壓水堆核電廠主管道靜態(tài)鑄造質(zhì)量控制措施的研究

江振標(biāo)，劉志誠(chéng)，李冠英

（1.福清核電有限公司，福建 福州 350318；2.四川三洲川化機(jī)核能設(shè)備制造有限公司，四川 成都 610302）

壓水堆核電廠主管道靜態(tài)鑄造質(zhì)量控制措施的研究

江振標(biāo)1，劉志誠(chéng)2，李冠英1

（1.福清核電有限公司，福建 福州 350318；2.四川三洲川化機(jī)核能設(shè)備制造有限公司，四川 成都 610302）

文章分析確定了影響壓水堆核電廠M310堆型主管道彎頭靜態(tài)鑄造質(zhì)量的主要原因。從加強(qiáng)對(duì)原材料的精選、檢驗(yàn)，改進(jìn)砂型制作工藝和澆注工藝，提高人員精益管理水平，減少人因失誤3個(gè)方面制定了質(zhì)量控制措施，福清1、2號(hào)機(jī)組主管道靜態(tài)鑄造彎頭的鑄造缺陷均下降到只有實(shí)施前項(xiàng)目缺陷總數(shù)的50%以下，靜態(tài)鑄造的質(zhì)量得到有效提高，節(jié)省了處理缺陷的成本，也贏得了產(chǎn)品交付進(jìn)度。制定的質(zhì)量控制措施對(duì)核電主管道設(shè)備的鑄造工藝改進(jìn)有良好的借鑒意義，也為進(jìn)一步研究主管道靜態(tài)鑄造質(zhì)量控制措施積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

主管道；靜態(tài)鑄造；鑄造缺陷；工藝；質(zhì)量控制

壓水堆核電廠的主管道連接反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)中主泵、壓力容器與蒸汽發(fā)生器，為反應(yīng)堆冷卻劑提供循環(huán)通道，構(gòu)成了反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界，是反應(yīng)堆安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵部件。核電廠主管道是核安全1級(jí)，QA1級(jí)重要設(shè)備，設(shè)計(jì)壓力為17.13 MPa，設(shè)計(jì)溫度為343 ℃，材料選用Z3CN20-09M（直管、彎頭、斜插管）和Z2CND18-12控氮（鍛件接管），設(shè)計(jì)壽命40年。由于核電廠主管道長(zhǎng)期處于高溫、高壓、高輻射的特殊工作狀態(tài)，對(duì)主管道設(shè)備制造過(guò)程的質(zhì)量控制顯得至關(guān)重要[1-3]。

福清核電廠1、2號(hào)機(jī)組采用M310壓水堆型，每臺(tái)機(jī)組主管道設(shè)備分3個(gè)環(huán)路，每個(gè)環(huán)路由熱段、40°彎頭、過(guò)渡段、泵入口段和冷段5個(gè)組件組成，各組件中的直管段采用離心鑄造，彎頭采用靜態(tài)鑄造。主管道彎頭靜態(tài)鑄造主要過(guò)程包括鑄造原料選配、砂模制作、煉鋼與靜態(tài)澆注。

1 主管道彎頭靜態(tài)鑄造質(zhì)量問(wèn)題

主管道靜態(tài)鑄造的質(zhì)量問(wèn)題主要包括無(wú)損檢測(cè)檢查出的內(nèi)部鑄造缺陷和鑄件的機(jī)械性能不合格。由于主管道的材料選用牌號(hào)為Z3CN20-09M的奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼，其兼具不銹鋼良好的沖擊韌性，也具備較高的強(qiáng)度，機(jī)械性能方面能夠滿足RCC-M規(guī)范要求，很少出現(xiàn)機(jī)械性能不合格質(zhì)量問(wèn)題，所以文章著重討論靜態(tài)鑄造過(guò)程中的內(nèi)部鑄造缺陷造成的質(zhì)量問(wèn)題。

靜態(tài)鑄造工藝的局限性和特殊性導(dǎo)致主管道鑄造彎頭可能存在較多的沖砂、縮孔、疏松類缺陷（鑄造缺陷）。如表1所示，由福清核電主管道項(xiàng)目制造廠承制的已交貨項(xiàng)目一的鑄造缺陷達(dá)到58處，項(xiàng)目二的鑄造缺陷更是達(dá)到94處。這些缺陷的處理不僅需花費(fèi)大量的人力、焊補(bǔ)材料和返工時(shí)間，存在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，而且嚴(yán)重影響主管道設(shè)備的交貨進(jìn)度。基于以上原因，文章通過(guò)分析主管道彎頭靜態(tài)鑄造缺陷的形成原因，進(jìn)而制定有效的改進(jìn)措施，并將改進(jìn)措施實(shí)施于生產(chǎn)，使主管道鑄造彎頭的缺陷減少，質(zhì)量有效提高。

