百萬千瓦級核電蒸汽發(fā)生器自主化制造之路

文/盛旭婷 上海電氣核電設(shè)備有限公司 （201306）

盛旭婷（1982年~）女，工程師，畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化學(xué)院。曾參與秦山二期擴(kuò)建工程蒸汽發(fā)生器招投標(biāo)和負(fù)責(zé)巴基斯坦恰?，敽穗姺€(wěn)壓器工藝技術(shù)和項(xiàng)目管理工作，現(xiàn)從事于技術(shù)管理和科研開發(fā)等工作。

1 概 述

2010年8月28日，國內(nèi)自主化首臺百萬千瓦級蒸汽發(fā)生器在上海電氣核電設(shè)備有限公司（下稱“上核公司”）臨港重裝備基地制造成功。該設(shè)備為中國廣東核電有限公司訂購，在遼寧紅沿河核電廠一期項(xiàng)目使用。遼寧紅沿河核電工程是列入國家“十一五”規(guī)劃的核電自主化項(xiàng)目，是東北地區(qū)有史以來投資最大的項(xiàng)目和第一座核電站，是“振興東北”戰(zhàn)略實(shí)施的重大專項(xiàng)之一，也是國內(nèi)首個(gè)規(guī)?；ㄔO(shè)的核電項(xiàng)目，是我國自主設(shè)計(jì)、自主制造、自主建設(shè)、自主營運(yùn)的首臺百萬千瓦級核電機(jī)組。此次竣工發(fā)運(yùn)的蒸汽發(fā)生器總長度21.7m，豎起時(shí)的高度堪比6層樓房；最大一端直徑為5.5m，內(nèi)部裝有U型管等上萬個(gè)各類精細(xì)零件；總重量達(dá)345t。

紅沿河百萬千瓦蒸汽發(fā)生器產(chǎn)品制造， 2008年1月8日準(zhǔn)開工，4月24日開始管板組件制造，2010年8月竣工發(fā)運(yùn)。在研制過程中，上核公司突破了原來由外方提供整套原材料采購規(guī)范的限制，掌握了產(chǎn)品制造所需全套原材料的采購技術(shù)和全套產(chǎn)品制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)首臺百萬千瓦核電蒸汽發(fā)生器的完全自主化制造。

2 紅沿河蒸汽發(fā)生器的自主化制造

2.1 核電反應(yīng)堆簡介

壓水堆核電廠主要由壓水反應(yīng)堆、反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（簡稱“一回路系統(tǒng)”）、蒸汽和動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（簡稱“二回路系統(tǒng)”）、循環(huán)水系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)和輸配電系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)組成。反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)將堆芯核裂變放出的熱能帶出反應(yīng)堆傳遞給二回路系統(tǒng)以產(chǎn)生蒸汽。CPR1000壓水反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)有三條并聯(lián)在反應(yīng)堆壓力容器上的封閉環(huán)路，每條環(huán)路由一臺蒸汽發(fā)生器、一臺反應(yīng)堆冷卻劑泵和管路組成。蒸汽發(fā)生器在核電站一回路中的功能是將反應(yīng)堆內(nèi)載熱劑的熱量傳遞到二回路，使二回路側(cè)介質(zhì)產(chǎn)生一定壓力的蒸汽經(jīng)一、二級汽水分離器干燥后供汽輪機(jī)工作。蒸汽發(fā)生器的一回路側(cè)與反應(yīng)堆壓力容器相連，其載熱劑帶有放射性，二回路側(cè)所產(chǎn)生的干燥蒸汽，其品質(zhì)直接影響電站的功率與效率。蒸汽發(fā)生器在進(jìn)行熱量交換的同時(shí)，起著阻隔放射性載熱劑的作用，是核電站關(guān)鍵設(shè)備之一。

圖1 壓水式反應(yīng)堆及核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)示意

圖2 CPR1000回路系統(tǒng)

此次研制的中國首臺完全自主化并用于遼寧紅沿河核電站的百萬千瓦核電蒸汽發(fā)生器，采用CPR1000技術(shù)方案，由成都核動(dòng)力工程研究設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，是目前國內(nèi)自主化水平、安全可靠性、成熟性、經(jīng)濟(jì)性等各方面綜合比較最佳的核電技術(shù)方案。

圖3 蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)

2.2 產(chǎn)品參數(shù)和制造難點(diǎn)

2.2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)參數(shù)

紅沿河項(xiàng)目1000MW級蒸汽發(fā)生器采用55/19B型(圖3及附表）。

附表

下筒體內(nèi)徑（mm） 3482產(chǎn)品總長度（mm） ~21115產(chǎn)品重量 (t) 345

2.2.2 制造難點(diǎn)

