AP1000核電冷卻劑主管道監(jiān)造分析

劉 昇

(山東核電有限公司，山東 煙臺(tái)265116)

AP1000核電冷卻劑主管道，是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的連接核電廠反應(yīng)堆壓力容器、主泵和蒸汽發(fā)生器的大型厚壁承壓管道，是核電廠實(shí)現(xiàn)冷卻劑循環(huán)、導(dǎo)出反應(yīng)堆堆芯熱量的“主動(dòng)脈”，是壓水堆核電廠核島7大關(guān)鍵設(shè)備之一。為核安全I(xiàn)級(jí)、抗震I類(lèi)以及質(zhì)量分級(jí)A類(lèi)的設(shè)備。由2根熱段、4根冷段以及5根波動(dòng)管組成，其設(shè)計(jì)壽命為60年，設(shè)計(jì)壓力為17.13 MPa，設(shè)計(jì)溫度為343 ℃，其中波動(dòng)管設(shè)計(jì)溫度為360 ℃。

AP1000核電冷卻劑主管道有別于傳統(tǒng)壓水堆核電分段鑄造主管道，采用了整體鍛造技術(shù)，不存在焊縫，將大大減少在役檢查工作量，其安全性有了很大的提高。

AP1000核電冷卻劑主管道首次國(guó)產(chǎn)化，且在世界上屬首次制造，具有冶煉技術(shù)要求高、鍛造難度大、機(jī)加工制造周期長(zhǎng)以及彎管工藝復(fù)雜等特點(diǎn)，由傳統(tǒng)的不銹鋼分段鑄造技術(shù)改為超低碳控氮不銹鋼整體鍛造，無(wú)論是化學(xué)成分要求、尺寸控制還是制造難度，都堪稱(chēng)目前世界核電廠主管道之最。AP1000核電冷卻劑主管道制造過(guò)程中，由于主管道材質(zhì)的特殊要求，不僅面臨著煉鋼純凈度要求高、鋼錠噸位大等難點(diǎn)，而且存在著鍛造可鍛溫度范圍窄、變形抗力大、晶粒度要求高的問(wèn)題。此外，大直徑小彎曲半徑管道彎曲成型過(guò)程中空間尺寸的精確控制也給主管道的制造帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。

AP1000核電冷卻劑主管道在國(guó)產(chǎn)化制造過(guò)程中曾多次出現(xiàn)了鋼錠化學(xué)成分不達(dá)標(biāo)、鍛件鍛造開(kāi)裂、管嘴鍛造位置偏差以及內(nèi)部缺陷超標(biāo)等問(wèn)題，出現(xiàn)連續(xù)報(bào)廢多根主管道的情況。文章通過(guò)對(duì)AP1000核電冷卻劑主管道制造過(guò)程中的技術(shù)要點(diǎn)總結(jié)以及對(duì)前期制造中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，旨在提出AP1000核電冷卻劑主管道制造過(guò)程中的質(zhì)量監(jiān)督要點(diǎn)，以便在設(shè)備監(jiān)造工作中更好地控制其制造質(zhì)量。

1 文件準(zhǔn)備

1.1 質(zhì)量保證文件

主管道制造開(kāi)展前，制造企業(yè)須提供資質(zhì)證明，證明具有制造與AP1000核電冷卻劑主管道相當(dāng)?shù)囊?guī)格、彎曲半徑、材料以及質(zhì)量特性管子的經(jīng)驗(yàn)，否則須按照西屋《資質(zhì)評(píng)定試驗(yàn)規(guī)范》APP-PL01-T1-001的要求進(jìn)行模擬件試制，鑒定合格后方可開(kāi)始制造。

