直径15.6米、重150吨，整件不锈钢支撑环上找不到一条焊缝。

过去，国外企业制造这类构件，通常会拆成6瓣或8瓣分别加工，再焊接成整环。中国团队选择整体成形，让这件大型构件不需要拼接焊缝。

山西北部的定襄县，在法兰制造领域也打破了长期由德日企业主导的市场格局。一边是当地密集的锻造企业，一边是国家级实验室的科研团队，分别从产业实践和科研攻关入手，推动高端制造工艺持续改进。

定襄县面积只有800多平方公里，却生产全国约44%的法兰、约60%的风电法兰。北海海上风电项目使用的法兰，以及壳牌铺设海底油气管道所用的相关产品，都有定襄企业参与供应。

二十多年前，高端法兰市场主要由德国和日本企业占据。定襄企业即使报价更低，也不一定能拿到订单。客户顾虑的不是价格，而是产品质量能否长期稳定，企业能不能达到高端项目的要求。

法兰负责连接管道和设备，海上风电、深海油气项目的使用环境十分严苛，产品要长期承受盐雾、高压和反复变化的载荷，设计寿命往往达到二三十年。加热温度、锻造变形量和内部组织控制只要有一项不稳定，就可能影响使用寿命和运行安全。

经过多年积累，定襄企业逐渐进入国际高端市场。如今，全球风电法兰约六成来自这里，企业在订单谈判和产品定价上也有了更多主动权。

法兰只是锻造行业中的一类产品，核电、火电和水电设备所需的大型锻件，制造难度更高。核电压力容器直径约5米、长度20多米、重量达到五六百吨，承担反应堆的承压和安全防护功能；火电转子直径约2.5米、重350吨；水轮机转轮直径约11米、重450吨。这些部件长期处于高温、高压、辐照、重载和腐蚀环境中，材料内部不能存在影响安全运行的严重缺陷。

锻造已有4000多年历史，如今大型锻件主要由万吨级水压机压制，但设备能力提高，并不代表材料质量问题就能自动解决。

制造大型锻件，需要先得到内部成分和组织尽可能均匀的钢锭。以750吨级钢锭为例，钢水凝固时会形成树枝状晶体。

凝固过程中，不同元素在固相和液相之间重新分配，先凝固区域与后凝固区域的化学成分出现差异，这种现象就是偏析。

钢锭尺寸越大，冷却速度越慢，偏析往往越严重。剖开钢锭后，可能看到成分不均匀的区域，局部元素含量偏离正常范围，还可能伴随杂质聚集。

后续锻造能够改善部分组织，却很难彻底消除严重偏析。对核电等重要设备来说，这类缺陷会影响材料性能和长期安全。

2015年4月，我国南方一座核电站安装从法国进口的蒸汽发生器顶盖锻件时，发现管嘴部位碳含量严重超标，问题属于碳偏析。这个锻件能否继续使用，国内外专家意见不一，争论持续多年。

直到2019年9月，该电站才获批装料。从发现问题到获得装料批准，前后接近4年。相关材料指出，这段时间每天造成的经济损失高达1000万元。

美国麻省理工学院弗莱明斯教授提出的凝固理论指出，材料存在尺寸效应：尺寸越大，偏析通常越严重；尺寸越小，偏析程度相对较轻。

传统路线需要先生产大型钢锭，但钢锭越大，内部偏析越难控制。工程应用又确实需要尺寸很大的锻件，单纯沿用传统方法，很难同时满足尺寸和材料均匀性的要求。

中国科学院金属研究所孙明月团队长期研究大型金属材料成形问题，团队早期也尝试沿国际上常用的思路改进钢锭质量，后来发现，仅靠调整传统工艺，难以从根本上解决大型钢锭的偏析问题。

团队于是改变方向，提出“金属构筑成形技术”。这项技术不再依靠一个超大型钢锭制造最终锻件，而是先制备尺寸较小、冷却速度较快、偏析较轻的金属坯料，再按设计要求组合起来。

