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        華龍一號(hào)主管道設(shè)計(jì)及國(guó)內(nèi)外技術(shù)對(duì)比

        2021-07-10 11:13:04劉向紅陶舒暢黃均麟
        科技視界 2021年17期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)焊縫分析

        劉向紅 陶舒暢 黃均麟 蔣 鴻 黃 燕

        (中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都610213)

        0 引言

        目前,國(guó)內(nèi)在建和待批核電項(xiàng)目絕大部分采用百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆型,主管道作為其中的關(guān)鍵設(shè)備之一,自主化設(shè)計(jì)降低了設(shè)備采購(gòu)和核電站建造成本,提高了工程建造效率,縮短了核電站建造周期,為核電站的及時(shí)發(fā)電提供了更好的保障[1]。目前,該自主設(shè)計(jì)成果已經(jīng)成功應(yīng)用于華龍一號(hào)福清5號(hào)、6號(hào)機(jī)組及巴基斯坦K2、K3項(xiàng)目。

        本文論述了華龍一號(hào)主管道設(shè)計(jì)的主要思路,并對(duì)國(guó)內(nèi)外同類(lèi)技術(shù)進(jìn)行總結(jié)對(duì)比,為核電站主管道設(shè)計(jì)、建造、安裝等提供借鑒。

        1 華龍一號(hào)主管道設(shè)計(jì)思路

        1.1 總體思路

        通過(guò)開(kāi)展主管道標(biāo)準(zhǔn)研究,對(duì)國(guó)內(nèi)外三代核電主管道設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)研和研究分析,確定華龍一號(hào)項(xiàng)目主管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn);通過(guò)對(duì)本項(xiàng)目主管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析研究(包括LBB分析),確定主管道的設(shè)計(jì)和制造參數(shù),包括結(jié)構(gòu)、材料、焊接等,分析論證主管道及接管嘴的應(yīng)力和60年壽命周期內(nèi)的疲勞性能等[2]。通過(guò)對(duì)主管道制造工藝研究,確定主管道穩(wěn)定的制造工藝,包括冶煉、鍛造、彎制、熱處理、無(wú)損檢測(cè)等;通過(guò)主管道母材和焊縫材料特殊力學(xué)性能研究等,獲得主管道LBB分析相關(guān)的材料性能試驗(yàn)數(shù)據(jù):分別對(duì)主管道材料和焊縫材料進(jìn)行試驗(yàn)以獲取JR曲線(xiàn)、真應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)、疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線(xiàn)和設(shè)計(jì)疲勞曲線(xiàn)。

        1.2 華龍一號(hào)主管道技術(shù)難點(diǎn)

        相較于同類(lèi)型高溫高壓條件下的鑄造主管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造,華龍一號(hào)鍛造主管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造難度更大,主要體現(xiàn)在[3]:(1)一體化鍛造成型:對(duì)主管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量?jī)?yōu)化;(2)主管道L BB試驗(yàn)研究和分析;(3)適宜一體化鍛造工藝,合理的材料選擇,晶粒度控制、鍛造組織均勻性控制等,避免不銹鋼大鍛件在鍛造過(guò)程產(chǎn)生裂紋;(4)主管道彎管成型尺寸精度的控制;(5)超長(zhǎng)主管道熱處理變形控制。

        1.3 華龍一號(hào)主管道設(shè)計(jì)難點(diǎn)問(wèn)題的解決

        針對(duì)一體化主管道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),主管道設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中主要解決如下的技術(shù)問(wèn)題:

        (1)主管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

        對(duì)國(guó)內(nèi)外三代核電主管道60年壽命設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究,確定華龍一號(hào)主管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

        (2)主管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析

        根據(jù)主管道使用環(huán)境條件和設(shè)計(jì)運(yùn)行工況要求,初步提出主管道設(shè)計(jì)方案,并進(jìn)行分析論證研究,確定主管道的基本結(jié)構(gòu)。針對(duì)方案論證研究開(kāi)展主管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括標(biāo)準(zhǔn)選取、材料選取、確定關(guān)鍵尺寸以及開(kāi)展主管道力學(xué)評(píng)價(jià)等。

        (3)主管道的制造工藝研究和評(píng)定件制造

        根據(jù)前期摸索確定的制造工藝,完成主管道評(píng)定件的制造,且進(jìn)行了大量理化性能、常規(guī)力學(xué)性能檢測(cè)以及無(wú)損檢測(cè)。通過(guò)評(píng)定件的生產(chǎn),掌握了華龍一號(hào)鍛造主管道整個(gè)生產(chǎn)流程中的所有關(guān)鍵技術(shù),形成了一套成熟穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝。

        (4)主管道LBB試驗(yàn)研究和分析

        根據(jù)主管道的設(shè)計(jì)特點(diǎn),采用LBB分析技術(shù),建立主管道及接管嘴力學(xué)分析模型,并根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)載荷開(kāi)展力學(xué)分析和評(píng)價(jià)。

