王英杰 趙宇強(qiáng)

(1.國(guó)核工程有限公司, 上海200233；2. 華東理工大學(xué), 上海200237）

蒸汽發(fā)生器是壓水堆核電站中的關(guān)鍵設(shè)備，是核島中一、二回路進(jìn)行熱能轉(zhuǎn)換、傳遞的熱交換設(shè)備，其一次側(cè)為一回路壓力邊界，在服役期間承受高溫、高壓、強(qiáng)放射性，二次側(cè)為核蒸汽產(chǎn)生區(qū)，一、二回路及其介質(zhì)之間由U形換熱管和管板構(gòu)成隔離層[1]。

AP1000蒸汽發(fā)生器屬于核安全A級(jí)，抗震等級(jí)為I類(lèi)，設(shè)計(jì)壽命為60年。由于其一次側(cè)與二次側(cè)的溫度、壓力、放射性的差異，其內(nèi)部質(zhì)量和鍛件的制造質(zhì)量是極其重要的，直接影響到核電廠(chǎng)成套裝備的整體水平、維護(hù)和長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性[1-3]。

AP1000蒸汽發(fā)生器鍛件的制造周期較長(zhǎng)，是核電廠(chǎng)設(shè)備制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。其毛坯尺寸大、重量重，材質(zhì)的純凈度、致密度和各項(xiàng)理化、機(jī)械性能指標(biāo)要求都非常高，是綜合材料、冶煉、鍛造、熱處理、探傷和測(cè)量為一體的高技術(shù)產(chǎn)品。

圖1 蒸汽發(fā)生器主要鍛件Fig.1 Major forgings of steam generator

1 AP1000蒸汽發(fā)生器主要鍛件

AP1000蒸汽發(fā)生器鍛件材料為錳-鉬-鎳低合金鋼，在ASME規(guī)范里材料牌號(hào)為SA508 Gr3 Cl2，要求總鍛造比不低于3.5，制造規(guī)范采用ASME第Ⅲ卷NB部分，制造中不允許任何形式的補(bǔ)焊。蒸汽發(fā)生器體積大，每臺(tái)設(shè)備主要有10個(gè)大鍛件，如圖1所示。其關(guān)鍵鍛件為管板、錐形筒體和水室封頭。

2 制造難點(diǎn)分析

2.1 化學(xué)成分控制

化學(xué)成分是影響材料性能的基礎(chǔ)因素。蒸汽發(fā)生器是壓水堆一回路向二回路轉(zhuǎn)化的設(shè)備，屬于一回路承壓邊界，其化學(xué)成分指標(biāo)和斷裂韌性指標(biāo)要求更高。ASME規(guī)范中SA508-Ⅲ鋼的化學(xué)成分與國(guó)內(nèi)650 MW核電機(jī)組要求如表1所示[2-4]。表1中的成分采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

AP1000蒸汽發(fā)生器中化學(xué)成分的要求參照ASME SA508的要求。由表1可知，對(duì)P、S和Sb含量的控制相對(duì)嚴(yán)格。當(dāng)采用真空碳脫氧時(shí)，熔煉分析和產(chǎn)品分析中Si含量應(yīng)不大于0.10%，不允許添加此表規(guī)定以外的合金元素，完整的化學(xué)分析還應(yīng)該包括此表以外且含量大于0.010%的元素都應(yīng)記錄。其他元素的控制都沒(méi)有60萬(wàn)kW機(jī)組的要求嚴(yán)格。

表1 AP1000與650 MW核電機(jī)組蒸汽發(fā)生器鍛件的化學(xué)成分比較Table1 Comparison of the chemical components of AP1000 steam generator forgings with those of650 MW power plant

常溫機(jī)械性能參照ASME規(guī)范，如表2所示。其斷裂韌性指標(biāo)和沖擊韌性要求都比較高。實(shí)際制造的產(chǎn)品也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

為了達(dá)到-21 ℃的RTNDT溫度和保證比較均勻的材質(zhì)，需要嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素、殘余元素和有害氣體的含量。研究和實(shí)踐表明，為了提高鋼的韌性，減少輻照敏感性，需要采取的措施有[3-5]：

