第三代AP1000核電主管道的研制

宋樹(shù)康 劉志穎 鄭建能 鄧林濤 陳紅宇

(中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川618013)

美國(guó)西屋公司設(shè)計(jì)的第三代大型先進(jìn)AP1000壓水堆核電技術(shù)是目前世界上二代、二代加核電技術(shù)的更新?lián)Q代機(jī)型，其主要優(yōu)點(diǎn)是使用壽命從以前的40年增加到了60年，單堆裝機(jī)容量達(dá)到125萬(wàn)千瓦。AP1000反應(yīng)堆目前還沒(méi)有在建機(jī)組，我國(guó)率先起動(dòng)這一機(jī)型的建設(shè)。主管道是連接反應(yīng)堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器的大型厚壁承壓管道，是核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)輸出堆芯熱能的“大動(dòng)脈”，也是保證核安全的核島關(guān)鍵設(shè)備。AP1000主管道由二代、二代加的不銹鋼分段鑄件(離心鑄造直管，砂型鑄造彎頭，管嘴采用鑄件或鍛件)焊接形式改為超低碳加氮奧氏體不銹鋼帶管嘴一體化大口徑彎管，對(duì)鋼的化學(xué)成分、彎管的橢圓度、減薄量等技術(shù)指標(biāo)提出了更高的要求，按常規(guī)的制造方法無(wú)法滿(mǎn)足要求，制造難度很大，堪稱(chēng)世界級(jí)的技術(shù)難題。AP1000主管道包括2根熱段、4根冷段，熱段由于尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是AP1000主管道制造技術(shù)的代表件。

中國(guó)二重技術(shù)人員根據(jù)AP1000主管道熱段的材料特性、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)，結(jié)合公司現(xiàn)有設(shè)備能力，在超大型不銹鋼鋼錠冶煉和澆注、大型不銹鋼毛坯鍛造、大直徑小彎曲半徑管道彎曲成型、大直徑旁通管嘴相貫線機(jī)加工和大直徑不銹鋼管道熱處理等領(lǐng)域開(kāi)展重點(diǎn)攻關(guān)，在國(guó)際上率先研制成功AP1000主管道熱段試制件，其技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，并形成了多項(xiàng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專(zhuān)有技術(shù)。

1 技術(shù)難點(diǎn)分析

1.1 技術(shù)要求

AP1000主管道熱段試制件產(chǎn)品見(jiàn)圖1。材料采用316LN改良型(提高了化學(xué)成分要求)超低碳加氮不銹鋼，產(chǎn)品晶粒度要求細(xì)于2級(jí)；彎曲部位壁厚減薄量不大于名義壁厚6.1%；彎曲部分橢圓度小于4%。

1.2 技術(shù)難點(diǎn)分析

1.2.1 超大型不銹鋼鋼錠的冶煉和澆注

由于316LN不銹鋼鍛造時(shí)變形抗力大、可鍛溫度范圍窄、裂紋敏感性強(qiáng)，根據(jù)AP1000主管道熱段試制件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，熱段試制件采用實(shí)心帶管嘴鍛造，通過(guò)機(jī)加工鏜孔?？紤]到鍛造余量和熱處理余量，熱段試制件采用的鋼錠重量大于100 t。對(duì)于這種超大型不銹鋼鋼錠的冶煉和澆注，在煉鋼工藝上存在很多技術(shù)難點(diǎn)，特別是對(duì)C、P和S的控制。316LN不銹鋼Ni、Cr含量高，熔點(diǎn)比碳鋼、低合金鋼低50～80℃，鋼液黏度大，因此，澆注時(shí)存在很大風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 AP1000主管道熱段試制件產(chǎn)品圖Figure 1 The product drawing of hot leg bent pipe for AP1000 reactor coolant loop

1.2.2 大型316LN不銹鋼管道的鍛造

316LN奧氏體不銹鋼沒(méi)有同素異晶轉(zhuǎn)變，無(wú)法通過(guò)熱處理細(xì)化晶粒。超大型奧氏體不銹鋼的鍛造準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)、溫降大，可鍛溫度范圍窄；鍛造過(guò)程中表面易產(chǎn)生裂紋且產(chǎn)生裂紋后清理難度大；管嘴部位與管身變形量很難保證一致，要使管嘴和管身滿(mǎn)足同樣的晶粒度要求難度較大。

1.2.3 小半徑大直徑管道的彎曲成型

(1)減薄量≤6.1%的控制

彎頭與彎管的區(qū)別是，彎頭兩端不帶直管，彎管兩端有直管。R=1.5D長(zhǎng)半徑彎頭技術(shù)要求減薄量≤12.5%是合理的，因?yàn)槟撼尚蜁r(shí)，彎頭坯料可以做成扇形，見(jiàn)圖2。L1是彎頭外弧線的展開(kāi)長(zhǎng)度，L2是彎頭內(nèi)弧線的展開(kāi)長(zhǎng)度，見(jiàn)圖2(a)。彎曲成型時(shí)，坯料在內(nèi)模和外模的作用力下彎曲成型，見(jiàn)圖2(b)。內(nèi)弧和外弧受力后主要是彎曲變形，減薄量一般在8%左右。

彎管兩邊帶直管后，坯料不能制成扇形，彎曲成型時(shí)內(nèi)弧金屬只能壓縮，外弧金屬只能拉伸，如果不采取一些必要的措施，在純彎曲時(shí)，外弧的減薄量大于25%。

