RCC-M M140評(píng)定在我國(guó)核電大型鍛件制造過程中的適用性

陳紅宇 賈新勝 杜軍毅

(中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司重型壓力容器與核電技術(shù)研究所，四川618013)

核電大型鍛件是組成核電站核島主設(shè)備的核心基礎(chǔ)部件，其制造涉及專業(yè)面廣、工序復(fù)雜、制造難度大。為提高鍛件質(zhì)量的穩(wěn)定性，RCC-M M140規(guī)定重要部件在開始產(chǎn)品制造前要進(jìn)行評(píng)定。評(píng)定分為兩個(gè)部分，一是車間評(píng)定，驗(yàn)證制造廠是否具備相應(yīng)的技術(shù)能力、設(shè)備能力和管理能力；二是技術(shù)評(píng)定，驗(yàn)證制造廠所選擇的工藝方法、工藝參數(shù)是否能夠滿足產(chǎn)品采購規(guī)范要求，制造廠能否按照事先制定的文件進(jìn)行制造，達(dá)到固化產(chǎn)品制造工藝方法和工藝參數(shù)的目的，使產(chǎn)品制造具有可復(fù)制性[1]。

在我國(guó)核電技術(shù)引進(jìn)和設(shè)備國(guó)產(chǎn)化過程中，從大亞灣、嶺澳、嶺澳二期、紅沿河、陽江、防城港到秦山二期、秦山二擴(kuò)、福清都采用了RCC標(biāo)準(zhǔn)體系，在核電大型鍛件國(guó)產(chǎn)化過程中由蘇州熱工研究院和中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院根據(jù)RCC-M M140的要求進(jìn)行了評(píng)定。然而，核電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與一個(gè)國(guó)家的工業(yè)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)相適應(yīng)，RCC-M標(biāo)準(zhǔn)體系是建立在法國(guó)的工業(yè)基礎(chǔ)和技術(shù)水平之上，全盤采用RCC-M M140的規(guī)定會(huì)進(jìn)一步增加我國(guó)裝備制造企業(yè)制造核電關(guān)鍵部件的難度，影響關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程。

本文從我國(guó)核電大型鍛件制造能力和技術(shù)水平的實(shí)際情況出發(fā)，探討RCC-M M140評(píng)定在我國(guó)核電大型鍛件制造過程中的適用性，為構(gòu)建中國(guó)的核電標(biāo)準(zhǔn)體系提供參考。

1 影響核電大型鍛件質(zhì)量穩(wěn)定性的關(guān)鍵工藝

核電大型鍛件的制造涉及冶煉、澆注、鍛造(包括沖壓成形)、熱處理、機(jī)加工、性能檢驗(yàn)、無損檢測(cè)等多個(gè)工序，制造周期長(zhǎng)，單工序難度大，各工序相互關(guān)聯(lián)、相互影響。根據(jù)RCC-M M141規(guī)定，反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、反應(yīng)堆冷卻劑泵需要評(píng)定的部件見表1[4]。

根據(jù)RCC-M M143.5 要求，制造廠應(yīng)根據(jù)采購方要求，將直接影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要參數(shù)進(jìn)行規(guī)定并列入制造大綱。鍛件制造大綱至少應(yīng)包括以下內(nèi)容：

——煉鋼原材料；

——冶煉工藝；

——熔煉成分目標(biāo)值；

——鋼錠的重量(包括鋼錠類型)；

——鋼錠頭部和尾部切除最小百分率；

——鍛件在鋼錠中的位置；

表1 核島關(guān)鍵部件Table 1 Key parts of nuclear island

——按時(shí)間先后順序列出以下制造工序：冶煉、鍛造、機(jī)加工、熱處理、取試、無損檢驗(yàn)；

——鍛造過程每火次的外形圖，包括按照M380確定的鍛造比和總鍛比；

——鍛造毛坯外形圖、熱處理外形圖和交貨圖；

——中間熱處理和最終熱處理(性能熱處理)；

——驗(yàn)收試料在工件中的位置圖；

——試樣在試料中的位置圖。

其中，煉鋼原材料、冶煉、鍛造和熱處理是保證產(chǎn)品性能的關(guān)鍵因素。RCC-M標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的章節(jié)對(duì)影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要參數(shù)如總鍛比、奧氏體化溫度、回火溫度等也做了原則性的規(guī)定。