表1 國(guó)內(nèi)某核電廠兩臺(tái)機(jī)組主管道彎頭鑄造缺陷統(tǒng)計(jì)表Table 1 Casting defects of the primary pipe elbows of two nuclear power plants in China

2 主管道靜態(tài)鑄造質(zhì)量的影響因素分析

主管道靜態(tài)鑄造工藝復(fù)雜，造成彎頭鑄造缺陷的原因有很多，鑄造過(guò)程中的任何一道工序、任何一種參數(shù)控制不嚴(yán)格都有可能造成缺陷。下面從人、機(jī)、料、法、環(huán)等多個(gè)方面分析影響主管道靜態(tài)鑄造質(zhì)量的各種因素。影響主管道靜態(tài)鑄造質(zhì)量的各種因素如圖1所示。

經(jīng)分析確認(rèn)，得出影響主管道靜態(tài)鑄造質(zhì)量的主要因素如下：

（1）原材料的選擇與配制

圖1 主管道靜態(tài)鑄造質(zhì)量影響因素分析圖Fig.1 Analysis on quality influencing factors of primary pipe static casting

1）主要原材料的選配

主管道彎頭靜態(tài)鑄造的主要原材料包括煉鋼材料的選配，以及型砂材料的選配。

根據(jù)RCCM標(biāo)準(zhǔn)，主管道彎頭材料選用具有良好耐晶間腐蝕性能的奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼，材料牌號(hào)為Z3CN20-09M（法國(guó)），主要原材料化學(xué)成分要求如表2所示。

選擇好的鋼鐵材料以及按照化學(xué)成分要求準(zhǔn)確添加高純度的合金材料，有利于得到化學(xué)成分合格的鋼水，減少鋼水自帶的雜質(zhì)，從而降低鑄造缺陷。

型砂材料包括石英砂、水玻璃、二氧化碳等。型砂配料中的石英砂粒度、水玻璃密度、型（芯）砂的水分、濕壓強(qiáng)度、透氣性等均會(huì)影響鑄造質(zhì)量，控制不當(dāng)容易造成沖砂類鑄造缺陷。

2）輔助材料的選配

主管道彎頭靜態(tài)鑄造的輔助材料包括耐火材料、冒口、涂料等。

鑄造砂模澆包內(nèi)襯有耐火材料——澆包磚或流鋼磚，如果選擇的耐火材料抗鋼水沖刷能力不足，則耐火磚容易被高溫的鋼水沖刷侵蝕，導(dǎo)致鑄件吸出性氣孔和夾雜物的增多，造成縮孔和夾雜類鑄造缺陷。冒口在鑄造過(guò)程中的主要作用為補(bǔ)縮，同時(shí)也是去除雜質(zhì)的通道。目前國(guó)內(nèi)主管道靜態(tài)鑄造的冒口均采用保溫冒口（材料為硅酸鋁—復(fù)合纖維）。冒口的材質(zhì)、熱導(dǎo)率、密度等參數(shù)均可能影響冒口的保溫效果，進(jìn)而影響冒口中鋼水的冷卻時(shí)間，如對(duì)上述參數(shù)控制不當(dāng)，就會(huì)影響冒口的補(bǔ)縮作用，鑄件就容易產(chǎn)生縮孔類鑄造缺陷。砂型制作過(guò)程中在砂模型腔的內(nèi)壁噴有涂料，如果選擇的涂料粘結(jié)性能不好，會(huì)影響到噴涂的質(zhì)量，進(jìn)而導(dǎo)致夾雜或粘模鑄造缺陷。

（2）鑄造過(guò)程工藝控制

經(jīng)分析表1中主管道缺陷性質(zhì)，特別是對(duì)超出無(wú)損檢驗(yàn)技術(shù)要求導(dǎo)致報(bào)廢的彎頭的解剖，發(fā)現(xiàn)因工藝過(guò)程失控所造成報(bào)廢的彎頭占報(bào)廢總數(shù)近一半，而未報(bào)廢的組件，也因析出性氣孔和夾雜物的富聚，造成大量鑄造缺陷?？梢?jiàn)工藝過(guò)程控制是影響彎頭鑄件質(zhì)量的重要原因。主管道彎頭鑄造工藝主要包括砂型制作工藝與澆注工藝。