主管道制造企業(yè)在生產(chǎn)之前，須向采購(gòu)方及業(yè)主提交詳細(xì)的質(zhì)量保證文件供審查和批準(zhǔn)，諸如項(xiàng)目質(zhì)保大綱、不符合項(xiàng)管理程序、焊工操作技能評(píng)定程序、試驗(yàn)人員資格評(píng)定和認(rèn)定程序、NDE人員資格評(píng)定和認(rèn)定程序以及質(zhì)量計(jì)劃等。此類(lèi)文件的編制須滿足HAF003[13]、ASME NQA-1《核設(shè)施質(zhì)量保證要求》[1]、ASME Ⅲ卷NB分卷[3]、ASME Ⅲ卷NCA分卷、ASMEⅡ卷A篇以及其它的設(shè)計(jì)方相關(guān)設(shè)計(jì)文件的要求。材料供應(yīng)須滿足NCA-3800《金屬材料機(jī)構(gòu)的質(zhì)量體系大綱》[2]的要求。

1.2 主管道制造文件[13]

主管道制造開(kāi)展前，制造企業(yè)須提交以下文件供采購(gòu)方（或設(shè)計(jì)方）審批，包括主管道制造大綱、制造轉(zhuǎn)化圖紙、NDE檢查程序、原材料采購(gòu)驗(yàn)收管理程序、冶煉/鍛造控制程序、熱處理程序、尺寸檢查程序、標(biāo)識(shí)程序、清潔程序、儲(chǔ)存及運(yùn)輸程序、理化性能試驗(yàn)程序、焊接工藝評(píng)定報(bào)告、焊接工藝規(guī)程、UT檢測(cè)標(biāo)定試塊質(zhì)量證明文件以及其他制造過(guò)程的文件。

2 冷卻劑主管道的制造

主管道制造工藝大致分為：金屬冶煉→鍛造→NDE檢查→預(yù)備熱處理→機(jī)加工→彎制→固溶熱處理→NDE檢查→酸洗→清潔→包裝等階段。安裝圖如圖1和圖2所示。

圖1 冷卻劑主管道安裝圖Fig.1 Installation of main coolant pipe

2.1 冶煉[4-5]

冶煉一般采用二次冶煉方案，在對(duì)原材料進(jìn)行復(fù)驗(yàn)時(shí)，除了要復(fù)驗(yàn)材料中的合金含量外，還要復(fù)驗(yàn)材料中的磷、銅、鈷、砷等有害元素。監(jiān)造須關(guān)注嚴(yán)格按照冶煉工藝規(guī)程執(zhí)行，熔煉分析必須滿足ASME SA376、ASME SA312及設(shè)計(jì)文件中關(guān)于化學(xué)成分的要求。

圖2 波動(dòng)管安裝圖Fig.2 Installation of surge line pipe

2.2 鍛造

由于主管道熱段、冷段及其管嘴采用整體鍛造成型技術(shù)，因而大大增加了鍛造的難度，特別以管嘴處的鍛造難度最大，同時(shí)，可鍛溫度區(qū)間窄，鍛造過(guò)程中對(duì)表面及芯部開(kāi)裂的控制也是技術(shù)難點(diǎn)之一。鍛造的重點(diǎn)是要保證鍛件的晶粒度滿足設(shè)計(jì)要求。

監(jiān)造中須檢查按照鍛造工藝規(guī)程執(zhí)行，重點(diǎn)關(guān)注鍛造溫度、檢查其鍛造比、鍛后冷卻方法、鍛件外觀、尺寸以及UT檢查滿足工藝及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.3 機(jī)加工

機(jī)械切削分為粗加工和精加工，所有的加工過(guò)程應(yīng)盡可能在最終熱處理之前完成，應(yīng)采用尖銳的刀具進(jìn)行機(jī)加工，工件在機(jī)加工期間嚴(yán)禁使用含鹵族或含有低熔點(diǎn)化合物的冷卻潤(rùn)滑液，不允許由于不好的加工過(guò)程而導(dǎo)致最終的加工表面過(guò)熱而變色。

監(jiān)造中須重點(diǎn)檢查是否按照機(jī)加工工藝規(guī)程執(zhí)行，另外，嚴(yán)禁使用含鹵族或含有低熔點(diǎn)化合物的冷卻潤(rùn)滑液。

