核電主蒸汽超級管道管段制造工藝及質(zhì)量控制

黃炳臣 鄧 冬 熊冬慶 石 紅

(環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082)

主蒸汽超級管道是指反應(yīng)堆安全殼外從主蒸汽管線的安全殼機(jī)械貫穿件起，至主蒸汽管線橫向限制件下游第一道焊縫止的一段飽和蒸汽管道。超級管道熱工參數(shù)高、焊縫多、受力復(fù)雜，尤其在事故工況下所受沖擊力大，具有較高的安全性要求［1］，故法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)將其定義為核安全2 級設(shè)備。

主蒸汽超級管道由于要與多個(gè)安全閥進(jìn)行連接，因此在其上存在多個(gè)管嘴。早期核電機(jī)組如秦山一期和大亞灣核電站主蒸汽超級管道連接主蒸汽安全閥的管嘴是采用支管焊接方式，即在母管上開孔，然后把支管焊接上去。這種制作方法工藝簡單，但會造成該部位金屬材料不連續(xù)，焊縫部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中，且對焊接質(zhì)量和接管的補(bǔ)強(qiáng)都有較高的要求。隨著管子成型工藝的不斷發(fā)展，在上個(gè)世紀(jì)的九十年代后建造的核電站中主蒸汽超級管道開始采用擠壓成型管嘴，該工藝可以一次成型，金屬組織連續(xù)，減少了焊縫，提高了核電廠運(yùn)行的可靠性［1］。

以秦山二期核電廠(該電廠為二代改進(jìn)型核電廠)為例，每根主蒸汽超級管道是由5 段管段焊接而成，這5 段管段分別稱為管段T1(最終長度2.7 m)、管段T2(最終長度3.6 m)、管段T3(最終長度4.4 m)、管段T4(最終長度4.481 m)和管段T5。管段T5為超級管道和主蒸汽機(jī)械貫穿件之間的過渡段。5 段管段的管徑均為Φ813 mm×46 mm，材料為P280GH(法國材料牌號，大致相當(dāng)于我國的16Mn)。各管段均在工廠制作，在安裝現(xiàn)場將其組焊為一根超級管道。主蒸汽超級管道除了帶有管嘴的管段外，還有些附件，主要包括:限制件、保溫件固定金屬環(huán)、探傷用可拆卸插塞、測壓管頭和加能助動(dòng)管嘴等［2］。其基本結(jié)構(gòu)見圖1，設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。由于超級管道的主要加工難度在于管嘴的熱擠壓成型，因此本文主要介紹管段(含管嘴)的制造工藝及質(zhì)量控制。

表1 主蒸汽超級管道的設(shè)計(jì)參數(shù)［2］

1 母管的制造要求

M310 改進(jìn)型核電機(jī)組用超級管道的母管材料一般采用P280GH，鋼管的制作一般是由鍛造、擠壓或芯棒拉制成型。鋼管用鋼是由電爐冶煉的全鎮(zhèn)靜鋼，鋼水應(yīng)脫氧后澆鑄，鋼管應(yīng)在正火狀態(tài)下交貨。

對鋼管需進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)和碳當(dāng)量測定，其澆包鋼水和成品管的化學(xué)成分應(yīng)符合表2 的規(guī)定值，除由脫氧帶入的成分外，不能隨意添加未列出的成分。

制造鋼管的圓鋼或管坯應(yīng)取自頭部和底部有充分切除量的鋼錠，總鍛造比應(yīng)≥3，鋼管應(yīng)采用熱成型的方式制造，優(yōu)先選用鍛造工藝制造的鋼管。

管子應(yīng)取樣進(jìn)行拉伸(室溫和300 ℃)、沖擊、壓扁等力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)。此外還應(yīng)進(jìn)行模擬消除應(yīng)力熱處理的材料實(shí)驗(yàn)(拉伸、沖擊)，模擬消除應(yīng)力熱處理的名義保溫溫度為605 ℃，保溫時(shí)間為每1 mm 厚度6 min，最少為2 h。試驗(yàn)時(shí)可以用彎曲實(shí)驗(yàn)代替壓扁試驗(yàn)，一組彎曲實(shí)驗(yàn)應(yīng)包括2 個(gè)試樣，一個(gè)為正向彎曲試樣，一個(gè)為反向彎曲試樣。直管的主要力學(xué)性能應(yīng)符合表3 的規(guī)定值。