彎管減薄量的設(shè)計(jì)原理是：

式中：D為彎管外徑，R為彎曲半徑，δ為彎管減薄量。

AP1000主管道熱段彎管的尺寸參數(shù)按此式計(jì)算的減薄量應(yīng)該為25.1%，所以，要滿(mǎn)足減薄量≤6.1% 的要求，難度很大。

(a) (b)圖2 R=1.5D長(zhǎng)半徑彎頭坯料Figure 2 The blank of R=1.5D elbow with long diameter

(2)橢圓度≤4%的控制

根據(jù)ASME B31.1《壓力管道規(guī)范》104.2“對(duì)于鐵基材料，當(dāng)彎管的彎曲半徑等于或大于5倍公稱(chēng)管徑和公稱(chēng)管的壁厚為Sch40或更厚時(shí)，最大與最小直徑之差不應(yīng)超過(guò)管子彎曲前平均實(shí)際外徑的8%”，也就是說(shuō)，當(dāng)彎曲半徑≥5D時(shí)，彎管的橢圓度應(yīng)小于8%。熱段試制件的彎曲半徑僅為1.5D，橢圓度確要求≤4%，難度較大。

(3)一體化管嘴對(duì)彎管彎曲成型過(guò)程中金屬自由流動(dòng)的阻礙

兩管嘴與彎管一體化后，內(nèi)腹管嘴部位不能得到均勻壓縮，不對(duì)稱(chēng)的外管嘴部位阻礙金屬拉伸時(shí)的流動(dòng)，因此，管嘴與彎管的一體化不僅是給模具設(shè)計(jì)增加了難度，還給減薄量和橢圓度的控制帶來(lái)影響。

2 工藝方案設(shè)計(jì)

2.1 冶煉和澆注

對(duì)合金材料和爐襯材料進(jìn)行嚴(yán)格控制，尤其要對(duì)合金材料中磷、銅、鈷、鉛、錫、砷、銻等有害元素進(jìn)行嚴(yán)格控制。采用電爐冶煉粗鋼水+VOD 精煉，適當(dāng)提高澆注溫度進(jìn)行澆注。

2.2 鍛造

根據(jù)316LN不銹鋼鍛造時(shí)變形抗力大、可鍛溫度范圍窄、裂紋敏感性強(qiáng)的特點(diǎn)，鍛造鐓粗拔長(zhǎng)階段盡可能減少出爐到開(kāi)鍛時(shí)間，為高溫大變形爭(zhēng)取溫度，保證大晶粒能夠在變形過(guò)程中破碎細(xì)化。鍛造過(guò)程中若表面出現(xiàn)裂紋，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行清理，并根據(jù)裂紋情況決定采用冷或熱清理方式。

2.3 彎曲成型

(1)組合芯模

為了滿(mǎn)足橢圓度和減薄量的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)專(zhuān)用成型組合芯模，使成型壓力能夠得到均勻傳遞，從而降低了減薄量，也保證了產(chǎn)品橢圓度的要求。

(2)成型上下模

下模兩側(cè)設(shè)計(jì)成直線段墻面，上模能夠插入到下模內(nèi)，從而使下模兩側(cè)的直線段墻面從直管開(kāi)始就能夠得到護(hù)圓保護(hù)。此直線段墻面阻止了橢圓度的產(chǎn)生，防止了產(chǎn)品外表面的拉傷缺陷。上、下模具不需要與壓制設(shè)備(160 MN水壓機(jī))連接，上模與下模采用插鍵定位。

3 試驗(yàn)和檢驗(yàn)

3.1 室溫拉伸試驗(yàn)

試制件固溶熱處理后在鋼錠冒口端、兩管嘴處、彎曲部位內(nèi)弧和彎曲部位外弧(解剖取樣)切取試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，部分檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

3.2 晶粒度測(cè)定

對(duì)彎管冒口端、兩管嘴處、彎曲部位內(nèi)弧和彎曲部位外弧均進(jìn)行了晶粒度檢查，晶粒度為2～3.5級(jí)，合格。

3.3 尺寸檢驗(yàn)

熱段彎管精加工后見(jiàn)圖3，經(jīng)激光跟蹤儀檢測(cè)，所有尺寸均滿(mǎn)足技術(shù)要求。彎管角度合格，彎曲部分橢圓度僅有1.1%，彎曲部位解剖后測(cè)量外弧最小壁厚80.4 mm，滿(mǎn)足≤6.1%的減薄量要求。

表1 室溫拉伸試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果Table 1 The result of tensile test at ambient temperature

圖3 AP1000主管道熱段試制件Figure 3 Hot leg bent pipe for AP1000 reactor coolant loop

3.4 無(wú)損檢驗(yàn)

按照超聲波探傷規(guī)程和液體滲透探傷規(guī)程進(jìn)行檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)應(yīng)記錄的缺陷。

4 結(jié)論

中國(guó)二重根據(jù)AP1000主管道熱段試制件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和316LN不銹鋼的材料特性，采用電爐粗煉+VOD精煉+控制澆注進(jìn)行超大型不銹鋼鋼錠的冶煉和澆注，采用高溫大變形進(jìn)行一體化鍛造，采用上、下成型模和坯料內(nèi)組裝組合成型芯模彎制小彎曲半徑大口徑管道，固溶熱處理后經(jīng)力學(xué)性能檢驗(yàn)，最終精加工后經(jīng)尺寸檢查和最終檢驗(yàn)，所有指標(biāo)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，研制成功第三代AP1000主管道熱段試制件。