《1000MW級核電汽輪機組整鍛低壓轉(zhuǎn)子鍛件 技術(shù)條件》編制說明

《1000MW級核電汽輪機組整鍛低壓轉(zhuǎn)子鍛件技術(shù)條件》團體標(biāo)準(zhǔn)

編制說明

一、工作簡況

1.1任務(wù)來源

本標(biāo)準(zhǔn)由中國第一重型機械股份公司提出，經(jīng)中國鍛壓協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)委員會批準(zhǔn)，列入2022

年團體標(biāo)準(zhǔn)制修訂計劃項目，項目名稱為《1000MW級核電汽輪機組整鍛低壓轉(zhuǎn)子鍛件技

術(shù)條件》，項目編號為TBJHCCMI010-2021。

本標(biāo)準(zhǔn)主編單位為中國第一重型機械股份公司

本標(biāo)準(zhǔn)參編單位為哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司、上海電氣電站設(shè)備有限公司。

1.2項目背景和意義

為保證21世紀(jì)我國能源的可持續(xù)發(fā)展，發(fā)展核電是唯一可以大規(guī)模取代化石燃料的成

熟的清潔能源。在核電裝備領(lǐng)域，根據(jù)中國核電中長期發(fā)展規(guī)劃，到2020年核電裝機容量

將達到5800萬千瓦，平均每年新增2--3套百萬千瓦核電機?！胺e極”的核電發(fā)展政策為我

國發(fā)展核電事業(yè)提供了前所未有的機遇和廣闊的市場空間。目前，全球核電已進入了一個高

速發(fā)展時期，為了改善能源結(jié)構(gòu)，各工業(yè)發(fā)達國家和發(fā)展中國家都在積極致力于核電的發(fā)展。

目前國內(nèi)核電機組整鍛低壓轉(zhuǎn)子鍛件是按日本三菱為中國鍛件制造廠制定的標(biāo)準(zhǔn)進行

生產(chǎn)制造，并且多項驗收指標(biāo)不明確，需要三菱判定是否合格，國產(chǎn)化進程受制于人。編制

此標(biāo)準(zhǔn)是為改變國內(nèi)大型核電汽輪機整鍛低壓轉(zhuǎn)子鍛件無國產(chǎn)適用標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀，為實現(xiàn)核電

機組國產(chǎn)化和國際化推廣提供堅實的技術(shù)支撐，具有良好的社會效益和巨大的經(jīng)濟效益。

中國一重按三菱針對中國制定的核電汽輪機組整鍛低壓轉(zhuǎn)子鍛件技術(shù)條件（嚴(yán)于三菱原

標(biāo)準(zhǔn)）已生產(chǎn)了海陽4#機組、陸豐2#機組共6支低壓轉(zhuǎn)子鍛件，其中海陽4#機組的3支低

壓轉(zhuǎn)子鍛件各項指標(biāo)全部滿足技術(shù)要求，并于2019年成功通過竣工驗收和產(chǎn)品國產(chǎn)化鑒定，

中國一重成為國內(nèi)唯一生產(chǎn)大型核電汽輪機組整鍛低壓轉(zhuǎn)子鍛件的制造商、唯一具有成熟制

造經(jīng)驗的企業(yè)，具備編寫該標(biāo)準(zhǔn)的資格和條件。

1.3主要工作過程

制定組全面調(diào)研了國內(nèi)外1000MW核電高壓轉(zhuǎn)子的產(chǎn)品技術(shù)條件，同時對我國高壓轉(zhuǎn)

子鍛件的市場需求和生產(chǎn)廠家現(xiàn)狀深入了解，同時也對比評價了國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品各項檢測數(shù)

據(jù)，確定了標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容。并通過中國鍛壓協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)委員會提出制定標(biāo)準(zhǔn)的建議。

立項申請通過后，按后續(xù)計劃開展標(biāo)準(zhǔn)制定工作。

1.4標(biāo)準(zhǔn)主要起草人及其所作的工作

標(biāo)準(zhǔn)主要起草人員：張金珠、于秀平、芮守泰、曹志遠、張國利、趙義翰、陳紀(jì)偉、宮

金鑫。

起草人張金珠、于秀平、芮守泰、曹志遠、張國利來自中國第一重型機械股份公司，負

責(zé)基礎(chǔ)研究和模擬實驗、數(shù)值模擬、試驗件生產(chǎn)及解剖分析檢測等，并制定產(chǎn)品制造過程中

的各項熱加工工藝參數(shù)、制造過程工藝控制和實施等各項技術(shù)工作。

起草人趙義翰來自哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司，根據(jù)產(chǎn)品使用環(huán)境和工況提供產(chǎn)品性