组合体经过真空封装和高温大变形处理，使不同坯料之间形成可靠连接，之后通过锻造获得大型构件。小坯料的内部质量更容易控制，组合后可以制造大型产品，成品内部均匀性比传统大型钢锭高出许多倍。

新方法提出后，质疑随之而来。有专家认为，坯料之间没有经过熔化，界面就不可能形成可靠连接；即使暂时连在一起，也可能只是表面结合，使用时会沿界面分离。这样的材料要用于核能重大装备，必须拿出充分的理论依据和试验结果。

孙明月团队围绕界面连接开展研究，提出了两项界面愈合机制。

其一，在高温和大变形作用下，界面附近发生强烈的动态再结晶，新形成的晶粒能够跨越原有界面生长，使两侧金属组织连续起来。

其二，原有氧化膜在高温、大变形过程中破碎并分散，相关离子态物质向周围扩散；经过较长时间保温，界面区域的成分、组织和性能可以达到与母材一致的状态。团队通过理论分析和试验，验证了这种连接方式的可行性。

技术能否用于重大工程，还要经过大型实物检验。我国四代核电工程的一项关键部件，是堆容器中的大型不锈钢支撑环。该支撑环直径15.6米，重量150吨，需要承受7000多吨载荷，同时属于压力边界的一部分，还必须适应中子辐照、疲劳载荷和液态金属腐蚀等工况。它的制造质量关系到设备长期运行安全。

按照国外过去常用的方式，这类构件会被分成6瓣或8瓣分别加工，再焊接成完整圆环。拼接焊缝会增加制造工序，也需要重点检查焊接区域的质量。中国团队决定采用整体成形方案，希望提高结构可靠性，同时减少复杂焊接工序、控制制造成本。

这个方案风险不小，支撑环重150吨，项目当时估算其价值约相当于150公斤黄金。孙明月曾算过，按自己的收入，即使工作五辈子，也买不起一个这样的支撑环。试制一旦失败，材料、设备和时间成本都很高。

团队没有直接制造最终尺寸的产品，而是从直径2米的小环开始试验，逐步扩大到5米、15米，期间制作了大量模拟试验件。经过1000多个日夜的研究和工艺验证，整体成形流程逐步稳定。

2019年3月12日，这个大型不锈钢支撑环在山东章丘研制成功。章丘有长期的锻造产业基础，这次制造需要科研团队和生产企业密切配合。

实际制造时，团队选用58块优质连铸坯作为基元，先把坯料表面打磨干净，露出新鲜金属。随后按设计要求叠放，组合体高度达到四层楼，再送入真空室进行电子束封焊，使层间保持高真空环境。

完成封装后，组合体被加热到1250℃，经过大变形处理，使各层金属界面充分结合。之后进行多向锻造，改善材料内部组织均匀性，再完成冲孔、扩孔等工序，送到超大型辗环机上加工成形。

辗环过程中，材料不断延展，直径逐步扩大，最终制成约16米的大环。环体周长很大，按每隔1.5米安排一人计算，可以站下150人，而且还有余量。支撑环的直径、重量和整体成形要求，对现场设备、工艺控制和人员协作都提出了很高要求。

制造现场的工作环境十分艰苦，150吨锻件需要翻转和转运，工件温度超过1000℃，作业人员必须在高温设备附近操作。

现场人员的衣服被烤坏、手机因高温损坏、鞋底被烫坏，都曾发生过。每一道工序都需要严格控制，温度、变形量和操作节奏出现偏差，都可能影响最终产品质量。

支撑环制造完成后，从山东章丘启运，经陆路和海路运往辽宁大连。运输途中有警车护送，路线需要通过十几座立交桥以及多个桥洞和收费站，之后再通过海上运输抵达目的地，投入核能重大装备建设。