AP1000蒸汽發(fā)生器制造難點分析

王培河

（1．三門核電有限公司，浙江 三門 317112；

2．黑龍江省電力科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150030）

AP1000是美國西屋公司在AP600的基礎上開發(fā)的第三代先進核電技術(shù)，與傳統(tǒng)成熟的壓水堆核電技術(shù)相比，最大的優(yōu)點是其安全系統(tǒng)采用了“非能動”技術(shù)，提高了安全性和經(jīng)濟性以及建造中大量采用模塊化建造技術(shù)，大大縮短建設周期。

蒸汽發(fā)生器是核電站一、二回路的樞紐，主要作用是通過管束的換熱作用產(chǎn)生高品質(zhì)干燥蒸汽（設計干燥度99.90%以上）來驅(qū)動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。由于一回路冷卻劑流經(jīng)堆芯帶有放射性，因此蒸汽發(fā)生器也是一回路壓力邊界的一部分，用于防止放射性物質(zhì)外泄。根據(jù)國外報道，壓水堆核電廠的非計劃停堆次數(shù)中約有四分之一是因為有關(guān)蒸汽發(fā)生器問題造成的，因此它對核電廠的安全運行十分重要。

浙江三門核電站1號機組為全球首臺在建1 250 MW AP1000機組，西屋公司承包核島關(guān)鍵設備反應堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器，由韓國斗山重工制造（部分鍛件分包給國內(nèi)某重型廠）。

AP1000機組簡化的兩回路設計和60 a設計壽期，與目前成熟的CPR1000和二代加普遍使用的三回路或四回路設計和40 a設計壽期相比，AP1000蒸汽發(fā)生器尺寸更大、重量更重、材料要求更高、設計、制造更復雜，堪稱為當代熱交換器技術(shù)的最高水平。因此，在制造過程中，需要解決冶煉、鍛造、調(diào)質(zhì)處理、鉆孔、裝配、焊接、局部焊后熱處理等許多方面的制造難題。

1 結(jié)構(gòu)特點及制造工藝流程

1.1 結(jié)構(gòu)特點

AP1000蒸汽發(fā)生器型號為△125型，主要由以下組件組成：下封頭組件、管束組件和下筒體組件、旋風分離器和板式分離器和上筒體組件。采用倒U形管立式布置，自然循環(huán)，結(jié)構(gòu)非常緊湊，見圖1[1-3]。

圖1 AP1000蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Steam generator structure for the AP1000

蒸汽發(fā)生器外殼分上段、中段、下段3部分，上段由橢球封頭、上筒節(jié)E&D組成；中段由錐形筒節(jié)、下筒節(jié)C&B&A和管板組成；下段是下封頭。橢球封頭頂部中心開有7個φ150 mm孔來安裝文丘里噴嘴，以限制進入主蒸汽接管的蒸汽流量。下封頭整體鍛造成型其上開有1個φ799.2 mm冷卻劑進口接管、2個φ706.7 mm冷卻劑出口接管、2個φ471 mm檢修人孔和1個φ296 mm非能動余熱排出接管。

圖2 AP1000蒸汽發(fā)生器制造流程圖Fig.2 Manufacture flow chart of the AP1000 steam generator

1.2 制造工藝流程圖

AP1000蒸汽發(fā)生器制造流程簡圖如圖2所示。

2 設計參數(shù)及承壓材料

2.1 基本設計參數(shù)

AP1000蒸汽發(fā)生器基本設計參數(shù)如表1所示。

2.2 承壓材料

蒸汽發(fā)生器殼體承壓材料全部為SA508Gr.3Cl.2低合金鋼鍛件，U形管材料為經(jīng)過特殊熱處理SB163 UNS N06690鎳基合金管。

表1 AP1000蒸汽發(fā)生器基本設計參數(shù)Table 1 Basic design parameters of the AP1000 steam generator