1）冶煉前嚴(yán)格控制原料中天然有害雜質(zhì)元素Sn、Sb、Bi等和輻照敏感元素Cu、P等含量是減少輻照脆化的主要途徑。

2）在澆鑄前和澆鑄時(shí)對(duì)熔融鋼水進(jìn)行真空處理，除去有害的氣體，特別是氫，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般氫含量要控制在2 ppm以下。

3）盡量減少氧和氮的含量，以便減少非金屬夾雜物，提高鋼的純凈度，盡量減少鋼中非合金化元素，尤其是硅，在冶煉過(guò)程中用適量鋁脫氧以細(xì)化鋼的晶粒。

4）大型鋼錠在生產(chǎn)中難以避免元素的偏析和內(nèi)部缺陷的存在，目前采用中間包芯桿吹氬真空澆鑄技術(shù)和冒口加熱技術(shù)可控制大鋼錠的成分偏析和提高鋼的純凈度，同時(shí)可使鋼的無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度下降40 ℃。

5）鎳對(duì)提高鋼的強(qiáng)度、改善鋼的可焊性和降低無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度都是有益的，但鋼中殘余銅含量較高時(shí)，鎳有增強(qiáng)銅對(duì)鋼輻照脆化傾向的有害作用，且鎳含量較高的材料經(jīng)過(guò)輻照后生成的物質(zhì)放射性比較強(qiáng)；另外，在高中子注量時(shí)發(fā)生二階段的n-α反應(yīng)，因此鎳的含量不宜過(guò)高，取中上限為佳。

6）在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求下，碳含量盡量低，取中限較好。碳含量增加雖顯著提高鋼的強(qiáng)度，但也顯著提高了鋼的無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度；錳既能提高鋼的強(qiáng)度又能降低鋼的無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度，所以其含量取中上限較好。

表2 AP1000核電機(jī)組蒸汽發(fā)生器鍛件的機(jī)械性能Table2 Mechanical performance of AP1000 steam generator forgings

2.2 熱處理要求

AP1000蒸汽發(fā)生器的公稱(chēng)內(nèi)徑下筒體為4 m多，上筒體為5 m，上筒體壁厚為121 mm，下筒體壁厚為95 mm，水室封頭壁厚為254 mm，每段高度3 m多。厚壁和大尺寸鍛件使得鋼錠粗重，鍛件尺寸重量比較大，在鍛造過(guò)程中翻轉(zhuǎn)比較困難。為了在截面厚度方向上得到均勻的性能，必須對(duì)厚壁鍛件進(jìn)行均勻和強(qiáng)有力的熱處理，并在鍛造過(guò)程中施加足夠壓力，以打碎鑄態(tài)組織，細(xì)化晶粒，提高鍛件的致密性。對(duì)實(shí)心或厚壁鍛件要進(jìn)行中心壓實(shí)，以保證芯部的組織和性能滿(mǎn)足技術(shù)條件要求。

為了滿(mǎn)足高的機(jī)械性能，AP1000蒸汽發(fā)生器鍛件在鍛造后、粗加工前要求在870～970 ℃保溫6 h的正、回火處理，以改善鍛件的切削性能，鍛件粗加工后在870～920 ℃保溫6 h的調(diào)質(zhì)處理，以細(xì)化晶粒，提高鍛件的機(jī)械性能，試驗(yàn)材料要求在595～621 ℃保溫48 h的模擬焊后熱處理。

2.3 管板的制造難點(diǎn)

