%

表3 力學性能要求

表2 成品氣體含量要求

1.4 力學性能

鍛件性能熱處理后取切向試樣，結果應滿足表3要求。

2 AP1000核電常規(guī)島低壓焊接轉子電機端軸頭研制

2.1 制造工藝流程

根據(jù)產品技術要求，電機端軸頭的生產制造流程為：冶煉→鑄錠→鍛造→鍛后熱處理→粗加工→性能熱處理→檢驗→半精加工→去應力處理→精加工→檢驗→完工。

檢驗包括成分測試、性能測試、尺寸測量、無損檢測等。

2.2 成分優(yōu)化

為確保通過水冷調質能達到規(guī)范要求的性能，特別是鍛件心部也能轉變?yōu)樨愂象w組織，最大直徑處的韌脆轉變溫度（FATT）達到0℃以下，在產品成分設計上，需要對現(xiàn)有成分范圍進行目標優(yōu)化控制。

首先，嚴格控制P、S、Si、Sn、As、Sb等殘余雜質元素的含量。其次，將可以提高淬透性的Ni、Cr元素控制在上限，增強產品的淬透性；考慮到鍛件的可焊性，雖然C元素可以提高淬透性，但仍將其控制在中限；為保證鍛件具有良好的抗回火脆性，Mo元素控制在標準要求的上限，Mn元素則控制在了中下限。最后，同樣出于保證可焊性的考慮，V元素的含量也進行了適當?shù)目刂啤?/p>

2.3 冶煉控制

根據(jù)電機端軸頭鍛件交貨圖紙，鍛件毛坯的最大外形尺寸為φ2 874 mm×4 979 mm，交貨毛重約65.9 t，通過余量測算，該產品冶煉時所需鋼錠質量為210 t，鋼錠尺寸如圖2所示。

圖2 電機端軸頭鋼錠圖

電機端軸頭鍛件鋼錠的探傷要求很高，特別是焊接區(qū)域，靈敏度當量要求達到了0.5 mm。這么高的鋼錠純凈度要求，對于冶煉過程的工藝方案設計和整個現(xiàn)場操作的控制，都是非常大的挑戰(zhàn)。

冶煉時需要通過優(yōu)選合金、廢鋼等原材料，對接觸鋼液的所有輔具進行打磨烘烤，及時清理扒渣，采用兩包鋼水澆注，優(yōu)選出鋼溫度、澆注速度、氣體保護等澆注參數(shù)，明確操作規(guī)范。

通過精心策劃和嚴格實施，鋼錠澆注完成時，最終的熔煉成分符合控制目標要求，探傷也未發(fā)現(xiàn)超標的缺陷。

2.4 鍛造控制

2.4.1 鍛造難點

鋼錠在脫模后，需盡快熱送至鍛造車間進行鍛造成形。軸頭鍛件鍛造的難點如下。

（1）鋼錠尺寸比較大，鍛造過程中極易產生裂紋。

（2）由于法蘭的直徑超過3 m，為了達到好的壓實效果，需要使用較大的鍛比進行墩粗和拔長。在此過程中，由于強大變形抗力，使鍛造開裂的風險成倍增加，裂紋清理的難度也增加。

（3）由于超聲波探傷要求高，成形方案需要有足夠的內應力，使鍛件心部鍛透、壓實，避免鍛件中心在熱處理過程中再結晶為粗大晶粒。

2.4.2 鍛造工藝方案

電機端軸頭鍛件采用165 MN油壓機和120 MN水壓機聯(lián)合鍛造生產，壓實方法采用了“鐓粗+兩次拔長（WHF法）+兩次中心壓實（JTS法）”進行壓實，大法蘭由于直徑超過3 m，采用最后鐓粗成形，鐓粗成形工藝如圖3所示。

2.5 鍛后熱處理

鍛后熱處理的目的是消除鍛造應力，降低鍛件的表面硬度，提高其切削加工性能；同時還要調整與改善鍛件鍛造過程中形成的過熱與粗大組織，細化奧氏體晶粒，提高鍛件的超聲波探傷性能。

對于含Ni、Cr等合金元素較多的高淬透性鋼，由于鍛造冷卻后得到的往往是非平衡組織（貝氏體或馬氏體），而且在重新加熱通過臨界區(qū)時，又不可能獲得較快的加熱速度，容易產生組織遺傳。通過工藝試驗，最終采用二次奧氏體化、三次過冷的鍛后熱處理工藝，如圖4所示。