1.1 煉鋼原材料和冶金輔料

核設(shè)備是在高溫、高壓和中子輻照環(huán)境下服役，為保證核設(shè)備的安全性，要求核電大型鍛件具有鋼水純凈度高、力學(xué)性能優(yōu)良、質(zhì)量均勻等特點(diǎn)。煉鋼原材料和冶金輔料是鋼錠制造的基礎(chǔ)，也是保證鋼錠質(zhì)量?jī)?yōu)良的關(guān)鍵。煉鋼原材料包括生鐵、廢鋼和鐵合金，由于As、Sn、Pb、Cu、Co等殘雜元素在冶煉過程中無法去除，因此應(yīng)精選煉鋼原材料保證殘雜元素滿足要求并盡可能低。煉鋼用的輔助材料包括造渣材料、爐襯材料、保溫材料、發(fā)熱劑等。造渣材料包括石灰和螢石，在粗煉和精煉階段對(duì)脫磷、脫硫影響較大。爐襯材料在高溫下長(zhǎng)時(shí)間工作，受到侵蝕后進(jìn)入鋼水，影響鋼水的純凈度。保溫材料、發(fā)熱劑影響鋼錠的凝固過程，對(duì)鋼錠的偏析產(chǎn)生影響。此外，天氣和氣候?qū)σ睙捯伯a(chǎn)生重要影響，空氣濕度大時(shí)，煉鋼原材料和冶金輔料水含量高，導(dǎo)致鋼錠H含量較高。

1.2 鋼錠制造

用于核電大型鍛件的鋼錠包括實(shí)心鋼錠、空心鋼錠和電渣重熔鋼錠，三種鋼錠的工藝過程和技術(shù)難點(diǎn)各不相同。按照RCC-M相關(guān)章節(jié)的要求，三種鋼錠都能夠用于制造大型鍛件?？招匿撳V是法國(guó)克魯索鍛造的專有技術(shù)，國(guó)內(nèi)企業(yè)以雙真空實(shí)心鋼錠為主，電渣重熔鋼錠在核島主設(shè)備壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器用核電大型鍛件制造領(lǐng)域的應(yīng)用案例還比較少。

在鋼水冶煉過程中，通過精選原材料已經(jīng)能夠?qū)s、Sn、Pb、Cu、Co等殘雜元素降到很低的水平，通過粗煉時(shí)大渣量排渣、精煉時(shí)造白渣能夠?qū)、S含量降低到極低的水平，但是脫氧仍然是冶煉的難點(diǎn)。只有降低氧含量才能降低鋼中氧化物類夾雜物，鋼中的Al才能和N結(jié)合形成細(xì)化晶粒的AlN顆粒[2,3]。鋼水精煉完成后開始澆注。分析從精煉工位到開始澆注的時(shí)間、澆注時(shí)間、澆注流速、澆注時(shí)的真空度等對(duì)鋼錠的偏析產(chǎn)生的影響。此外，根據(jù)產(chǎn)品不同噸位、不同形狀的特點(diǎn)，最佳的合金含量配比、鋼錠模的高徑比也是保證產(chǎn)品性能的重要因素。

1.3 鍛造

鍛造是通過壓力機(jī)對(duì)坯料施加壓力，利用金屬的高溫塑性變形，改變坯料的尺寸和形狀，改善內(nèi)部組織和力學(xué)性能，獲得所需形狀的毛坯。大型核電鍛件必須采用100 MN以上液壓機(jī)進(jìn)行鍛造，鍛造開始時(shí)應(yīng)根據(jù)鋼錠偏析程度選擇合適的頭尾切除量。為打碎鋼錠結(jié)晶過程中形成的粗大柱狀晶，提高產(chǎn)品的均勻性，還要求鍛造過程具有一定的總鍛造比。

1.4 熱處理

熱處理是決定產(chǎn)品性能的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于大型鍛件最終熱處理來說，從出爐到入水時(shí)間、熱處理爐爐溫的均勻性、熱處理過程的自動(dòng)化程度以及淬火介質(zhì)的穩(wěn)定性都是保證鍛件熱處理質(zhì)量穩(wěn)定的重要因素。

2 中國(guó)和法國(guó)核電工業(yè)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)比較

2.1 法國(guó)核電工業(yè)基礎(chǔ)

