AP1000反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器制造難點(diǎn)與案例分析

陳中灼

（中核集團(tuán)三門核電有限公司，浙江　三門　317112）

·生產(chǎn)與管理·

AP1000反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器制造難點(diǎn)與案例分析

陳中灼

（中核集團(tuán)三門核電有限公司，浙江三門317112）

摘要：闡述了AP1000反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)、制造難點(diǎn)，結(jié)合三門核電一期工程蒸發(fā)器的制造及質(zhì)量監(jiān)督實(shí)踐，特別是在制造過程中發(fā)生的具體案例，提出了一些經(jīng)驗(yàn)反饋和核電業(yè)主監(jiān)造應(yīng)對(duì)措施。

關(guān)鍵詞：反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器；制造難點(diǎn)；案例分析

反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器（以下簡稱蒸發(fā)器）是壓水堆核電廠一回路、二回路的樞紐，它將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量傳遞給蒸發(fā)器二次側(cè)，產(chǎn)生蒸汽經(jīng)一、二級(jí)汽水分離器干燥后推動(dòng)汽輪機(jī)做功。該設(shè)備是核電站中最為關(guān)鍵也是造價(jià)最為昂貴的設(shè)備之一。

作為我國三代核電自主化依托項(xiàng)目，三門核電一期工程引進(jìn)了由美國西屋公司設(shè)計(jì)的AP1000三代壓水堆核電技術(shù)。AP1000蒸發(fā)器基于成熟的二代核電技術(shù)并吸收了多年的核電運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及工業(yè)界最新的技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行了改進(jìn)型設(shè)計(jì)。三門核電1、2號(hào)機(jī)組蒸發(fā)器是全世界首批AP1000蒸發(fā)器從設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成實(shí)際產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)和制造完全依照美國ASME規(guī)范進(jìn)行，作為核電運(yùn)營業(yè)主，我公司全程參與了設(shè)備制造的整個(gè)質(zhì)量監(jiān)督過程，并參與了質(zhì)量問題的處理，積累了第一手資料。

目前三門核電1、2號(hào)機(jī)組蒸發(fā)器均已交付。因此總結(jié)分析AP1000蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)、制造難點(diǎn)和制造典型案例，對(duì)后續(xù)設(shè)備國產(chǎn)化過程中設(shè)備制造和質(zhì)量監(jiān)督具有積極的指導(dǎo)意義。

一、AP1000蒸發(fā)器的技術(shù)特點(diǎn)

AP1000機(jī)組采用兩臺(tái)典型的直立式帶有一體化汽水分離器的U形管自然循環(huán)蒸發(fā)器。蒸發(fā)器一回路側(cè)屬于核安全一級(jí)和抗震I類部件，二回路側(cè)屬于核安全二級(jí)和抗震I類部件，設(shè)計(jì)壽命為60年,采用改進(jìn)型的Delta125型（Delta75的擴(kuò)容型）。

Delta125型蒸汽發(fā)生器有如下主要技術(shù)特點(diǎn)：單臺(tái)熱功率是M310機(jī)組（法國設(shè)計(jì)的二代機(jī)組）的1.77倍；傳熱管數(shù)量為10025根，傳熱管的材料為Inconel690-T T,傳熱管外/內(nèi)徑為17.48/15.4mm；殼體和管板采用全鍛件形式，下封頭、上封頭采用一體化的管嘴；主泵泵殼直接焊接在水室封頭出口接管上。

二、AP1000蒸發(fā)器制造難點(diǎn)和案例分析

AP1000設(shè)計(jì)上的特性導(dǎo)致了設(shè)備制造上一些的難點(diǎn)。殼體全部采用重型鍛件，材料為錳-鉬-鎳低合金鋼，在ASME規(guī)范里材料牌號(hào)為SA508Gr3Cl2，要求總鍛造比不低于3.5，制造規(guī)范采用ASME第Ⅲ卷NB部分。管板和水室封頭都需要120MN以上的鍛壓機(jī)。由于60年的壽命設(shè)計(jì)，要求大鍛件制造過程中提高鋼水純凈度，嚴(yán)格限制硫、磷、銅、鈷、氫和低熔點(diǎn)雜質(zhì)元素，要求鍛件韌脆轉(zhuǎn)變溫度低至-21℃（國內(nèi)在建二代加機(jī)組要求-12℃），鍛件和焊材性能試樣都需進(jìn)行48h模擬熱處理試驗(yàn)（傳統(tǒng)上一般進(jìn)行24h）。其中管板、下封頭、錐形過渡段筒體（鍛件兩側(cè)有直段）為其中最難的三個(gè)大鍛件。目前全世界只有少數(shù)幾家鍛件廠能夠制造，國內(nèi)制造廠中國一重經(jīng)過三門核電項(xiàng)目艱難的實(shí)踐攻關(guān)，也突破了這一類鍛件生產(chǎn)技術(shù)。