2.4 彎制成型

主管道彎曲成型工藝是主管道制造中的技術(shù)核心，也是主管道國(guó)產(chǎn)化制造中的技術(shù)難點(diǎn)之一，能否有效精確控制到設(shè)計(jì)尺寸，取決于彎管用芯模的設(shè)計(jì)、芯模的裝填方式以及水壓機(jī)的性能；另外，主管道的彎制還需要建立在一系列的數(shù)值模擬、管道冷彎制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，尤其是對(duì)接管嘴位置的尺寸控制為技術(shù)難點(diǎn)之一。

彎制全過(guò)程必須采用冷彎方式進(jìn)行，監(jiān)造中須密切關(guān)注彎制后的尺寸，監(jiān)督廠家按照彎管工藝規(guī)程執(zhí)行。彎制后的主管道如圖3所示。

圖3 彎制后的主管道熱段Fig.3 The hot leg of the primary pipe after bending

2.5 熱處理

熱段和冷段管道的供貨應(yīng)為固溶熱處理狀態(tài)，按SA-376要求進(jìn)行冷水淬火，要求快速水淬到敏化溫度以下，確保淬火時(shí)以較快溫度通過(guò)奧氏體不銹鋼的敏化溫度區(qū)間。

波動(dòng)管路管道的供貨應(yīng)為固溶熱處理狀態(tài)，按SA-312要求冷水淬火。

溫度測(cè)量由3支直接與管坯或彎管接觸的熱電偶測(cè)量，并自動(dòng)記錄3支熱電偶傳輸?shù)娜^(guò)程溫度、時(shí)間曲線。溫度記錄曲線、加熱和冷卻方法應(yīng)體現(xiàn)在CMTR中報(bào)告。監(jiān)造中須檢查：熱處理爐操作人員的資格是否適用、有效；記錄儀、熱電偶是否已校驗(yàn)且合格，并在有效期內(nèi)；熱電偶的固定方式、數(shù)量和固定位置；熱處理升溫速度、恒溫溫度、恒溫時(shí)間、降溫速度是否滿足工藝規(guī)程的要求；熱處理后的鍛件標(biāo)記位置、內(nèi)容是否正確、清楚。督促?gòu)S家嚴(yán)格按照熱處理工藝規(guī)程執(zhí)行，升溫及淬火時(shí)快速通過(guò)其敏化溫度區(qū)間。

2.6 磨削加工

工件應(yīng)在固溶處理前進(jìn)行粗拋磨，在固溶處理后進(jìn)行精拋磨加工。所有磨削砂粒必須是新的或者之前只是用于奧氏體不銹鋼或鎳基合金材料的。磨削和拋光加工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制打磨速度，防止工件過(guò)熱（引起材料溫度達(dá)到敏化溫度）或工件表面冷作硬化。

如果是在最終固溶熱處理之后進(jìn)行磨削加工，則最終拋光應(yīng)采用粒徑細(xì)小的砂粒進(jìn)行打磨，最終表面光潔度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.7 最終表面要求

按照管道設(shè)計(jì)者批準(zhǔn)的程序在整根管道經(jīng)過(guò)固溶退火和淬火之后進(jìn)行最終酸洗。

3 成品分析

制造廠在固溶熱處理后需取樣，對(duì)成品進(jìn)行化學(xué)成分分析，并滿足ASME SA-312及ASME SA-376中具體材料規(guī)范的要求和其他設(shè)計(jì)規(guī)范附加要求。

4 熱段和冷段管道的力學(xué)性能和金相試驗(yàn)要求

4.1 試驗(yàn)方法和試樣位置

試驗(yàn)方法、試樣的位置及取樣方向應(yīng)符合NB-2000要求，與產(chǎn)品的幾何軸向、徑向和切向相關(guān)的抗拉特性、金相、晶粒度、腐蝕試驗(yàn)應(yīng)按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行切去試樣。

