(a)一体化接管段
(b)蒸发器锥形筒体
图1绿制造技术在核电产品上的应用
摘要：利用理论计算及数值模拟对核电压力容器接管段结构进行分析，总结同类产品的锻造成形经验，设计出带接管的压力容器接管段一体化锻造成形方法，在保证产品质量，提高整台压力容器一体化率的同时，节约制造成本，提高生产效率。
关键词：一体化锻造；接管段；数值模拟中图分类号：TG316.2
文献标识码：B
文章编号：1673-3355（2020）05-0006-05
Integrated Nozzle Section Forging Technique for NPR Pressure Vessels Zhou Yan
Abstract:A forging technique for integration of a shell section and nozzles on it has been developed on the basis of analysis to the structure of the nozzle section of NPR (nuclear power reactor)pressure vessels by means of theoretical calculationreactor pressure vessel
and numerical simulation and the experience of making similar products.This technique provides high product quality ,improved integration percentage of a whole pressure vessel,lowered construction cost and increased operational efficiency.Key words:integration forging ；nozzle shell ；numerical simulation
核电压力容器接管段一体化锻造成形技术
周岩1
10.3969/j.issn.1673-3355.2020.05.006
1.中国第一重型机械股份公司工程师，黑龙江300457
随着核能技术的不断发展，核电主设备的服
役工况也越来越苛刻。核电压力容器是核岛中最重要，服役环境最恶劣的主设备，由于长期受中子辐照，这就要求核电压力容器必须具有超强的稳定性。
目前的核电压力容器由超大型锻件焊接而成，核电锻件的质量及焊缝质量和数量对核电压力容器的可靠性具有决定性的意义，必须定期对在役压力容器焊缝进行在役检查，以确保压力容器的稳定运行。因此，如何在保证锻件质量的同时，尽可能减少焊缝数量成为核电设备供应商所面临的突出问题。
如今，超大型锻件绿制造已经成为大型锻件供应商的生产理念，它主要体现在大型锻件的一体化锻造和近净成形[1]，通过打破传统，应用现代制造模式，在保证锻件的致密性和组织均匀性的基础上又得到以往铸件才拥有的复杂形状，不仅如此，通过一体化锻造使焊缝数量明显减少，提高设备的服役稳定性[2]。
长期以来，中国一重作为重型装备制造行业的领军企业，在超大型锻件绿制造领域进行了大量尝试，取得的成果在核电超大型锻件制造领域得到推广（见图1）[3]。
尽管如此，到目前为止核电压力容器的一体化程度仍较低，其中焊缝分布最密集的锻件是接管段，因其下端与堆芯筒体组焊，四周通过插入焊的形式焊接进、出口接管及安注接管，而接管插入焊的马鞍形焊缝的焊接难度大，且接管马鞍形弧面的加工精度也难以保证。因此，若能将接管与接管段一体化锻造成形，既可减少焊缝数量，提高一体化率，也可
降低制造成本，缩短制造周期，从而实现
锻件的绿制造。
1一体化锻件的特征尺寸
根据接管段与接管合锻件的零件形状（见图2）可以看出，接管段直筒体上均匀分布有八个接管，包括2个较长的出口接管，4个较短的进口接管及2个直径较小的安注接管。由于不在同一高度
上，无法通过预制环带的形式锻造。此外，由于3
种接管形状尺寸各不相同，所以也不能用相同的锻造方式成形。
2锻造成形工艺方案
由接管段的形状轮廓可以看出，4个进口接管虽然长度较短，但其直径较大，且壁厚较厚，不能
通过直筒体翻边的形式锻造成形；2个出口接管长度较长，前端还设有接管嘴与主管道焊接，这两部分接管必须先模锻出接管座，然后通过复合翻边接管嘴的形式成形。而安注接管直径较小，长度较长，可以通过接管拔长的形式成形。笔者结合以往制造经验，确定采用空心坯料模内镦粗成形结合胎模锻及翻边成形的工艺方案（见图3）。
2.1自由锻制坯
锻造所需24棱钢锭通过双联法冶炼。冶炼前
精选原材料，确保As 、Sb 、Sn 、Co 、Cu 、B 等有害元素的含量符合要求；通过双联法冶炼技术降低P 、S 含量，通过多包MP 合浇技术控制钢中C 、Mo 等成份的偏析，达到控制合浇后大型钢锭的成分偏析的目的；浇铸时通过真空浇注、钢水注流保护和新型中间包技术，降低钢渣的卷入和钢水二次氧化，提高钢水纯净度，确保钢锭质量。
钢锭经保温，脱模热送后进行锻造。首先进行压钳口，气割水口，保证钢锭有一定比例的切除量，有效切除水口沉积堆，保证锻件质量。钢锭经长时间保温后进行两次镦拔，为保证超大型钢锭心
部的压实效果，采用FM 异性砧进行拔长，通过长时间的高温扩散，再配合一定的镦粗比，在实现钢锭内部的成分均匀化的同时，保证凝固枝晶充分破碎，并向等轴状态转变。经锻造压实后，切除钳口下料，镦粗冲孔，在成形的过程中进一步去除钢锭芯部的疏松区域。然后进行芯棒拔长，最后马杠扩孔完成制坯（见图4）。2.2模锻成形侧向接管座