鋼管晶粒度的大小應(yīng)按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測定，晶粒度應(yīng)細(xì)于5 級。成品鋼管應(yīng)完成相應(yīng)的表面缺陷檢驗(yàn)和體積缺陷檢驗(yàn)，主要的檢驗(yàn)項(xiàng)目有目視檢驗(yàn)、液體滲透檢驗(yàn)及超聲檢驗(yàn)，為了提高體積性缺陷的檢出效果，可增加射線檢驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)鋼管交貨前還應(yīng)該完成水壓試驗(yàn)。

2 管嘴成型工藝要求

主蒸汽超級管道的管嘴采用熱擠壓成型工藝。其主要的制造工藝環(huán)節(jié)如下:母管原材料合格后，需要進(jìn)行下料，平齊管子兩端，確定基準(zhǔn)后進(jìn)行劃線，以確定各個(gè)管嘴的位置。鉆管嘴孔，并根據(jù)不同的管嘴直徑分別進(jìn)行鏜擴(kuò)孔。然后進(jìn)行管嘴部位局部加熱，通過一定的工具(一般可以采用油壓機(jī))和工裝進(jìn)行管嘴拉拔，所有管嘴拉拔完成后對整個(gè)母管進(jìn)行正火+回火的熱處理。然后對成型后的管子進(jìn)行檢驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)及無損探傷，加工相應(yīng)的管嘴使其滿足高度要求并加工坡口。

整個(gè)加工過程中有以下幾點(diǎn)需要進(jìn)行重點(diǎn)控制:

(1)孔位置的確定。由于主蒸汽超級管道管嘴之間距離要求偏差較小，且各管嘴中心線在母管周向位置角度偏差要求在-1.44°～+1.44°之間，因此需使用合理工裝放置管子，設(shè)定好基準(zhǔn)后劃線找正，確定各個(gè)孔的中心位置。

表2 主蒸汽超級管道用鋼管的化學(xué)成分［3］(ωt/%)

表3 主蒸汽超級管道用鋼管的主要力學(xué)性能［3］

(2)鏜擴(kuò)孔的直徑及有關(guān)尺寸。主蒸汽超級管道上有2 種尺寸規(guī)格的管嘴，一種為Φ243 μm×23 mm，高度為45 mm;另一種為Φ88.9 mm ×7.65 mm，高度30 mm。由于二者是從同一種壁厚的管子上擠壓而成，但高度和直徑卻有較大的差異，因此，對于管徑較大的管嘴，可采用通孔，而對于管徑和管壁厚較小的管嘴，由于成型后需要較小的金屬補(bǔ)償，則需要采用凹錐孔的方式，見圖2。

(3)管嘴成型前的預(yù)熱。要吊裝好管段，在管壁的外側(cè)設(shè)置局部加熱裝置，從管壁外側(cè)加熱，在管壁內(nèi)側(cè)設(shè)置圈火蓋，防止在加熱時(shí)熱量的進(jìn)一步散失。圈火蓋內(nèi)應(yīng)設(shè)置熱電偶，檢測加熱溫度。進(jìn)行火焰加熱時(shí)，管嘴孔與火口應(yīng)有一定的距離，加熱過程中防止出現(xiàn)過燒和過熱的現(xiàn)象。要嚴(yán)格控制加熱速度、加熱溫度以及恒溫時(shí)間，可以輔助紅外線測溫儀監(jiān)測加熱溫度。先以較快的加熱速度升溫到400 ℃左右，然后以一個(gè)恒定的速度加熱至1 200 ℃左右，并在該溫度下保持一定時(shí)間的恒溫，加熱區(qū)域以預(yù)置孔為中心的局部加熱，加熱面為Φ300 mm～350 mm［4］。加熱工裝示意圖見圖3。

(4)管嘴的擠壓成型。首先要根據(jù)拉拔管嘴的外徑大小，設(shè)計(jì)一套拉拔工裝和模具。將加熱到溫的管段迅速地吊裝到拉拔模具中，迅速找正，放置拉拔桿，并對正拉拔桿的入口。裝入拉頭，并施加拉力以一定的速度拖拉拉桿。注意在拉拔的過程中不得出現(xiàn)裂紋和微裂紋。更換不同的拉頭，依次進(jìn)行拉拔，至最終成型至合格的尺寸。在此過程中需注意拉拔管嘴處的溫度不應(yīng)低于750 ℃。成型前需設(shè)計(jì)完成相應(yīng)的工裝，如龍門架，用以固定母管。拉力的產(chǎn)生可使用壓力機(jī)配合龍門架完成。擠壓成型管嘴示意圖見圖4。所有的管嘴擠壓成型完成后，應(yīng)對母管進(jìn)行整體校直，公差為1 mm/m。