SA508Gr.3Cl.2鍛件的化學成分實測典型值見表2。力學性能要求及實測典型值見表3。

由表3可以看出，60 a設計壽期和鍛件尺寸加大對鍛件提出了更高的性能要求，特別是低溫斷裂韌性。此外，從管板鍛件實測值可以看出，目前SA508Gr.3Cl.2超大鍛件Rm值偏下限，迫切需要鍛件制造廠提高超大鍛件調(diào)質(zhì)處理技術(shù)水平以提高鍛件的整體性能水平。

表2 SA508Gr.3Cl.2鍛件的化學成分Table 2 Chemical composition of the SA508Gr.3Cl.2 forging

表3 SA508Gr.3Cl.2鍛件力學性能Table 3 Mechanical properties of the SA508Gr.3Cl.2 forging

3 制造難點分析

3.1 鍛件的冶煉、澆鑄和鍛造

為滿足AP1000蒸汽發(fā)生器SA508Gr.3Cl.2鍛件較低的無延性轉(zhuǎn)變溫度（NDTT），對鋼的純凈度、均勻性提出了更高的要求，因此必須從冶煉、澆鑄、鍛造和熱處理每個過程進行嚴格控制，目前國內(nèi)外普遍使用如圖3所示的雙真空冶煉澆鑄技術(shù)[6]。

3.1.1 冶煉的控制要點

圖3 煉鋼和澆鑄過程Fig.3 Melting and casting process

精選原材料（嚴格控制有害元素S、P、H和稀有元素As、Sb、Sn等）和鐵合金，采用堿性電爐冶煉加鋼包爐外精煉。鋼包爐采用吹氬攪拌。鋼包爐外精煉的主要任務是最大限度地脫O、脫S、去除非金屬夾雜物、脫H、鋼液成分調(diào)整和升溫。

真空處理通過減壓和提高Ar攪拌強度，提高熔池的攪拌能，增強液-渣、液-氣、渣-氣不同物相之間的傳質(zhì)作用。

真空脫氣的真空度控制在＜1 000 μm，以足夠長的時間（一般10～20 min）充分攪拌熔融金屬，使其能充分暴露于抽真空氣氛中，充分凈化鋼液，提高鋼水純凈度。

3.1.2 澆鑄的控制要點

經(jīng)過真空處理的鋼水要真空澆注，防止鋼液二次氧化，保證有效去除氣體（根據(jù)以往核電設備的制造經(jīng)驗，一般H含量要控制在2×10－6以下，斗山重工就在材料采購規(guī)范書中增加了對鋼中氣體含量分析的要求），得到高純凈度的鋼。

由于單個鍛件毛坯重達320 t，受單臺冶煉設備能力的限制，采用多爐冶煉合澆工藝。合理利用多爐合澆工藝，按照多爐出鋼順序及鋼液量的不同，適當控制不同爐次的碳及其他元素成分和出鋼溫度，以減少大型鋼錠在凝固過程中所形成的∧形偏析和區(qū)域偏析，并改善鋼中夾雜物的上浮條件，獲得理想效果。

鋼錠冒口使用發(fā)熱劑發(fā)熱冒口，使錠身在凝固過程中得到充分補縮；夾雜容易上浮，減少偏析、疏松，縮孔上移；減小了冒口所占鋼錠的比例。

3.1.3 鍛造的控制要點

采用錐度8%左右、高徑比為1.2左右的優(yōu)質(zhì)鍛件錠形。

鋼錠的頭尾兩端應有足夠的切除量以保證只有優(yōu)質(zhì)金屬保留在最終的鍛件上，冒口比例為17%～24%。

為保證鍛造效果，實現(xiàn)通過鍛造破碎鋼錠的鑄態(tài)組織，焊合鋼錠內(nèi)部的疏松、裂紋、氣孔等缺陷，改善第二相化合物及非金屬夾雜物在鋼中的分布，提高其力學性能，規(guī)定總鍛比大于3.5。

