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核电反应堆内不锈钢矩形管成型工艺方法

来源:至德钢业 日期:2019-12-08 00:32:19 人气:191

  AP1000反应堆是美国西屋电气公司开发的两环路第三代压水式核电反应堆系统,是目前较为先进的反应堆设计。本文所述产品为 AP1000反应堆余热排出换热器支撑(核Ⅰ级部件支撑)用TP304不锈钢矩形管,AP1000反应堆余热排出换热器内部结构如图所示,所用TP304不锈钢矩形管根据 ASME SA 479M标准及用户采购规范进行制造,在 普通TP304不锈钢基础上控制N和Co元素含量 以满足核电材料的特殊要求。 


     该TP304不锈钢矩形管的外形尺寸及公差见图,与常见的等壁厚方管相比,其工艺特点为:①为保证管体材质性能均匀一致,设计方要求 采用无缝钢管热挤压+冷加工成型工艺 ,排除了异型钢管生产通常采用的板材成型+焊接工艺 ;②产品外形尺寸较大,冷加工所用圆管外径超过240mm,所需变形力大;③对单边平面度及管体弯曲 度要求高,对冷加工精度要求很高;④最终成品管 要求经固溶退火处理,但高温热处理对产品外形易造成影响。


一、变形工艺分析


    大直径异型不锈钢无缝钢管的生产方法有热挤压、冷轧、滚模拉拔、固定模拉拔等。由于对该核电用TP304不锈钢矩形管的尺寸精度要求较高, 采用直接热挤压至成品管的方法不适用(热挤压管的壁厚精度在±0.5 mm以上,且表面粗糙度较高);而滚模拉拔适用于拔制带棱角的异型管, 对于此大圆弧角方形截面管也不适用;因此,最终确定采用圆管定径定壁后经鉴定模拉拔至最终尺寸的固定模拉拔方法进行生产。


    相对于其他生产工艺,固定模拉拔存在拉拔力较大,产品表面容易拉伤等问题;如何通过工艺与模具设计解决这些问题, 是 TP304不锈钢矩形管研发工作的重点和难点。


   在不锈钢圆管空拔至方管的过程中, 金属质点的运动主要是横向移动, 靠拉拔外模给予的径向压力实现。圆管空拔时,若管体受到的径向均布压力q超过临界圧力gk,管壁将发生塑性弯曲,即失稳,设计成品截面形状将被破坏。临界压力qk可按下式计算:


qk=[(N2-l )Sσs]/{R[ 1+(4σsR2)/(EtS2)] }      (1) 


式中N--边数,为大于等于2的整数;


S--圆管壁厚, mm;


σs--圆管屈服强度, MPa;


R--圆管半径, mm;


Et--圆管正切模量, GPa。


    根据式( 1 )计算, 如采用不锈钢圆管一道次空拔至方管的工艺,临界压力qk=69.2kN;而根据试验中拉拔力算得定径段管壁受到径向均布压力q =89 kN> qk,即难以保证拉拔后各边充满孔型,在试验中也证实了这一点。


    由于空拔至不锈钢矩形管时边部与角部金属流动速度不同, 会造成边部与角部壁厚不同的现象。 根据试验结果, 空拔后方管角部增厚比边部大0.2~0.4 mm。


    衬拉对不锈钢方管的四角支撑性较好, 提高了拔制稳定性,但采用同管1道次带内模衬拉至成品的工艺,由于圆变方变形与减壁变形同时进行,拉拔力过大,会.导致拉拔头断裂,如图3所示。


    综合以上分析, 最终决定采用圆管定径定壁后, 1道次空拔至较大尺寸方管,加l道次衬拉至最终尺寸的工艺 。


 二、第1道次空拔变形设计


   对于异型管空拔变形过程,周边压缩系数是最关键的参数, 其表示拉拔前圆管周长与成品管周长的关系, 只有将周边压缩系数控制在一个适当范围才能保证空拔后产品截面形状。第 1 道次空拔变形的周边圧缩系数设为η1。 为选取最优化的η1值,采用 Pro/E软件建立拉拔件和拉拔模模型,采用 MARc有限元软件对拉拔变形过程进行模拟。取η1从1.00至1.20,间隔 0.01共21个数值,分别模拟拉拔后产品截面形状。模拟结果表明:η1<1.08时方管四角无法完全充满孔型,η1>1.15时方管四边会产生内凹。在两种周边压缩系数情况下, 拉拔模孔型充满情况如图5所示。最后选取η1=1.10,经过试验证实此η1 值合适。


