430不銹鋼管-TP304不銹鋼方管成型方法
發布于：2019-01-28 09:45:37 點擊量：1085
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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不銹鋼方管，AP1000反應堆余熱排出換熱器內部結構如圖1所示，所用TP304不銹鋼方管根據 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不銹鋼方管的外形尺寸及公差見 圖2和表1，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240 mm，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。
_x000d_1 變形工藝分析
_x000d_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不銹鋼方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。
_x000d_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不銹鋼方管研發工作的重點和難點。
_x000d_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:
_x000d_qk=[(N2-l )Sσs]/{R[ 1+(4σsR2)/(EtS2)] } (1)
_x000d_式中N--邊數,為大于等于2的整數;
_x000d_S--圓管壁厚, mm;
_x000d_σs--圓管屈服強度, MPa;
_x000d_R--圓管半徑, mm;
_x000d_Et--圓管正切模量, GPa。
_x000d_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。
_x000d_由于空拔至不銹鋼方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。
_x000d_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。
_x000d_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 。
_x000d_2第1道次空拔變形設計
_x000d_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。 周邊壓縮系數77可根據下式計算:
_x000d_η=πD0/L0 (2)
_x000d_式中 D0一同管直徑, mm;
_x000d_L0一拉技后截面周長, mm。
_x000d_根據現有生產經驗, 對于小直徑圓管變方管拉拔,η一般取1.06~1.14.
_x000d_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, 拉拔模孔型充滿情況如圖5所示。最后選取η1=1.10,經過試驗證實此η1 值合適。
_x000d_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265 mm。
_x000d_3 第2道次襯拉變形設計
_x000d_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~ 0.30 mm,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。
_x000d_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。
_x000d_綜上所述,得出全部變形工藝如下:熱擠壓荒管尺寸 311 mmx24 mm;經三輥冷軋機冷軋至圓管尺寸 265 mmx13.5 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。
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