管板是蒸汽發(fā)生器中技術(shù)要求最高、生產(chǎn)周期最長(zhǎng)的部件，在保證鍛件心部的鍛造比和材料性能方面難度較大。澆注過(guò)程中，心部會(huì)存在密集性超標(biāo)缺陷，例如，非金屬類(lèi)雜質(zhì)、白點(diǎn)和內(nèi)部疏松。非金屬類(lèi)雜質(zhì)和白點(diǎn)可以在冶煉、澆注、熱處理等方面采取措施予以解決，而內(nèi)部疏松則是鋼錠中固有的缺陷，必須選用合適的鍛造比和特殊的鍛造方法來(lái)消除。例如雙重壓實(shí)法，即下料時(shí)采用WHF（寬砧強(qiáng)壓）進(jìn)行一次壓實(shí)，然后再用翻身中心壓實(shí)進(jìn)行第二次壓實(shí)。經(jīng)粗加工后對(duì)整個(gè)鍛件體積進(jìn)行超聲波檢測(cè)，對(duì)所有表面進(jìn)行磁粉檢測(cè)。管板示意圖如圖2所示。

A P1000蒸汽發(fā)生器管板成品是直徑4488 mm，厚度為797 mm的餅狀實(shí)心鍛件，鍛造工藝為敦粗成形，加工后的管板與冷卻劑接觸的表面需分區(qū)堆焊一層厚度至少為6.6 mm的Inconel690鎳基合金和不銹鋼，堆焊后的管板鉆孔20050個(gè)，U形傳熱管插入孔內(nèi)、端面與堆焊層焊接。因此，管板堆焊也是管板制造的關(guān)鍵工藝之一。

三門(mén)核電站1號(hào)蒸汽發(fā)生器的兩塊管板分別于2008年5月和6月在韓國(guó)斗山重工完成堆焊，在用0°和70°探頭對(duì)堆焊表面進(jìn)行UT檢查中，發(fā)現(xiàn)1A管板有135條深10～10.4 mm的裂紋，1B管板有14條深9～10 mm的裂紋，這些裂紋基本都集中在1900 mm直徑的中心區(qū)域。在對(duì)1A管板裂紋處堆焊表面機(jī)加工掉10～10.4 mm后進(jìn)行PT檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)約有100條裂紋，對(duì)1B管板裂紋處堆焊表面進(jìn)行9.2～14.7 mm的打磨后的PT檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)14條裂紋被完全去除。對(duì)機(jī)加工以外的堆焊表面再次進(jìn)行UT檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩塊管板都有新增裂紋。斗山重工隨后對(duì)所有可能產(chǎn)生這些裂紋的影響因素進(jìn)行根本原因分析，包括基礎(chǔ)金屬及其殘余應(yīng)力情況、焊材氫吸收、堆焊預(yù)熱和焊后熱處理問(wèn)題、焊接熱輸入等。經(jīng)分析表明，管板堆焊裂紋產(chǎn)生的原因主要有焊接殘余應(yīng)力和堆焊過(guò)程中的氫致裂紋。針對(duì)堆焊裂紋斗山采取的糾正措施：1）在第一層、第二層堆焊后，要進(jìn)行焊后熱處理消除殘余應(yīng)力，并使用0°和70°探頭進(jìn)行UT檢查，以檢測(cè)堆焊的熔合度和堆焊裂紋；2）堆焊前進(jìn)行預(yù)熱，焊接過(guò)程中堆焊溫度需大于150 ℃，并對(duì)特定位置進(jìn)行測(cè)量。工藝改進(jìn)后避免了堆焊裂紋的產(chǎn)生。

2.4 錐形筒體的制造難點(diǎn)

AP1000蒸汽發(fā)生器過(guò)渡段錐形體是核島一回路設(shè)備中最為關(guān)鍵部件之一，其鍛造毛坯為制造難度極大且需整體成形的異型鍛件。錐形筒體是兩端帶直段的錐形體，通過(guò)機(jī)加工成形，與第二代核電同類(lèi)產(chǎn)品相比，該產(chǎn)品宛若一個(gè)2 m高、4 m多寬碩大的“米斗”，在重量、尺寸上都有大幅度提高，而且為滿(mǎn)足AP1000核電機(jī)組60年設(shè)計(jì)壽命，要求材料在具有高強(qiáng)度條件下還要有良好的低溫韌性，對(duì)鋼水純凈度、鋼錠的均勻性也有極苛刻的要求，錐筒大小端的直段部分是鍛造中最大的技術(shù)難點(diǎn)。錐形筒體如圖3所示。

