本文關(guān)鍵詞：AP1000主管道整體鍛造成形及晶粒度控制研究　出處：《北京科技大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：作為壓水堆核電站運行的關(guān)鍵部件之一,一回路主管道被稱為核電站的“主動脈”。AP1000壓水堆一回路主管道采用的是大型316LN超低碳控氮奧氏體不銹鋼整體鍛造管,管體上有兩只相對角度為45。的接管嘴。從鍛造管的材質(zhì)、鍛造方式等多方面因素分析,制約鍛造管質(zhì)量的主要因素有兩個：一是鍛造過程中鍛件側(cè)表面開裂；二是鍛件的粗晶和混晶問題,尤其是在兩個管嘴部位。因此在AP1000一回路主管道的鍛造過程中,既要保證鍛件各個部位滿足晶粒度要求,同時又要兼顧整個鍛件的形狀和尺寸,防止開裂,鍛制難度非常高。本文研究了316LN奧氏體不銹鋼的熱加工性能、高溫流變性能和微觀組織演變規(guī)律,建立了該鋼的材料數(shù)據(jù)庫,采用物理模擬和有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的技術(shù)手段研究了AP1000一回路主管道在整體鍛造成形過程中的開裂和粗晶、混晶問題,掌握了加工工藝參數(shù)與鍛件表面開裂和微觀組織演變之間的關(guān)系規(guī)律,制定了科學合理的鍛造工藝,實現(xiàn)了AP1000一回路主管道的國產(chǎn)化。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：(1)建立了316LN奧氏體不銹鋼的高溫流變數(shù)學模型和再結(jié)晶與長大模型,并研究了該鋼的再結(jié)晶機制。利用Deform-3D的二次開發(fā)功能,建立了適用于Deform-3D軟件的316LN奧氏體不銹鋼材料數(shù)據(jù)庫,通過實驗驗證了該數(shù)據(jù)庫的準確性和可靠性。(2)建立了316LN奧氏體不銹鋼的熱加工圖。結(jié)果顯示在975～1175℃溫度區(qū)間內(nèi),當應變速率為0.03～0.1 s-1時,316LN奧氏體不銹鋼具有良好的熱加工性能。同時,提出了一種判斷316LN不銹鋼鍛件鐓粗時是否發(fā)生開裂的方法,并結(jié)合熱加工圖制定了預防主管道鍛件開裂的工藝參數(shù)范圍：鍛造溫度975～1175℃,應變速率0.03～0.1 s-,壓下量小于55%。(3)設計了主管道管嘴的鍛造成型工藝,研究了不同鍛造速度和摩擦系數(shù)對最終晶粒尺寸及分布的影響規(guī)律。結(jié)果顯示,管嘴壁和管壁上半部分的晶粒尺寸隨著鍛造速度的升高而增大,晶粒尺寸分布較為均勻,管壁下半部分的晶粒尺寸幾乎是前兩者的二倍,分布均勻性隨著鍛造速度的升高而下降；摩擦系數(shù)對管嘴部位的晶粒尺寸有較大影響。鍛造過程中添加有效的潤滑劑,且當鍛造速度小于20mm/s時,可以鍛制出晶粒度合格的管嘴。(4)研制了AP1000-回路主管道整體鍛造工藝,并研究了鍛造過程中的晶粒度變化。針對基礎鍛造工藝(方案一)中與實際工況并不相符合的問題提出了優(yōu)化措施,即在基礎鍛造工藝基礎之上增加了回爐保溫工藝步驟(方案二),但是回爐保溫造成凸臺1部位晶粒過分長大。于是對鍛造工藝進行了第二次優(yōu)化,即對晶粒粗大的凸臺1部位進行局部鍛壓(方案三),結(jié)果顯示成品鍛件各部位晶粒尺寸均滿足設計要求,最終獲得了較為優(yōu)化的整體鍛造工藝。數(shù)值模擬結(jié)果顯示,成品鍛件各部位的最終晶粒尺寸分別為：凸臺部位,50～123μm：其他部位,50μ以下。(5)研究了在整個鍛造過程中AP1000一回路主管道鍛件各個部位的溫度場、應力場和微觀組織演變規(guī)律,并預測了其中可能產(chǎn)生的缺陷。結(jié)果表明,始鍛溫度應限制在850～1150℃,過高時晶粒易粗大,產(chǎn)生高溫鐵素體,過低時會有σ相析出,降低塑性。鍛件與模具接觸的部位溫降很大,等效應變較小,幾乎不發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶,會保留初始粗晶；其他變形部位溫度略有升高,等效應變較大,高溫下發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶,晶粒細化,鍛件內(nèi)部的空洞被焊合：大變形量時,鍛件表面可能發(fā)生開裂。終鍛件中間段平均晶粒尺寸30μm,分布均勻：兩端平均晶粒尺寸30-60μm,分布不均勻；兩凸臺段平均晶粒尺寸30～44 μm,分布較為均勻。(6)全尺寸鍛造實驗結(jié)果顯示,成品鍛件各部位的屈服強度、抗拉強度和延伸率都高于相應的設計值；鍛造過程中沒有發(fā)生開裂,也沒有發(fā)現(xiàn)空洞缺陷以及高溫鐵素體和。相。鍛件各部位的晶粒尺寸與數(shù)值模擬結(jié)果吻合,平均晶粒尺寸都小于180μm,滿足設計要求。全尺寸鍛造實驗結(jié)果證實,本文設計的AP1000一回路主管道整體鍛造工藝是科學、合理、可行的。
【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TG316

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本文編號：1314019