管板鎳基堆焊一直是蒸發(fā)器制造的難點(diǎn)之一。由于管板直徑、厚度增大，增加了管板的剛性，使得管板鎳基堆焊對(duì)制造廠提出了更高的工藝要求；由于管板厚度增加也大大提高了管板深孔鉆鉆20050個(gè)孔的難度。

AP1000機(jī)組蒸發(fā)器采用主泵泵殼直接焊接在蒸發(fā)器出口管嘴上是一個(gè)全新的設(shè)計(jì)，因此給制造、檢測(cè)、試驗(yàn)帶來了全新的難題。

三門核電1、2號(hào)機(jī)組蒸發(fā)器由國際、國內(nèi)頂尖的核設(shè)備制造廠承制，由于AP100機(jī)組蒸發(fā)器設(shè)計(jì)的獨(dú)特難題，也遇到了諸多問題，下面結(jié)合三門核電1、2號(hào)機(jī)組蒸發(fā)器制造過程中的典型問題進(jìn)行總結(jié)。

1.管板大面積鎳基堆焊

1號(hào)機(jī)組蒸汽發(fā)生器2塊管板在堆焊后進(jìn)行超聲波探傷的時(shí)候發(fā)現(xiàn)了大量的裂紋，裂紋深度已超過堆焊層厚度。

制造廠在確認(rèn)工藝執(zhí)行和控制滿足規(guī)程要求后，通過與在制的其他項(xiàng)目管板（且沒有焊接缺陷）制造工藝參數(shù)比較（見表1），發(fā)現(xiàn)相當(dāng)重要的參數(shù)差別是管板的厚度與直徑差異（AP1000管板較WattsBarR SG厚度增加了43%，直徑增加了21%），這個(gè)尺寸效應(yīng)限制了管板焊接后的微變形（如表1，焊接后撓度為接近0mm），應(yīng)力無法釋放，使得內(nèi)部的殘余應(yīng)力增大，在第2塊管板隨機(jī)取7處進(jìn)行了殘余應(yīng)力分析，數(shù)據(jù)表明殘余應(yīng)力在22.4～34.8ksi，為管板材料抗拉強(qiáng)度（90～115ksi）的三分之一左右。另外，1號(hào)機(jī)組的蒸汽發(fā)生器管板使用的單真空熔煉工藝，氫含量偏高，接近該種材料的飽和氫含量。最終確認(rèn)是由于AP1000管板尺寸效應(yīng)造成的殘余應(yīng)力和氫含量偏高（母材氫含量偏高以及焊后擴(kuò)氫不夠）共同導(dǎo)致了氫致裂紋。

表1　AP1000管板與工廠在制的其他管板制造工藝參數(shù)比較

在返修工藝中，管板鎳基第二層堆焊后在后熱的基礎(chǔ)上增加了一次焊后熱處理。返修后無損探傷未發(fā)現(xiàn)裂紋。

2.管板鉆孔

超厚的管板不但給一次側(cè)鎳基堆焊帶來了很大的挑戰(zhàn)，對(duì)于管板的鉆孔也帶來不小的困難。表2列出了AP1000管板與秦山二期、大亞灣機(jī)組（M310機(jī)組）蒸發(fā)器管板鉆孔制造工藝參數(shù)對(duì)比。

