壓水堆核電廠核島主設(shè)備國產(chǎn)化關(guān)注點—大型鍛件

張敬才(中國核動力研究設(shè)計院，四川 成都 610041)

壓水堆核電廠核島主設(shè)備國產(chǎn)化關(guān)注點—大型鍛件

張敬才
(中國核動力研究設(shè)計院，四川 成都 610041)

以核島RPV和SG用低合金鋼大型鍛件為對象，分析了其重要性、供需、成熟性，以及法國20世紀(jì)七八十年代規(guī)模化發(fā)展核電的經(jīng)驗，力挺以進(jìn)一步深入科研、集中、標(biāo)準(zhǔn)化的做法，加速提升國產(chǎn)大型鍛件的供貨能力。

核電廠；核島主設(shè)備；大型鍛件

積極發(fā)展核電是中國能源戰(zhàn)略之一，近期核電的發(fā)展是以二代改進(jìn)型核電廠技術(shù)為主導(dǎo)，遠(yuǎn)期將以引進(jìn)的經(jīng)驗證的AP1000作為我國核電自主化的依托項目，通過消化吸收、自主化和再創(chuàng)新，作為我國三代核電廠發(fā)展的技術(shù)路線，并成為核工業(yè)界多數(shù)人的共識。

一個二代百萬千瓦級核電機組的核電廠，各種壓力容器約260臺、管道約60 000 m、焊縫約50 000條、用于主回路設(shè)備的低合金鋼約為1 200 t、奧氏體不銹鋼約為1 150 t，核電廠總用鋼量約為61 000 t。因此，材料是發(fā)展核電重要基礎(chǔ)之一，特別是核島反應(yīng)堆壓力容器(RPV)及蒸汽發(fā)生器(SG)用的低合金鋼(16MND5/SA508-3)大型鍛件已成為我國核島主設(shè)備國產(chǎn)化產(chǎn)業(yè)鏈中重要鏈節(jié)，引起了多方人士關(guān)注。

1 關(guān)注點之一：材料成本

核電廠建造的特點之一是初投資比較大，按美國“用戶要求文件”（URD）目標(biāo)比投資是≤1 300 美元/千瓦，但核電廠設(shè)計壽期較長，一般為40～60年，還貸期一般為15年。初投資中設(shè)備成本約占一半（見圖1），其中核島設(shè)備占52.4%、常規(guī)島占28.6%、其他兩項為19%；從設(shè)計、設(shè)備采購角度看，設(shè)備采購占51.4%的65.6%，其中材料費約為55%，對RPV而言它的一半多（為28%）為鍛件材料費。因此，僅從材料或鍛件成本看亦值得關(guān)注。

2 關(guān)注點之二：供需

AP1000和EPR核電廠主設(shè)備中需要的大型鍛件是AP1000蒸汽發(fā)生器（Δ125）的管板和封頭及EPR堆芯筒體內(nèi)徑為4 870 mm的反應(yīng)堆壓力容器的法蘭接管段殼體和堆芯段筒體，不銹鋼用于主管道和主泵殼體，它們的尺寸、重量及鋼錠大小見表1。

據(jù)了解，我國目前（2007年底）核電廠和近期發(fā)展簡述如下：

在役核電機組 共計11個 870萬千瓦（QS-Ⅰ/1、QS-Ⅱ/2、QS-Ⅲ/2、田灣/2、大亞灣/2、LA-Ⅰ/2）。

核準(zhǔn)建造核電機組 共計8個 778萬千瓦（QS-ⅡE/2、LA-Ⅱ/2、紅沿河/4，注：數(shù)據(jù)截至2007年底。），三門和海陽為引進(jìn)AP1000機組的核電廠，共計400萬千瓦。

圖1 材料成本Fig.1 Cost of materials

表1 EPR與AP1000主設(shè)備部件尺寸、質(zhì)量及鋼錠大小Table 1 The specification and weight of major equipment components, and the size of steel ingot of EPR and AP1000