法國(guó)從20世紀(jì)70年代開始大力發(fā)展核電，目前正在運(yùn)行的核電站有58座，核電發(fā)電量占總發(fā)電量的85%。法國(guó)阿海琺集團(tuán)(Areva)是法國(guó)核工業(yè)的巨頭，是在整合法國(guó)多家核能大型國(guó)企的基礎(chǔ)上組建的核工業(yè)公司，在核電業(yè)務(wù)方面居世界領(lǐng)先地位，具備鈾礦開采、鈾濃縮、核燃料加工、核電站設(shè)計(jì)和建造、核設(shè)備制造、后續(xù)乏燃料處理等能力，業(yè)務(wù)范圍囊括整個(gè)核電站產(chǎn)業(yè)鏈。阿?，m集團(tuán)于2006年收購了世界上最大的大型鍛件制造商之一——Sfarsteel公司，成立阿?，m集團(tuán)核能公司(Areva NP)。Sfarsteel公司在法國(guó)中部的Le Creust地區(qū)設(shè)有4家制造廠，擁有近400名工作人員，其中包括制造大型鍛件的克魯索鍛造。克魯索鍛造從20世紀(jì)70年代開始持續(xù)為法國(guó)核電工業(yè)提供核島主設(shè)備，具有強(qiáng)大的制造、加工和組裝能力，能夠制造1 300 MW級(jí)核反應(yīng)堆成套鑄鍛件，可完成核島大型設(shè)備從原材料到加工組裝一整套制造過程，在核島主設(shè)備和大型鍛件制造方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)。

2.2 中國(guó)核電工業(yè)基礎(chǔ)

我國(guó)核能利用走的是引進(jìn)、消化吸收和再創(chuàng)新的路子，三大核電集團(tuán)(中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司、中國(guó)廣東核電集團(tuán)公司和國(guó)家核電技術(shù)公司)負(fù)責(zé)核電站的總體設(shè)計(jì)，三大動(dòng)力集團(tuán)(東方電氣集團(tuán)、上海電氣集團(tuán)和哈爾濱電氣集團(tuán))負(fù)責(zé)核島主設(shè)備的制造，中國(guó)一重、中國(guó)二重以及上海電氣重工集團(tuán)負(fù)責(zé)核島主設(shè)備用大型鍛件的制造，其中中國(guó)一重同時(shí)具備核島主設(shè)備制造能力。

由于法國(guó)M310技術(shù)只是我國(guó)核電建設(shè)的技術(shù)方向之一，從設(shè)計(jì)原意的理解、設(shè)備的制造到大型鍛件的研制，積累的經(jīng)驗(yàn)不多，在關(guān)鍵技術(shù)上仍處于知其然不知其所以然的狀態(tài)。由于核電設(shè)計(jì)、設(shè)備制造和鍛件制造不屬于同一個(gè)單位領(lǐng)導(dǎo)，各家站在各自的利益角度，出現(xiàn)不符合項(xiàng)時(shí)處理難度很大。為確保設(shè)備的安全性，設(shè)計(jì)和設(shè)備制造單位往往提出比標(biāo)準(zhǔn)更苛刻的要求，進(jìn)一步加大了大型鍛件的制造難度和制造的穩(wěn)定性。此外，核電大型鍛件評(píng)定單位和設(shè)計(jì)單位往往不屬于同一部門，評(píng)定和設(shè)計(jì)結(jié)合不緊密且評(píng)定所得到的成果無法及時(shí)反饋到設(shè)計(jì)中。

2.3 中國(guó)和法國(guó)核電大型鍛件制造能力比較

隨著我國(guó)《核電中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃 》(2005—2020)的出臺(tái)，我國(guó)核電建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展期。為適應(yīng)國(guó)家核電快速發(fā)展的需要，提高重大技術(shù)裝備自主化市場(chǎng)占有率，實(shí)現(xiàn)核電關(guān)鍵基礎(chǔ)零部件國(guó)產(chǎn)化，國(guó)內(nèi)核設(shè)備和部件制造骨干企業(yè)在國(guó)家和地方政府的支持下進(jìn)行大規(guī)模技術(shù)改造，目前已經(jīng)形成東北、上海和四川三大核電設(shè)備制造基地。我國(guó)核電大型鍛件和設(shè)備制造能力已達(dá)到世界先進(jìn)水平，見表2。國(guó)內(nèi)企業(yè)經(jīng)過持續(xù)裝備改造和多年連續(xù)技術(shù)攻關(guān)，核電大型鍛件制造技術(shù)取得重大突破。一重、二重和上海電氣重工集團(tuán)均完成二代改進(jìn)型核電大型鍛件的評(píng)定[4]，實(shí)現(xiàn)制造批量化。一重和上海電氣重工集團(tuán)同時(shí)完成了第三代AP1000整套核電大型鍛件的制造。一重已經(jīng)開始EPR核電大型鍛件的制造。上海電氣重工集團(tuán)完成高溫氣冷堆核電鍛件的制造。通過核電大型鍛件的國(guó)產(chǎn)化，大大提升了我國(guó)核電裝備的裝機(jī)水平和制造實(shí)力，對(duì)擺脫我國(guó)大型鑄鍛件受制于人的局面、提高我國(guó)裝備制造業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力、保障我國(guó)核電發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施具有重大意義。