4.2 試驗(yàn)類(lèi)型和試樣數(shù)量

常溫拉伸試驗(yàn)取樣數(shù)量及取樣位置應(yīng)能覆蓋管道力學(xué)試驗(yàn)的全部要求。此外，還應(yīng)完成如下試驗(yàn)取樣，如金相組織、晶粒度、碳化物分布、敏化和腐蝕、化學(xué)分析和硬度的測(cè)量等。金相試驗(yàn)涵蓋最終產(chǎn)品內(nèi)表面和外表面，其中硬度測(cè)量應(yīng)在最終表面上進(jìn)行，腐蝕試驗(yàn)應(yīng)位于距離外表面1/4T處，冷作表面還應(yīng)作徑向截面的金相結(jié)構(gòu)檢查。

4.3 拉伸試驗(yàn)[6]

拉伸試樣的制作應(yīng)符合ASME鍋爐和壓力容器法規(guī)第II卷SA-370的要求。所有拉伸試驗(yàn)均應(yīng)符合SA-376要求并在CMTR中報(bào)告完整的載荷-位移曲線，包括計(jì)算應(yīng)力-應(yīng)變曲線的足夠的數(shù)據(jù)。

監(jiān)造過(guò)程中須重點(diǎn)關(guān)注試驗(yàn)拉伸機(jī)的型號(hào)、標(biāo)定有效期、試樣夾持工具的形狀（螺紋式和虎鉗式）、試樣的標(biāo)識(shí)和實(shí)際尺寸、標(biāo)定有效期、測(cè)量工具的精度及有效期以及試驗(yàn)機(jī)的開(kāi)機(jī)時(shí)間等，實(shí)驗(yàn)操作人員必須持證上崗。

4.4 晶粒度測(cè)量[8]

晶粒度測(cè)量按ASTM E-112進(jìn)行試驗(yàn)，熱段、冷段和波動(dòng)管鍛造管道及接管嘴的晶粒度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求；接管嘴處的晶粒度應(yīng)在拋光后，采用多次NDE法進(jìn)行測(cè)量。

在CMTR報(bào)告中應(yīng)提供金相顯微照片（標(biāo)識(shí)、放大倍數(shù)、腐蝕劑）。

4.5 敏化、腐蝕試驗(yàn)[7]

敏化試驗(yàn)按ASTM A262實(shí)用方法E進(jìn)行。腐蝕試樣應(yīng)位于從外徑算起的1/4厚度處，按ASTM A262方法E進(jìn)行全銅—硫酸銅—16%硫酸腐蝕試驗(yàn)。

4.6 硬度試驗(yàn)[6]

試樣硬度計(jì)表面硬度符合設(shè)計(jì)要求值，操作按照SA-370進(jìn)行；表面硬度采用便攜式硬度計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，其精度直接取決于儀器的測(cè)量角度及操作人員的技能水平。

4.7 壓扁試驗(yàn)[12]

壓扁試樣位于管道一端，為整體切下的環(huán)狀試樣，試樣環(huán)軸向長(zhǎng)度大于63.5 mm。試驗(yàn)應(yīng)按ASME法規(guī)第Ⅱ卷SA-376相關(guān)要求進(jìn)行，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為ASME SA999。

4.8 金相試驗(yàn)

在對(duì)組織放大100倍的視場(chǎng)下觀察其組織構(gòu)成，并對(duì)碳化物分布情況進(jìn)行標(biāo)識(shí)，要求提供照片記錄。

5 NDE檢測(cè)[3，10]

5.1 UT檢測(cè)

熱段、冷段機(jī)加工后或者熱處理完成，應(yīng)按照NB-2540直探法和NB-2550斜探法兩種方法進(jìn)行超聲波探傷，探傷應(yīng)在可及面的100%管道壁厚體積上進(jìn)行。直探法的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合NB-2540要求以及SA-745[9]的QL-1對(duì)直探法的附加要求。

斜探法應(yīng)在兩個(gè)圓周方向和兩個(gè)軸線方向進(jìn)行探測(cè)。標(biāo)定試塊制作應(yīng)符合ASME-Ⅴ無(wú)損探傷卷要求。