蒸汽發(fā)生器與反應(yīng)堆壓力容器相連，其載熱劑帶有放射性。所產(chǎn)生的蒸汽干燥度要求高于99.9%，直接影響電站的功率與效率。同時(shí)，蒸汽發(fā)生器在進(jìn)行熱量交換的同時(shí)，起著阻隔放射性載熱劑的作用，對核電站安全至關(guān)重要。因此，蒸汽發(fā)生器的一級安全等級，I類抗震類別，一級規(guī)范級別和Q1級的質(zhì)量要求，體現(xiàn)在如下幾方面：

(1) 材料

紅沿河蒸汽發(fā)生器20 431個(gè)零件涉及原材料55類種，根據(jù)產(chǎn)品零部件不同的安全和質(zhì)保等級，同種材料不同的零部件都具有不同的技術(shù)要求和質(zhì)保要求。如何在消化設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)上，科學(xué)、合理和經(jīng)濟(jì)地確定材料的采購技術(shù)規(guī)范并完成大部分材料的國產(chǎn)化采購顯得非常重要。

(2) 焊接

為確保蒸汽發(fā)生器的使用壽命，與一次側(cè)水接觸的材料須具有很好的耐高溫、抗腐蝕等特性，所以要求在下封頭內(nèi)表面堆焊不銹鋼和管板下表面堆焊因科鎳690，而且必須確保每道焊縫的成型質(zhì)量。

為防止具有放射性的冷卻液外滲，一次側(cè)壓力邊界密封性要求更高。傳熱管與管板的連接、一次側(cè)進(jìn)、出口接管與下封頭的連接都采用焊接方式，且必須經(jīng)過100%的RT、MT和UT檢查以及壓力檢測合格。

(3) 機(jī)加工

由于蒸汽發(fā)生器體積大，結(jié)構(gòu)特殊，需在專用設(shè)備上采用非標(biāo)工藝裝備制造。其中管孔深孔加工難度最大，管孔表面除了深度小于0.13mm的刮痕和手感無毛刺螺旋線外，不得有其他凸出表面的金屬毛刺、螺旋線、溝槽等缺陷存在。

(4) 裝配

由于蒸汽發(fā)生器零部件尺寸大，安裝精度要求高，制造過程中零部件公差的積累該安裝帶來了很大的難度。例如，流量分配板和支撐板安裝和U形管穿管，需在8~9m長度上完成位置精度要求0.1mm級的對中裝配，且不允許使用強(qiáng)力，對安裝和檢測都提出了較高的要求。

(5) 檢測

檢測環(huán)節(jié)在產(chǎn)品制造過程占據(jù)了很大的比例，計(jì)量、探傷、理化等方面高效的檢測手段和檢驗(yàn)方式對于確保產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率有著不容忽視的作用。

2.3 自主化制造

2.3.1 聯(lián)合開發(fā)，實(shí)現(xiàn)材料采購國產(chǎn)化。

上核公司針對此次紅沿河蒸發(fā)器項(xiàng)目，除國內(nèi)外各項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)外，以產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范為基礎(chǔ)，編制了40多份專項(xiàng)原材料采購技術(shù)規(guī)范，并通過技術(shù)驗(yàn)證逐步轉(zhuǎn)化為企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，打破了嶺澳一期、二期由法國法馬通公司壟斷原材料采購和供應(yīng)的局面，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)首臺完全自主進(jìn)行原材料采購和監(jiān)控的百萬千瓦核電蒸汽發(fā)生器。

此次紅沿河蒸汽發(fā)生器是核電項(xiàng)目首次在國內(nèi)進(jìn)行給水環(huán)組件半成品采購和組裝焊接；干燥器和汽水分離器是蒸汽發(fā)生器的關(guān)鍵部件，以往該產(chǎn)品大多采用國外成品采購。

2.3.2 技術(shù)創(chuàng)新，完成高質(zhì)、高效的自主化制造。

上核公司將自身技術(shù)創(chuàng)新作為產(chǎn)品制造的關(guān)鍵部分，在制造技術(shù)、焊接技術(shù)、理化試驗(yàn)檢測技術(shù)、無損探傷檢測技術(shù)、測量技術(shù)、工裝等各個(gè)方面與以往相比進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，累計(jì)創(chuàng)新有39項(xiàng)，包括：管板帶極電渣堆焊技術(shù)、管子管板焊技術(shù)、管子管板焊縫射線探傷、一次側(cè)接管安全端采用單面U型坡口SAW技術(shù)、管子管板機(jī)械滾軋定位脹、水室封頭疏水管孔鏜床深孔加工技術(shù)、內(nèi)套筒采用軸向/周向滾動(dòng)輪裝配、支撐板安裝對中和監(jiān)測技術(shù)、二次側(cè)水壓后除濕技術(shù)、機(jī)床傾斜自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)、小接管機(jī)加工監(jiān)測技術(shù)、蒸發(fā)器整體尺寸測量技術(shù)和梳形塊工裝等。

