鄧 冬 熊冬慶 呂艷新 張發(fā)云 黃炳臣

(環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京100082)

AP1000 核電技術(shù)是我國從美國西屋公司引進(jìn)的第三代核電技術(shù)，也是當(dāng)前世界上技術(shù)最先進(jìn)、安全性能最高的非能動型壓水堆核電技術(shù)。AP1000 是一個擁有二環(huán)路的壓水反應(yīng)堆，每條環(huán)路包括一臺蒸汽發(fā)生器、兩臺反應(yīng)堆冷卻劑泵以及一根冷卻劑主管道熱管段和兩根冷管段，另外在其中一個環(huán)路上還包含穩(wěn)壓器及相應(yīng)的連接管道(波動管)［1］。AP1000 主管道熱段主要設(shè)計尺寸見表1。

表1 AP1000 主管道熱段主要設(shè)計尺寸

AP1000 主管道不同于第二代核電站采用的鑄造不銹鋼管，采用的是整體鍛造、加工、彎管的超低碳控氮不銹鋼管道，要求其冶煉、澆鑄、鑄造、熱處理、深孔加工和彎管等工藝都有較高難度［2］。對設(shè)備制造廠的熔煉能力、鍛造能力、煨彎成型能力、精加工能力、無損檢驗(yàn)以及理化檢驗(yàn)?zāi)芰Χ继岢隽诵碌目简?yàn)及挑戰(zhàn)［3］。AP1000主管道可以最大限度地提高AP1000 核電站在設(shè)計基準(zhǔn)事故乃至超設(shè)計基準(zhǔn)事故下的安全性和可靠性。

1 鋼錠的冶煉及鍛造

AP1000 鍛造主管道材質(zhì)為ASME SA376-TP316LN奧氏體不銹鋼，具有較強(qiáng)的耐腐蝕性［4］，高溫強(qiáng)度特別好，具有良好的焊接性能，可采用所有標(biāo)準(zhǔn)的焊接方法進(jìn)行焊接。其化學(xué)成分見表2。

表2 ASME SA376-TP316LN 奧氏體不銹鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

針對AP1000 鍛造主管道，比較常用的鋼錠冶煉工藝有3 種:(1)電弧爐+VODC+電渣重熔;(2)電弧爐+AOD+電渣重熔;(3)電弧爐+VOD+真空澆鑄。

采用前兩種冶煉工藝，鋼錠在結(jié)晶組織及純度上優(yōu)于第3 種。電渣重熔采用三相電極分布形式和交換式電極更換方式，最終形成鋼錠重量80 t。

在冶煉過程中應(yīng)當(dāng)注意以下環(huán)節(jié):

(1)P、S 的控制:為提高材料的力學(xué)性能指標(biāo)，在冶煉過程中將P 控制在0.020%以下，將S 控制在0.005%以下。

(2)化學(xué)成分的控制:微觀組織中的鐵素體含量，對于材料性能指標(biāo)和焊接性能也有較大影響，因此需要制定相應(yīng)措施來確保材料滿足相應(yīng)技術(shù)要求。

(3)大型不銹鋼鋼錠的宏觀偏析和鋼錠的純度控制。

對于鋼錠的鍛造，采用萬噸以上壓機(jī)進(jìn)行整體鍛造，鍛壓溫度控制在900 ～1 200 ℃，鍛后空冷或進(jìn)行消除鍛造應(yīng)力的回火處理。鍛造工藝均包括墩粗、拔長、壓凸臺、整圓等，總的鍛造比為4 ～8。

在鍛造過程中，如果出爐鋼錠表面有裂紋或者在鍛造過程中鍛件表面出現(xiàn)裂紋，需空冷，用電弧氣刨法將裂紋去除后再放入加熱爐，重新加熱到鍛造溫度。

鍛件坯料粗加工后，進(jìn)行100%的超聲波(UT)和液體滲透(PT)檢驗(yàn)，對于管嘴的超聲波檢驗(yàn)，應(yīng)采用斜探頭和直探頭分別檢驗(yàn)。

2 主管道的煨彎成型及熱處理

鍛件坯料粗加工后，爐內(nèi)加熱到1 100 ℃保溫至內(nèi)外溫度均勻一致，然后在萬噸以上水壓機(jī)上用專用模具進(jìn)行煨彎成型，熱成型溫度為900 ～1 100 ℃，采用熱彎成型，煨彎前完成1∶1 碳鋼管彎曲試驗(yàn)，彎曲角度誤差控制在0.5°。

彎制前通過計算機(jī)模擬數(shù)值及其它試驗(yàn)件的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行彎形參數(shù)的優(yōu)化，通過對彎形模具的修正及模具之間的配合，控制整個彎制過程中的變形量，以滿足彎制的要求。

在加熱環(huán)節(jié)，采用臺車式燃?xì)鉅t進(jìn)行加熱，采用熱電偶控制爐內(nèi)溫度，共采用6 支熱電偶測溫，加熱溫度1 100 ℃，保溫時間至少4 h，升溫速度不大于70 ℃/h。在壓彎環(huán)節(jié)，鍛件出爐后放入工裝，進(jìn)行壓彎，當(dāng)溫度降到900 ℃時，重新加熱工件至成形溫度1 100 ℃，再次出爐進(jìn)行壓彎。壓彎過程采用紅外測溫儀監(jiān)視鍛件溫度，保證鍛件在900 ℃以上變形。成型后的主管道形狀如圖1 所示。

