AP1000核島主設(shè)備鍛件性能提高對制造的影響

劉志穎

（中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川 德陽618000）

我國核電設(shè)備的制造能力是隨著國家核電站建設(shè)的發(fā)展而成長的，是為適應(yīng)我國核電發(fā)展的需要不斷提高的。我國核電站建設(shè)的高標(biāo)準(zhǔn)，要求設(shè)備國產(chǎn)化的制造水平與之適應(yīng)，促進(jìn)了國內(nèi)制造技術(shù)趕超國外先進(jìn)水平。2006年前后，國家陸續(xù)啟動以二代改進(jìn)型技術(shù)路線為主的核電項目，國內(nèi)的鍛件制造廠集中精力研究主設(shè)備所需鍛件的制造技術(shù)，經(jīng)過4年左右的時間（不同企業(yè)略有差別），我國基本掌握了二代改進(jìn)型核島全部鍛件的制造技術(shù)，并且很快就能比較穩(wěn)定地生產(chǎn)大部分鍛件。2008年，AP1000自主化依托項目開始實施，鍛件制造廠即刻又全力以赴投入到核島鍛件研制中，現(xiàn)在所有核島鍛件都實現(xiàn)了國產(chǎn)化，但是質(zhì)量不夠穩(wěn)定，特別是蒸汽發(fā)生器的鍛件，實際生產(chǎn)中反映出的問題比較多。雖然AP1000蒸汽發(fā)生器尺寸較CPR1000大了一些，鍛件的成形難度也隨之增大，但從實際情況看，鍛件機(jī)械性能方面的問題更突出，目前對AP1000鍛件技術(shù)的掌握還未達(dá)到CPR1000鍛件那樣成熟。

1 CPR1000與AP1000蒸汽發(fā)生器鍛件機(jī)械性能要求的不同

CPR1000技術(shù)路線是按RCC-M規(guī)范設(shè)計建造的，AP1000執(zhí)行的ASME規(guī)范，兩個規(guī)范在材料的要求上是有區(qū)別的，除了指標(biāo)上的一些不同，RCC-M的規(guī)定更具體，而ASME要概括、有原則。這與他們制定的目的或服務(wù)對象不同有關(guān)，RCC-M是為法碼通的需要而制定的，也可看作是法碼通的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，另外RCC-M的一些要求也與制定規(guī)范時法國的制造條件和技術(shù)能力有關(guān)。ASME規(guī)范不針對具體的使用對象，它規(guī)定的是應(yīng)該遵照或達(dá)到的原則要求，可根據(jù)用戶或設(shè)計需要規(guī)定相應(yīng)鍛件的性能指標(biāo)。AP1000鍛件的機(jī)械性能要求是為滿足核電站60年設(shè)計壽命的需要，因而提高了許多要求，現(xiàn)以管板鍛件的要求為例（蒸汽發(fā)生器的其他鍛件情況相似）進(jìn)行比較分析。

2 AP1000蒸汽發(fā)生器鍛件制造難點分析

根據(jù)CPR1000和AP1000蒸汽發(fā)生器鍛件的性能要求（見表1），分析導(dǎo)致鍛件制造難度大、質(zhì)量不穩(wěn)定的原因主要為如下幾點：

1）AP1000蒸汽發(fā)生器鍛件的室溫強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度、低溫沖擊、落錘試驗的要求都比CPR1000蒸汽發(fā)生器鍛件的要求有了大的提高。

室溫Rm提高了40 MPa、350 ℃，Rm提高了36 MPa；

落錘試驗的要求提高了，RTNDT值降低了9 ℃；

強(qiáng)度指標(biāo)和韌性指標(biāo)同時較大幅度地提高，是AP1000蒸汽發(fā)生器鍛件制造難度加大的主要原因。

2）AP1000蒸汽發(fā)生器鍛件要求的模擬焊后熱處理時間也比CPR1000長，AP1000蒸汽發(fā)生器鍛件要求進(jìn)行48 h模擬焊后熱處理，模擬焊后熱處理時間是CPR1000蒸汽發(fā)生器鍛件的3倍，從實踐來看SA-508MGr3Cl2鋼在經(jīng)過長時間的高溫回火后，其強(qiáng)度指標(biāo)、韌性指標(biāo)都要降低，這使得鍛件滿足性能指標(biāo)更加困難。

表1 CPR1000和AP1000蒸汽發(fā)生器管板的要求比較Table1 CPR1000 and AP1000 compared the requirements of the steam generator tube sheet