中國(guó)一重承制海陽(yáng)核電站1號(hào)蒸汽發(fā)生器的兩個(gè)錐形筒體，為了攻克直接鍛造出筒體兩端直段的技術(shù)難關(guān)，中國(guó)一重技術(shù)人員聯(lián)合清華大學(xué)不斷摸索，設(shè)計(jì)了11種專(zhuān)用輔具，反復(fù)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行萬(wàn)噸水壓機(jī)加工技術(shù)模擬試驗(yàn)，突破了傳統(tǒng)加工錐形筒體費(fèi)工、費(fèi)時(shí)、費(fèi)料問(wèn)題的瓶頸。在實(shí)際制造中，1A錐形筒體的拉伸試驗(yàn)結(jié)果不符合技術(shù)文件要求，經(jīng)重新熱處理后取樣，機(jī)械性能滿(mǎn)足要求；1B錐形筒體精加工后尺寸檢查發(fā)現(xiàn)斜面壁厚稍微超過(guò)要求壁厚，但不影響使用，也是滿(mǎn)足要求的。因此中國(guó)一重實(shí)現(xiàn)了AP1000蒸汽發(fā)生器錐形筒體制造的國(guó)產(chǎn)化。

圖2 蒸汽發(fā)生器管板Fig.2 Tubesheet of steam generator

圖3 蒸汽發(fā)生器錐形筒體Fig.3 Transition cone of steam generator

2.5 一次側(cè)水室封頭的制造難點(diǎn)

一次側(cè)水室封頭是蒸汽發(fā)生器中承受一次側(cè)高溫、高壓的部件，一般設(shè)計(jì)成半球形，早期采用低合金鋼或碳鋼鑄造而成，一次側(cè)進(jìn)口、出口接管、人孔法蘭座可連同底封頭一起整體鑄造出來(lái)。大亞灣核電站蒸汽發(fā)生器水室封頭采用20MN5M碳鋼整體鑄造，秦山二期核電站蒸汽發(fā)生器水室封頭為帶一次側(cè)進(jìn)出口接管和人孔法蘭座的SA5083a級(jí)低合金鋼鍛件，然后再與底封頭環(huán)焊接。為了減少在役檢查的工作量和檢查人員受到的輻射劑量，AP1000蒸汽發(fā)生器的水室封頭為整體鍛件，如圖4所示。

圖4 蒸汽發(fā)生器水室封頭Fig.4 Channel head of steam generator

AP1000蒸汽發(fā)生器水室封頭制造難點(diǎn)是：1）鋼錠鍛造完成后的毛坯重量為200多噸，且形狀復(fù)雜，不容易鍛透，會(huì)造成內(nèi)部偏析或晶粒粗大等缺陷；2）鍛件經(jīng)熱處理后的化學(xué)分析和機(jī)械性能要求水室封頭本體和進(jìn)出口管嘴都要滿(mǎn)足表1和表2的要求，再熱裂紋敏感系數(shù)ΔG=3.3Mo+Cr+8.1V-2≤0；3）水室封頭上有整體鍛造的1個(gè)支撐凸臺(tái)和6個(gè)接管嘴（2個(gè)一次側(cè)人孔，2個(gè)出口管嘴，1個(gè)進(jìn)口管嘴和1個(gè)非能動(dòng)換熱管嘴），特別是連接兩臺(tái)反應(yīng)堆冷卻劑泵泵殼的接管直徑大且為垂直方向，更增加了鍛造工藝的難度；4）水室封頭本身的最終壁厚與管嘴的最終壁厚不同，要靠機(jī)加工來(lái)完成；5）鍛造完成后，內(nèi)壁及管嘴都要堆焊不銹鋼。

目前，中國(guó)一重和韓國(guó)斗山重工都已成功制造水室封頭鍛件。

3 建議和措施

3.1 冶煉和成分控制

為了達(dá)到較低的脆性轉(zhuǎn)變溫度、較高的拉伸性能，必須嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素如硫、磷等元素的含量，以及有害氣體的含量，如氫的含量等，采用雙真空冶煉澆鑄技術(shù)。

