[发明专利]超临界机组高温蒸汽管道锻造成型工艺

说明书

技术领域

本发明属于锻造技术领域，具体地说本发明涉及用于核电或火电超临界发电机组主蒸汽管道斜三角的自由锻造工艺方法。

背景技术

超临界、超超临界发电机组是通过提高蒸汽参数来提高发电效率的先进、高效发电技术，具有显著的节能和改善环境的效果。其机组锅炉出口工质压力超过或者远超过工质临界压力，投入运行的超临界机组常见的主蒸汽参数为23.5—26.5MPa、538—566℃，超超临界机组的主蒸汽参数更是达到35 MPa、700℃以上，因此超临界、超超临界机组具有无可比拟的经济性，单台机组效率最高可达50%。对于火电而言采用低氧化氮技术，在燃烧过程中能减少65%的氮氧化合物及其它有害物质的形成，且脱硫率可超98%，从而实现节能降耗、环保的双重目的；对于核电而言其造价低廉、且运行安全性高。

但超临界、超超临界机组的高参数、高压力也给机组及其关键部件提出了更高的性能要求，尤其是作为机组系统最为重要的主蒸汽管道部分，其管件机械性能和高温性能将直接影响发电机组的安全可靠性及今后运行的经济性。位于主蒸汽管道出口的斜三通又是蒸汽改向和分流的重要结构件，因其长期处于高温高压的恶劣环境中，且承受交变荷载和管道涡流所形成的压力突变，加之该斜三通结构相对比为复杂，具有大尺寸、厚壁、交叉异径深孔以及结构尺寸突变等显著特点，极易引起应力分布不匀或应力集中，从而容易产生疲劳、蠕变损伤，甚至造成降参数运行，影响发电效率，严重时将会带来安全问题。

选用合理的斜三通耐热合金，虽然能提高斜三通的耐高温性能，如采用P92、P122或E911钢可以使斜三通具有良好的抗氧化性、蠕变强度和高温强度，但单纯的材料改进并不能解决和克服构件内部材料组织结构和各向异性等物理性缺陷，因此当选用了耐高温高压材料，制作工艺将对斜三通的力学性能、高温强度以及强度持久性起着决定性因素和环节。

传统的大容量机组斜三通采用焊接、铸造或热挤压成型工艺，显然这些传统工艺难以满足超临界机组主蒸汽管道斜三通的性能要求。由于超临界或超超临界机组的主蒸汽管道斜三通属于大型块状构件，单个成品部件重量均在数十吨以上，其外形轮廓尺寸（长*高*宽）往往达到或超过3000*2000*2000mm，在如此巨大的坯件上要进行主、支管道的冲孔和主、支管道肩背连接区的成型均是十分困难况。首先主、支管道尤其是主管道孔属于深长孔，采用冲头冲压成孔，冲头无法从坯件中退出，难以实现冲压成孔；再者，主支管道的交叉形状又很难通过简单的镦粗和拔长或成型；国内外虽然有开始采用锻造再机加工制作斜三通的生产工艺，即先行锻造出具有其外形轮廓的锻造方坯，再对锻造方坯进行主管深孔和支管孔的钻削加工，以及外廓材料的切削剔除加工，最终形成斜三通成品。虽然该生产工艺通过锻造提高了斜三通的机械性能，改善了材料的内部组织缺陷，但又存在诸多不足：首先材料利用低，大部分材料经机加工而成为废料且难以回用，去除量远超过实际用料量，形成优质合金材料的极大浪费，材料利用率往往低于15%，而且斜三通尺寸越大利用率越低。其二，工艺流程复杂、生产效率低，钢锭锻成方块状坯料后，再对主、支管道孔及外廓进行加工，由于主管道及支管道均为深长孔，需钻孔后再镗孔至预定尺寸，因此工件需在多工序中转运，生产周期长，效率低。其三，由于坯件重量数倍于成品重量，如此大型钢锭在冶炼过程中，很难保证钢水的纯净度，而在锻造过程中，这种厚饼实心类锻件又很难热透、压实，钢锭内层、外层、心部及上部的热力学和动力学条件存在差异，使得钢锭内部存在偏析、疏松和缩孔等缺陷，这些缺陷往往导致后续锻造过程中锻件出现裂纹、粗晶等质量问题，严重时导致锻件报废。其四，斜三通钢锭材料为马氏体耐热钢，热加工性能较差，而这种大型锻造件心部材料由于外层材料的“桥拱”作用很难得到足够的锻压力，在心部形成小变形量区域，无法有效锻合坯料内部的缩松、缩孔等孔隙性缺陷，也无法击碎其内部的铸态树枝晶，导致锻件各向异性，尤其是斜三通主管道与支管道连接区域正好位于方块状锻造的心部，这一连接区域又正是承受热冲击、热应力最为集中的地方，为斜三通最为薄弱的区域；因此现有通过锻造再机加工的斜三通实际合格率很低。其五，方块状坯件的锻造过程主要采用十字锻造法，金属沿各方向的流动破坏了锻件的纤维组织，无法保证主管道及支管道沿轴向力学性能的一致性。

发明内容

针对现有技术所存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种超临界机组高温蒸汽管道锻造成型工艺，它不仅材料利用率和生产效率高，而且内部组织均匀密实、金属流线完整、锻件纤维组织和外形更趋一致。