超超临界机组主蒸汽管道用斜三通外廓自由锻成形方法与流程

本发明属于锻造技术领域，适用于大型发电机组的主蒸汽管道斜三通的自由锻成形工艺。

背景技术：

目前我国新建的发电机组，单机容量越来越大。因为单机容量越来越大，单位功率的投资成本也就越低，而且机组的热效率也越好，还可以降低电站的投资和运行成本。许多1000MW机组目前都采用超超临界蒸汽压力，其压力达到了32MPa，温度超过600℃。主蒸汽管道作为蒸汽传输的载体，必须承受着高温高压，普通的奥氏体钢已经难以承受如此恶劣的工作环境。而蒸汽管道用斜三通，起到分流蒸汽作用，不仅承受着高温高压，还有复杂的交变载荷，高温蒸汽对三通的冲击，腐蚀，极易发生疲劳，蠕变损伤现象，导致降参数运行，严重时甚至导致生产事故的发生。传统的斜三通一般采用焊接或铸造成形，而锻造具有更好的力学性能，和显微组织状态，因此提出了锻造生产斜三通的方法。

斜三通属于异型件，于尺寸较大且市场需求量不大，而且尺寸规格种类较多，采用模锻成形成本较高，工期较长。因此提出了自由锻成形斜三通，自由锻需要克服的难点主要为斜三通外廓成形的方法，同时还要求获得良好的应力应变场量。

技术实现要素：

针对斜三通的外形，以及工作环境，本发明主要是提供一种斜三通的自由锻成形工艺，不仅材料利用率高，生产效率高，而且具有良好的应力应变场量分布，而且内部显微组织均匀致密，纤维流线方向与三通外形一致。

本发明的技术方案如下：超超临界机组主蒸汽管道用斜三通外廓自由锻成形方法，具体步骤如下：

(1)坯料选择：选择P91材料，铸成多棱柱坯料，坯料重量为成品重量的1.2-1.5倍；

(2)坯料加热；将坯料分段加热至初锻温度，当坯料表面温度低于终锻温度时回炉再加热；坯料的初锻温度为1100-1050℃，终锻温度为900-950℃；根据材料的热导率，以及比热容的变化，制定合适的加热工艺，避免产生温度应力并保证锻件心部热透。

(3)锻坯下料：将步骤(2)中分段加热后的坯料从加热炉中取出，剁切头尾，冒口剁切量为坯料长度的7-9％，尾端剁切量为坯料长度的5-7％；去除氧化皮，形成锻坯；

(4)锻坯镦拔：每个镦拔组合包括一次镦粗，两次拔长，具体如下：将锻坯镦粗，镦粗比为2-2.5，镦粗之后再进行一次压方，然后对压方后的坯料用上下窄平砧进行一次拔长，拔长时上砧的下压率为25％-30％，拔长完一次后将坯料沿轴向旋转90度，再用上下窄平砧进行第二次拔长，拔长时上砧的下压率为25％-30％；

(5)锻坯成形：将坯料镦粗，再倒下，修整成方坯(形状接近于正方体)；将方坯放入凹角大于90°的上下V形砧，压成截面为菱形的柱体，再将坯料沿轴向旋转90度，在凹角大于90°的上下V形砧中再次压成菱形；而后将坯料放入凹角为90°的下V形砧，用上平砧下压，直至坯料截面形状近似于斜三通外形；再将坯料立起，放入上下平砧，用上平砧下压，形成斜三通的外廓形状；

(6)利用下平砧，上窄平砧进行三通外形修整，而后进行冲孔工艺。

进一步的，步骤(4)所述锻坯镦拔包括至少两个镦拔组合。

进一步的，步骤(5)中所述上下V形砧的凹角为不大于120°的钝角。

进一步的，步骤(5)在上下V形砧之间锻压前，被修整后的坯料沿轴向截面为正方形，轴向长度略小于截面边长。

进一步的，步骤(5)在上下V形砧之间锻压时，如果轴向伸长过长，导致下一步坯料的截面无法成形出菱形，可将坯料立起，沿轴向下压，直至可确保截面能够再次形成菱形，而后再放入上下V形砧锻压。

进一步的，步骤(2)所述分段加热：首先将坯料加热至580℃—620℃，保温3小时；再以55℃/h—60℃/h加热至830℃—870℃；保温4小时；再以78℃/h—82℃/h加热至1100℃；保温4小时，从而形成锻造加热坯料。

本发明的有益效果：依据斜三通的整体外形，确定了锻件的镦粗，拔长，成形工序。不仅保证了金属纤维组织的连续性，完整性，同时还保证了金属纤维组织方向与斜三通外形的一致性，还可使得冲孔后的主管与支管内壁的的应变场量分布沿管道轴向均匀一致。此锻造生产斜三通工艺方法不存在小变形区域或难变形区域，打碎了金属的铸态组织，有效的降低了疏松，夹杂对三通性能的影响，具有良好的力学性能。

