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不銹鋼材料

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核電反應堆內不銹鋼矩形管成型工藝方法

來源:至德鋼業 日期:2019-12-08 00:32:19 人氣:946

  AP1000反應堆是美國西屋電氣公司開發的兩環路第三代壓水式核電反應堆系統,是目前較為先進的反應堆設計。本文所述產品為 AP1000反應堆余熱排出換熱器支撐(核Ⅰ級部件支撐)用TP304不銹鋼矩形管,AP1000反應堆余熱排出換熱器內部結構如圖所示,所用TP304不銹鋼矩形管根據 ASME SA 479M標準及用戶采購規范進行制造,在 普通TP304不銹鋼基礎上控制N和Co元素含量 以滿足核電材料的特殊要求。 


     該TP304不銹鋼矩形管的外形尺寸及公差見圖,與常見的等壁厚方管相比,其工藝特點為:①為保證管體材質性能均勻一致,設計方要求 采用無縫鋼管熱擠壓+冷加工成型工藝 ,排除了異型鋼管生產通常采用的板材成型+焊接工藝 ;②產品外形尺寸較大,冷加工所用圓管外徑超過240mm,所需變形力大;③對單邊平面度及管體彎曲 度要求高,對冷加工精度要求很高;④最終成品管 要求經固溶退火處理,但高溫熱處理對產品外形易造成影響。


一、變形工藝分析


    大直徑異型不銹鋼無縫鋼管的生產方法有熱擠壓、冷軋、滾模拉拔、固定模拉拔等。由于對該核電用TP304不銹鋼矩形管的尺寸精度要求較高, 采用直接熱擠壓至成品管的方法不適用(熱擠壓管的壁厚精度在±0.5 mm以上,且表面粗糙度較高);而滾模拉拔適用于拔制帶棱角的異型管, 對于此大圓弧角方形截面管也不適用;因此,最終確定采用圓管定徑定壁后經鑒定模拉拔至最終尺寸的固定模拉拔方法進行生產。


    相對于其他生產工藝,固定模拉拔存在拉拔力較大,產品表面容易拉傷等問題;如何通過工藝與模具設計解決這些問題, 是 TP304不銹鋼矩形管研發工作的重點和難點。


   在不銹鋼圓管空拔至方管的過程中, 金屬質點的運動主要是橫向移動, 靠拉拔外模給予的徑向壓力實現。圓管空拔時,若管體受到的徑向均布壓力q超過臨界圧力gk,管壁將發生塑性彎曲,即失穩,設計成品截面形狀將被破壞。臨界壓力qk可按下式計算:


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


式中N--邊數,為大于等于2的整數;


S--圓管壁厚, mm;


σs--圓管屈服強度, MPa;


R--圓管半徑, mm;


Et--圓管正切模量, GPa。


    根據式( 1 )計算, 如采用不銹鋼圓管一道次空拔至方管的工藝,臨界壓力qk=69.2kN;而根據試驗中拉拔力算得定徑段管壁受到徑向均布壓力q =89 kN> qk,即難以保證拉拔后各邊充滿孔型,在試驗中也證實了這一點。


    由于空拔至不銹鋼矩形管時邊部與角部金屬流動速度不同, 會造成邊部與角部壁厚不同的現象。 根據試驗結果, 空拔后方管角部增厚比邊部大0.2~0.4 mm。


    襯拉對不銹鋼方管的四角支撐性較好, 提高了拔制穩定性,但采用同管1道次帶內模襯拉至成品的工藝,由于圓變方變形與減壁變形同時進行,拉拔力過大,會.導致拉拔頭斷裂,如圖3所示。


    綜合以上分析, 最終決定采用圓管定徑定壁后, 1道次空拔至較大尺寸方管,加l道次襯拉至最終尺寸的工藝 。


 二、第1道次空拔變形設計


   對于異型管空拔變形過程,周邊壓縮系數是最關鍵的參數, 其表示拉拔前圓管周長與成品管周長的關系, 只有將周邊壓縮系數控制在一個適當范圍才能保證空拔后產品截面形狀。第 1 道次空拔變形的周邊圧縮系數設為η1。 為選取最優化的η1值,采用 Pro/E軟件建立拉拔件和拉拔模模型,采用 MARc有限元軟件對拉拔變形過程進行模擬。取η1從1.00至1.20,間隔 0.01共21個數值,分別模擬拉拔后產品截面形狀。模擬結果表明:η1<1.08時方管四角無法完全充滿孔型,η1>1.15時方管四邊會產生內凹。在兩種周邊壓縮系數情況下, 拉拔??仔统錆M情況如圖5所示。最后選取η1=1.10,經過試驗證實此η1 值合適。


