钱凌云等：核电主管道非对称双管嘴同时挤压成形工艺 ·125· primary pipes. KEY WORDS two asymmetrical branches of primary pipe;simultaneous extrusion;velocity distributions;microstructure evolution; numerical simulation 核电主管道是连接反应堆压力容器、蒸汽发生 提出通过主动控制双向挤压速度而得到“双管嘴同 器和反应堆冷却泵的关键设备，需长期在高温、高压 时成形”的研究方案. 和高放射强度的环境中服役，因此要求其有极高的 材料组织均匀性和晶粒度大小是决定主管道服 强度和耐腐性以保证核反应堆的安全运行.第三代 役性能的关键要素，而关于主管道本身组织性能评 核电技术AP1000要求核电主管道的使用寿命达到 估方面的针对性研究还较少，多数研究关注主管道 60a,这不仅对铸造、分段成形后焊接和侧向管嘴焊 选用材料的组织性能演变规律9-.Wang等2]建 接等传统成形工艺造成极大挑战，而且对探索新的 立了主管道不锈钢材料316LN的微观材料模型并 塑性成形工艺提出迫切需求[1-].由于主管道本身 模拟了锻造过程中管身和管嘴位置的品粒分布规 的整体尺寸较大，且存在两个侧向非对称的圆形接 律，与实验对比验证了材料模型的准确性.Sun 管嘴，采用塑性成形工艺的难度非常大 等[]模拟分析了挤压温度、挤压速度、摩擦等工艺 目前已有的工艺方法仍采用自由锻分多道次锻 参数对主管嘴关键位置的品粒分布及品粒大小的影 造管身和管嘴部位，后续再进行机加工得到主管道 响规律，为实验验证提供可靠的参考依据.对于主 孔和管嘴孔[4-].虽然相对于铸造成形和分段焊接 管道来说，细化品粒尺寸是保证主管道性能和延长 成形工艺，采用自由锻得到的主管道性能得到提升， 服务寿命的关键因素. 但由于多个锻造道次和反复加热材料难以保证品粒 针对以上分析中的主管道非对称双管嘴挤压成 细化效果，且关键部分的晶粒尺寸难以控制[).随 形存在的问题及可改进方向，本文提出主管道双管 着挤压设备和工艺的不断更新，采用热挤压近净成 嘴同时成形的新方法.首先，推导得到实现同时挤 形工艺制造主管道有望保证成形零件具有较高性能 压的上顶杆和提升油缸的速度与管嘴尺寸之间的理 且能显著提高材料的利用率. 论表达式.其次，通过模拟分析初步验证双管嘴同 王欣等[小基于局部加热的思想提出管嘴镦挤 时成形方案的可行性及优势.最后，综合评价不同 工艺并设计专用模具，采用短管坯整体加热方案得 工艺参数对成形能力和组织性能的影响规律，为后 到单管嘴的1：5缩比试验件，重点关注了支管嘴结 续实验方案选取提供依据 构的一体化塑性成形，但未考虑主管道的整体长度 和两个双管嘴的非对称分布结构.孙立明等]采用 1双管嘴同时挤压成形原理 预制孔加凸模顶出的热挤压成形工艺方案成形超级 1.1核电主管道1：3缩比件 管道管嘴，通过大量工艺试验得到了管嘴成形的最 AP1000核电主管道是典型的大尺寸复杂结构 佳工艺参数.祥雨等6，】提出了四种成形AP1000 件，属于塑性加工领域的难成形件，尤其是侧面的两 核电主管道不对称管嘴的方案，通过对比四种方案 个非对称管嘴极大地提高了其制造的难度.考虑到 的材料充填情况、组织均匀性、管嘴处撕裂风险、模 主管道本身的尺寸大小和结构复杂性，本文不考虑 具承受能力等确定了“单向进给双向挤压侧向成 管身后续的弯曲过程，仅针对主管道的1：3缩比件 形”的工艺方案，并完成主管道1：3缩比试验件的现 进行挤压工艺分析，对应的主管道展直图见图1 场试验.结果表明该方案可有效增加主管道关键部 (a),其中两个管嘴的尺寸相同，二者的中心轴线呈 位的变形程度并细化其晶粒尺寸从而提高服役性 45°。在成品零件尺寸的基础上考虑挤压工艺余量、 能.以上研究采用的单向进给双向挤压方法克服了 机加工量等因素得到主管道的挤压零件图，如图1 传统挤压方法顺序成形上下管嘴的缺点，可在一定 (b)所示. 程度上避免管嘴充填不满的缺陷.然而，研究中挤 1.2双管嘴同时挤压成形工艺的提出背景 压筒问上运动引起的挤压效果是靠挤压筒和挤压杆 由于现存的最大吨位的双向压力机仍远不能满 (挤压凸模)之间的摩擦效应来实现被动控制，挤压 足成形主管道的挤压力需求，只能采用吨位较大的 速度大小不易控制.因此，采用其成形双管嘴时可 单轴挤压机成形主管道.传统的挤压方法是挤压机 能因上下管嘴处挤压速度差异而造成材料组织不均 单向进给优先成形上管嘴，当上管嘴完全成形后，金 匀，甚至主管道剪切撕裂.