2.6 性能熱處理

2.6.1 25Cr2Ni2MoV相變參數(shù)的測定

通過對電機端軸頭鍛件進行取樣，測定了25Cr2Ni2MoV的相變參數(shù)，測定該材料鋼種的Ac1為735℃、Ac3為826℃。

2.6.2 熱處理參數(shù)的確定和實施

電機端軸頭鍛件由于截面尺寸大、強度高、韌性也高，為達到均勻的組織和性能，對不同位置性能熱處理參數(shù)進行計算機模擬。通過分析各位置的溫度變化曲線，進行小試樣試驗，檢驗小試樣效果，最終確定了性能熱處理工藝參數(shù)。圖5所示是電機端軸頭加熱完成后吊裝出爐的情況。

2.7 電機端軸頭的檢驗

性能熱處理結束后，電機端軸頭關鍵的熱加工坯料制造過程已經(jīng)完成，后續(xù)需對鍛件坯料指定位置的成分、金相組織和力學性能進行檢驗，反饋熱加工效果，評估坯料的質量狀況。

2.7.1 化學成分檢測

對電機軸的5個位置試樣（取樣位置如圖6所示）進行成分檢測，結果見表4。

圖3 大法蘭鐓粗成形工藝

圖4 鍛后熱處理工藝

圖5 電機端軸頭出爐淬火

2.7.2 機械性能檢測對電機軸的5個位置試樣（取樣位置如圖6所示）進行性能檢測，結果見表5。

2.7.3 金相檢測對電機軸的5個位置試樣（取樣位置見圖6）進行金相檢測，結果見表6。

2.7.4 無損檢測

表4 化學成分分析 wt%

圖6 電機端軸頭理化檢測取樣位置示意圖

表5 機械性能檢測

表6 金相檢測

通過對電機端外圓輪廓采用不同角度探頭進行超聲波檢測，未發(fā)現(xiàn)超標缺陷。由于焊接區(qū)域要精加工完成后方能檢測，此次科研試驗僅粗加工完成，因此僅對焊接區(qū)域通過外部輪廓進行預測和判斷，焊接區(qū)域未發(fā)現(xiàn)超過0.5 mm以上當量的超標缺陷。

2.8 檢驗結果分析

通過表4、表5和表6的數(shù)據(jù)對比，電機端軸頭鍛件毛坯的化學成分、力學性能和金相組織都符合規(guī)范的要求，超聲波檢驗也合格。可以看出，鍛件毛坯的試制取得了成功。但同時也應看到，對于中心位置的試環(huán)C，其性能數(shù)據(jù)特別是FATT50的數(shù)據(jù)有比較明顯的下降，沖擊功AKV的性能也有所降低，晶粒度略有變粗，可以獲知，在直徑3 m大法蘭的中心位置，鍛件的壓實效果還需要進一步改善；與表面相比，其材料潛力還可以進一步挖掘，這也對以后鍛造和熱處理工藝的改進提出了更多的要求。

3 結束語

通過對AP1000常規(guī)島核電焊接低壓轉子電機端軸頭鍛件技術特點的分析，采用成分優(yōu)化控制、冶煉、鍛造和熱處理等關鍵工藝方案的研究和制定，提高了項目參與人員工藝方案設計、模擬和應用能力。

通過電機端軸頭鍛件產品的試制，對特大截面（3 m直徑）的轉子材料25Cr2Ni2MoV成功冶煉、鍛造及熱處理，最終產品的各項檢測都滿足規(guī)范要求，檢驗了現(xiàn)場生產系統(tǒng)有能力完成高標準超純凈核電常規(guī)島轉子產品的制造。

由于成功研制了既有大法蘭、又有長軸特征的電機端軸頭鍛件，為AP1000核電常規(guī)島焊接低壓轉子的其它部件和類似產品的承接生產打下堅實的基礎。

［1］繆鴻興.AP1 000先進核電技術［J］.自動化博覽，2009，26 （8）：32-35.

［2］張軍.焊接轉子1 000 MW國產核電汽輪機的結構與發(fā)展［J］.應用能源技術，2010（10）：15-21.

In order tosettle the technical problems involving the manufacturing of large forgings for conventional island of nuclear power，with the analyses of the shaft nose at the motor end-a typical component of welded LP rotor in conventional island of AP1000 nuclear power，a technological plan for smelting，forging and heat treatment was developed and formulated for the product with a project for 1：1 test piece production.In the trial process，the manufacturing difficulties were overcome and finally the produced test piece could meet with all specifications.

AP1000；常規(guī)島；焊接；低壓轉子

AP1000；ConvectionalIsland；Weld；LP Rotor

K474.7+3

B

1672-0555（2015）04-034-06

2015年7月

呂政（1981年-）男，工程碩士，高級工程師，主要從事火電及核電常規(guī)島大型鍛件材料熱處理工藝技術的研究工作