Требования, предъявляемые к надежности и безопасности электростанций, становятся жестче из-за необходимости более быстрого проведения обслуживания и ремонта. Уменьшению количества сварных швов при сборке реакторного блока уделяется особое внимание и, как следствие, возникает вопрос создания более крупных и совмещенных элементов [1].

Особую потребность представляют реакторы, в которых применяются элементы со значительной разницей в размерах поперечного сечения. Такие элементы применяются в реакторах, производителями которых являются Китай - ACP-100, CNP-300, HTR-PM, CAP1400RPV, Южная Корея - System Integrated Modular Advanced Reactor, США - mPower, GT-MHR, EM2, Индия - AHWR-300-LEU, Россия - ABV-6M, RITM-200, VBER-300 [2].

Ранее большинство элементов реакторного блока, со значительной разницей поперечного сечения, изготавливались с помощью сварки. Это ограничивало срок эксплуатации узла и, как следствие, всего реактора. Этот недостаток был исправлен с помощью ковки цельных поковок, которые не имели сварочных швов. Однако при их изготовлении происходят значительные потери материала. Большой объем металла удаляется механически, а это означает, что значительное его количество идет в отходы. Происходит быстрый износ режущего инструмента. Также имеют место большие нормо-часы, которые идут на механическую обработку. Это влечет за собой увеличение себестоимости изготовления элементов реакторного блока, которые имеют сложный профиль.

В литературе приведено мало примеров ковки поковок обечаек со значительной разницей в размерах поперечного сечения. Изготовление подобных поковок часто происходит на кольцераскатных машинах или автоматах. Получение ковкой обечаек со значительной разницей в размерах поперечного сечения, наиболее близких по форме к требуемой детали, является актуальной проблемой для современной промышленности.

Целью работы является анализ способов изготовления крупных обечаек с фланцем или буртом или со сложной внешней или внутренней поверхностью.

Изготовление таких деталей включает большое количество металлургических переходов. Это, прежде всего, выплавка стали и разливка ее в слитки, нужной формы и массы, дальнейшая термодеформационная обработка. Технологии обработки, прежде всего технологии ковки, являются ключевыми в формообразовании поковок ответственного назначения.

Обечайки получают как из обычных слитков, так и из полых [3, 4]. Анализ способов изготовления таких поковок позволил установить, что уже имеется значительный опыт применения обоих типов слитков. Необходимая форма поковки получается как за счет особой формы заготовки, так и за счет применения профилированных бойков, которые приближают форму поковки к форме нужной детали. Из анализа литературных источников было установлено, что наиболее всего востребованы детали конической, сферической и ступенчатой форм [2, 5-7].

Способ получения поковки в виде усеченного конуса предусматривает использование конической оправки как для получения заготовки для раскатки [8], так и раскатки на ней заготовки для полученной готовой поковки [9]. В первом случае (рис.1, а) в заготовке формируется внутренняя коническая поверхность, а внешняя остается цилиндрической. Полученную заготовку раскатывают на цилиндрическом дорне. При раскатке край заготовки с меньшим внутренним диаметром быстрее увеличивается в диаметре, из-за большой толщины стенки, и таким образом формируется поковка в виде усеченного конуса. Во втором случае (рис.1, б) оправку устанавливают таким образом, что ближайшая к бойку образующая параллельна плоскости бойка. Из-за разной площади контакта заготовки и оправки возникает конус, а из-за параллельности поверхности бойка и поверхности стенки её толщина не изменяется.

Рис. 1. Способы получения конической обечайки:

а - раскатка заготовки с конической внутренней поверхностью на цилиндрическом дорне; б - раскатка заготовки с цилиндрической внутренней поверхностью на конической оправке

Известен также способ изготовления поковок в форме усеченного конуса с постоянной толщиной стенки, который предусматривает раскатку ступенчатой заготовки в виде концентрических, последовательно уменьшающихся в диаметре от одного торца к другому цилиндрических уступов (рис.2, а) [10]. Известно применение этого способа японской компанией Japan Steel Works Ltd, при получении конусной части корпусов ядерного реактора и парогенератора [1]. Данный способ применялся на различных заводах, таких как Siemens AG (KWU), Thyssen Henrichshiitte, Schmiedewerke Krupp-Klfckner [11].

Ступенчатую заготовку предложено использовать для получения конической поковки с цилиндрическим участком (рис.2, б) [12]. Однако в данном случае необходимо использовать специальный инструмент. Процесс ковки включает в себя следующие операции: протяжка слитка, вырубка блока, осадка, прошивка, протяжка на оправке и формирование ступенчатой заготовки, затем с помощью основного валка, дорна и плоского бойка куется конусообразная поковка. На последнем переходе, используя специальное приспособление, куется прямой цилиндрический участок. В работе исследован процесс формирования конической обечайки с цилиндрическим участком для парогенератора AP1000.