我國(guó)核島主設(shè)備和部件制造能力雖達(dá)到世界先進(jìn)水平，但在關(guān)鍵設(shè)備的配套和技術(shù)能力方面和法國(guó)相比還存在很大差距。由于我國(guó)制造廠研發(fā)能力薄弱，對(duì)影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素還沒有做深入研究，機(jī)理性研究幾乎沒有開展。我國(guó)設(shè)計(jì)單位和核電大型鍛件制造企業(yè)屬于不同的部門，難以開展實(shí)質(zhì)性的共同研發(fā)。

在法國(guó)，不論是之前的琺馬通公司還是現(xiàn)在的阿?，m集團(tuán)，其業(yè)務(wù)范圍都包括核電站設(shè)計(jì)和建造、核設(shè)備制造、大型鍛件制造。由于設(shè)計(jì)和制造屬于同一個(gè)單位，設(shè)計(jì)能夠根據(jù)制造能力進(jìn)行設(shè)計(jì)，制造也能夠根據(jù)設(shè)計(jì)的原意進(jìn)行制造。通過M140評(píng)定，設(shè)計(jì)能夠得到大量的實(shí)物數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)反饋到設(shè)計(jì)中。

表2 中法核電大型鍛件制造能力比較Table 2 Comparison of manufacturing capacity for nuclear power heavy forgings in China and France

3 分析與討論

3.1 核電鍛件制造的可復(fù)制性探討

RCC-M《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》所給出的制造和檢驗(yàn)規(guī)則是法國(guó)核工業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的具體體現(xiàn)，由法國(guó)核島設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則協(xié)會(huì)(AFCEN)為規(guī)范法國(guó)壓水堆核電站機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造而編制，是法國(guó)核電標(biāo)準(zhǔn)RCC系列的一個(gè)分支。由于法國(guó)只有阿?，m集團(tuán)一家進(jìn)行核電站的設(shè)計(jì)、建造和設(shè)備制造， RCC-M《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》實(shí)際相當(dāng)于阿海琺集團(tuán)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。法國(guó)工業(yè)企業(yè)從20世紀(jì)70年代開始持續(xù)為法國(guó)核電工業(yè)提供核島主設(shè)備和鍛件，其評(píng)定工作已基本結(jié)束。法國(guó)工業(yè)設(shè)備自動(dòng)化程度高、受人為因素的影響較小，基礎(chǔ)性研究深入。由于經(jīng)過多個(gè)循環(huán)的工藝優(yōu)化，制造關(guān)鍵技術(shù)成熟，產(chǎn)品制造過程和產(chǎn)品質(zhì)量具有可復(fù)制性。

國(guó)內(nèi)企業(yè)雖然設(shè)備能力已經(jīng)滿足制造要求，但設(shè)備自動(dòng)化程度低，各環(huán)節(jié)受人為因素的影響多，屢屢出現(xiàn)評(píng)定合格后產(chǎn)品不斷報(bào)廢的現(xiàn)象。制造大綱雖規(guī)定了煉鋼原材料、冶煉、鍛造和熱處理屬于影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要參數(shù)，但制造大綱不可能對(duì)工藝操作過程做詳細(xì)的規(guī)定，而操作過程中的細(xì)節(jié)往往對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。在國(guó)內(nèi)，煉鋼原材料和冶金輔料往往出現(xiàn)不同廠家生產(chǎn)的材料質(zhì)量不同，即使同一廠家的產(chǎn)品，不同的批次質(zhì)量也不同。原材料的不穩(wěn)定，引起鋼錠質(zhì)量的不穩(wěn)定。鋼水冶煉過程中，從精煉工位到開始澆注的時(shí)間、開澆溫度、破真空的時(shí)間等受人為因素的影響很大，其參數(shù)往往根據(jù)操作工人的經(jīng)驗(yàn)來確定，難以實(shí)現(xiàn)工藝固化。煉鋼原材料和冶煉、澆注工藝的不可復(fù)制性，使鋼水的純凈度、鋼錠的偏析程度不完全相同。鋼錠質(zhì)量不同，鍛造過程對(duì)應(yīng)的頭部和尾部切除量也應(yīng)不同。我國(guó)鍛造用液壓機(jī)雖都配有操作機(jī)和激光在線檢測(cè)設(shè)備，但行車和工裝的使用仍需要操作者現(xiàn)場(chǎng)指揮，鍛造過程隨意性強(qiáng)，工藝過程難以復(fù)制。性能熱處理用的燃?xì)鉅t目前無法實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化，熱處理吊具自動(dòng)化程度低，從打開爐門到鍛件入水的時(shí)間不可控。由于關(guān)鍵工藝存在如此多的不可控因素，采用相同的制造大綱和制造工藝進(jìn)行產(chǎn)品制造，產(chǎn)品質(zhì)量并不相同。由于評(píng)定件是制造廠首次制造，制造工藝不可能是最合理的，需要逐步改進(jìn)和優(yōu)化工藝。由于M140評(píng)定的目的就是固化工藝，要進(jìn)行工藝改進(jìn)就需要持續(xù)進(jìn)行評(píng)定，若要持續(xù)進(jìn)行評(píng)定，不但大大增加產(chǎn)品制造周期，也增加了制造廠的制造成本。