波動(dòng)管材料應(yīng)按ASME法規(guī)第Ⅲ卷NB-2550進(jìn)行檢查。

熱段、冷段和波動(dòng)管的最終UT檢查中，須對(duì)其端部進(jìn)行在役檢查條件下的UT檢查，檢查技術(shù)條件滿足在役檢查要求。

制造廠商在檢查和驗(yàn)收之前須提交詳細(xì)的NDE程序供采購(gòu)方批準(zhǔn)，程序應(yīng)包含探傷基本參數(shù)、手法、順序以及探傷方法等，另外還應(yīng)包括設(shè)備標(biāo)定和驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)，并同時(shí)滿足ASME B&PVC的要求。

5.2 PT檢測(cè)

在驗(yàn)收檢查之前應(yīng)提交詳細(xì)的液體滲透探傷程序供采購(gòu)方批準(zhǔn)。

在彎曲之前，對(duì)所有表面（按照NB-2546要求）進(jìn)行PT檢查。彎曲之后，對(duì)彎曲區(qū)域以及每側(cè)彎曲處進(jìn)行PT檢查。所有可觸及的表面PT檢查須按ASME鍋爐和壓力容器法規(guī)第Ⅲ卷的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

監(jiān)造中須重點(diǎn)關(guān)注PT檢測(cè)時(shí)機(jī)是否合適，檢測(cè)試劑是否滿足核電用化學(xué)成分要求，檢測(cè)人員是否持核安全局頒發(fā)證書(shū)，操作是否規(guī)范等其他要求。

6 尺寸檢查

主管道是連接核島壓力容器、蒸汽發(fā)生器和主泵的關(guān)鍵設(shè)備，其尺寸精度的高低將直接決定主設(shè)備的精確就位。尺寸控制（尤其是空間尺寸）成為主管道制造過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn)之一，為主管道制造中的技術(shù)核心，能否有效控制尺寸也成為考量制造商技術(shù)水平的關(guān)鍵因素。

尺寸檢查范圍包括：

1）主管道的外形尺寸：冷彎后管道總長(zhǎng)、總高、彎曲角、彎曲半徑、內(nèi)徑、外徑、壁厚、R倒角、表面粗糙度及彎曲段橢圓度等。

2）主管道工藝管接管嘴尺寸：管嘴位置、外徑、內(nèi)徑、坡口尺寸、R倒角、表面粗糙度等。

3）主管道測(cè)量?jī)x表小接管嘴：小凸臺(tái)位置、外徑、內(nèi)徑、坡口尺寸、R倒角、表面粗糙度等。

制造中發(fā)現(xiàn)，小凸臺(tái)在焊接中變形較大，造成其定位偏差，制造商須根據(jù)自身的具體機(jī)加工水平，可適當(dāng)調(diào)整凸臺(tái)焊接和機(jī)加工工序，以保證小凸臺(tái)的精確定位。

7 清潔度檢查

主管道制造中一般采用酸洗方式進(jìn)行表面清潔，酸洗后再對(duì)其表面進(jìn)行去離子水沖洗（A級(jí)），直到?jīng)_洗水表面pH值顯示為中性。清潔及包裝需在無(wú)塵車(chē)間進(jìn)行，待管道自然干燥后對(duì)其表面異物進(jìn)行取樣檢測(cè)，表面異物控制須滿足設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)的要求，檢測(cè)合格后方能進(jìn)行包裝。

8 檔案材料

按照設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)及采購(gòu)要求，廠家提供具體尺寸大小的檔案材料、焊接工藝評(píng)定材料及在役檢查用材料。

9 完工文件

主管道熱段、冷段和波動(dòng)管在制造完工后應(yīng)編制詳細(xì)的完工報(bào)告，包括但不限于以下內(nèi)容：

1）設(shè)計(jì)文件（含設(shè)計(jì)變更文件）；

2）材質(zhì)證明書(shū)：含取樣位置圖、化學(xué)分析、熱處理、力學(xué)性能、拉力試驗(yàn)、顯微組織、晶粒度分布、表面加工冷作硬化、硬度試驗(yàn)結(jié)果、壓扁試驗(yàn)、敏化腐蝕試驗(yàn)結(jié)果、焊材材質(zhì)證明書(shū)、NDE檢測(cè)報(bào)告、質(zhì)量計(jì)劃等；