圖1 煨彎成型后的主管道形狀示意圖

在熱處理之前對彎曲區(qū)域和彎曲區(qū)兩側(cè)進(jìn)行100%液體滲透(PT)檢驗(yàn)。

鍛件粗加工、彎曲成型后進(jìn)行固溶熱處理。固溶熱處理溫度為1 050 ～1 150 ℃，在整個工件保溫時允許的最大溫度偏差為±20 ℃，保溫時間不少于4 h。采用臺車式燃?xì)鉄崽幚頎t進(jìn)行熱處理，整個升溫和保溫過程采用計算機(jī)自動控制，固溶熱處理的溫度控制如圖2 所示。

圖2 固溶熱處理的溫度控制示意圖

(1)在溫度控制和記錄環(huán)節(jié)，由于AP1000 主管道不允許焊接任何東西，因此測溫采用在主管道上布置測溫試塊，將熱電偶與測溫試塊緊密接觸，通過測量試塊的溫度來測量主管道溫度。測溫?zé)犭娕疾捎脽犭娕?，鎳基高溫合金保護(hù)。溫度由三支直接與管段和彎管段接觸的熱電偶測量，測量溫度信號直接輸入自動溫控設(shè)備控制爐溫。

(2)在急冷環(huán)節(jié)，為了保證冷卻速度滿足要求，當(dāng)保溫時間滿足要求后，工件出爐到入水時間不得超過4 min。采用水池進(jìn)行水冷，確保工件入水前的水溫不高于40 ℃，工件入水后的水溫最高不高于70 ℃。為了確保工件的快速急冷效果，工件入水后至少前5 min內(nèi)使冷卻水連續(xù)充分地流動，工件入水3 min 內(nèi)應(yīng)降至427 ℃以下。

3 無損及理化檢驗(yàn)

鍛造毛坯的精加工包括了鏜內(nèi)孔和外圓加工，分別在深孔鏜床和大型車床上完成［5］。精加工后管道全表面應(yīng)按照ASME NB - 2546 的標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行100%表面液體滲透檢驗(yàn)和驗(yàn)收。

主管道鍛件熱處理后和最終機(jī)加工后應(yīng)進(jìn)行100%體積超聲檢驗(yàn)，根據(jù)ASME NB -2540 的要求采用直探頭和ASME NB-2550 的要求采用斜探頭掃查，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足ASME NB-2540，管道和接管端部也應(yīng)進(jìn)行UT 檢驗(yàn)。

精加工后，對主管道進(jìn)行全面的尺寸測量，包括內(nèi)徑、外徑、橢圓度、壁厚減薄或增厚率、彎曲角度和兩接管嘴夾角，彎頭部分的內(nèi)、外表面粗糙度應(yīng)≤3.2 μm，然后對主管道樣品進(jìn)行理化檢驗(yàn)，包括金相組織、晶粒度、晶間腐蝕試驗(yàn)、硬度、化學(xué)成分和拉伸性能等，需要滿足晶粒度達(dá)到2 級，推薦3 級或更高，無晶間腐蝕裂紋，金相組織應(yīng)當(dāng)為奧氏體+孿晶，理化檢驗(yàn)結(jié)果應(yīng)當(dāng)滿足表3 的要求。

表3 AP1000 主管道力學(xué)性能

機(jī)加工后的彎頭彎曲部分的截面(垂直于彎頭彎曲中心線)橢圓度應(yīng)小于名義直徑的4%。彎曲后彎頭的壁厚減薄量應(yīng)不大于名義壁厚的12.5%。內(nèi)側(cè)壁厚增厚量應(yīng)不大于名義壁厚的12.5%。

橢圓度定義為:(Dmax-Dmin)/D ×100%。其中:D為圖紙規(guī)定的名義直徑，mm;Dmax為管子彎曲后的最大直徑，mm;Dmin為管子彎曲后的最小直徑，mm。

4 結(jié)語

壓水堆核電站核島中，主管道是核島內(nèi)7 大關(guān)鍵設(shè)備之一，稱為核電站的主動脈。主管道連接了反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器和反應(yīng)堆冷卻劑泵，從而組成一條閉式的循環(huán)回路。在核電站中，反應(yīng)堆壓力容器及主管道組成了核電站的第三道安全屏障。主管道所運(yùn)輸?shù)睦鋮s劑含有從反應(yīng)堆中帶來的放射性物質(zhì)，主管道一旦出現(xiàn)冷卻劑泄漏，將會帶來巨大的安全問題。所以主管道的制造要求尤其嚴(yán)格，相比較于二代加核電站堆型，作為第三代核電站的AP1000 主管道提出了更高的要求，二代核電站采用碳鋼鑄造主管道并焊接支管，而AP1000 主管道采用整體鍛造，支管和母管一體化鍛造，具有更加優(yōu)良的理化性能，更良好的耐腐蝕性。

［1］林誠格.非能動安全先進(jìn)核電廠AP1000［M］.北京:原子能出版社，2008.

［2］宋樹康，劉志穎，鄭建能，等. 第三代AP1000 核電主管道的研制［J］.大型鑄鍛件，2011(1):1 -4.

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［4］孫鳳先，馬慶賢. APl000 主管道控制鍛造工藝探索［J］. 大型鑄鍛件，2010(4):30 -32.

［5］盧華興. AP1000 核電站主管道國產(chǎn)化研制進(jìn)展［J］. 上海金屬，2010，32(4):29 -32.