某AP1000核電項目RPV鍛件性能影響因素分析

某AP1000核電項目RPV鍛件性能影響因素分析

李娜

(長春東南熱電廠，吉林130607)

摘要：分析了影響AP1000反應(yīng)堆壓力容器鍛件性能的因素，強調(diào)了監(jiān)造過程中的注意事項。

關(guān)鍵詞：AP1000；壓力容器；鍛件；力學性能

中圖分類號：TL351+.6文獻標志碼：B

收稿日期：2015—04—13

Analysis on Influenced Factors of RPV Forgings Property for

a Certain AP1000 Nuclear Power Project

Li Na

Abstract：Influenced factors of AP1000 RPV forgings property have been analyzed, and key items of supervising manufacture process have been emphasized.

Key words：AP1000; pressure vessel; forgings; mechanical property

AP1000核電技術(shù)是中國從美國西屋公司引進的第三代核電技術(shù)，反應(yīng)堆壓力容器(RPV)是核電站核心設(shè)備之一，這是國內(nèi)首次制造AP1000核心設(shè)備，每個制造廠根據(jù)原始設(shè)計文件摸索適合自己的制造工藝，其中RPV主鍛件的性能是影響RPV質(zhì)量的重要一環(huán)。本文主要介紹了某AP1000核電項目RPV鍛件制造過程中性能影響因素分析及其對監(jiān)造的借鑒意義，為后續(xù)核島主設(shè)備鍛件監(jiān)造管理起借鑒作用。

1該核電項目 RPV主鍛件制造現(xiàn)狀

該核電項目每臺機組RPV主鍛件共13件(見圖1)：底封頭(1件)、過渡段(1件)、筒身段(1件)、接管段(1件)、一體化頂蓋(1件)、進口接管(4件)、出口接管(2件)、安注接管(2件)。2臺機組RPV主鍛件投料及制造狀態(tài)如表1所示。

圖1　RPV鍛件布置圖

從表1可以看出，力學性能不合格的鍛件占投料鍛件的29%，主鍛件報廢的直接原因：鍛件落錘試驗檢測的無塑性轉(zhuǎn)變溫度達不到設(shè)計要求，使得主鍛件力學性能不合格。其中2件過渡段第二次投料后無塑性轉(zhuǎn)變溫度仍達不到設(shè)計要求。主鍛件性能是否合格不僅直接關(guān)系到RPV的質(zhì)量，也影響到整個項目的進度及RPV的成本。因此分析影響RPV鍛件力學性能的主要因素，對采取措施保證鍛件的性能有著重要的現(xiàn)實意義。

2影響RPV鍛件力學性能的主要因素

針對較多的RPV主鍛件因力學性能不合格造成報廢的問題，制造廠組織相關(guān)專家進行了原因分析，結(jié)合RPV鍛件監(jiān)造過程中發(fā)現(xiàn)的問題，影響RPV主鍛件力學性能的主要因素包括：冶煉過程的化學成分控制、熱處理工藝、試樣切料等。

2.1化學成分

化學成分是影響材料力學性能的基礎(chǔ)因素，壓力容器活性部分(接管段、筒身段、過渡段)要經(jīng)受強中子輻照，材料韌性要求很高。AP1000核電機組RPV材料化學成分如P、S、Cr等元素比ASME規(guī)范中壓力容器材料成分要求更高(見表2)。

由此可見，降低材料中P、S、Cr等元素的含量能提高材料的韌性。針對RPV鍛件冶煉方面的問題，制造廠進行了分析并制定相應(yīng)的糾正措施，具體原因及糾正措施如表3所示。

表1　該核電設(shè)備RPV主鍛件制造狀態(tài)

注： NDTT 測表示實際測定的無塑性轉(zhuǎn)變溫度，NDTT 標表示技術(shù)條件要求的無塑性轉(zhuǎn)變溫度。

表3　原因及糾正措施

2.2熱處理工藝

AP1000壓力容器鍛件金相組織要求最終晶粒度在5級以上。調(diào)質(zhì)熱處理工藝的目的是消除淬火或者回火過程中的殘余應(yīng)力，同時細化組織晶粒，提高鍛件的綜合性能。在現(xiàn)有調(diào)質(zhì)熱處理工藝基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，可提高鍛件的力學性能。

1#接管段鍛件在第一次采用調(diào)質(zhì)熱處理工藝后，接管段鍛件冒口和接管孔周向落錘NDTT值為-18.3℃，不滿足采購技術(shù)文件NDTT值不大于-23.3℃的要求。制造廠進行熱處理工藝優(yōu)化，通過亞溫淬火和熱處理設(shè)備改造之后，接管段鍛件冒口和接管孔周向落錘NDTT值為-28.3℃，符合采購技術(shù)文件要求。導致這兩種不同結(jié)果的原因就是調(diào)質(zhì)工藝的優(yōu)化，優(yōu)化主要體現(xiàn)在兩個方面：