3）焊接數(shù)據(jù)包；

4）UT標(biāo)定試塊證書(shū)；

5）最終尺寸檢查報(bào)告；

6）產(chǎn)品清潔度報(bào)告；

7）標(biāo)識(shí)報(bào)告；

8）無(wú)損檢測(cè)規(guī)程及人員資質(zhì)；

9）竣工圖。

10 結(jié)論

AP1000冷卻劑主管道采用整體鍛造技術(shù)，其設(shè)計(jì)壽命60年，有別于傳統(tǒng)離心鑄造技術(shù)，技術(shù)要求高，制造難度大，且處于首次國(guó)產(chǎn)化試制階段，尚屬世界空白，毫無(wú)外部經(jīng)驗(yàn)可借鑒。在對(duì)制造廠家提出挑戰(zhàn)的同時(shí)，對(duì)設(shè)備監(jiān)造人員也提出了較高的要求。在主管道制造過(guò)程中，設(shè)備監(jiān)造人員須嚴(yán)格控制制造工藝，加強(qiáng)制造過(guò)程的質(zhì)量控制，確保主管道制造質(zhì)量，以滿足設(shè)計(jì)要求。必要時(shí)還需要對(duì)歷次制造過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分類(lèi)、匯總和分析，以“保姆式”的監(jiān)造方式關(guān)注所監(jiān)造的設(shè)備，盡可能地減少人因失誤的發(fā)生，避免制造中同類(lèi)問(wèn)題再現(xiàn)。

[1]ASME NQA-1-1994，核設(shè)施質(zhì)量保證要求[S].（ASME NQA-1-1994, QA Requirements for Nuclear Installations[S].）

[2]ASME Ⅲ NCA3800-2004，金屬材料機(jī)構(gòu)的質(zhì)量體系大綱[S].（ASME III NCA3800-2004, Quality System Program for Metallic Material Mechanism[S].）

[3]ASME Ⅲ NB -2004，核1級(jí)部件[S].（ASME III NB-2004, Class-1E Components[S].）

[4]ASME SA376-2004，高溫中央電站用無(wú)縫奧氏體鋼公稱(chēng)管[S].（ASME SA376-2004, Austenite Seamless Steel Nominal Tube Used in High Temperature Central Station[S].）

[5]ASME SA312-2004，無(wú)縫和焊接奧氏體不銹鋼公稱(chēng)管[S].（ASME SA312-2004, Seamless and Welded Austenitic Stainless Steel Nominal Tube[S].）

[6]ASME SA370-2004，鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義[S].（ASME SA370-2004, Standard Test Method and Definition for Steel Product Mechanical Property Test[S].）

[7]A S T M-A262-2002，探測(cè)奧氏體不銹鋼晶間腐蝕敏感度的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)范[S].（A S T M-A262-2002, Standard Practice Criteria for Detecting the Sensibility of Intergranular Corrosion of Austenitic Stainless Steel[S].）

[8]ASTM-E112-96，測(cè)定平均晶粒度的測(cè)量方法[S].（ASTM-E112-96, Methods for Measuring the Average Grain Size[S].）

[9]ASME SA745-2004，奧氏體鋼鍛件超聲波檢驗(yàn)[S].（ASME SA745-2004, Supersonic Test for Austenite Steel Forgings[S].）

[10]ASME V-2004，無(wú)損檢測(cè)[S].（ASME V-2004,NDT[S].）

[11]ASME Ⅸ-2004，焊接和釬焊評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S].（ASME IX-2004, Evaluation Criteria for Welding and Soldering[S].）

[12]ASME SA999 -2004，合金鋼和不銹鋼公稱(chēng)管通用要求[S].（ASME SA999-2004, Requirements for General Use of Alloy Steel and Stainless Steel Nominal Tubes[S].）

[13]HAF003 -1991，核電廠質(zhì)量保證安全規(guī)定[L].（HAF003-1991, Quality Assurance for Safety in Nuclear Power Plant: A Code of Practice[L].）