坯料冷却至室温后进行粗加工（见图5），随后进行模锻成形，预制进、出口接管的8个接管座。模锻前需要在坯料高度上预留一定尺寸的余量，以便在模锻过程中通过压下上端坯料对模腔进行充型，从而预制侧向接管座。
图2一体化接管段锻件
（a ）锻件形状示意图
（b ）锻件俯视
图
图3
接管段一体化锻造成型方案
图4
一体化接管段制坯过程
图8一体化接管段模锻成形后锻件轮廓
（a ）模锻
外形（b ）模锻后轮廓与成品轮廓的比较
图7一体化接管段模锻成形过程
1—上模；2—内套；3—外套；4—坯料；5—内芯；6—出口接管；7—安注接管；8—进口接管。
图6下模内套分模示意图
图5坯料粗加工轮廓尺寸
接管段一体化模锻成形所用的模锻下模由内套、外套及内芯组成，内套为分瓣结构（见图6）。下模装配完成后，将坯料小头朝下放入模腔内，上
模为一整体形环结构，水压机连接上模压下，将坯料高度方向的余量压入内套侧面预制的模腔内，从而成形侧向接管座（见图7）。
2.3侧管嘴成形
模锻后，侧向8个管嘴的接管座均已完成预制
（见图8），可以看出，进口接管前端接管嘴的长度仍相差较多，而进口接管及安注接管相差较小，但由于三种类型管嘴的形式各不相同，还需进行展长。其中，进、出口接管通过翻边拉伸实现，安注接管则需要通过胎模锻拔长成形。2.4
数值模拟
为
验证接管嘴成形工艺可行性，分别对接管段
图11不同倒角冲头翻边结果比较
图10坯料温度分布
模锻成形，出口接管翻边成形及安注接管的胎模锻拔长工序进行数值模拟。
（1）模锻成形过程模拟
将一体化接管段模锻成形的模拟结果及三种不同接管粗加工尺寸对比（见图9），其中，进、出口接管以翻边成形前端管嘴，安注接管以胎模锻侧挤压成形。模锻成形工序模拟成形温度1200℃，
压下速度20mm/s 。
（2）出口接管翻边成形模拟
笔者对出口接管翻边冲形进行模拟，建模选择1/8模型，径向两端面对称约束，对翻边位置局部
加热1200℃，不考虑坯料与外界传热。坯料与模具之间摩擦系数0.5，冲头压下速度10mm/s （见图10）。
图9模锻成形数值模拟
(a)模锻成形建模(b)模锻成形模拟结果(c)安注接管位置与粗图对比(d)出口接管位置与粗图对比
(e)进口接管位置与粗图对比
通过比较不同倒角冲头局部翻边后管嘴的位置
与粗加工包络情况可以看出，翻边冲头前端倒角的角度越小，翻边的管嘴长度越长，但外径缺肉越严重（如45°，55°），而且在最后阶段由于下端堆料产生Z 方向的拉应力造成壁厚减薄，表现为管嘴内壁位置余量减小（见图11）。综合考虑冲压行程等因素，选择55℃冲头比较合理。2.5水压机体外翻边成形
进、出口接管的成形需设计翻边冲型方案，但由于锻件整体结构尺寸大，尤其是出口接管翻边成形后，其展开宽度已超越水压机横梁的极限高度。因此必须通过体外冲形的方式进行翻边，即将锻件
放置在水压机体外，通过水压机上横梁连接抬梁将压机载荷传递到锻件上实现锻件成形。由于抬梁受水压机载荷方向垂直向下，而受锻件变形的反作用力向上，必须在抬梁另一端设置柔性支撑以抵消抬梁弯矩。因此，在设计成形工艺方案时，必须通过计算模拟保证工艺的可行性。
在模拟物理模型中，抬梁及冲头的材料为42CrMo ，弹性模量206GPa ，泊松比0.3。接管段坯料选择1/4模型，坯料与支撑的材料均选用508-3，模拟加热温度1150℃。为防止抬梁倾斜，在其两端设置导柱（见图12）。模型所有刚体和弹性体之间摩擦为0.1，刚体与塑性体之间摩擦为0.5，弹性体与塑性体之间摩擦为0.5，水压机压下
(a)翻边前(b)翻边后
图13压下过程装配体的等效应力分布
速度10mm/s 。
从压下过程中所有弹性和塑性体截面的应力变化情况可以看出，整个过程中受力最大位置在抬梁右侧孔的下端，在水压机压下600mm 时的最大等效应力超过300MPa 。此时抬梁各处应力都达到最大值，最大应力分布集中在三个区域，即在抬梁上、下端面处的压应力和拉应力，以及相对于导柱轴线斜45°分布的应力带。在随后的变形中所有区
域的等效应力逐渐减小。
在压下行程达到1800mm 后，由于支撑件截面积增大导致成形力逐渐增大，为避免整体成形力过大，避免抬梁与导柱接触位置及冲头一侧受力过大，更换较小的支撑，支撑尺寸Ø850mm ×1200mm ，然后水压机再压下500mm ，完成整个成形过程（见图13）。
（a ）主视图（b ）俯视图
1—水压机活动横梁；2—抬梁；3—导柱；4—下
平
台；5—支撑；6—冲头。
图12体外翻边模型
3结语
本文通过理论计算及数值模拟对带接管的核电
接管段一体化锻造成形过程进行可行性研究，设计出整体锻造成形方案。首先通过自由锻预制模锻成形坯料，随后通过模锻成形周向侧管嘴的接管座，最后通过翻边冲型及局部胎模成形锻出进、出口接管及安注接管。该方案不仅提高整台压力容器的一体化率及服役稳定性，而且能够节约制造成本，缩短制造周期。
参考文献
[1]王宝忠.超大型核电锻件绿制造技术[M].机械工业出版社,2017:14-19.
[2]王宝忠，高建军，刘海澜.超大型钢锭极端制造的回顾与展望[C].2014年钢锭制造技术与管理研讨会，2014.[3]Bao-Zhong W ,Kai-Quan L ,Ying L ,et al.Development of Mono-bloc Forging for CAP1400Reactor Pressure Vessel [M].Energy Materials 2014，2014.
收稿日期：2020-05-18

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