(1)增加一次亞溫淬火工藝。傳統(tǒng)的淬火工藝是完全淬火工藝，是將出爐后的鍛件直接放進水槽，采用強制循環(huán)水的方式來進行鍛件冷卻，然后在空氣中冷卻后再進行回火處理。由于完全淬火工藝得到的鍛件力學性能不能滿足要求，因此在傳統(tǒng)的完全淬火和回火工藝之間增加一次亞溫淬火工藝，亞溫淬火的保溫溫度低于完全淬火的溫度。通過亞溫淬火可以進一步細化組織晶粒，減少有害元素在晶界上的偏聚，起到了凈化晶界、降低缺口敏感性和晶界脆性的作用。

圖2　1#RPV過渡段鍛件的切料取樣圖

(2)對淬火設(shè)備進行改造，采用高壓噴水冷卻淬火[1]。傳統(tǒng)淬火工藝采用水槽冷卻，高溫鍛件在水槽中冷卻時，鋼的熱量使鍛件表面形成水蒸氣膜，嚴重阻礙了鍛件中熱量的釋放，造成淬火冷卻速率下降，影響組織晶粒的細化。采用高壓噴水冷卻淬火工藝，水以高壓的方式噴射到鍛件表面上時，能在短時間內(nèi)強烈、均勻的除去水蒸氣膜，不易形成局部緩慢冷卻，具有均勻冷卻的特點。同時加快熱量從鍛件表面向冷卻水中的傳遞，提高鍛件的淬火冷卻速率，改善細化組織晶粒，減少有害元素的偏析。

實踐表明，對調(diào)質(zhì)熱處理工藝優(yōu)化可以改善材料金相組織，提高鍛件的力學性能。因此在后續(xù)RPV主鍛件或其他核級設(shè)備大鍛件的制造工程中，調(diào)質(zhì)熱處理工藝采用完全淬火+亞溫淬火+回火。

通過新的冶煉和熱處理工藝，RPV鍛件產(chǎn)品性能合格率得到了提高，如表4所示。 針對AP1000壓力容器主鍛件及其他核級設(shè)備的大型鍛件，制造廠應(yīng)進一步穩(wěn)定冶煉工藝和鍛造工藝，優(yōu)化工藝參數(shù)，保障技術(shù)工人的穩(wěn)定性，對提高大型鍛件成品合格率有重要的意義。

表4　改進工藝后鍛件制造情況

2.3試樣切料

鍛件的性能通過對鍛件實體上切取的試樣進行試驗得出，因此,準確地按圖紙切取試樣是判斷鍛件性能的關(guān)鍵和前提。切料工序主要包括鍛件本體的劃線、從本體上切取的試料分塊、塊狀試驗分片以及最后制作成試驗需要的試樣等過程。

由于制造廠同時有歐洲標準(RCC-M)和美國標準(ASME)，這兩個標準的取樣方式存在差異，切料人員容易產(chǎn)生混淆，從而影響力學性能的結(jié)果。兩個標準在取樣方式的差異主要有以下三方面:

(1) 試樣數(shù)量：RCC-M 規(guī)定詳細，ASME未做規(guī)定。

(2) 試樣方向： 對于落錘試樣，RCC-M 有規(guī)定，ASME 未做規(guī)定；對于沖擊式樣，ASME 規(guī)定為橫向，RCC-M 未做規(guī)定。

(3) 試樣取樣方法：RCC-M 對鍛件的取樣方式?jīng)]有統(tǒng)一規(guī)定，針對不同的鍛件試樣取樣方式不同，ASME 取樣方式有統(tǒng)一規(guī)定[2]。

AP1000壓力容器主鍛件技術(shù)規(guī)格書則對試樣數(shù)量、方向及取樣方法做了規(guī)定(圖2)。由于試樣數(shù)量多、執(zhí)行標準的差異及操作工人水平的差異，在實際工作中，易發(fā)生試樣切料的錯誤，錯誤的試樣不能真實的反應(yīng)鍛件的力學性能。1#出口接管和2#進口接管小塊分樣的過程中，發(fā)現(xiàn)試樣上面的字頭方向和制造廠內(nèi)部的工藝要求不一致。制造廠要求字頭方向是與鍛件的軸向方向一致，而這2個接管的字頭方向為周向。

因此在試樣切料過程中，除技術(shù)規(guī)格書需明確試樣數(shù)量、方向及取樣方法外，還需加強培訓提高操作工人的水平，在鍛件質(zhì)量計劃上切料工序還需進一步細化，保證影響力學性能結(jié)果的關(guān)鍵切料工序得到控制。