3）鍛件的截面尺寸增大，提高了全截面及整體鍛件性能均勻性的難度。

3 措施分析

1）根據(jù)生產(chǎn)反映出的性能方面的問題，以強(qiáng)度指標(biāo)不合格為主，因此增加提高強(qiáng)度的化學(xué)元素含量成為提高強(qiáng)度指標(biāo)的主要措施。SA-508MGr3Cl.2的化學(xué)成分中提高強(qiáng)度直接有效的元素就是C，此外M n、M o、S i等也對提高強(qiáng)度有貢獻(xiàn)，每一種元素的含量既要在技術(shù)要求范圍內(nèi)，又必須滿足再熱裂紋敏感指數(shù)ΔG=3.3Mo+Cr+8.1V-2≤0的要求，為了概括的反映各個元素對提高強(qiáng)度的綜合作用，用碳當(dāng)量來控制，各制造廠根據(jù)自己的經(jīng)驗制定了碳當(dāng)量的控制范圍，制定一個碳當(dāng)量目標(biāo)，即合理的成分設(shè)計，并在冶煉時控制好，是使鍛件達(dá)到強(qiáng)度指標(biāo)的前提。

2）AP1000蒸汽發(fā)生器鍛件強(qiáng)度提高的同時，R TNDT的要求也有較大幅度的提高，要求≤-21 ℃，成分設(shè)計上必須考慮提高韌性的因素，而對于合金結(jié)構(gòu)鋼提高強(qiáng)度和提高韌性的措施往往是矛盾的，比如C是明顯促進(jìn)鋼脆化的元素，而Mn在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍能提高鋼的韌性、降低脆性，一定量的Al對降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度有比較好的貢獻(xiàn)。所以在鍛件成分的確定上要兼顧強(qiáng)度和韌性的要求。

3）SA-508MGr3Cl.2屬于低碳低合金鋼，提高淬透性的化學(xué)元素十分有限，隨著核電鍛件向大型化發(fā)展，鍛件的截面也更大，全截面組織均勻，性能滿足要求，需要好的淬透性和熱處理條件來保證，因此增加提高淬透性元素是成分設(shè)計時必須注意的，C、Mn、Mo、Si、Ni等都是有助于提高淬透性的元素，同時淬火時應(yīng)盡量使工件得到充分冷卻。

4）良好的組織和細(xì)化均勻的晶粒是貝氏體鋼獲得韌性的努力方向，在追求鋼的純凈性時要采取措施細(xì)化晶粒。

4 對焊接的影響

AP1000核島主設(shè)備制造過程中，出現(xiàn)了數(shù)起焊接后產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象，它們分別在蒸汽發(fā)生器管板焊接吊耳、堆焊；反應(yīng)堆壓力容器頂蓋吊耳的焊接、頂蓋法蘭堆焊；堆芯補(bǔ)水箱筒體堆焊等工序后被發(fā)現(xiàn)，幾乎都是延遲裂紋。這在二代半及以前的核島設(shè)備制造中基本未出現(xiàn)過。參與AP1000設(shè)備制造的國內(nèi)外企業(yè)都有比較豐富的制造經(jīng)驗，已形成了自己成熟的制造工藝，但在AP1000設(shè)備制造中出現(xiàn)多起類似問題，應(yīng)該不是偶然的，分析原因主要有以下幾方面：

1）強(qiáng)度提高，使AP1000蒸汽發(fā)生器鍛件的焊接性與CPR1000比較有了改變。

2）A P1000鍛件尺寸增大，預(yù)熱條件比CPR1000差。

3）因鍛件的強(qiáng)度高，后熱的及時性和效果更重要。

這些因素單獨、任意兩項或同時影響，都有可能產(chǎn)生焊接的質(zhì)量問題，實際操作過程中要有充分的認(rèn)識。

5 結(jié)論

1）鍛件制造廠應(yīng)針對AP1000蒸汽發(fā)生器鍛件性能不穩(wěn)定問題，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行深入研究工作，由于需要的鋼錠越來越大，保證鍛件成分、組織和性能的均勻性是鍛件質(zhì)量的關(guān)鍵。

2）AP1000蒸汽發(fā)生器鍛件因強(qiáng)度指標(biāo)高，且尺寸大，與CPR1000比更要十分注意焊接的預(yù)熱效果和后熱時機(jī)。

3）完善管理，提高操作人員的素質(zhì)，使得相同的工藝得到同樣的過程和結(jié)果，保證質(zhì)量的穩(wěn)定性。