附图说明

图1为斜三通的主剖视图。

图2为斜三通的左视图。

图3为斜三通的外廓成形工艺流程图。

图4为使用Deform-3D软件模拟后得到的斜三通内部等效应变分布云图。

图5为三通的等效应变分布云图。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明的技术方案作进一步阐释。

如图1、图2所示，是用于超超临界发电机组主蒸汽管道用的斜三通，该斜三通成品质量约15T，外形带有棱边和棱面结构，三通主体分为主管道和支管道，二者交叉相通。支管孔位于主管道的上V形凸台上，主支管孔中心轴线夹角为45°。主管孔的孔壁厚度至少为孔径尺寸的2倍，主管孔的深径比至少为8，主管孔的长度为2300mm，支管孔的长度为1450mm。

图3为本斜三通的锻造工艺流程图，细虚线部分为锻件该工步前轮廓线，粗实线为锻件在该工步完成后的轮廓线。材料选用P91铸造而成的八棱柱坯料，坯料重量为18T。

首先对坯料进行加热，提高坯料的塑性。根据Gleeble试验得出，P91材料的最佳热加工温度范围在750℃和1100℃之间。成型加工，如锻制和镦粗温度应在1100-1050℃。坯料表面温度低于900℃时候可以回炉再加热，以保证坯料始终具有较好的塑性。由于坯料尺寸较大，而且比热容和导热性能不断变化，为了获得良好的温度场，使得锻件热透，采用分段加热的方式。首先将坯料加热至580℃—620℃，保温3小时；再以55℃/h—60℃/h加热至830℃—870℃；保温4小时；再以78℃/h—82℃/h加热至1100℃；保温4小时，从而形成锻造加热坯料。

锻坯下料。将上述加热后的坯料从炉中取出，送至大型液压机，以剁刀为上砧对加热坯料切剁头尾，以保证有用坯料的质量，其冒口端切剁量为坯料长度的8％，尾端切剁量约为坯料长度的6％，用钢锤敲击切除头尾的坯料，以去除坯料外层的氧化皮，形成锻坯。

锻坯镦拔。包括两个镦拔组合。每个镦拔组合包括一次镦粗，两次拔长，具体如下：将锻坯镦粗，镦粗比为2-2.5，镦粗之后再进行一次压方，然后对压方后的坯料用上下窄平砧进行一次拔长，拔长时上砧的下压率为25％-30％，拔长完一次后将坯料沿轴向旋转90度，再用上下窄平砧进行第二次拔长，拔长时上砧的下压率为25％-30％。可以保证锻件内部的疏松，缩孔有效地闭合，得到较好的锻造组织。

锻坯成形。将镦拔之后的坯料沿轴向镦粗至高度1200mm，然后倒下，垂直于轴线下压一定距离，再旋转90°下压，再立起锻压降低高度，最终成截面为正方形的四棱柱，四棱柱的高度略小于截面边长。然后将该坯料放入下V形砧，用上V形砧下压，V形砧的凹角均为120°，下压直至上、下V形砧近乎接触，此时，坯料的截面成为菱形。再将坯料立起，放在下平砧 上，用上平砧下压，适当降低坯料高度。而后再次放入下V形砧，用上V形砧下压，此时坯料截面的两个锐角分别与上、下v形砧凹角接触，再次下压，直到截面再次形成菱形。而后，将坯料放入下V形砧，此V形砧的凹角为90°，用上平砧下压，直至坯料截面形状近似于斜三通外形。再将坯料立起，放在下平砧上，用上平砧下压，降低厚度。最后用下平砧，上窄平砧修整外形，最终成形出斜三通的外廓形状。而后可以进行冲孔工艺。

现有的斜三通外廓成形工艺如下：

(1)选取大小合适的坯料，分段加热至1100℃。

(2)对坯料进行多次镦拔，锻合铸态缺陷。

(3)对坯料进行镦粗，再垂直轴向压方，再立起，沿轴向压扁，最终形成正方形饼状。将坯料放入下V形砧，凹角为90°，用上平砧下压。形成近似的斜三通外形，最后用窄平砧修整。

以Deform-3D为平台，搭建有限元数值模拟模型，对现有工艺进行了模拟。现有工艺获得的斜三通等效应变场分布如图4所示。由于冲孔对于应变场量的影响较小。所以最后得到的主管和支管的内壁应变分布不均，尤其是支管部分，不同部位内壁的质量差异较大。同时主管与支管的夹角区域内，其应变不仅较小，而且分布不均，起不到锻造强化的效果。而实际使用过程中，主管与支管的夹角区域，承担着分流作用，不断受到交变载荷的影响，因此该区域的强化对于斜三通的质量至关重要。

本发明使用上述工艺最终得到的三通的等效应变分布云图如图5所示。由图可见，不论是主管还是支管，三通的等效应变在沿管道轴向的分布基本都是均匀一致的，而且越靠近管道内侧应变越大，可以对金属基体产生较好的强化，提高其耐久性能。而且三通外廓成形后的冲孔工序对于三通的整体应变场量影响很小，因此此种自由锻成形工艺能够生产出性能优越的三通。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。