2020年應(yīng)投運 4 000萬千瓦

2020年應(yīng)在建 1 800萬千瓦

2020年前核電缺口 1 410萬千瓦（投運）/3 210萬千瓦（包括在建）

建造周期 約60個月=約5年

RPV/SG鍛件生產(chǎn)周期 10/12個月=約1年

需要的整套RPV鍛件數(shù)量 15/33臺套

需要的整套SG鍛件數(shù)量 45/99臺套

按余下時間10年計（已核準(zhǔn)建造的14個核電機組的14臺RPV和40臺SG預(yù)計于2008-2012年間供貨）

每年RPV出廠 1.5/3.3臺

每年SG出廠 4.5/9.9臺

對上述需求的RPV和SG國產(chǎn)化數(shù)量可持謹(jǐn)慎的樂觀態(tài)度，原因之一是取決于RPV和SG用的大型鍛件的按時供貨，國產(chǎn)的大型低合金鋼鍛件按時供貨則主要決定于大型鍛件制造工藝（包括工藝過程控制）的成熟性。

3 關(guān)注之三：成熟性

對壓水堆核島主設(shè)備RPV和SG用的大型鍛件的基本要求是在所有厚度的全斷面上具有合適的強度、足夠的韌性及良好的焊接性。然而，由于冶煉、多爐合澆、錠型與冷卻過程中存在偏析，包括碳偏析、A型偏析、V型偏析等，以及熱處理后的晶粒度和微觀組織的不均勻，導(dǎo)致大型鍛件性能均勻性欠佳或甚至不滿足要求。其原因之一是經(jīng)驗不足，我國大型鍛件的制造正從試制進(jìn)入小批量制造階段，還沒有進(jìn)入專業(yè)化的穩(wěn)定成熟階段，要跨越式提升，適時開展核級大型鍛件制造工藝的科研應(yīng)受到關(guān)注。

特定鋼種的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(CCT曲線)描繪由奧氏體化溫度冷至室溫過程中奧氏體的轉(zhuǎn)變過程及微觀組織，可以利用CCT曲線探討和預(yù)知大型鍛件不同斷面厚度冷卻速率下奧氏體的轉(zhuǎn)變過程及產(chǎn)生的微觀組織，進(jìn)而推知力學(xué)性能并判斷不同厚度及不同斷面厚度處需要的冷卻速率。正火、淬火、焊接過程中，從高溫到低溫的冷卻速率不但可以測量亦可建立理論模型編程進(jìn)行計算。這些研究結(jié)果對大型鍛件的正火、淬火及回火的工藝過程控制具有指導(dǎo)意義?；鼗疬^程應(yīng)關(guān)注回火參數(shù)對材料韌性的影響，通過研究可以最佳的回火參數(shù)來控制回火溫度和保溫時間。

強化工藝過程控制，包括工藝文件完整、記錄齊全、監(jiān)督全面，已正在成為各廠家認(rèn)可的共同質(zhì)?；顒樱荒芗訌姴荒芟魅?。

在上述解決了核級大型鍛件制造工藝穩(wěn)定成熟后，再進(jìn)一步開展高純度高韌性耐中子輻照的核級巨型鍛件研究，以滿足三代壓水堆核島主設(shè)備的設(shè)計建造需求。

實踐表明，在研制過程中，以核電工程需求為背景，以企業(yè)集團(tuán)為主體，實施企業(yè)集團(tuán)、研究單位和設(shè)計單位三結(jié)合的方式進(jìn)行是比較行之有效的模式。

4 關(guān)注之四：借鑒

法國在1974年確定了建設(shè)34個900 MW機組的標(biāo)準(zhǔn)型壓水堆核電廠，在1975年又制訂了建設(shè)20個1 300 MW機組的標(biāo)準(zhǔn)型壓水堆核電廠的計劃。因而，法國在20世紀(jì)七八十年代發(fā)展核電的情況似乎類似我國目前的狀況。法國在總結(jié)其核電快速發(fā)展的經(jīng)驗時，在“成熟的壓水反應(yīng)堆”（法國核工程技術(shù)，No.3）一文中總結(jié)為三條：“工業(yè)和能力集中；設(shè)備和型號標(biāo)準(zhǔn)化；計劃的連續(xù)性”。盡管法國國情不同于我國，但它總結(jié)的集中-標(biāo)準(zhǔn)化-連續(xù)性三點對我們可能有參考價值，其核電發(fā)展及標(biāo)準(zhǔn)化的概貌見圖2。