(5)管段的最終熱處理。為了保證超級管道管段的金相組織及最終力學(xué)性能，需對已經(jīng)完成熱擠壓成型的管段進(jìn)行正火，正火的保溫范圍在890～940 ℃之間，保溫一定的時(shí)間后，在靜止的空氣中冷卻。然后再進(jìn)行高溫回火，回火的保溫溫度在610 ℃左右，保溫一定的時(shí)間后在空氣中冷卻。

(6)管段最終機(jī)加工。在大型立式車床上對完成取樣和水壓試驗(yàn)后的主蒸汽管段進(jìn)行機(jī)加工，把管段的長度和管嘴的高度加工至要求的尺寸，并加工好焊接坡口。

3 管段的成品檢驗(yàn)

主蒸汽超級管道管段最終熱處理完成后，尚需要完成以下的檢驗(yàn)和試驗(yàn):

3.1 化學(xué)成分分析

從管段延長段上切取試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析方法可以采用光譜分析法或化學(xué)分析法。測得產(chǎn)品的化學(xué)成分應(yīng)與原材料鋼管的化學(xué)成分相同。

3.2 力學(xué)性能檢測

力學(xué)性能試樣也應(yīng)從管段延長段上切取。取樣應(yīng)分為兩個(gè)部分，一部分為正常態(tài)，另一部分需要進(jìn)行模擬消除應(yīng)力熱處理。試樣包括拉伸2 個(gè)(室溫、300 ℃高溫各1 個(gè))、沖擊每組3 個(gè)。每種試樣都要從周向和軸向兩個(gè)方向切取。

3.3 尺寸檢驗(yàn)

對管段需進(jìn)行基本尺寸、管嘴的壁厚、管嘴同管段的連接半徑、管嘴高度、管段的橢圓度、管嘴的垂直度、管段的彎曲度以及管嘴之間的間距等重要幾何尺寸進(jìn)行測量。

(1)管段的基本尺寸。應(yīng)測量管段的外徑、內(nèi)徑、壁厚、長度、直線度及內(nèi)外表面的同心度等。

(2)管嘴壁厚。應(yīng)在4 個(gè)截面上檢驗(yàn)熱擠壓管嘴的壁厚，這4 個(gè)截面分別取自包含管段中心線和管嘴中心線的剖面。具體有關(guān)尺寸的界定可參照RCC-M C3643.4 中有關(guān)定義。測量時(shí)如難以用量具測量，則可采用超聲波測厚的方式。測量所得的最小壁厚應(yīng)滿足設(shè)計(jì)圖紙的要求。

(3)管嘴同管段的連接半徑。每一個(gè)管嘴的外表面同管段的連接半徑應(yīng)≥圖紙中要求的尺寸和公差。若尺寸不能滿足要求，不可進(jìn)行機(jī)加工修復(fù)。

(4)管嘴高度。每一個(gè)管嘴都應(yīng)測量其高度，應(yīng)在管嘴中心線和管段中心線的平面上測量管嘴高度，且測量的測點(diǎn)應(yīng)距離管嘴內(nèi)壁150 mm。管嘴高度應(yīng)滿足圖紙要求。

(5)管段的橢圓度。管段的橢圓度定義為:(最大內(nèi)徑-最小內(nèi)徑)/公稱內(nèi)徑，測量位置應(yīng)位于管子兩端150～200 mm 的段，橢圓度應(yīng)≤0.5%。

(6)管嘴的垂直度。管嘴的垂直度應(yīng)就其縱軸和橫軸分別測量。

(7)管段的彎曲度。應(yīng)測量每一段管段的彎曲度，對于最長的管段，其彎曲度應(yīng)是其外徑的0.5%。

(8)管嘴間距。管嘴之間的中心線距離應(yīng)滿足圖紙要求。

3.4 晶粒度測量

在整個(gè)超級管道進(jìn)行熱處理后需進(jìn)行超級管道管段和擠壓管嘴的晶粒度檢驗(yàn)，管段取樣需在其延伸段，管嘴則在每一個(gè)擠壓管嘴在擠壓余料上成90°的4 個(gè)點(diǎn)位置上(在管段中心線以及垂直軸線上)進(jìn)行晶粒度測試取樣。最終晶粒度檢驗(yàn)的結(jié)果應(yīng)細(xì)于5 級。