能指標(biāo)要求和無損探傷要求。

起草人陳紀(jì)偉和宮金鑫來自上海電氣電站設(shè)備有限公司，二者作為轉(zhuǎn)子汽輪機設(shè)計方的

技術(shù)人員，對轉(zhuǎn)子各項性能指標(biāo)和檢測標(biāo)準(zhǔn)提供合理建議。

二、標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容論據(jù)

根據(jù)1000MW核電常規(guī)島整鍛低壓轉(zhuǎn)子超大、超長及綜合性能高等技術(shù)要求開發(fā)出的

熱加工制造技術(shù)，一重圍繞1000MW核電整鍛低壓轉(zhuǎn)子研制中的煉鋼、鑄錠、鍛造、熱處

理機械加工等制造技術(shù)開展研究，解決技術(shù)難題，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子國產(chǎn)化。按照轉(zhuǎn)子研制技術(shù)路線

進行了如下六方面的研究工作：

（1）采用理論分析與物理模擬和數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合的方法開展基礎(chǔ)研究，為確定制

造工藝提供依據(jù)。

（2）采用600噸級鋼錠解剖獲得鋼錠原始鑄態(tài)成分、偏析、夾雜物、孔洞、和組織的

分布規(guī)律為600噸級鋼錠的冶煉和鍛造工藝指引了研制方向。

（3）0#試驗轉(zhuǎn)子進行工藝方法和制造能力的工程試驗，獲得制造經(jīng)驗，為核電低壓轉(zhuǎn)

子研制奠定了基礎(chǔ)。

（4）整鍛低壓轉(zhuǎn)子鍛件整體解剖研究，獲得了轉(zhuǎn)子各部位的化學(xué)成分、機械性能、組

織和夾雜物分布規(guī)律，確定了轉(zhuǎn)子鍛件材料均勻、純凈、致密，為制造工藝提供了評價，為

轉(zhuǎn)子各種研究提供了全面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

（5）通過工藝性的基礎(chǔ)研究，原始鋼錠解剖數(shù)據(jù)分析，整段轉(zhuǎn)子的全截面解剖評價以

及試制轉(zhuǎn)子的工程化制造經(jīng)驗，完善、優(yōu)化1000MWe核電整鍛低壓轉(zhuǎn)子熱加工工藝為批量

化、穩(wěn)定化制造創(chuàng)造條件；

（6）715噸鋼錠制造的1400MW轉(zhuǎn)子試制成功和海陽4#機組全套1000MW轉(zhuǎn)子穩(wěn)定

生產(chǎn)，確定了1000MW核電整段低壓轉(zhuǎn)子的制造技術(shù)已經(jīng)成熟。

現(xiàn)今以海陽4#機組1000MW整套低壓轉(zhuǎn)子為代表的三支轉(zhuǎn)子已經(jīng)全部完工，且三支轉(zhuǎn)

子的綜合指標(biāo)一致、穩(wěn)定。標(biāo)志著1000MW核電整鍛低壓轉(zhuǎn)子成套鍛件自主創(chuàng)新及工程應(yīng)

用完成了歷史使命，實現(xiàn)了核電常規(guī)島鍛件國產(chǎn)化的目標(biāo)。

三、調(diào)研綜述

核電作為清潔能源，在國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)提出后將發(fā)揮更大的作用。截至2021年