國(guó)內(nèi)重機(jī)企業(yè)經(jīng)過(guò)多年的研究發(fā)展，在熔煉和澆注方面取得較大進(jìn)步，同樣產(chǎn)品中有害氣體控制量、雜質(zhì)元素含量已經(jīng)與國(guó)外的供應(yīng)商相當(dāng)或更好，熱加工能力也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。目前，國(guó)家對(duì)中國(guó)一重鑄鍛鋼基地及大型鑄鍛件自主化改造項(xiàng)目已經(jīng)完成，在生產(chǎn)能力和技術(shù)水平上已接近世界一流水平。項(xiàng)目建成后，一重將形成年產(chǎn)鋼水50萬(wàn)t、鍛件24萬(wàn)t、鑄鋼件6萬(wàn)t的能力。屆時(shí)，可一次提供鋼水700 t，澆注最大雙真空鋼錠600 t，最大鑄件500 t，提供最大鍛件400 t。

3.2 鍛造和熱處理

AP1000機(jī)組要求鍛件熱處理表面距精加工表面不超過(guò)19 mm，以保證鍛件熱處理效果。這就要求制造廠(chǎng)精準(zhǔn)鍛造，制造出與精加工形狀相近的鍛件，從而減少了鍛件重量和鋼錠重量，也減少了材料成本和機(jī)械加工工時(shí)成本，有利于減少鍛件制造周期和降低鍛件成本。同時(shí)可以保證鍛件的纖維流向和厚壁鍛件芯部的熱處理效果。鍛件一般經(jīng)過(guò)鍛后熱處理和調(diào)質(zhì)（淬火和回火）兩次熱處理以提高鍛造性能和機(jī)械性能。

大直徑筒體和封頭在熱處理時(shí)預(yù)防變形也是值得注意的，應(yīng)防止由鍛后熱處理引起鍛件變形而報(bào)廢的現(xiàn)象，尤其是蒸汽發(fā)生器的錐形筒體。

3.3 制造中存在的管理問(wèn)題

3.3.1 機(jī)械加工問(wèn)題

蒸汽發(fā)生器鍛件體積大、形狀復(fù)雜、鍛件機(jī)加工的要求比較高，要在專(zhuān)用設(shè)備上加工。國(guó)內(nèi)制造的鍛件在機(jī)加工過(guò)程中，由于操作人員失誤，造成多次出現(xiàn)局部尺寸超差，不滿(mǎn)足圖紙尺寸要求的情況；也曾幾次出現(xiàn)在機(jī)床加工時(shí)，刀具在工件表面打刀造成凹坑；制造中技術(shù)人員的技術(shù)交底不充分或看錯(cuò)圖紙等，這些錯(cuò)誤都曾導(dǎo)致鍛件的報(bào)廢。

海陽(yáng)核電站1號(hào)蒸汽發(fā)生器水室封頭A在精加工時(shí)，由于操作工用錯(cuò)刀盤(pán)，造成加工凸臺(tái)高度方向沒(méi)有足夠的余量確保尺寸滿(mǎn)足精加工圖紙的要求，導(dǎo)致重大質(zhì)量問(wèn)題，延誤制造進(jìn)度。

3.3.2 吊裝問(wèn)題

精加工后的鍛件在存放和吊裝時(shí)要進(jìn)行保護(hù)，避免磕碰傷表面而產(chǎn)生不符合項(xiàng)。三門(mén)核電站1號(hào)蒸汽發(fā)生器橢球封頭A鍛件在吊裝過(guò)程中，操作人員在掛鉤未掛穩(wěn)前急于起吊造成跌落事件，造成焊接坡口受損；三門(mén)核電站1號(hào)蒸汽發(fā)生器管板吊耳焊接在母材表面缺陷區(qū)域，焊接過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力集中和氫致裂紋，導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度不夠，吊裝過(guò)程中焊縫撕裂，鍛件報(bào)廢。

