壓力容器厚截面頂蓋鍛件制造工藝研究范文

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摘要：

壓力容器整體頂蓋，將管座、球形封頭、大直徑厚壁法蘭進行一體化設計，頂蓋截面形狀復雜，結構多變，且鍛件要求具有完整的金屬流線。通過制造工藝改進及工藝薄弱環節的有效控制，鍛件綜合性能指稱達到技術要求。

關鍵詞：

壓力容器;厚截面;工藝;鍛造

0引言

整體頂蓋主要特點是將球形封頭、大直徑厚壁法蘭一體化設計，取消球形封頭與法蘭進行之間的環焊縫，節約了制造周期和制造成本，減少了在役檢測量，提高了設備的安全性和可靠性。同時，整體頂蓋能保留完整的鍛造流線，具有更加優異的使用性能。由于整體頂蓋取樣位置復雜，螺栓孔取樣位置壁厚達到了600mm，管座孔取樣位置壁厚達到了500mm，基本達到了508-3鋼的淬透性極限，制造難度大。常規的自由鍛造工藝無法滿足制造要求，整體頂蓋在最終成型方案確定前，進行了板坯沖形、開式模鍛以及胎膜鍛3種成型方式的模擬對比。最終擬采用局部漸次模鍛成形頂蓋的工藝方案。同時對化學成分、熱處理冷卻方案進行優化，鍛件綜合性能指標滿足了要求。

1制造流程

煉鋼、鑄錠→鍛造（模鍛）→鍛后熱處理（正火、退火、回火）→初粗加工（UT）→粗加工→淬火、回火→標記、取樣→性能檢驗。

2鍛造成型工藝方案研究

1）預制板坯成型過程，合理去除頭、尾部切除量。第一火次：操作機夾持水口端，倒棱、拔長、壓鉗口、下料；第二火次：鐓粗，繼續拔長，清理鍛件表面；第三火次：坯料水口端朝上,模鍛成型。

2）不同成型方式對比。整體頂蓋進行板坯沖形、開式模鍛以及胎膜鍛3種成型方式的模擬對比,如表1所示。

3）模鍛成型及數值模擬。胎模鍛沖型時，通過先墩平的方式，使鋼錠下部具有平整的端面，在模內墩粗時能更好地定位，沖盲孔時，具有更加準確的位置精度。通過加裝端面平整圈進行法蘭填充成型，同時可使用條形錘頭旋轉鍛造以填充法蘭。通過優化成型輔具及成型板坯，實現新型頂蓋一次模內成型，數據模擬能夠達到滿足性能指標要求的模鍛成型。綜合上述3種鍛造成型情況分析，選擇胎膜鍛作為最優化方案。

3工藝薄弱環節及采取的技術質量控制措施

新型頂蓋制造難度大，存在下述的薄弱環節，有針對性地采取必要的技術質量控制措施，主要包括：

1）化學成分設計。綜合鍛件性能指標及取樣要求，制造難度在于大壁厚位置強度、韌性指標的滿足。為此，成分設計上參照相應鍛件制造經驗對本鍛件的成分進行合理優化；冶煉前嚴格控制煉鋼原材料，應篩選低磷生鐵、低銅廢鋼和殘余元素少的優質精料。為了改善鋼的韌性，在滿足韌性要求下，Ni含量不宜過高，取中上限為宜，同時應盡量降低Cu和P的含量，當Cu的含量很低時，可以多加Ni使鋼的淬透性和韌性得到改善。真空除氣要充分，盡量減少氣體含量尤其是H、O和N，以便減少白點和非金屬夾雜物，提高鋼純潔度，但需注意鋁與N的比值，來改善韌性。在滿足強度要求下，C取中上限為好。為保證厚截面鋼的韌性和強度，還要添加少量的V，控制在0.05%以下。

2）鍛造成型。小尺寸鍛件胎模成型，使鍛件鍛造完成后接近于最終形狀，對優化成型輔具和成型參數，數據模擬進行質量控制，保證鍛件具有足夠的鍛比和完整的流線；

3）熱處理。優化熱處理冷卻方案，為保證厚截面頂蓋性能合格，按照508-3材料冷卻速率與性能對應關系，鍛件心部溫度在850~400℃之間的冷卻速率應大于一定數值，對粗加工進行設計，在頂蓋封頭處管座孔位置加工7個準60mm通孔（包括球頂中心通孔），在法蘭螺栓孔位置加工20個準60mm通孔，用于熱處理時排氣，避免盲封頭淬火冷卻時封頭頂氣體堆積，加快鍛件整體冷卻。同時，對浸水水槽循環攪拌系統進行優化，設計專用攪拌和沖刷設備，對鍛件入水深度進行規定，以最大強度增強水流對鍛件的沖刷，以強化冷卻效果。奧氏體化溫度不宜過高，應保證晶粒度不小于5級，熱處理組織最好是下貝氏體。優化粗加工輪廓尺寸，最大程度提高鍛件熱處理冷卻效果。

4對工藝裝備、試驗和檢測設備等選擇鑒定原則和方案

材料的性能是化學成分和微觀結構的綜合表現，其中成分和熱處理是保證壓力容器鋼性能的基礎；冶煉是決定鋼材純潔度和質量的前提。

1）采用113t鋼錠，根據性能及成分控制要求，采用電弧爐冶煉并配合鋼包真空精煉和真空澆注即雙真空冶煉方式。

2）鍛件采用胎模鍛造成型，成型壓力大、成型方式復雜，需單獨設計鍛造附具，對鍛造設備要求嚴格，選用萬噸以上水壓機；鍛造成型輔具使用期間，放置于加熱爐附件，無需預熱。

3）綜合力學性能要求較高，鍛件壁厚大，取樣部位淬透性較差，熱處理選擇燃氣爐加熱，采用調質工藝，為強化淬火冷卻效果，其淬火冷卻將采用外壁浸水形式，內側噴淋加快水流速度，充分循環冷卻。采用門字形吊具起吊，減少料盤帶來的額外熱量。

4）鍛件所有相關檢驗項目均按照國標和設計技術文件要求進行，在實驗室完成，實驗設備均應在檢定有效期內，并由具有相應資質的檢測人員操作。通過與現有產品制造過程獲得的性能結果進行對比分析，優化新型頂蓋成分設計和熱處理冷卻方案，鍛造成型采用胎模鍛造成型方式，采取局部漸次模鍛成形頂蓋的工藝方案并優化成型輔具和參數，總體方案針對性強，能滿足新型頂蓋性能要求。目前，新型頂蓋鍛件已胎模鍛造、熱處理結束，最終綜合性能檢測合格率達到了100%。

5結論

本尺寸規格鍛件屬于首次制造，鍛件綜合性能要求高。通過胎模一體成型鍛造，新型頂蓋性能指標合格率達到了100%。現該方案已準備在壓力容器上應用，后續將根據實際執行情況進行優化并固化制造工藝，加強標準化控制管理，按工藝要求進行標準化操作，鍛造成型輔具也將根據成型實際情況在后續產品制造中進行優化，最終確保產品質量穩步提升。

參考文獻：

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作者:辛宇 單位:海軍駐某地代表室