   根據成品管尺寸算出第1道次空拔后不銹鋼方管尺寸:口225mmx13.5mm,四角圓弧r1=38mm。計算得出所需圓管的外徑為265mm。


三、第2道次襯拉變形設計


   第2道次襯拉最重要的參數為減壁量.如果沒有減壁, 在管壁與芯棒接觸之前就會出現管壁失穩, 由于不銹鋼管的彈性恢復, 失穩情況不可能得到完全糾正。通常小尺寸異型管拉拔減壁量取 0.05~ 0.30mm,經試驗證實該取值對本產品來說過小, 會導致拔制后各邊平面度較差。對于不銹鋼鋼管,增大減壁量可消除第1道次空拔過程中產生的不均勻壁厚增加;同時會加大變形延伸系數,保證成品管晶粒度≥4級的要求.但減壁量大會導致出現拉拔力増大的問題 。 在一次試驗中設計減壁量為1.2mm,發生了拉拔頭斷裂、芯棒在管內卡死的情況。經過反復試驗,最終設定減壁量為0.5mm,延伸系數為1.173。相對于較大的產品尺寸, 小減壁量對拉拔模具加工精度提出了更高要求。


    同時,第2道次周邊壓縮系數η2也是需要考慮的參數, η2=(襯拉前方管周長)/(襯拉后方管周長)。η2值太大,金屬在孔型入口處就已充滿,并使平面部分起皺,導致內模不能進入定徑帶而拔出廢品:η2值太小,內模無法進人管內,拉拔過程無法實現。 根據試驗結果, 選取η2=1.10。


    綜上所述,得出全部變形工藝如下:熱擠壓荒管尺寸 311mmx24 mm;經三輥冷軋機冷軋至圓管尺寸 265mmx13.5 mm,延伸系數2.029;第1 道次空拔后方管尺寸225 mmxl3.5 mm,四角圓弧r1=38mm;最終尺寸203.2mmxl2.7mm,四角圓弧 r.=32 mm。 TP304不銹鋼成品方管如圖7所示。


四、拉拔模設計


4.1 第1道次空拔


  為提高拉拔過程的穩定性,第1道次空拔模采用弧形模。在第1道次拔制時,圓管進入??讜r圓周上各點并非同時與模壁接觸,為減少沿周長上變形的不同時性, 設計拉拔模入口時應盡量增加初始接觸面積,以避免截面變形過程出現失穩??瞻位⌒文等鐖D所示, 其入口錐是由4個二次曲面組成的喇叭口, 二次曲面與定徑帶方柱體的表面相交形成過渡區.入口錐曲面參數如圖所示。


    對于圓變方變形,當入口錐角α過大時,軸向延伸小, 容易出現邊部過充滿和平面凹陷的缺陷; 根據有限元計算結果, 設計了45°→12°漸變入口錐角。為使四邊圓滑過渡,設計了“舌形”過渡帶,同時打磨連接部至同沿無梭角。


    在模具材質選擇上, 先后試驗了硬質合金YG8, 工具鋼Cr12Mov、 T8A等。碳化鎢硬質合金模硬度高,抗磨性好,但價格昂貴;與硬質合金相比,鋼模成本低易加工,但容易產生拉毛缺陷,需經常打磨。由于此管拉拔力較大,在試驗中鋼模磨損很快,每根拉拔后都需打磨外模過渡段和定徑段,每個模具壽命僅為3~8根管,成本反而高于硬質合金模。最后選擇了 YG8外模+鋼質模套+T8A 內模的材質。


4.2 第2道次襯拉


   對第2道次方管襯拉, 由于周長方向為不均勻變形, 且接觸面較大, 如何減小拉拔力是模具設計的重點。有限元模擬在優化模具設計,計算最小拉拔力方面,發揮了重要作用。通過模擬不同變形段參數設計的拉拔力,選取了拉拔力最小最穩定的模具設計, 節省了實際試驗所需的大量時間和成本。


    在外模的入口處設計了12°的錐角,且入口處寬度為233.9mm,大于不銹鋼方管外部的寬度225mm, 保證了第1道次圓變方后的不銹鋼矩形管能夠較平緩的進入外模定徑帶。


采用錐形外模和柱形內模, 外模定徑帶長度25mm,內模前端倒角5x45°,角部倒角7x45°, 定徑段長度100 mm。


   5 結 論 


  (1)對于核電用大尺寸異型管 ,采用固定模拉拔成型工藝是可行的,與焊接成型管相比,其成品 材質性能均勻一致,且省去了焊縫的檢驗過程 。 


  (2)對于固定模拉拔大尺寸方管 ,相對于直接 襯拉成型和直接空拔成型,1道次空拔+1道次襯拉 工藝對于減小拉拔力 ,提高成品尺寸精度具有較好的效果 。 


  (3)對于邊長 200 mm左右方管的拉拔工藝 , 周邊壓縮系數1.06~1.14是適用的。 


  (4)對于邊長 200 mm左右的方管拉拔 ,0.05 ~ 0.30 mm 的減 壁量是 不夠的,應增加 到 0.8~1.0 mm??紤]到拉拔頭焊接強度限制,更大的減壁量也是不必要的。


本文標簽:不銹鋼矩形管 

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