3監(jiān)造過程中的借鑒

RPV主鍛件制造過程中，實際投料(包括二次投料)31件，因內(nèi)部缺陷報廢1件，因力學性能不合格報廢9件。對AP1000技術(shù)而言，類似RPV主鍛件的大型鍛件國內(nèi)制造成品率不高，一方面是核電大型鍛件技術(shù)要求高，制造難度大；另一方面是國內(nèi)制造廠首次制造缺少經(jīng)驗，工藝不穩(wěn)定。為此，制造廠應(yīng)根據(jù)影響產(chǎn)品質(zhì)量的五個方面：人、機、料、法、環(huán)，認真查找原因，制定糾正措施。監(jiān)造單位在大型核電鍛件監(jiān)造過程中，按監(jiān)造大綱、質(zhì)量計劃實行全過程監(jiān)造，具體實施時，也應(yīng)從人、機、料、法、環(huán)五個方面對制造廠的制造過程實施質(zhì)量監(jiān)督，與制造廠共同提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高核電大型鍛件的成品率。

(1)鍛件制造質(zhì)量的主要實施主體是生產(chǎn)一線的技術(shù)工人及質(zhì)量檢驗人員。制造廠應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)特點、工藝要求，設(shè)置合理的生產(chǎn)方式，配備合格的人員。監(jiān)造人員重點監(jiān)督生產(chǎn)人員和檢驗人員的資格，包括培訓記錄、專業(yè)資質(zhì)(如無損檢測證書、焊工證和電工證等)以及所從事過的質(zhì)量活動。此外，監(jiān)造人員還應(yīng)關(guān)注生產(chǎn)一線技術(shù)工人的穩(wěn)定性、積極性，這對分析產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的人員因素有參考意義。

(2)產(chǎn)品的制造機具、檢驗機具及其工作狀態(tài)、精度直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。監(jiān)造過程中重點監(jiān)督設(shè)備的檢定和校準，對執(zhí)行ASME和RCCM兩套標準的制造廠來說，兩套標準對設(shè)備校準和檢定周期、精確度、靈敏度以及參數(shù)設(shè)置有不同的要求，因此在使用這些設(shè)備對鍛件產(chǎn)品進行檢測時，要注意這些差別。此外，還需關(guān)注鍛件制造過程的熔煉設(shè)備、鍛造設(shè)備、熱處理設(shè)備、機械加工設(shè)備的精度及能力，特別注意設(shè)備是否處于正常狀態(tài)。

(3)制造產(chǎn)品的原材料是構(gòu)成產(chǎn)品的基本元素。核電站用的鍛件鋼胚是制造廠自己冶煉，由于冶煉工藝和鍛造工藝是核心工藝，不能實施見證，因此監(jiān)造人員應(yīng)對照采購規(guī)范對冶煉的化學成分分析報告以及鍛后熱處理的報告進行審查。對于制造廠部分外協(xié)件和外購件，監(jiān)造人員應(yīng)對其原材料來源、產(chǎn)品合格證、質(zhì)量證明書進行審核，對進廠后的質(zhì)量復(fù)檢進行監(jiān)督。

(4)產(chǎn)品質(zhì)量控制主要通過控制工藝過程來實施，主要包括：確定關(guān)鍵工序，關(guān)鍵工序工藝評定;確認設(shè)備狀態(tài)；操作人員資質(zhì)檢查、技能培訓、人員選擇；實施工藝文件的有效性；班組操作記錄、檢查記錄；工序復(fù)檢記錄等。

(5)影響質(zhì)量的環(huán)境因素包括制造車間溫度、濕度、清潔度、噪聲和產(chǎn)品表面清潔度、粗糙度以及工器具及原材料的儲存環(huán)境等。如對超聲檢測和滲透檢測工序來說，檢測設(shè)備有一定的工作溫度范圍和表面粗糙度要求，不能滿足檢測的環(huán)境要求，就不能反映鍛件的實際質(zhì)量狀態(tài)。

4結(jié)論

百萬千瓦核電機組核島主設(shè)備是核電站核心設(shè)備，控制鍛件的物理化學性能是后續(xù)設(shè)備組焊的前提條件。在鍛件的實際制造過程中，對冶煉和調(diào)質(zhì)工藝進行充分論證，盡量減少人員、設(shè)備以及文件導致鍛件的不合格，從而實現(xiàn)減少報廢、滿足工程建設(shè)的需要。

參考文獻

[1]福田達等著，彭惠民譯.高壓噴水冷卻淬火新技術(shù)及其應(yīng)用[J].國外金屬熱處理，1990,11(6)：49-50.

[2]連占衛(wèi).核電蒸汽發(fā)生器鍛件應(yīng)用RCC-M標準與ASME標準取樣方式的差異[J].大型鑄鍛件，2011(5):44-48.

編輯杜青泉