表2 Z3CN20-09M 不銹鋼材料化學(xué)成分要求[4]Table2 Chemical composition requirements of Z3CN20-09M stainless steel（%）

1）砂型制作工藝

砂型制作工藝包括面砂、背砂、填充砂材料的配比、澆道與冒口的布置、砂型烘干溫度與烘干時(shí)間、型腔涂料、型腔的潔凈度等。通過(guò)分析前期鑄造缺陷較多的產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程記錄，發(fā)現(xiàn)鑄件澆注過(guò)程中鋼液與水反應(yīng)引起的沸騰是造成缺陷的重要原因。究其原因，是配砂操作人員沒(méi)有對(duì)填充砂進(jìn)行水分控制，填充砂雖不與鑄件接觸，但水分含量超標(biāo)，也會(huì)遷移、滲透至面砂層，這樣使面砂水分也會(huì)增加，從而引起沸騰。沸騰會(huì)對(duì)鑄件造成氣孔、垮砂、夾砂缺陷及因鋼水大量吸氣而引發(fā)的其他缺陷。砂型制作后期需要在型腔中噴涂涂料，在涂料噴涂過(guò)程中，風(fēng)壓是否足夠或穩(wěn)定也是影響鑄造質(zhì)量的因素之一，如果風(fēng)壓太小或不穩(wěn)定，將會(huì)使涂層不均勻，影響噴涂質(zhì)量。

2）澆注工藝

澆注工藝過(guò)程是影響鑄造質(zhì)量的最主要因素之一，澆注的工藝參數(shù)包括煉鋼過(guò)程、鋼水鎮(zhèn)靜時(shí)間、澆注方式、澆注溫度、澆注重量和澆注速率等。由于初始鋼水的冷卻速度快，如后期澆注速度慢，會(huì)使氣體、夾雜物在鋼水凝固前來(lái)不及擴(kuò)散至外層，而殘留在直管內(nèi)部形成夾雜缺陷。如果澆注溫度在工藝要求值的下限，會(huì)影響到鋼水晶粒的生長(zhǎng)，容易產(chǎn)生疏松類彎頭鑄造缺陷。另外，煉鋼后鋼水從爐轉(zhuǎn)移至澆注現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間控制、保溫控制，也是影響澆注質(zhì)量的重要因素之一。

（3）人員管理與經(jīng)驗(yàn)反饋

由于鑄造工藝過(guò)程的自動(dòng)化程度低，鑄造各工序均需要大量的人員參與操作，這就要求具備高素質(zhì)的管理者、執(zhí)行者與監(jiān)督者。企業(yè)的管理人員是否把“質(zhì)量第一”的理念貫徹到生產(chǎn)和管理中去；車間工人是否具有良好的質(zhì)量意識(shí)、責(zé)任心、執(zhí)行力和積極性，是否能有效貫徹實(shí)施工藝規(guī)程，按照程序辦事；監(jiān)督人員是否對(duì)制造全過(guò)程進(jìn)行有效監(jiān)控，是否注意到影響質(zhì)量的細(xì)節(jié)，直接影響到鑄件產(chǎn)品的質(zhì)量。

再者，制造廠在制造過(guò)程中常對(duì)靜態(tài)鑄造工藝進(jìn)行優(yōu)化，如果工藝修改和優(yōu)化的過(guò)程記錄不規(guī)范，鑄造彎頭質(zhì)量的改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)未能及時(shí)得到總結(jié)與反饋，將會(huì)造成許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)流失，進(jìn)而影響到后期鑄造的實(shí)施與改進(jìn)。結(jié)合人員管理，有效利用工藝優(yōu)化和經(jīng)驗(yàn)反饋等對(duì)員工進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn)，提高員工的執(zhí)行力與工作效率，也是值得進(jìn)一步實(shí)施的工作。

3 制定質(zhì)量控制措施與實(shí)施

針對(duì)以上影響主管道靜態(tài)鑄造質(zhì)量的主要因素，結(jié)合制造廠主管道的鑄造經(jīng)驗(yàn)，分別從原材料質(zhì)量控制、工藝過(guò)程質(zhì)量控制和人員管理質(zhì)量控制三方面制定了提高主管道彎頭靜態(tài)鑄造質(zhì)量控制措施，并將這些措施運(yùn)用于實(shí)際的生產(chǎn)與管理。