Способ изготовления конической обечайки с двумя цилиндрическими прямыми участками (рис.3) предусматривает применение заготовки с конусной наружной поверхностью. При раскатке такой заготовки (рис.3, а) образуется коническая поковка, за счет изменяющейся толщины стенки. На последнем этапе (рис.3, б) для получения необходимой поковки использовался боёк и оправка седловидной формы [1, 13].

Для получения сферических поковок предлагается использовать специальные сферические бойки и дорн. Способ получения сферических бойков с внешней сферической поверхностью (рис.4, а, б) предусматривает использование бойков сферической формы как для получения заготовки перед раскаткой, так и для окончательной раскатки. Данный способ был на ПАО "Новокраматорский машиностроительный завод" [14] и ПАО "Энергомашспец - сталь". Для ковки поковок с внутренней и внешней сферическими поверхностями (рис.4, в) предложено использовать боёк со сферическим вырезом и бочкообразную оправку [15]. Для обеспечения заданной формы внутренней сферической полости поковки предлагается менять оправки с меньшей бочкой на большую, которая соответствует диаметру отверстия сферической заготовки. Эти способы расширяют технологические возможности получения поковок, близких по форме и размерам к готовым деталям, что приводит к уменьшению расхода металла и трудоемкости механообработки.

электростанция пустотелая поковка фланец бурт

а б

Рис.2. Пример использования ступенчатой заготовки (а) для получения конусной поковки (б)

а б

Рис. 3. Получение заготовки (а) и окончательная ковка (б) изготовления конической обечайки c двумя цилиндрическими прямыми участками

Детали со ступенчатой формой наиболее распространены в конструкциях атомных энергоблоков. И поэтому их изготовлению уделяется большое внимание.

Для решения задач получения поковок со ступенчатой формой поперечного сечения на Japan Steel Works, Ltd (JSW) разработаны специальные процессы ковки (рис.5) [1]. Схемы ковки, приведенные на рис.5, используются для производства следующих элементов реакторного блока: конусная ковка (а) для конусного корпуса парогенератора; волновая ковка (б) - нижний корпус парогенератора; ковка с внешним уступом (в) и ковка с внутренним выступом (г) - фланцевые корпуса реактора высокого давления; местная раскатка (д) - нижний корпус реактора высокого давления.

а б

Рис.4. Способы получения сферических поковок: а - получение сферической заготовки; б - получение поковки с внешней сферической поверхностью;

Элементы корпуса реактора, представленные на рис.6, получают путем раскатки обечайки с помощью ступенчатого бойка. Такая конструкция обеспечивает следующие преимущества: уменьшается количество операций и, соответственно, сокращаются сроки изготовления. На рис.6, а приведены примеры комбинированной поковки корпуса фланца с поясом патрубков, изготовленные из слитков массой 400 т и 500 т, соответственно [1]. Для реактора CAP1400 было отковано две крупногабаритные обечайки [16]. Одна с внешним фланцем (рис.6, б), другая с внешним фланцем и боковыми патрубками (рис.6, в), которые были получены штамповкой.

а

Особенность получения элементов реакторного блока, приведенных на рис.6, заключается в том, что обечайки с фланцем ковались с применением ступенчатого верхнего бойка. Последовательность ковочных операций для получения таких обечаек, приведенная на рис.7, применялась для изготовления поковки зоны патрубков, соединенной с фланцем, для атомного реактора, разработанного компанией AREVA [17]. Слиток массой 500 т использовался для изготовления этой поковки. Это была первая большая поковка изготовлена на новом 14000 т прессе, установленном на JSW в 2003 году.

Рис.5. Способы ковки поковок со ступенчатой предложенные JSW

Рис.6. Элементы корпусов реакторов:

Рис. 7. Последовательность ковки интегрированной поковки зоны патрубков, совмещенной с фланцем: 1 - рубка донной и прибыльной частей; 2 - осадка и прошивка; 3 - протяжка на оправке и предварительная раскатка; 4 - присадка; 5 - протяжка на оправке; 6 - раскатка; 7 - присадка; 8 - окончательная рас катка; а, б - c фланцем и патрубками; в - с фланцем

Прибыльна и донная части были отрублены для получения такой поковки, затем слиток был осажен, прошит, протянут на оправке и раскатан, чтобы получить необходимую форму, которая включала уступ на участке между фланцем и зоной патрубков. Зона патрубков и фланец имели толщину около 700 мм. Подобная технология ковки применялась и при производстве обечайки с фланцем из слитка 500 т [18].

Выводы