環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心（北京 100082）張文廣 浦承皓 郭德朋 陳陽(yáng)陽(yáng)

壓水堆M310機(jī)組中核2、3級(jí)熱交換器種類繁多，這些熱交換器（見圖1）對(duì)于機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行、放射性物質(zhì)包容和廢物處理起到了至關(guān)重要的作用，一旦其發(fā)生故障，就有可能導(dǎo)致放射性物質(zhì)外泄，引起嚴(yán)重的核事故。因此，必須確保這些熱交換器在機(jī)組運(yùn)行期間或整個(gè)電站壽期內(nèi)保持其設(shè)備和功能完整性。

圖1

余熱排出熱交換器由殼體、管板管束組件、封頭、水室組件、支承和接管等組成。在這些結(jié)構(gòu)件中，傳熱管用于熱量交換，是熱交換器的關(guān)鍵部件，其質(zhì)量的好壞直接決定熱交換器的性能優(yōu)劣。因此，必須確保傳熱管的質(zhì)量以滿足熱交換器的功能要求。

對(duì)于核安全級(jí)設(shè)備來(lái)說(shuō)，U形傳熱管需要在直管的基礎(chǔ)上彎制成形，并需要事先對(duì)彎管工藝進(jìn)行評(píng)定和制定彎管工藝規(guī)程，從而指導(dǎo)彎管工作，確保成品U形管滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和相關(guān)技術(shù)條件的要求。鑒于傳熱管的重要性，國(guó)家核安全局已將其納入監(jiān)管范圍。

然而，經(jīng)驗(yàn)表明，國(guó)內(nèi)部分制造廠對(duì)RCC－M標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中彎管工藝要求的理解存在誤區(qū)，未按照RCC－M的要求進(jìn)行U形管生產(chǎn)，導(dǎo)致設(shè)備最終報(bào)廢的嚴(yán)重后果。為此，本文將針對(duì)某項(xiàng)目熱交換器用U形傳熱管彎制過(guò)程中存在的具體問(wèn)題，充分分析標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中彎管工藝的具體要求，以指導(dǎo)U形管的生產(chǎn)工作。

一、典型事件介紹

2010年，國(guó)內(nèi)某制造廠承接的某項(xiàng)目熱交換器合同，采購(gòu)成品傳熱管直管用于制備U形管。該制造廠事先根據(jù)RCC－M標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行了彎管工藝評(píng)定，并編制了彎管工藝規(guī)程。規(guī)程中規(guī)定只對(duì)含最小彎曲半徑的幾種彎管進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，并且未明確對(duì)經(jīng)消應(yīng)力熱處理后的彎管進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)。然后，制造廠用所制備的U形管進(jìn)行熱交換器制造，直至買方進(jìn)行設(shè)備出廠驗(yàn)收時(shí)發(fā)現(xiàn)制造廠提供的彎管工藝評(píng)定報(bào)告和相應(yīng)記錄文件不符合RCCM的相關(guān)要求。

由于這些熱交換器設(shè)備已經(jīng)制造完成，無(wú)法驗(yàn)證U形傳熱管的性能是否滿足標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)條件要求，最終不得不報(bào)廢所有設(shè)備。這次事件的代價(jià)是沉重的。因此，為了弄清RCC－M（2000＋2002補(bǔ)遺版）F 4160章節(jié)中核2、3級(jí)熱交換器用奧氏體不銹鋼傳熱管彎管工藝的具體要求，下面將逐步進(jìn)行分析。

二、工藝評(píng)定

在進(jìn)行批量生產(chǎn)彎管前，應(yīng)選取預(yù)制直管或者成品直管進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)定，驗(yàn)證所采用的彎管工藝能夠滿足規(guī)定的尺寸公差要求，同時(shí)不會(huì)對(duì)材料造成影響，并驗(yàn)證彎管段是否需要進(jìn)行消應(yīng)力熱處理。具體工藝評(píng)定過(guò)程如下：

1.尺寸公差的符合性檢查

用彎管機(jī)彎制5根最小彎曲半徑的彎管，在同一點(diǎn)測(cè)量尺寸，尺寸公差須滿足要求；彎管機(jī)必須是經(jīng)過(guò)評(píng)定合格的或者為同一車間內(nèi)相同規(guī)格型號(hào)的機(jī)器。

2.應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)和金相檢查

對(duì)于奧氏體不銹鋼，進(jìn)行應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)和金相檢查。

（1）按照MC1362的要求進(jìn)行沸騰Mg Cl2試驗(yàn)，確定彎管部位耐應(yīng)力腐蝕的能力。合格標(biāo)準(zhǔn)為試驗(yàn)后無(wú)裂紋產(chǎn)生；如果試驗(yàn)證明有必要進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，則由制造廠制定熱處理工藝條件。