3.5 無損檢驗(yàn)

對于熱擠壓部分，需按照RCC-M MC7000 進(jìn)行100%的目視檢驗(yàn)，不允許有任何表面裂紋、重疊或其他缺陷。對管嘴的內(nèi)外部表面還需按照RCC-M MC5000 的要求進(jìn)行100%的磁粉探傷，并按相應(yīng)的規(guī)范要求進(jìn)行驗(yàn)收。此外，還需按照RCC-M MC2000 的要求對管嘴部分進(jìn)行100%的超聲波探傷，若超聲探傷難以實(shí)施或?qū)Y(jié)果判斷有困難，也可以按照RCC-M MC3000 的要求對管嘴部分進(jìn)行100%的射線探傷。

3.6 水壓試驗(yàn)

主蒸汽超級管道需在工廠完成水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)應(yīng)按照RCC-M C5230 的要求進(jìn)行。試驗(yàn)壓力為12.75 MPa，試驗(yàn)用水應(yīng)滿足RCC-M B 級水的要求，保壓時(shí)間至少為30 min，且有足夠的時(shí)間對擠壓成型的部位進(jìn)行觀察。試驗(yàn)后主蒸汽超級管道應(yīng)該無泄漏，也無明顯殘余變形。

對于管嘴成型時(shí)能夠把管嘴高度拉拔到超過設(shè)計(jì)圖紙要求的，可在管嘴及管段兩端焊接管帽進(jìn)行打壓試驗(yàn)，若不能，則需設(shè)計(jì)一套工裝封堵管嘴及管段兩端進(jìn)行打壓試驗(yàn)。對于前者，在打壓試驗(yàn)完成后需切除管帽，對管嘴和管段兩端進(jìn)行機(jī)加工，以滿足圖紙尺寸要求。

4 結(jié)語

綜上所述，在主蒸汽超級管道管段的制造過程中，以下4 點(diǎn)需嚴(yán)格控制:

(1)嚴(yán)把母管采購或制造關(guān)，保證母管合乎標(biāo)準(zhǔn)要求且質(zhì)量優(yōu)異，是主蒸汽超級管道管段能夠順利制造成功的先決條件;

(2)生產(chǎn)單位須根據(jù)自身裝備的實(shí)際情況，來設(shè)計(jì)并制造合適的工裝模具，是主蒸汽超級管道管段能夠順利生產(chǎn)的基礎(chǔ);

(3)設(shè)計(jì)合理的加熱工具，確定合適的加熱溫度、升溫速度及保溫時(shí)間是主蒸汽超級管道管段能否制作成功的關(guān)鍵;

(4)建立起滿足我國核安全法規(guī)［5］要求的核級質(zhì)量保證體系，并在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中有效實(shí)施，是保證主蒸汽超級管道管段質(zhì)量的必然要求。

我國目前二代改進(jìn)型核電廠中使用的主蒸汽超級管道基本上都是國外進(jìn)口，國內(nèi)只有武漢重工鑄鍛有限公司提供過少量產(chǎn)品，其他幾個(gè)管配件制造企業(yè)也只是完成了該產(chǎn)品的樣件制造工作。這與我國作為管道和管配件的生產(chǎn)大國的地位極其不匹配。其實(shí)只要按照上述四個(gè)要點(diǎn)，做好制造技術(shù)控制，以我國目前管道和管配件生產(chǎn)企業(yè)的裝備和人員水平是能夠提供合格主蒸汽超級管道的。

［1］薛源，劉金貴.核電站主蒸汽超級管道管嘴受力分析［J］.廣東電力，2012(12):37 -39.

［2］黃炳臣，石紅，沈偉，等.主蒸汽超級管道許可證模擬件制作的基本要求［J］.核安全，2014(3):78 -83.

［3］上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社.RCC-M-2002 +2002 補(bǔ)遺:壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則［S］.2010.

［4］曾年勝.鋼管管嘴局部快速加熱系統(tǒng)的研制［J］.工業(yè)爐，2010(4):22 -24，26.

［5］國家核安全局.HAF003 核電廠質(zhì)量保證安全規(guī)定［S］.國家核安全局，1991.