底，我國大陸地區(qū)在建和運行核電機組共71臺，其中運行機組52臺。2022年新核準(zhǔn)6臺

機組，我國大陸地區(qū)在建、在運、核準(zhǔn)的核電機組已達77臺。

隨著核電機組不斷增加，核電上網(wǎng)電量也不斷增加，由2016年1965.68億千瓦時增加

至2021年的3820.84億千瓦時，到2022年第一季度，中國核電上網(wǎng)電量為928.99億千瓦時，

同比增長6.90%。

核電整鍛低壓轉(zhuǎn)子鍛件作為機組核心鍛件，服役工況復(fù)雜，制造技術(shù)要求高，一重承

制山東海陽4#機組3支低壓轉(zhuǎn)子已經(jīng)滿足交貨條件，創(chuàng)收約6000萬元。

四、生產(chǎn)驗證報告

4.1制造工藝概述

在完成1000MW整鍛低壓轉(zhuǎn)子研制基礎(chǔ)上，在2013年分別按定型后的工藝投產(chǎn)了海陽

4#機組三支低壓轉(zhuǎn)子，形成了批量化生產(chǎn)產(chǎn)品制造。

表1工藝定型后的產(chǎn)品批量化生產(chǎn)轉(zhuǎn)子明細

項目重量錠重

產(chǎn)品令號產(chǎn)品名稱生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

名稱（t）（t）

13A01180HELP1低壓轉(zhuǎn)子HD100.121R2175.9619

海陽13A01181HELP2低壓轉(zhuǎn)子HD100.121R2178.7619

項目13A01182HELP3低壓轉(zhuǎn)子HD100.121R2180.3619

4.1.1冶煉工藝

堿性電爐粗煉，采用適當(dāng)?shù)脑煸贫群弯摪珶挷⒄婵仗济撗酰↙VCD+VCD）。在澆注

前和澆注鋼錠的過程中進行真空處理，以便得到純凈的鋼水。鋼錠錠型619噸。

4.1.2鍛造工藝

總切除量(占鋼錠重)：

冒口（鋼錠頂部）切除量=冒口棄料1+冒口棄料2+冒口棄料3≥21%

水口（底部）切除量=水口棄料1+水口棄料2≥9%

表21000MW核電整鍛低壓轉(zhuǎn)子鍛件鍛造過程

過程草圖注釋

壓鉗把

拔長拔比為：1.6

鐓粗鐓比：2

拔長拔比為：1.6

鐓粗鐓比：2

拔長拔比為：1.6

預(yù)拔長

鍛件重：約390

拔長出成品

噸

4.1.3熱處理工藝

①預(yù)備熱處理，目的是為了細化材料組織晶粒，鍛件預(yù)備熱處理工藝形式為多次正火+

回火。鍛件鍛后熱處理工藝示意圖如下圖1所示。

圖1鍛后熱處理工藝示意圖

圖2性能熱處理工藝示意圖

②性能熱處理為淬火加回火，淬火和回火均在垂直狀態(tài)下進行。按爐溫執(zhí)行性能熱處理

工藝。鍛件在爐中以靜止?fàn)顟B(tài)加熱，以旋轉(zhuǎn)方式進行噴水冷卻。圖6為性能熱處理工藝示意

圖。

4.2產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)完成情況

4.2.1化學(xué)成分

圖3海陽三支轉(zhuǎn)子表面和中心不同位置C含量分布

圖3列示了轉(zhuǎn)子從表面到中心不同取樣部位的C含量分布情況，可以看出，三支轉(zhuǎn)子

整體的C含量控制在0.22-0.27%范圍，表面C含量范圍控制在0.22-0.24%，中心C含量范

圍控制在0.24-0.27%，說明鋼錠橫向從表面向中心C含量有微升的趨勢，而沿著鋼錠縱向

分布均勻，沒有呈現(xiàn)固定的變化趨勢，說明大截面轉(zhuǎn)子的成分偏析控制良好。

圖4海陽三支轉(zhuǎn)子表面和中心不同位置Cr含量分布

圖5海陽三支轉(zhuǎn)子表面和中心不同位置Ni含量分布

圖6海陽三支轉(zhuǎn)子表面和中心不同位置Mo含量分布

圖4、圖5和圖6列示了轉(zhuǎn)子從表面到中心不同取樣部位的Cr、Ni、Mo含量分布情況，

三支轉(zhuǎn)子整體的Cr、Ni、Mo含量控制在1.63-1.76%、3.45-3.75%、0.36-0.42%范圍。

4.2.2機械性能

硬度檢測

產(chǎn)品完工后對轉(zhuǎn)子四條母線的10個部位進行了硬度均勻性檢查，分別標(biāo)記為H1-H10，

每個檢測部位沿圓周方向互成90度檢測4個點，共計40個點。檢測位置如圖7所示。

圖7硬度檢測位置示意圖

圖8海陽LP2低壓轉(zhuǎn)子硬度分布

圖9海陽LP3低壓轉(zhuǎn)子硬度分布

從圖8和圖9的硬度結(jié)果可以看出，兩支轉(zhuǎn)子整體硬度波動范圍分別為35.1-38.9、

35.1-38.9HSD，均勻性≤3.8HSD。

機械強度檢測

圖10海陽低壓轉(zhuǎn)子性能檢測部位示意圖

強度檢測位置如圖10所示，分別在轉(zhuǎn)子兩軸端表面L1和L2，軸身表面X1、X2、X4、

X5，軸身次表面（距離表面620mm深）的X2A、X3、X4A，中心C1-C5的14個位置進行

強度檢測，每個位置檢測4個點。

圖11海陽LP1低壓轉(zhuǎn)子強度指標(biāo)

圖12海陽LP2低壓轉(zhuǎn)子強度指標(biāo)

圖13海陽LP3低壓轉(zhuǎn)子強度指標(biāo)