表2　AP1000管板鉆孔制造工藝參數(shù)與其他項(xiàng)目比較

2號(hào)機(jī)組蒸發(fā)器B（以下簡稱SG2B）鉆孔過程中檢查發(fā)現(xiàn)二次側(cè)有3個(gè)孔鉆偏，受其影響共6個(gè)孔間距（孔橋）不滿足設(shè)計(jì)要求。制造廠按照設(shè)計(jì)方的結(jié)構(gòu)分析方法進(jìn)行了復(fù)核，按照堵管的方案進(jìn)行了傳熱管穿管、脹管以及堵管的模擬試驗(yàn)。經(jīng)評(píng)估，設(shè)計(jì)方批準(zhǔn)按照3個(gè)鉆偏的孔穿管后堵管的方案，也得到了核安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)的審查通過。

制造廠檢查發(fā)現(xiàn)，鉆孔機(jī)床（5軸）的其中一個(gè)鉆頭的軸套密封圈破損，分析認(rèn)為鉆孔過程中鉆頭軸套移動(dòng)時(shí)有鐵屑落入其中，導(dǎo)致軸套端部破損，進(jìn)而導(dǎo)致無法卡緊鉆頭桿，最終產(chǎn)生了鉆孔尺寸偏移。制造廠認(rèn)為考慮到AP1000機(jī)組蒸發(fā)器管板厚度以及損壞軸套表面狀況，其按照常規(guī)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的每5000個(gè)孔（5軸，即1000次行程）更換鉆頭軸套的要求不夠保守。

因此制造廠提出了糾正行動(dòng)措施：操作人員在鉆孔時(shí)檢查鉆頭軸套處漏油量；將鉆頭軸套的使用壽命從每5000個(gè)孔一換降至每3000個(gè)孔一換，以減少工具表面磨損并避免軸套破損情況再次發(fā)生；每次換鉆頭時(shí)對(duì)鉆頭軸套進(jìn)行目視檢查并清除其中鐵屑；在軸套筒管內(nèi)增加一套噴氣裝置，盡可能減少鐵屑落入卡入其中。此后制造廠在該塊蒸發(fā)器管板后續(xù)鉆孔及第2臺(tái)蒸發(fā)器管板鉆孔過程中，均未發(fā)生類似問題。

3.主泵泵殼的焊接及焊縫檢測(cè)

AP1000的蒸發(fā)器直接在出口接管焊接主泵泵殼，省去了主管道過渡段，減小了環(huán)路壓降。這是一個(gè)新的設(shè)計(jì)。而其他的壓水堆核電站都是通過主管道過渡段將蒸發(fā)器與主泵連接起來，在核電安裝現(xiàn)場(chǎng)焊接。

AP1000主泵泵殼材料為SA-351CF8A，奧氏體不銹鋼鑄件，水室封頭材料為SA508Gr3Cl2，低合金鋼鍛件。焊縫屬異種金屬焊接，因此為提高焊縫成型性能，在蒸發(fā)器出口接管端部鎳基焊材(ER NiCrFe-7)預(yù)堆邊，泵殼端部堆焊一層309不銹鋼。該條焊縫的焊接技術(shù)是蒸發(fā)器制造過程中最難的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)之一。主泵泵殼與蒸汽發(fā)生器的焊縫屬承壓邊界焊縫，按照ASMEIII卷需要進(jìn)行水壓試驗(yàn)檢驗(yàn)。三門核電監(jiān)造人員在審查制造廠提交的質(zhì)量計(jì)劃時(shí)，發(fā)現(xiàn)該焊縫只有滲透檢測(cè)（PT）和射線檢測(cè)（R T）工序，缺少水壓試驗(yàn)程序以及后續(xù)在核電廠役前檢查過程需要執(zhí)行超聲波檢測(cè)（UT）工序。設(shè)計(jì)規(guī)范書和圖紙規(guī)定該焊縫的水壓試驗(yàn)可以用現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)回路冷態(tài)水壓試驗(yàn)代替。

考慮到主泵泵殼開口（與主泵電機(jī)連接開口以及冷卻劑出口管嘴兩處）較大，水壓試驗(yàn)封堵比較困難，而且將主泵泵殼與蒸發(fā)器作為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行一回路側(cè)水壓試驗(yàn)以前都沒有經(jīng)驗(yàn)；該條焊縫的設(shè)計(jì)為新型設(shè)計(jì)，全世界尚無參考電站。三門核電經(jīng)過評(píng)估，決策接受該條焊縫水壓試驗(yàn)用系統(tǒng)回路水壓試驗(yàn)代替，但制造過程中增加UT，即該焊縫在車間需進(jìn)行UT、PT、R T。