（2）取5根彎管試樣對(duì)消應(yīng)熱處理的效果進(jìn)行驗(yàn)證，其中2根是未進(jìn)行消應(yīng)熱處理的彎管，3根是進(jìn)行過(guò)消應(yīng)熱處理的彎管。①消應(yīng)力熱處理后，應(yīng)取3根熱處理過(guò)的彎管測(cè)量尺寸公差。②對(duì)于未進(jìn)行消應(yīng)熱處理的彎管，應(yīng)按照MC1362的要求分別對(duì)2根彎管進(jìn)行沸騰Mg Cl2試驗(yàn)：取2個(gè)試樣，其中1個(gè)試樣取自直管和彎管部分的過(guò)渡部位，1個(gè)試樣取自彎管的中間部位。③消應(yīng)力熱處理后，應(yīng)按照MC 1330的要求對(duì)彎管進(jìn)行金相試驗(yàn)檢查（100倍放大），合格標(biāo)準(zhǔn)為：與未經(jīng)消應(yīng)力熱處理試樣的相同部位的晶粒相比，熱處理后的晶粒尺寸變化不大；或者最大晶粒的尺寸小于前者，晶粒數(shù)至少等于同一區(qū)域的平均值，這樣的晶粒長(zhǎng)大可以接受。晶界處無(wú)新的析出物。④如果所取5根彎管的彎曲半徑小于等于10d（d為傳熱管的名義直徑），需要增加彎制2根彎曲半徑最接近10d的彎管；這2根彎管應(yīng)進(jìn)行上述②和③的試驗(yàn)驗(yàn)證。

若試驗(yàn)結(jié)果顯示應(yīng)力值不可接受，則選取大于10d的鄰近彎曲半徑的彎管進(jìn)行上述試驗(yàn)，以確定需要進(jìn)行消應(yīng)力熱處理的最大彎曲半徑的彎管。反之，試驗(yàn)結(jié)果顯示應(yīng)力值可以接受，則只對(duì)最接近10d及以下彎曲半徑的彎管進(jìn)行消應(yīng)力熱處理。⑤如果上述中所選取的5根彎管的最小彎曲半徑大于10d且沸騰Mg Cl2試驗(yàn)結(jié)果不合格，則執(zhí)行上述④中第二段的要求。

圖2

以上是針對(duì)彎管工藝評(píng)定的具體要求，評(píng)定的工藝流程如圖2所示。由此可見，經(jīng)過(guò)彎管尺寸檢查、應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)、金相試驗(yàn)的多次驗(yàn)證后，確定彎管機(jī)、彎管方法、熱處理工藝的有效性和選取需進(jìn)行消應(yīng)力熱處理的彎管范圍，最終制定符合實(shí)際需要的彎管工藝規(guī)程。

3.成品彎管的檢驗(yàn)要求

采用經(jīng)過(guò)評(píng)定合格的彎管工藝規(guī)程生產(chǎn)成品彎管，完成后需對(duì)彎管進(jìn)行如下檢驗(yàn)：

（1）在每批中，對(duì)相同彎曲半徑的5根彎管進(jìn)行尺寸檢查（若同一批中有幾種規(guī)格彎曲半徑的彎管，則每種規(guī)格選5根進(jìn)行尺寸檢查）。檢查內(nèi)容如下：彎曲半徑；在3個(gè)不同的點(diǎn)測(cè)量橢圓度（45°，90°，135°）；UT檢測(cè)彎曲部位拱背（外側(cè)）處的管壁厚。

（2）對(duì)于全部進(jìn)行了消應(yīng)力熱處理的彎管束，應(yīng)該各取1根最大和最小彎曲半徑的彎管（對(duì)于部分消應(yīng)力熱處理的管束，應(yīng)取經(jīng)消應(yīng)力熱處理的最小彎曲半徑、最大彎曲半徑和未經(jīng)消應(yīng)力熱處理的最小彎曲半徑的彎管各1根）進(jìn)行如下檢驗(yàn)：在3個(gè)不同的點(diǎn)測(cè)量橢圓度（45°，90°，135°）；UT檢測(cè)彎曲部位拱背（外側(cè)）處的管壁厚；對(duì)于未進(jìn)行消應(yīng)力熱處理的彎管，取2個(gè)試樣按照MC1360的要求進(jìn)行沸騰Mg Cl2試驗(yàn)，其中1個(gè)試樣取自直管和彎管的過(guò)渡部位，1個(gè)試樣取自彎管的中間部位；金相試驗(yàn)：對(duì)進(jìn)行了消應(yīng)力熱處理的最小和最大彎曲半徑的彎管，各取2個(gè)試樣進(jìn)行試驗(yàn)，其中1個(gè)試樣取自直管和彎管的過(guò)渡部位，1個(gè)試樣取自彎管的中間部位；合格標(biāo)準(zhǔn)參照工藝評(píng)定2（2）③的要求。