法國當(dāng)時核電廠設(shè)計集中在法馬通，核電業(yè)主為國家用戶EDF，而主設(shè)備制造主要集中在屬于法馬通制造部下的克羅索-盧瓦爾-夏龍（Creusot-Loire-Salon）地區(qū)，負(fù)責(zé)施工設(shè)計和制造RPV、SG、Pzr、RVI等設(shè)備，并建有三個中心：無損檢驗、焊接研究及計算分析中心。其大型鍛件全部由克羅索-盧瓦爾重型鑄鍛件廠生產(chǎn)，年產(chǎn)能力達(dá)3萬t，鑄鍛件經(jīng)粗加工探傷合格后發(fā)往夏龍廠完成產(chǎn)品制造出廠。當(dāng)時重型鑄鍛件廠的能力類似甚至不如我國目前的裝備：行車為400 t/225 t/100 t，翻鋼機為190 t，鉗子為200 t，水壓機為6 000～9 000 t各一臺，加熱爐為20 m×4 m×4 m×300 t，熱處理爐為φ10 m×5 m，淬火水池為φ8.6 m×6 m，機加工為多臺8 m數(shù)控立車，行車為250 t×2，另配數(shù)控鏜銑床及UT等探傷設(shè)備多臺。由于其鋼錠不超過200 t，故一些大型鍛件，如透平轉(zhuǎn)子、RPV封頭鍛板等還采用了鍛件/鍛板拼焊制造。夏龍廠使用這些鍛件自1974年起至1988年的14年間制造了900 MW、1300 MW、1450 MW的RPV計68臺，平均年產(chǎn)達(dá)4臺半，當(dāng)然還有SG等，體現(xiàn)了在核電持續(xù)發(fā)展規(guī)劃下的集中/專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化管理的巨大優(yōu)越性。法國20世紀(jì)70年代發(fā)展核電的集中/專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化做法可能值得我們借鑒。

5 結(jié)束語

本文以壓水堆核電廠核島主設(shè)備RPV和SG用低合金鋼大型鍛件為對象，從材料成本關(guān)注其重要性、從核電規(guī)劃目標(biāo)關(guān)注其供需、從制造技術(shù)關(guān)注其成熟性、從法國核電發(fā)展關(guān)注其經(jīng)驗，目的是進(jìn)一步引起對我國核電國產(chǎn)化大型鍛件的全面關(guān)注，并力挺以進(jìn)一步的深入科研、集中/專業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化做法加速提升國產(chǎn)大型鍛件的供貨能力，確保我國核電規(guī)劃目標(biāo)順利圓滿的實現(xiàn)。

The main factor of localization of nuclear island major equipment of PWR nuclear power plant Large forgings

ZHANG Jing-cai
(Nuclear Power Institute of China，Chengdu of Sichuan Prov. 610041，China)

Taking the RPV and SG made of low alloy steel large forgings in nuclear island as an examaple, the importance, supply and demand, and maturity of large forgings, as well as the specialized and standardized practices of France to develop nuclear power in the 1970s are studied in this paper. And further in-depth R&Ds are advocated with an aim to improve the domestic supply capacity of large forgings following the centralized and standardized practice.

nuclear power plant; nuclear island main equipment; large forging localization

圖2 法國核電發(fā)展與核電標(biāo)準(zhǔn)體系Fig.2 French nuclear power development and its standards system

TL35

A

1674-1617(2009)01-0038-04

2008-09-08

張敬才（1937－），男，遼寧本溪人，研究員級高工，主要從事反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計和科研工作。