(1) 管板大面積堆焊

管板堆焊技術(shù)是整個(gè)蒸汽發(fā)生器制造中的關(guān)鍵技術(shù)之一，堆焊質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響蒸汽發(fā)生器管板一次側(cè)的耐腐蝕性及管子與管板間焊縫的綜合性能，對于整個(gè)蒸汽發(fā)生器的使用性能及安全運(yùn)行至關(guān)重要。目前國內(nèi)的管板堆焊技術(shù)有法國法馬通和韓國斗山的雙帶極埋弧堆焊和日本三菱的雙熱絲等離子堆焊以及MIG堆焊等技術(shù)。上核公司此次采用自主開發(fā)的帶極電渣堆焊技術(shù)進(jìn)行管板大面積Iconel 600鎳基合金堆焊，采用三層堆焊，工作效率和堆焊質(zhì)量都高于前述的技術(shù)。

(2) 接管安全端焊接

安全端異種鋼焊接其困難主要在于鎳基合金是一種可焊性較差的金屬材料，這種焊縫金屬材料的純度要求很高，稍有有害雜質(zhì)元素存在，就極易產(chǎn)生微裂紋。同時(shí)，由于這種焊縫金屬材料在高溫熔化狀態(tài)下極易被氧化而產(chǎn)生低熔點(diǎn)的氧化夾雜物缺陷，并且在高溫熔化狀態(tài)下的表面張力較大，因而與焊接坡口面的親合力較差，極易造成焊接未熔合缺陷。上核公司采用了預(yù)堆隔離層+對接焊的方式，此次不同的是，在隔離層堆焊采用埋弧自動(dòng)焊技術(shù)，比以往的手工電弧焊或(熱絲)TIG堆焊效率更高。

(3) 管子管板焊接

管子管板焊縫是蒸發(fā)器一回路的壓力邊界，其焊縫質(zhì)量好壞對于直接影響核島熱效率和一回路放射性泄露等問題。CPR1000蒸發(fā)器有8900多個(gè)管子管板焊角縫，接頭及焊材為鎳基合金，要進(jìn)行密封性全位置焊接，難度很大。采用不填絲自動(dòng)TIG氬弧焊接，利用FET晶體管開關(guān)技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)，對焊接電流的全面的精確控制；采用的保護(hù)氣體為He+Ar混合氣體保護(hù)，實(shí)現(xiàn)全位置（5G）焊接，極大地方便了操作者，保證了焊接的效率和穩(wěn)定性。

(4) 管板深孔加工

采用TBT數(shù)控三軸深孔設(shè)備及BTA的鉆頭，摸索出CPR1000蒸發(fā)器關(guān)鍵部件管板深孔加工的最優(yōu)參數(shù)，使得8948個(gè)直徑19.28 mm長565mm的深孔在28天內(nèi)加工完畢(國內(nèi)通常要1.5~2個(gè)月)，孔間距、孔徑均滿足設(shè)計(jì)要求，垂直度控制在0.25mm遠(yuǎn)低于要求的0.5mm，發(fā)生螺旋槽的幾率控制在萬分之一以內(nèi)。

(5) 流量分配板和支撐板對中安裝和檢測技術(shù)

流量分配板和管子支承板的對中精度是蒸汽發(fā)生器中管束組件制造質(zhì)量的關(guān)鍵，其裝配的質(zhì)量，將影響U型管的穿管質(zhì)量及U型管的使用壽命。以往國內(nèi)尚不具備該項(xiàng)對中檢測的能力，主要依靠外方進(jìn)行技術(shù)幫助或外委測量。上核公司用位移傳感器取代傳動(dòng)桿，將物理量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號，將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測量的信號，通過數(shù)據(jù)線將電信號輸出（長度不受限制），在數(shù)顯表上顯示測量數(shù)據(jù)，通過軟件計(jì)算和處理測量結(jié)果，使測量反饋更簡便直觀。

(6) 水壓試驗(yàn)后干燥技術(shù)

國內(nèi)首臺實(shí)行工廠水壓試驗(yàn)的百萬千瓦核電蒸汽發(fā)生器，采用液壓拉伸技術(shù)進(jìn)行了螺栓預(yù)緊，采用自制的A級去離子水，通過采取除氧方式來達(dá)到良好的防銹效果，同時(shí)，采用自行設(shè)計(jì)開發(fā)的氮?dú)夂娓裳h(huán)系統(tǒng)進(jìn)行水壓試驗(yàn)后的快速干燥，確保了蒸發(fā)器二次側(cè)防銹干燥，領(lǐng)先到國際同行。

紅沿河百萬千瓦蒸汽發(fā)生器產(chǎn)品制造過程共涉及21項(xiàng)專利技術(shù)。紅沿河百萬千瓦蒸汽發(fā)生器制造核心技術(shù)經(jīng)上海科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所檢索，查新結(jié)論為：技術(shù)內(nèi)容在國內(nèi)外同一文獻(xiàn)和產(chǎn)品中未見公開報(bào)告，具有新穎性。項(xiàng)目的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)經(jīng)檢測符合標(biāo)準(zhǔn)，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。