核电大口径厚壁长管件垂直挤压工艺与质量控制技术学习体会

项目背景与技术挑战

2014年，北京机电研究所先进制造技术与装备研究中心承担的"核电大口径厚壁长管件垂直挤压工艺与质量控制技术"项目获得北京市科学技术奖三等奖。该项目源于国家科技重大专项，由北京机电研究所承担，内蒙古北方重工业集团有限公司、天津理工大学、内蒙古工业大学参与，于2011年5月通过验收。

核电大口径厚壁长管件是核岛一回路冷却剂系统的关键部件，其制造难度极高，长期以来依赖进口。该项目的成功实施标志着我国在该领域实现了重大技术突破。

核电管件的技术要求

核级管件的材料和工艺要求远高于常规工业管件，主要体现在：

垂直挤压工艺原理与优势

工艺原理

垂直挤压（又称纵向挤压）是将加热后的管坯置于垂直方向的模具中，通过上下运动的下挤压头对管坯施加轴向压力，使其在模具型腔内发生塑性变形，最终形成管件形状。

与传统水平挤压相比，垂直挤压具有以下优势：

工艺窗口设计

核电厚壁管件的垂直挤压工艺窗口设计是核心技术难点：

加热制度：

• 加热温度：1050～1150°C（根据钢种调整）
• 保温时间：30～60 min
• 加热方式：井式炉或感应加热
• 装炉方式：管坯水平放置，两端支撑

挤压参数：

• 挤压温度：1000～1100°C（出炉后快速转运）
• 挤压速度：2～10 mm/s
• 挤压比：根据管件形状确定
• 润滑方式：石墨乳或玻璃润滑剂

模具设计：

• 模具材料：H13热作模具钢或硬质合金
• 模具预热温度：200～400°C
• 模具寿命：通常5～15次挤压
• 模具冷却方式：风冷或水冷

质量控制体系

核级管件的质量控制遵循PDCA循环，建立全过程质量控制体系：

原材料控制（Plan）

过程控制（Do）

• 加热过程：温度监控（热电偶）、保温时间记录
• 挤压过程：力-位移曲线记录、温度在线监测
• 冷却过程：空冷或缓冷（根据钢种要求）

成品检验（Check）

持续改进（Act）

• 工艺参数优化：根据检测结果反馈调整挤压参数
• 模具寿命管理：建立模具使用台账，预测更换周期
• 缺陷分析：对每次出现的缺陷进行根本原因分析
• 工艺文件更新：将经验教训纳入工艺规程

关键技术难点与解决方案

壁厚均匀性控制

大口径厚壁长管件在挤压过程中，由于变形不均匀，容易出现壁厚偏差。解决方案包括：

1. 优化模具型腔设计，采用渐变性压缩角
2. 精确控制挤压速度和温度
3. 采用力-位移闭环控制
4. 挤压后在线测量，实时反馈调整

表面质量

核电管件表面不允许有任何裂纹、折叠、划伤等缺陷。控制措施包括：

• 模具表面精加工（Ra≤0.4μm）
• 使用高质量润滑剂
• 严格控制加热温度，避免表面氧化
• 挤压后及时清理，防止氧化皮粘附

残余应力控制

厚壁管件在挤压和冷却过程中会产生较大残余应力，影响后续焊接和服役性能。解决方案：

• 挤压后缓冷（炉冷）
• 去应力退火（650～750°C，保温2～4h）
• 残余应力检测（X射线衍射法）

学习心得与行业展望

这个项目的成功实施，代表了中国核电装备制造能力的重大提升。从技术角度看，垂直挤压工艺在核电管件制造中的应用，解决了传统锻造+焊接工艺中焊接接头可靠性不足的问题，实现了管件的"近净成形"，大幅减少了焊接量，提高了产品可靠性。

从质量控制角度看，核级管件的质量控制体系为常规管件生产树立了标杆。其全过程可追溯、全参数监控、全尺寸检测的理念，值得所有管件生产企业学习借鉴。

从行业发展角度看，核电管件国产化是"中国制造2025"的重要组成。随着华龙一号、CAP1400等自主核电技术的推广应用，对国产核级管件的需求将持续增长。垂直挤压工艺作为其中的关键技术，其持续优化和创新将为中国核电装备的自主化提供坚实支撑。