3.1.4 管板、下封頭鍛件的控制要點

管板是一、二次側(cè)壓力邊界的一部分，直徑φ4 487.7 mm，厚度784 mm；下封頭是蒸汽發(fā)生器中承受壓差最大的部件，呈半球形，壁厚254 mm，由于表面開有6個大孔，應力狀態(tài)十分復雜，設計為管孔與封頭整體鍛造機加成形，技術(shù)難度大。

斗山重工將下封頭鍛件分包給國內(nèi)某重型廠制造，受國內(nèi)鍛造技術(shù)水平限制，該重型廠將水室封頭分兩體鍛造。后來由于斗山鍛制成功一體化下封頭，最終使用了斗山自制的一體化下封頭。

管板和下封頭都是由鐓粗變形為主鍛制而成的大型餅類超厚鍛件，內(nèi)部不易鍛透。鐓粗工序能否焊合鍛件內(nèi)部疏松取決于鐓粗比的大小，所以這類鍛件實際鐓粗時的變形量很大，內(nèi)部容易出現(xiàn)橫向內(nèi)裂層狀缺陷，超聲波探傷廢品率高。

3.1.4.1 為保證鍛件內(nèi)部質(zhì)量，需要采取以下措施

(1) 采用高徑比為1.1左右的優(yōu)質(zhì)鍛件錠型，適當加大水口和冒口的切除量，水口端切除量≥8%，冒口端切除量≥23%。

(2) 采用多次中心壓實拔長加鐓粗的特殊鍛造工藝，加大鍛粗比，使鍛件實際鍛比應達10%以上，保證鍛造效果。以圖4管板鍛造變形過程為例。

3.1.4.2 設計要求材料具有優(yōu)良的塑性及淬透性

管板和下封頭鍛件厚大，淬透性差，調(diào)質(zhì)處理過程中需要采取以下措施保證得到下貝氏體組織達到所要求的力學性能。

(1) 嚴格加強鍛造過程控制，使鍛件內(nèi)部組織均勻。

（2）調(diào)質(zhì)處理前進行一次（920±10）℃正火加（670±10）℃高溫回火的鍛后細化晶粒熱處理，增強隨后調(diào)質(zhì)熱處理的效果。

(3)調(diào)質(zhì)處理過程中嚴格控制淬火溫度（890±10）℃和保溫時間，避免晶粒長大，淬火前水槽中冷卻水溫≤4 ℃，工件出爐后要在5 min內(nèi)入水槽，工件在水槽中停留時間260～300 m i n，加強水槽中冷卻水循環(huán)，工件出水溫度≤80 ℃。高溫回火溫度嚴格控制在635～650 ℃范圍內(nèi)。

圖4 管板鍛造變形過程Fig.4 Forging process of tubesheet

3.1.5 錐形筒節(jié)鍛件的控制要點

錐形筒節(jié)高度為2 5 0 0mm，大徑端φ5 576×120 mm向小徑端φ4 417×112 mm過渡。具有直徑大，壁厚薄的特點。采用筒體芯棒拔長的鍛造方法，使鍛件形狀和尺寸接近產(chǎn)品。

斗山重工將錐形筒節(jié)鍛件分包給國內(nèi)某重型廠制造，但由于在調(diào)質(zhì)熱處理過程中工件變形超差報廢，斗山最后使用自己鍛造成功的備用件。

因此設計合理的防錐形筒節(jié)鍛件調(diào)質(zhì)熱處理變形工裝成為控制要點。

3.2 管板管孔的加工

與目前成熟的CPR1000和二代加管板相比，AP1000管板更大、更厚、對孔徑公差、節(jié)距公差、形位公差及管孔光潔度要求更嚴、鍛件內(nèi)部組織均勻程度更差，以及管板鉆孔時受力不均等因素，需要從以下3方面進行嚴格控制。