三、案例經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和核電運(yùn)營業(yè)主管理和監(jiān)造應(yīng)對(duì)措施

1.優(yōu)化設(shè)備供應(yīng)鏈，確保業(yè)績卓越的供應(yīng)商承制關(guān)鍵設(shè)備

三門核電1號(hào)機(jī)組是世界首臺(tái)AP1000機(jī)組，三門核電2號(hào)機(jī)組是設(shè)備國產(chǎn)化首臺(tái)機(jī)組，由于三代核電AP1000機(jī)組采取了革新型的設(shè)計(jì)改進(jìn)，大大增加了關(guān)鍵設(shè)備開發(fā)、制造的難度。目前國內(nèi)各大設(shè)備廠也在解決各種困難和問題的過程中，鍛煉了一批精干的技術(shù)人員隊(duì)伍，建立和開發(fā)了一整套經(jīng)過實(shí)際考驗(yàn)的制造規(guī)程和工裝，形成了具有承接世界最前沿的核電設(shè)備制造技術(shù)和質(zhì)量管理體系，為后續(xù)核電大發(fā)展，核電設(shè)備供應(yīng)商走向世界承攬訂單夯實(shí)基礎(chǔ)，也為國際客戶選擇核設(shè)備中國制造樹立了信心。后續(xù)機(jī)組建造應(yīng)優(yōu)先考慮這些業(yè)績優(yōu)異的制造廠承制關(guān)鍵設(shè)備，這將為核電廠設(shè)備質(zhì)量提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.制造廠須做好充分的技術(shù)準(zhǔn)備

制造廠在進(jìn)行工藝方案準(zhǔn)備時(shí)，謹(jǐn)慎對(duì)待新設(shè)計(jì)跟已有制造經(jīng)驗(yàn)的不同之處，從人員、制造設(shè)備、原材料、規(guī)程、環(huán)境、檢測(cè)各個(gè)角度管控可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。如三門核電2號(hào)機(jī)組管板鉆孔問題從發(fā)生到評(píng)審、返修合格共用了11個(gè)月，嚴(yán)重影響了設(shè)備最終交貨時(shí)間。

因此，對(duì)于設(shè)備的關(guān)鍵工序，在進(jìn)行工藝評(píng)定試驗(yàn)之后，充分、合理的模擬試驗(yàn)考核制造方案的可靠性和穩(wěn)定性，對(duì)降低制造風(fēng)險(xiǎn)非常必要。產(chǎn)品制造過程中，做好工前技術(shù)交底會(huì)，各方質(zhì)量監(jiān)督人員也參加，確保工藝實(shí)施要求得到準(zhǔn)確無誤的理解；關(guān)鍵工序制造前，要求每班次實(shí)際制造前先進(jìn)行一兩次模擬試驗(yàn)，確保工人技能和工器具的穩(wěn)定性。通過這些措施，有效保證關(guān)鍵工序的制造質(zhì)量。

3.重視設(shè)備在工廠的預(yù)役前檢測(cè)

按照ASME規(guī)范來說，一般制造過程中體積檢測(cè)使用射線檢測(cè)是強(qiáng)制的，超聲波檢測(cè)是可選的，而對(duì)反應(yīng)堆役前和在役檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)來說，體積檢測(cè)通常使用超聲波檢測(cè)。由于兩種檢測(cè)方法對(duì)缺陷的敏感性不同，往往會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生分歧。而且制造過程中超聲波檢測(cè)遵循的是ASMEIII卷要求，役前和在役檢測(cè)遵循ASMEX I卷要求，檢測(cè)的方法和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)有不同之處。目前國內(nèi)核電站建設(shè)過程中多次出現(xiàn)這樣的案例，在制造廠車間檢測(cè)合格的，在核電站現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行役前檢測(cè)發(fā)現(xiàn)相關(guān)顯示，由于屆時(shí)已經(jīng)在核電站調(diào)試、商運(yùn)的關(guān)鍵路徑上，時(shí)間緊，環(huán)境工況復(fù)雜，往往比在車間處理花費(fèi)幾倍的人力、物力，給核電站業(yè)主造成巨大的工期和經(jīng)濟(jì)損失。