3.4 國(guó)內(nèi)外鍛件制造的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

鍛件制造過(guò)程中的質(zhì)量問(wèn)題一方面是由于制造商的技術(shù)水平和管理能力不夠；另一方面是由于AP1000依托項(xiàng)目首堆是設(shè)計(jì)理念第一次付諸實(shí)際，很多設(shè)計(jì)進(jìn)度滯后于制造進(jìn)度，設(shè)計(jì)變更頻繁，造成了制造廠(chǎng)的技術(shù)準(zhǔn)備工作不充分，增加了鍛件制造質(zhì)量管理難度；第三是由于AP1000依托項(xiàng)目的鍛件采用的是美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)，制造廠(chǎng)的質(zhì)保體系不完善，工作人員不熟悉ASME標(biāo)準(zhǔn)和NQA-1的質(zhì)保要求，造成人為失誤，引起質(zhì)量問(wèn)題。

4 國(guó)產(chǎn)化建議措施

本文通過(guò)對(duì)AP1000蒸汽發(fā)生器制造難點(diǎn)的分析，根據(jù)三門(mén)和海陽(yáng)兩個(gè)依托項(xiàng)目蒸汽發(fā)生器鍛件的實(shí)踐，指出了在生產(chǎn)過(guò)程中需要引起關(guān)注的問(wèn)題。下面針對(duì)這些問(wèn)題提出一些國(guó)產(chǎn)化建議：

1）制造廠(chǎng)要利用技術(shù)轉(zhuǎn)讓的機(jī)會(huì)，多向國(guó)外學(xué)習(xí)先進(jìn)的制造技術(shù)和管理水平，提高熔煉、澆注和熱處理質(zhì)量，減少鍛件中雜質(zhì)元素及氫等有害氣體的含量，提高鍛件的機(jī)械性能。

2）制造廠(chǎng)要嚴(yán)格按照ASME的要求完善質(zhì)保體系，加強(qiáng)質(zhì)檢、質(zhì)保人員的核安全文化及NQA-1的培訓(xùn)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后具備提出建議的解決措施的能力；加強(qiáng)操作人員的培訓(xùn)和考核，尤其是對(duì)關(guān)鍵工序和特殊工藝的操作人員，如熱處理、焊接和無(wú)損檢驗(yàn)等；加強(qiáng)質(zhì)量過(guò)程監(jiān)督，認(rèn)真吸取、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，提高制造工藝水平。

3）在重要或關(guān)鍵工序開(kāi)始前，應(yīng)該進(jìn)行嚴(yán)格的先決條件檢查，確保設(shè)備、人員資質(zhì)、程序及場(chǎng)地滿(mǎn)足要求，確保車(chē)間的制造活動(dòng)按照批準(zhǔn)的工藝、程序執(zhí)行。

4）作為承包單位，在鍛件采購(gòu)過(guò)程中，要進(jìn)行嚴(yán)格的供應(yīng)商評(píng)價(jià)，無(wú)論制造廠(chǎng)有無(wú)相關(guān)產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于形狀、尺寸和材料等參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，需要制造模擬件并進(jìn)行評(píng)定，以選擇合格的供應(yīng)商。

5）建立經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和反饋平臺(tái)，采取切實(shí)可行的糾正措施，防止重復(fù)的質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生，在實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的基礎(chǔ)上提高制造質(zhì)量，保證鍛件質(zhì)量。

近兩年，國(guó)內(nèi)鍛件供貨商經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)研究，逐漸攻克了AP1000蒸汽發(fā)生器關(guān)鍵鍛件的技術(shù)難關(guān)，已經(jīng)成功制造了錐形筒體、管板和水室封頭鍛件，為AP1000蒸汽發(fā)生器鍛件國(guó)產(chǎn)化打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]林誠(chéng)格，郁祖盛，等. 非能動(dòng)安全先進(jìn)核電廠(chǎng)AP1000[M]. 北京：原子能出版社,2008，(8)：110-118.（LIN Cheng-ge, YU Zu-sheng, et al. Passive Safety of Advanced AP1000 Nuclear Power Plant [M]. Beijing: Atomic Energy Press,2008, (8):100-118.）

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