4 質(zhì)量控制措施實(shí)施效果

通過(guò)以上改進(jìn)措施的實(shí)施運(yùn)用，福清核電廠1、2號(hào)機(jī)組主管道彎頭靜態(tài)鑄造缺陷明顯減少，質(zhì)量大幅提高。從表3中可以看出，福清核電廠1、2號(hào)機(jī)組主管道彎頭靜態(tài)鑄造缺陷總數(shù)分別下降到47個(gè)和45個(gè)，不及改進(jìn)前項(xiàng)目缺陷總數(shù)的50%。其中40°彎頭和90°彎頭（過(guò)渡段）組件的鑄造缺陷下降明顯,福清核電廠1號(hào)機(jī)組的40°彎頭和90°彎頭缺陷數(shù)分別只有前期項(xiàng)目的29%和36%，而福清核電廠2號(hào)機(jī)組的50°彎頭缺陷數(shù)更是只有前期項(xiàng)目的14%，可見(jiàn)提高主管道彎頭靜態(tài)鑄造質(zhì)量控制措施的實(shí)施效果良好。

5 結(jié)論

核電產(chǎn)品的生產(chǎn)始終要堅(jiān)持質(zhì)量第一的原則，雖然不同的主管道制造廠有不盡相同的靜態(tài)鑄造工藝，但控制質(zhì)量的目標(biāo)是一致的，即通過(guò)制定合理可行的質(zhì)量控制措施，有效減少鑄造缺陷，大大節(jié)省人力成本和資金，有效保證設(shè)備的交貨進(jìn)度。文章通過(guò)分析，確定了原材料、鑄造工藝過(guò)程控制和人員管理為影響壓水堆核電廠M310堆型主管道彎頭靜態(tài)鑄造質(zhì)量的主要原因，并從加強(qiáng)對(duì)原材料的精選、檢驗(yàn)，改進(jìn)砂型制作工藝和澆注工藝，提高人員精益管理水平、減少人因失誤3個(gè)方面制定了質(zhì)量控制措施，從實(shí)施效果可以看出主管道靜態(tài)鑄造彎頭的鑄造缺陷明顯減少，主管道彎頭的質(zhì)量得到有效提高。文章制定的質(zhì)量控制措施對(duì)核電主管道設(shè)備的鑄造工藝改進(jìn)有良好的借鑒意義，也為進(jìn)一步研究提高主管道靜態(tài)鑄造質(zhì)量控制措施積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

表3 項(xiàng)目二機(jī)組與福清核電廠1、2號(hào)機(jī)組靜態(tài)鑄造彎頭鑄造缺陷對(duì)比表Table 3 Comparison of static casting defects of the unit in Project2 and Fuqing Units 1 &2

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Study on Quality Control Measures of Static Casting Main Pipe in PWR Nuclear Power Plant

JIANG Zhen-biao1，LIU Zhi-cheng2，LI Guan-ying1
(1.Fuqing Nuclear Power Co., Ltd.， Fuzhou of Fujian Prov. 350318，China；2.Sichuan Sanzhou Scmp Nuclear Equipment Manufacture Incorporation，Chendu of Sichuan Prov. 610302，China)

This study analyzes the main reasons which impact the quality of primary pipe static casting elbows in PWR-M310 nuclear power plant. The quality control measures are developed from the election and inspection of material, improving sand production and casting process, improving lean management of personnel. The static casting defects of primary pipe elbows for Fuqing Unit 1 &2 were down to less than 50% of the former project. The quality of static casting for the primary pipe elbows was significantly improved. Moreover, the implementation saves human resources and financing to repair casting defects, and also helps to win the delivery schedule. The quality control measures are good reference for improving primary pipe casting process. This study provides valuable experience for further study of improving the quality of static casting for the primary pipe of PWR nuclear power plant.

primary pipe；static casting；casting defects；process；quality control

TM623 Article character: A Article ID: 1674-1617(2013)04-0343-05

TM623

A

1674-1617(2013)04-0343-05

2013-08-11

江振標(biāo)（1984—），男，福建沙縣人，工程師，工學(xué)碩士，從事核電站設(shè)備的采購(gòu)與監(jiān)造管理工作。