（3）彎管表面質(zhì)量檢查：無(wú)劃痕、突起或者影響管強(qiáng)度的任何缺陷，必要時(shí)進(jìn)行PT檢測(cè)；彎管的清潔度（尤其是經(jīng)消應(yīng)熱處理之后的彎管存在較淡變色的情況）應(yīng)滿足F 6000的要求。

綜上可見，雖然彎管工藝規(guī)程經(jīng)過(guò)了評(píng)定認(rèn)可，但是在實(shí)際的產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，還需要抽取成品彎管進(jìn)行尺寸檢查、金相試驗(yàn)、應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)和表面質(zhì)量檢查，以確保實(shí)際產(chǎn)品符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。這些檢查要求都要體現(xiàn)在制造廠的相應(yīng)程序中并嚴(yán)格執(zhí)行。

三、事件中典型熱交換器傳熱管的彎管工藝分析

本次事件中報(bào)廢的熱交換器包括余熱排出熱交換器，制造廠在彎管工藝評(píng)定過(guò)程中，只對(duì)彎曲半徑的傳熱管進(jìn)行了消應(yīng)力熱處理，而未對(duì)其他彎曲半徑的傳熱管進(jìn)行消應(yīng)力熱處理和試驗(yàn)驗(yàn)證，顯然制造廠的彎管工藝評(píng)定未遵循第二章節(jié)的各項(xiàng)要求。表1、表2為熱交換器的工藝參數(shù)及要求。

表1 余熱排出熱交換器的工藝參數(shù)

參照制造廠家的評(píng)定結(jié)果，本設(shè)備的部分傳熱管需要進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，因此下面只分析消應(yīng)力熱處理的驗(yàn)證過(guò)程。

根據(jù)圖2所示的評(píng)定工藝流程，為了最優(yōu)化評(píng)定過(guò)程，應(yīng)進(jìn)行的評(píng)定步驟如下：

制備表2中序號(hào)5～9彎曲半徑的彎管5根，這樣彎管就涵蓋了第二章2（2）中①、②、③彎曲半徑范圍，10d（160mm）介于序號(hào)6彎曲半徑143.26mm和序號(hào)7彎曲半徑162.32mm之間，同時(shí)序號(hào)6和8彎曲半徑的彎管不進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，其余3種規(guī)格的彎管進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，然后進(jìn)行二2中要求的各項(xiàng)試驗(yàn)。若試驗(yàn)結(jié)果顯示：

表2 余熱排出熱交換器傳熱管彎管的基本參數(shù)要求

（1）5根彎管全部試驗(yàn)合格，則只需對(duì)彎曲半徑≤124.21mm的彎管進(jìn)行篩選，以確定需經(jīng)消應(yīng)力熱處理彎管的最大彎曲半徑。

（2）序號(hào)5、7～9合格，序號(hào)6不合格，則需對(duì)彎曲半徑為143.26mm及以下的彎管進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，同時(shí)驗(yàn)證序號(hào)7是否需要消應(yīng)力熱處理。

（3）序號(hào)5、7和9合格，序號(hào)6和8不合格，則需對(duì)彎曲半徑為181.37mm及以下的彎管進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，同時(shí)驗(yàn)證序號(hào)9是否需要消應(yīng)力熱處理。

（4）5根彎管試驗(yàn)全部不合格，則需修訂彎管工藝和消應(yīng)力熱處理工藝，并驗(yàn)證序號(hào)10是否需要消應(yīng)力熱處理，直至確定需進(jìn)行消應(yīng)力熱處理彎管的最大彎曲半徑為止。

（5）同時(shí)在以上步驟中根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果不斷修訂消應(yīng)力熱處理工藝。

經(jīng)過(guò)上面的評(píng)定步驟，制定的余熱排出熱交換器彎管工藝規(guī)程才能符合實(shí)際生產(chǎn)需要，同時(shí)對(duì)成品彎管按照二章、3節(jié)的要求進(jìn)行檢查，可以保證最終生產(chǎn)出來(lái)的傳熱管滿足技術(shù)要求。

四、結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)的許多制造廠對(duì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中傳熱管的彎管工藝評(píng)定要求理解存在錯(cuò)誤，導(dǎo)致生產(chǎn)的傳熱管存在質(zhì)量問(wèn)題。而某些制造廠則不加區(qū)分的對(duì)全部彎管進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，這樣不僅造成了巨大的資源浪費(fèi)，而且經(jīng)熱處理后的傳熱管可能會(huì)出現(xiàn)晶粒異常長(zhǎng)大和沉淀物在晶界處析出的情況，從而會(huì)降低傳熱管的力學(xué)性能。因此，從核安全的角度出發(fā)，充分理解和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的相關(guān)要求，是保證傳熱管質(zhì)量的必要前提。