   根据成品管尺寸算出第1道次空拔后不锈钢方管尺寸:口225mmx13.5mm,四角圆弧r1=38mm。计算得出所需圆管的外径为265mm。


三、第2道次衬拉变形设计


   第2道次衬拉最重要的参数为减壁量.如果没有减壁, 在管壁与芯棒接触之前就会出现管壁失稳, 由于不锈钢管的弹性恢复, 失稳情况不可能得到完全纠正。通常小尺寸异型管拉拔减壁量取 0.05~ 0.30mm,经试验证实该取值对本产品来说过小, 会导致拔制后各边平面度较差。对于不锈钢钢管,增大减壁量可消除第1道次空拔过程中产生的不均匀壁厚增加;同时会加大变形延伸系数,保证成品管晶粒度≥4级的要求.但减壁量大会导致出现拉拔力増大的问题 。 在一次试验中设计减壁量为1.2mm,发生了拉拔头断裂、芯棒在管内卡死的情况。经过反复试验,最终设定减壁量为0.5mm,延伸系数为1.173。相对于较大的产品尺寸, 小减壁量对拉拔模具加工精度提出了更高要求。


    同时,第2道次周边压缩系数η2也是需要考虑的参数, η2=(衬拉前方管周长)/(衬拉后方管周长)。η2值太大,金属在孔型入口处就已充满,并使平面部分起皱,导致内模不能进入定径带而拔出废品:η2值太小,内模无法进人管内,拉拔过程无法实现。 根据试验结果, 选取η2=1.10。


    综上所述,得出全部变形工艺如下:热挤压荒管尺寸 311mmx24 mm;经三辊冷轧机冷轧至圆管尺寸 265mmx13.5 mm,延伸系数2.029;第1 道次空拔后方管尺寸225 mmxl3.5 mm,四角圆弧r1=38mm;最终尺寸203.2mmxl2.7mm,四角圆弧 r.=32 mm。 TP304不锈钢成品方管如图7所示。


四、拉拔模设计


4.1 第1道次空拔


  为提高拉拔过程的稳定性,第1道次空拔模采用弧形模。在第1道次拔制时,圆管进入模孔时圆周上各点并非同时与模壁接触,为減少沿周长上变形的不同时性, 设计拉拔模入口时应尽量增加初始接触面积,以避免截面变形过程出现失稳。空拔弧形模参数如图所示, 其入口锥是由4个二次曲面组成的喇叭口, 二次曲面与定径带方柱体的表面相交形成过渡区.入口锥曲面参数如图所示。


    对于圆变方变形,当入口锥角α过大时,轴向延伸小, 容易出现边部过充满和平面凹陷的缺陷; 根据有限元计算结果, 设计了45°→12°渐变入口锥角。为使四边圆滑过渡,设计了“舌形”过渡带,同时打磨连接部至同沿无梭角。


    在模具材质选择上, 先后试验了硬质合金YG8, 工具钢Cr12Mov、 T8A等。碳化钨硬质合金模硬度高,抗磨性好,但价格昂贵;与硬质合金相比,钢模成本低易加工,但容易产生拉毛缺陷,需经常打磨。由于此管拉拔力较大,在试验中钢模磨损很快,每根拉拔后都需打磨外模过渡段和定径段,每个模具寿命仅为3~8根管,成本反而高于硬质合金模。最后选择了 YG8外模+钢质模套+T8A 内模的材质。


4.2 第2道次衬拉


   对第2道次方管衬拉, 由于周长方向为不均匀变形, 且接触面较大, 如何减小拉拔力是模具设计的重点。有限元模拟在优化模具设计,计算最小拉拔力方面,发挥了重要作用。通过模拟不同变形段参数设计的拉拔力,选取了拉拔力最小最稳定的模具设计, 节省了实际试验所需的大量时间和成本。


    在外模的入口处设计了12°的锥角,且入口处宽度为233.9mm,大于不锈钢方管外部的宽度225mm, 保证了第1道次圆变方后的不锈钢矩形管能够较平缓的进入外模定径带。


采用锥形外模和柱形内模, 外模定径带长度25mm,内模前端倒角5x45°,角部倒角7x45°, 定径段长度100 mm。


   5 结 论 


  (1)对于核电用大尺寸异型管 ,采用固定模拉拔成型工艺是可行的,与焊接成型管相比,其成品 材质性能均匀一致,且省去了焊缝的检验过程 。 


  (2)对于固定模拉拔大尺寸方管 ,相对于直接 衬拉成型和直接空拔成型,1道次空拔+1道次衬拉 工艺对于减小拉拔力 ,提高成品尺寸精度具有较好的效果 。 


  (3)对于边长 200 mm左右方管的拉拔工艺 , 周边压缩系数1.06~1.14是适用的。 


  (4)对于边长 200 mm左右的方管拉拔 ,0.05 ~ 0.30 mm 的减 壁量是 不够的,应增加 到 0.8~1.0 mm。考虑到拉拔头焊接强度限制,更大的减壁量也是不必要的。


本文标签:不锈钢矩形管 

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