因此，三門核電業(yè)主要求1號(hào)機(jī)組蒸發(fā)器與泵殼焊縫必須進(jìn)行超聲波檢測(cè)，檢測(cè)規(guī)程中綜合考慮役前檢測(cè)的要求。對(duì)于其他需要役前檢測(cè)的焊縫，都安排在設(shè)備水壓試驗(yàn)后結(jié)合役前檢測(cè)的要求進(jìn)行超聲波檢測(cè)，甚至邀請(qǐng)后續(xù)役前檢測(cè)單位直接到制造廠進(jìn)行預(yù)先檢測(cè)，起到了良好的效果。

4.加強(qiáng)監(jiān)造，建立有效的質(zhì)量監(jiān)督體系

核電廠業(yè)主是核安全的最終承擔(dān)者。在通過總承包合同委托核電工程公司進(jìn)行設(shè)備采購和質(zhì)量監(jiān)督的基礎(chǔ)上，三門核電也建立了高效精干的監(jiān)造體系來保證設(shè)備質(zhì)量。

（1）開發(fā)專用監(jiān)督導(dǎo)則

在項(xiàng)目實(shí)施前期，就根據(jù)ASME規(guī)范建立了各種工藝的監(jiān)督導(dǎo)則，如無損檢驗(yàn)、焊接、水壓試驗(yàn)等，解析各種工藝過程，識(shí)別出需要關(guān)注的關(guān)鍵步驟及影響因素，建立活動(dòng)檢查記錄表。監(jiān)造人員在見證監(jiān)督相關(guān)工序前，必須先熟悉圖紙和規(guī)范書要求，按照導(dǎo)則要求事先在活動(dòng)記錄表中填寫工序執(zhí)行的具體標(biāo)準(zhǔn)和要求，在執(zhí)行見證監(jiān)督時(shí)，填寫相應(yīng)記錄結(jié)果。該方法標(biāo)準(zhǔn)化了監(jiān)造依據(jù)，保證了業(yè)主監(jiān)造人員的監(jiān)督質(zhì)量。

（2）關(guān)鍵設(shè)備固定監(jiān)造人員，定期評(píng)估監(jiān)造效能

反應(yīng)堆蒸發(fā)器的制造過程是長周期的，從原材料制造到設(shè)備出廠往往需要至少三、四年的時(shí)間；設(shè)備制造技術(shù)要求高，涉及的技術(shù)文件繁多。為了保證監(jiān)造效果，業(yè)主應(yīng)固定一兩位監(jiān)造人員，執(zhí)行A/B角制度，全程跟蹤，歸口管理所有相關(guān)的文件、問題處理，專業(yè)化監(jiān)造。同時(shí)本部監(jiān)造管理部門應(yīng)定期對(duì)監(jiān)造駐點(diǎn)進(jìn)行效能考核，針對(duì)考核情況及時(shí)調(diào)整，確保監(jiān)造質(zhì)量。

（3）重大問題引進(jìn)專家支持，快速?zèng)Q策處理

由于安全級(jí)別高，評(píng)估和處理時(shí)間長，核電主設(shè)備出現(xiàn)問題第一時(shí)間確定發(fā)生原因和準(zhǔn)備可行的處理方案對(duì)保證設(shè)備整體交貨期非常重要。業(yè)主作為核安全責(zé)任的最終承擔(dān)者，核設(shè)備的可靠質(zhì)量是核安全最重要的保障措施之一。因此在設(shè)備發(fā)生重大問題時(shí)，核電廠不僅組織廠內(nèi)各專業(yè)專家組成工作組快速評(píng)估響應(yīng)，也邀請(qǐng)國內(nèi)頂尖的專家團(tuán)隊(duì)參與工作組評(píng)估和決策。實(shí)踐證明起到很好的效果。

四、結(jié)語

通過對(duì)AP1000蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和制造難點(diǎn)分析，結(jié)合制造過程中發(fā)生的具體案例，總結(jié)三門核電1、2號(hào)機(jī)組蒸發(fā)器的制造過程積累的經(jīng)驗(yàn)，提出了一些經(jīng)驗(yàn)反饋和管理應(yīng)對(duì)措施。

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中圖分類號(hào)：TL35

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-0711（2016）01-0047-04

收稿日期：（2015-12-08）