3.2.1 管板的固定

(1) 通過在V形支撐上加墊片和安裝可調(diào)千斤頂調(diào)整鉆床與管板X軸平行度≤0.2 mm，Y軸平行度≤0.08 mm；

(2) 用鏈狀鋼索夾緊管板，并重新驗證管板對中和平行度仍滿足上述要求；

(3) 將鉆床的X和Y軸移到管板的中心，設為鉆孔程序零位，并記錄原始坐標，整個鉆孔過程中以該坐標點為基點進行調(diào)整。1號軸放在管板的中心。

3.2.2 參數(shù)的設定

(1) 按評定試驗確定的數(shù)據(jù)輸入三軸鉆頭轉(zhuǎn)速、進給量、冷卻劑壓力和鉆孔深度參數(shù)，并保證達到鉆頭壽命和鉆孔所用時間兩者間的最佳配置，斗山重工規(guī)定BTA鉆頭壽命最多鉆20個管板孔；

(2) 斗山重工推薦的AP1000管板鉆頭轉(zhuǎn)速為70～100 m/min、進給量為0.10～0.20 mm/rev。

3.2.3 管孔的檢查

(1) 檢查鉆頭直徑和切削刃，保證φ17.73 mm，每班所用的全部鉆頭在工作開始前可以在試塊上試驗；

(2) 在每班鉆孔前，檢查導向襯套內(nèi)徑，發(fā)現(xiàn)φ＞17.78 mm立即更換；

(3) 首鉆8個測試孔，QC人員檢查對中、孔徑、粗糙度、垂直度和相對于管板中心的間距和位置，全部合格后才能正式鉆孔。此外，每班至少要抽檢一次；

(4) 鉆孔過程中，操作工要連續(xù)監(jiān)控鉆孔條件，當發(fā)現(xiàn)非正常碎裂或刻痕時立即更換導向襯套。至少每10個孔，操作工自檢孔徑、粗糙度、垂直度和間距，發(fā)現(xiàn)偏差及時匯報、分析、處理。

3.3 焊接

3.3.1 管板鎳基合金堆焊

AP1000管板一次側(cè)與冷卻劑接觸的表面，采用690鎳基合金帶極埋弧堆焊3層，面積約12.4 m2，厚度約10 mm左右，機加到6.6 mm公稱厚度。見圖5帶極堆焊簡圖。

由于管板堆焊面積大，且690鎳基合金堆焊層與SA508Gr.3Cl.2管板的線膨脹系數(shù)相差很大，在堆焊層產(chǎn)生較大的殘余應力，導致熔合線低合金鋼母材側(cè)易產(chǎn)生裂紋缺陷；同時由于鎳基合金元素含量高，熔池流動性差，對雜質(zhì)敏感性大，且堆焊層搭接處存在焊縫形狀突變，導致該部位易產(chǎn)生夾渣。

(1) 熔合線裂紋控制

斗山重工在堆焊首臺兩件管板時，按以往堆焊二代及二代加管板的經(jīng)驗，僅采取焊前預熱及第二層堆焊后熱消氫處理措施，但三層全部堆焊完成后UT顯示兩件管板中心直徑1 900 mm范圍內(nèi)均發(fā)現(xiàn)大量裂紋，深度9～10 mm。經(jīng)過大量試驗分析確定為堆焊層內(nèi)應力過大加之鍛件及焊材含氫量較高所致。

針對裂紋產(chǎn)生的原因，制定管板處理方案，采取第二層堆焊后熱消氫處理完成后增加一步中間焊后熱處理，以起到進一步消氫和平衡內(nèi)應力作用，然后堆焊表面層，兩件管板返修部位最終UT檢查全部合格。