        2 國(guó)內(nèi)外同類(lèi)技術(shù)比較

        2.1 材料設(shè)計(jì)

        AP1000主管道由美國(guó)西屋進(jìn)行設(shè)計(jì)、材料為ASME第II卷SA-376中TP316LN,EPR主管道由法國(guó)法瑪通設(shè)計(jì),主管道材料為RCC-M M3321中的X2CrNi19.10(控氮)。華龍一號(hào)鍛造主管道由中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院自主設(shè)計(jì),材料采用RCC-M M3321中的X2CrNi Mo18.12(控氮),由煙臺(tái)臺(tái)?,斉瑺柡穗娫O(shè)備有限公司制造,力學(xué)性能對(duì)比情況見(jiàn)表1。通過(guò)表1對(duì)3種材料的對(duì)比可知,華龍一號(hào)主管道材料在鍛造和力學(xué)性能等方面都明顯優(yōu)于其他2種材料。

        表1 力學(xué)性能對(duì)比表

        2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        與M310系相比,在華龍一號(hào)主管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中,考慮了主管道的布置和成型,取消車(chē)間預(yù)制環(huán)焊縫和大于4″接管嘴的焊縫,減少了車(chē)間預(yù)制環(huán)焊縫(直管和彎頭之間)和大于4″接管嘴與主管道間的焊縫,由于主管道的薄弱環(huán)節(jié)主要在焊縫,主管道上焊縫的減少相應(yīng)地降低了主管道在使用過(guò)程中的潛在風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),由于焊縫的減少,電廠(chǎng)運(yùn)行期間也減少了相應(yīng)焊縫的在役檢查工作,為核電站的運(yùn)行節(jié)約了成本,也為整個(gè)在役檢查節(jié)約了時(shí)間。為了便于主管道的制造成型以及加工,在M310的基礎(chǔ)上取消主管道熱段變徑的要求,改善了彎頭的應(yīng)力狀態(tài),有利于制造及加工,提高了設(shè)備使用壽命。在疲勞使用系數(shù)較大的焊縫部位,采用熱套管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),有效地降低了熱沖擊對(duì)焊縫的疲勞影響。

        2.3 LBB分析

        國(guó)內(nèi)首次采用LBB技術(shù)對(duì)主管道進(jìn)行設(shè)計(jì)分析,與M310相比,LBB技術(shù)的應(yīng)用,可代替高能管道雙端剪切斷裂的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),既確保了核反應(yīng)堆的安全,又可以省去一些不必要的設(shè)施,降低核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度,節(jié)約建設(shè)費(fèi)用,同時(shí)還能降低在役檢查的難度,減少人員輻照劑量吸收等一系列好處。本項(xiàng)目開(kāi)展了鍛造主管道母材和焊縫材料相關(guān)試驗(yàn)研究,為主管道的LBB設(shè)計(jì)分析提供了輸入數(shù)據(jù)。采用了LBB技術(shù)分析了華龍一號(hào)鍛造主管道的設(shè)計(jì),達(dá)到了國(guó)際三代核電的技術(shù)要求。

        2.4 制造工藝

        華龍一號(hào)首次采用材料X2CrNiMo18.12(控氮)進(jìn)行主管道鍛件的制造,并開(kāi)發(fā)了超純凈、成分均勻、材料利用率高的大型超低碳奧氏體不銹鋼冶煉技術(shù),實(shí)現(xiàn)了大型電渣重熔鋼錠的整體鍛造(包含≥4"接管嘴)的模壓整體成型技術(shù),相對(duì)真空冶煉技術(shù)減輕了鋼錠的質(zhì)量;自主開(kāi)發(fā)了高效內(nèi)孔套料加工技術(shù),提高了加工效率和材料利用率,顯著地縮短了制造周期,降低了在役檢查的工作量,大幅度減低了制造成本;自主開(kāi)發(fā)了彎制模具和主管道整體冷彎成型技術(shù),彎制尺寸精度高,現(xiàn)已完成主管道彎制約百余件,合格率100%,為主管道現(xiàn)場(chǎng)安裝提供了精確的尺寸保障。

        3 結(jié)語(yǔ)

        綜上所述,華龍一號(hào)鍛造主管道的研制是在總結(jié)M310鑄造主管道生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,充分融合了三代核電主管道制造技術(shù)的先進(jìn)點(diǎn)。因此,華龍一號(hào)鍛造主管道具有對(duì)先進(jìn)及成熟技術(shù)的傳承性,研發(fā)的漸進(jìn)性以及對(duì)提高國(guó)產(chǎn)化水平的帶動(dòng)性等特征,華龍一號(hào)主管道制造屬于國(guó)內(nèi)首例,關(guān)鍵技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水平,主管道主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品先進(jìn)水平,為我國(guó)自主設(shè)計(jì)的核電站主管道產(chǎn)業(yè)化提供了條件。

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