本文基于以上研究思路 属继续向下流动充填下管嘴，此时材料向下流动，会钱凌云等: 核电主管道非对称双管嘴同时挤压成形工艺 primary pipes. KEY WORDS two asymmetrical branches of primary pipe; simultaneous extrusion; velocity distributions; microstructure evolution; numerical simulation 核电主管道是连接反应堆压力容器、蒸汽发生 器和反应堆冷却泵的关键设备,需长期在高温、高压 和高放射强度的环境中服役,因此要求其有极高的 强度和耐腐性以保证核反应堆的安全运行. 第三代 核电技术 AP1000 要求核电主管道的使用寿命达到 60 a,这不仅对铸造、分段成形后焊接和侧向管嘴焊 接等传统成形工艺造成极大挑战,而且对探索新的 塑性成形工艺提出迫切需求[1鄄鄄3] . 由于主管道本身 的整体尺寸较大,且存在两个侧向非对称的圆形接 管嘴,采用塑性成形工艺的难度非常大. 目前已有的工艺方法仍采用自由锻分多道次锻 造管身和管嘴部位,后续再进行机加工得到主管道 孔和管嘴孔[4鄄鄄5] . 虽然相对于铸造成形和分段焊接 成形工艺,采用自由锻得到的主管道性能得到提升, 但由于多个锻造道次和反复加热材料难以保证晶粒 细化效果,且关键部分的晶粒尺寸难以控制[6] . 随 着挤压设备和工艺的不断更新,采用热挤压近净成 形工艺制造主管道有望保证成形零件具有较高性能 且能显著提高材料的利用率. 王欣等[7] 基于局部加热的思想提出管嘴镦挤 工艺并设计专用模具,采用短管坯整体加热方案得 到单管嘴的 1颐 5缩比试验件,重点关注了支管嘴结 构的一体化塑性成形,但未考虑主管道的整体长度 和两个双管嘴的非对称分布结构. 孙立明等[4]采用 预制孔加凸模顶出的热挤压成形工艺方案成形超级 管道管嘴,通过大量工艺试验得到了管嘴成形的最 佳工艺参数. 祥雨等[6,8] 提出了四种成形 AP1000 核电主管道不对称管嘴的方案,通过对比四种方案 的材料充填情况、组织均匀性、管嘴处撕裂风险、模 具承受能力等确定了“单向进给双向挤压侧向成 形冶的工艺方案,并完成主管道 1颐 3缩比试验件的现 场试验. 结果表明该方案可有效增加主管道关键部 位的变形程度并细化其晶粒尺寸从而提高服役性 能. 以上研究采用的单向进给双向挤压方法克服了 传统挤压方法顺序成形上下管嘴的缺点,可在一定 程度上避免管嘴充填不满的缺陷. 然而,研究中挤 压筒向上运动引起的挤压效果是靠挤压筒和挤压杆 (挤压凸模)之间的摩擦效应来实现被动控制,挤压 速度大小不易控制. 因此,采用其成形双管嘴时可 能因上下管嘴处挤压速度差异而造成材料组织不均 匀,甚至主管道剪切撕裂. 本文基于以上研究思路 提出通过主动控制双向挤压速度而得到“双管嘴同 时成形冶的研究方案. 材料组织均匀性和晶粒度大小是决定主管道服 役性能的关键要素,而关于主管道本身组织性能评 估方面的针对性研究还较少,多数研究关注主管道 选用材料的组织性能演变规律[9鄄鄄11] . Wang 等[12] 建 立了主管道不锈钢材料 316LN 的微观材料模型并 模拟了锻造过程中管身和管嘴位置的晶粒分布规 律,与实验对比验证了材料模型的准确性. Sun 等[8]模拟分析了挤压温度、挤压速度、摩擦等工艺 参数对主管嘴关键位置的晶粒分布及晶粒大小的影 响规律,为实验验证提供可靠的参考依据. 对于主 管道来说,细化晶粒尺寸是保证主管道性能和延长 服务寿命的关键因素. 针对以上分析中的主管道非对称双管嘴挤压成 形存在的问题及可改进方向,本文提出主管道双管 嘴同时成形的新方法. 首先,推导得到实现同时挤 压的上顶杆和提升油缸的速度与管嘴尺寸之间的理 论表达式. 其次,通过模拟分析初步验证双管嘴同 时成形方案的可行性及优势. 最后,综合评价不同 工艺参数对成形能力和组织性能的影响规律,为后 续实验方案选取提供依据. 1 双管嘴同时挤压成形原理 1郾 1 核电主管道 1颐3缩比件 AP1000 核电主管道是典型的大尺寸复杂结构 件,属于塑性加工领域的难成形件,尤其是侧面的两 个非对称管嘴极大地提高了其制造的难度. 考虑到 主管道本身的尺寸大小和结构复杂性,本文不考虑 管身后续的弯曲过程,仅针对主管道的 1颐 3缩比件 进行挤压工艺分析,对应的主管道展直图见图 1 (a),其中两个管嘴的尺寸相同,二者的中心轴线呈 45毅。 在成品零件尺寸的基础上考虑挤压工艺余量、 机加工量等因素得到主管道的挤压零件图,如图 1 (b)所示. 1郾 2 双管嘴同时挤压成形工艺的提出背景 由于现存的最大吨位的双向压力机仍远不能满 足成形主管道的挤压力需求,只能采用吨位较大的 单轴挤压机成形主管道. 传统的挤压方法是挤压机 单向进给优先成形上管嘴,当上管嘴完全成形后,金 属继续向下流动充填下管嘴,此时材料向下流动,会 ·125·