3.2 核電鍛件評(píng)定方案的探討

M140雖然規(guī)定了哪些部件要進(jìn)行評(píng)定，但是沒有對(duì)評(píng)定的內(nèi)容做詳細(xì)規(guī)定，評(píng)定單位只能參照其他單位的評(píng)定方法，往往是為評(píng)定而評(píng)定。例如蒸汽發(fā)生器下部筒體鍛件，產(chǎn)品驗(yàn)收時(shí)要求一端內(nèi)1/4T(T為熱處理時(shí)的厚度)取試，評(píng)定時(shí)要求兩端內(nèi)1/4T、1/2T、外1/4T取試，要求1/2T和1/4T的性能都要滿足設(shè)計(jì)要求。既然產(chǎn)品的性能要求內(nèi)1/4T取試，那么要求評(píng)定件1/2T的性能也同樣滿足設(shè)計(jì)要求就沒有什么意義。另外，如此大型的筒體采用一端取試很難反應(yīng)產(chǎn)品質(zhì)量的均勻性，ASME第Ⅲ卷NB分卷規(guī)定，大型筒體高度大于直徑的1.5倍時(shí)要兩端取試，我國(guó)壓力容器鍛件用標(biāo)準(zhǔn)NB/T47008—2010《 承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》也做同樣要求，作為性能要求更為嚴(yán)格的核1級(jí)鍛件卻要求一端取試，很明顯是基于克魯索空心鋼錠的質(zhì)量特點(diǎn)做出的規(guī)定，并不適合我國(guó)實(shí)心鋼錠的實(shí)際情況。

4 結(jié)束語

由于依據(jù)的工業(yè)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)不同，法國(guó)RCC-M M140評(píng)定在我國(guó)尚不具有普遍的適用性，評(píng)定合格后產(chǎn)品制造過程中不時(shí)出現(xiàn)產(chǎn)品報(bào)廢現(xiàn)象。我國(guó)雖然裝備能力達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，但設(shè)備自動(dòng)化程度低，工藝各環(huán)節(jié)受人為因素影響多，操作過程可復(fù)制性差。評(píng)定固化了工藝，制造廠難以進(jìn)行工藝優(yōu)化和工藝改進(jìn)，評(píng)定和設(shè)計(jì)結(jié)合能力不強(qiáng)，使得評(píng)定得到的數(shù)據(jù)沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用。建議在我國(guó)核電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)編制過程中，在確保產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，對(duì)核電大型鍛件的評(píng)定做出符合我國(guó)工業(yè)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)的規(guī)定。

[1] RCC-M M140(2000 edition).Design and Construction Rules for Mechanical Components of PWR Nuclear Power Plants.

[2] 王濤.1 000 MW核電蒸發(fā)器管板煉鋼工藝研究.大型鑄鍛件，2002，(1)：4-9.

[3] 趙林，金東國(guó).趙長(zhǎng)春.核電壓力容器用鋼的冶煉.一重技術(shù)，1997(1)：4-9.

[4] 闞玉琦，黃大鵬.張紹軍等.核電站核島大型鑄鍛件制造工藝評(píng)定方法研究的意義.熱加工工藝，2010(1)：53-55.