三支轉(zhuǎn)子都存在冒口端C1位置強度較其他位置略高的情況，由于不存在明顯的元素偏

析情況，分析原因可能時熱處理過程中，C1位置均處于井式爐底部，回火加熱過程中爐底

熱氣氛上浮，該部位所處爐溫偏低導(dǎo)致強度略高于其他部位。

總結(jié)三支轉(zhuǎn)子在屈服強度均勻性方面的結(jié)果，波動性如表3所示。

表3三支轉(zhuǎn)子屈服強度波動值

整體波動軸身波動

整體波動范圍MPa軸身波動范圍MPa

值ΔMPa值ΔMPa

海陽LP1637-69154637-65316

海陽LP2638-69052640-65717

海陽LP3640-67636640-65414

從機械性能均勻性可以表明熱處理工藝方法和參數(shù)合理，同時表明井式爐的加熱均勻性

和立式噴淬的淬火效果均較理想。

韌性和回火脆化

沖擊性能結(jié)果

三支轉(zhuǎn)子所有檢測結(jié)果均落在181-291J范圍內(nèi)，達到良好的韌性指標(biāo)。表面FATT低于

-100℃，中心FATT相對于表面略高，但與標(biāo)準(zhǔn)要求比較還有很大富余量。

金相檢測

根據(jù)海陽三支轉(zhuǎn)子金相檢測分析報告的結(jié)果，所有檢測部位的組織均為回火索氏體；

LP1轉(zhuǎn)子夾雜物級別≤0.5，LP2和LP3夾雜物級別≤1；表面晶粒度級別6-7級，距離表面

620mm深度晶粒度與中心部位晶粒度均在5-6.5級范圍。

無損檢測

三支轉(zhuǎn)子均在調(diào)質(zhì)后和打孔后進行了兩次外圓UT探傷，均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。轉(zhuǎn)子內(nèi)孔

精加工后均利用自動探傷儀進行了中心孔UT探傷，均未發(fā)現(xiàn)記錄缺陷。

轉(zhuǎn)子分別對外圓局部（圖14）和中心孔表面進行了滲透檢測，外圓軸頸架口表面及過

渡R角和中心孔表面進行了磁粉檢測，均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

圖14外圓葉輪槽滲透檢測部位

綜上所述，在核電常規(guī)島汽輪機整鍛低壓轉(zhuǎn)子鍛件的制造方面，經(jīng)歷了前期的試制和解

剖研究，以及后續(xù)正式產(chǎn)品的投產(chǎn)，中國一重在超大鋼錠的冶煉、鍛造、熱處理制造技術(shù)方

面已經(jīng)解決了大鋼錠宏觀偏析、大鋼錠內(nèi)部冶金質(zhì)量的純凈度、鍛造心部壓實、晶粒度控制

和轉(zhuǎn)子性能控制等諸多技術(shù)難題。中國一重研制出的AP1000常規(guī)島汽輪機整鍛低壓轉(zhuǎn)子鍛

件已達到或超過國外同類產(chǎn)品的最高水平。

五、國內(nèi)外水平對標(biāo)

目前，國際上只有日本三菱有專門的1000MW核電汽輪機組整鍛低壓轉(zhuǎn)子鍛件制造、

檢驗、驗收技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)雖有JB/T12139-2015《大型核電機組汽輪機整鍛低壓轉(zhuǎn)子鍛件技

術(shù)條件》，但相當(dāng)于三菱標(biāo)準(zhǔn)的翻譯版，依然存在很多不能判定的條款，離開三菱就很難有

操作性。

日本JSW能生產(chǎn)制造1000MW核電汽輪機組整鍛低壓轉(zhuǎn)子鍛件，因其研制、開發(fā)較早，

優(yōu)勢明顯，制造標(biāo)準(zhǔn)采用三菱原標(biāo)準(zhǔn)，除日本JSW以外，國際上只有中國一重能制造并且

批量制造1000MW核電汽輪機組整鍛低壓轉(zhuǎn)子鍛件，制造標(biāo)準(zhǔn)采用三菱標(biāo)準(zhǔn)（相關(guān)要求嚴(yán)

于三菱原標(biāo)準(zhǔn)對JSW的要求）。

近十年來，三菱針對該類鍛件關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的檢測和驗收標(biāo)準(zhǔn)多次升版和優(yōu)化，更具有

操作性，而國內(nèi)轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)內(nèi)容仍止步于2010年以前的三菱標(biāo)準(zhǔn)版本，并且一直應(yīng)用至

今，很大程度上限制了該類產(chǎn)品的制造和應(yīng)用。亟需形成行業(yè)內(nèi)一致認可的，可執(zhí)行的制造

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

六、標(biāo)準(zhǔn)中涉及專利的情況

本標(biāo)準(zhǔn)不涉及專利問。

七、預(yù)期達到的社會效益或經(jīng)濟效果

核電整鍛低壓轉(zhuǎn)子鍛件是代表熱加工最高技術(shù)水平的產(chǎn)品