(2) 搭接處夾渣控制

通過模擬試驗確定合適的搭接量和焊接規(guī)范參數(shù)，適當減少1層堆焊厚度，使前焊道邊緣形狀突變盡可能小，以利于尖角部位排渣。斗山重工推薦的工藝參數(shù)見表4。管板堆焊層最終UT檢測滿足不大于φ3.17 mm平底孔堆焊試塊波幅的要求。

3.3.2 下封頭隔板焊接

隔板為厚度76.5 mm的SB168 UNS N06690鎳基合金板，采用雙面坡口全焊透接頭型式焊接到下封頭內(nèi)表面不銹鋼堆焊層上，焊縫長度約6.3 m。如此大的焊接量產(chǎn)生的焊接收縮易使下封頭產(chǎn)生較大的橢圓度，若焊接順序不當隔板易產(chǎn)生較大的彎曲度，使后序下封頭與管板間環(huán)縫及隔板與管板上的短板組對錯邊超差。所以隔板與下封頭焊接的難點在于合理控制焊接收縮變形。

圖5 帶極堆焊簡圖Fig.5 Diagram for overlaying with pole

表4 帶極埋弧堆焊工藝參數(shù)Table 4 Technical parameters of strip ESW cladding

通過理論分析、結(jié)合以往積累的經(jīng)驗，斗山重工采用分段對稱的焊接順序：將整條焊縫分為多個焊區(qū)隔區(qū)分段進行焊接，坡口兩側(cè)焊接交替進行，由中部向兩側(cè)放射方向施焊，順時針及逆時針方向分層交替進行以使應力部分抵消從而實現(xiàn)控制焊接殘余應力的分布狀態(tài)，降低其峰值；嚴格控制施焊過程中的層間溫度；以及在焊接過程中及時檢測隔板彎曲度，以便隨時調(diào)整焊接措施，使下封頭隔板的焊接變形得到有效控制。最終封頭的橢圓度及隔板的彎曲度都在≤3 mm公差范圍內(nèi)。

3.4 下封頭與管板環(huán)焊縫局部熱處理

U形管束組件端部裝入管板管孔，管端局部點脹定位后焊接密封，焊接完成后沿管板全厚度進行液壓脹接。脹接完成后管板與下封頭組焊，由于結(jié)構(gòu)限制下封頭與管板的環(huán)焊縫焊后熱處理只能采取局部熱處理方式，否則將引起管束的變形及管子與管板脹接性能的破壞。

后續(xù)將進行的該局部焊后熱處理的難點在于：局部焊后熱處理既要達到有效消除水室封頭與管板間焊縫的焊接殘余應力，又不能由于過高的熱處理溫度作用而造成近焊縫的管子管板脹接區(qū)的脹接力松弛，以及管子管板焊縫的機械性能損害。因此，對該局部熱處理所產(chǎn)生的溫度場控制十分嚴格。

需要通過設計合理的局部熱處理工裝和溫度場的模擬計算以及大量的試驗確定出能滿足要求的溫度場。至少要包括環(huán)縫區(qū)、二次側(cè)手孔區(qū)、排污接管區(qū)、安全端焊縫區(qū)、管板一次側(cè)平面邊緣區(qū)、二次側(cè)平面邊緣區(qū)等部位的溫度場的要求。在實際產(chǎn)品焊后熱處理過程中嚴格按試驗確定的熱電偶位置、陶瓷加熱板布置和保溫方式要求來執(zhí)行，保證以上各部位溫差均控制在溫度場要求的范圍內(nèi)。此外，為有效防止管板區(qū)域溫度過高，需配備緊急冷卻裝置。

4 結(jié)束語

通過總結(jié)韓國斗山重工承制的全球首臺AP1000蒸汽發(fā)生器制造過程中積累的經(jīng)驗，為后續(xù)AP1000項目蒸汽發(fā)生器等核島主設備的國內(nèi)制造提供借鑒和參考。當然更需要國內(nèi)制造廠在此基礎上實現(xiàn)創(chuàng)新，使我國的核電制造技術(shù)水平達到世界先進水平。

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