壓水堆核電廠ASME成品管段預制

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(1.中核二三秦山機械廠，浙江 海鹽 314300;2.晉能清潔能源科技股份公司，山西 晉中 030600;3.西安理工大學，陜西 西安 710048)

核電的特征是運行平穩(wěn)，持續(xù)提供綠色環(huán)保的高效電能。在選址、環(huán)境評價、社會公眾影響評價后，核電建設進入設計、設備制造、第三方監(jiān)理、建筑安裝、調試、試運行和運維管理階段。依據(jù)英國能源技術研究所《核能成本驅動因素》的數(shù)據(jù)，直接成本占投資總成本的33%。相對于火電、化工項目而言，核電建設周期長很多，如秦山一期，1983年6月1日破土動工，1991年12月15日零時15分首次并網(wǎng)發(fā)電，歷經(jīng)8年；秦山二期，1996年6月2日第一罐混凝土澆筑，1號機組，2002年2月并網(wǎng)發(fā)電，歷時7年；秦山核電廠一期擴建項目——方家山核電工程，2008年12月26日正式開工建設，2014年11月04日方家山核電工程1號機組成功并網(wǎng)發(fā)電，歷時5年。

核電建設運用成熟穩(wěn)定的技術，且經(jīng)質保監(jiān)督多次論證可行性，才被允許實施。安裝技術借鑒的成功經(jīng)驗在于預制，預制技術源于設備制造。秦山二期裝備國產(chǎn)化率55%，二期擴建77%，方家山國產(chǎn)化率達到80%以上。設備是成品，利于運輸與貯存。而核級管道，初始狀態(tài)是原材料管材、管件、閥門，預制的成品管段運輸、保管、貯存成本較高，常就近建廠預制，分類預制，結合土建工程進度、圖紙與建筑的符合性，以期達到較高的核電廠整體預制率95%。

1 預制標準體系

ASME標準第Ⅱ卷引用ASTM(American Society of Testing Materials)標準，ASME標準(見圖1)由11卷組成。與核電建設相關的卷冊是第Ⅱ卷材料A、C、D冊，第Ⅲ卷核動力裝置設備第1冊NB、NC、ND、NE、NF、NH分冊，第Ⅴ卷無損探傷，第Ⅸ卷焊接和釬焊評定，參照標準ASME Ⅷ。

圖1 ASME管段預制標準體系Fig.1 The standard system for ASME pipe segment prefabrication

從國外進口的材料，在按照ASME標準驗收的基礎上，還需要滿足我國HAF系列標準的要求，即性能指標不低于國家或行業(yè)標準。在秦山一期管道預制期間，從國外進口的優(yōu)質鋼材對我國金屬材料行業(yè)的發(fā)展具有重要意義，優(yōu)質低碳鋼、低合金鋼、不銹鋼得以廣泛應用，壓力容器落錘試驗等沖擊韌性指標獲得認可。

2 設計規(guī)范和圖紙會審

設計技術規(guī)范文件是管道預制的上游文件，由監(jiān)理組織建設單位、設計單位、設備供應商、建筑施工單位、安裝施工單位審核答疑。管道預制廠組織內部審核技術規(guī)范、圖紙，審核的依據(jù)文件是系列標準。

預制廠基礎審核要點如下：

1)技術文件中技術指標值的可行性，如水壓試驗ASMEB16.5規(guī)定1.5倍、1.25倍；設備與管道水壓試驗壓力不同，系統(tǒng)水壓試驗的措施；奧氏體不銹鋼超聲波檢測；晶粒度分級測量方法；管道與設備接口的水壓試驗替代檢測方法。水壓試驗與氣壓試驗的選擇。

2)管道與設備、閥門的連接方式；焊接連接、法蘭連接，管徑大小，材質。

3)系統(tǒng)圖的邏輯關系。

4)管道圖標高確定，復核設備接口標高、儀表管取樣點標高。

5)計算管道長度與標高距離的符合性。

6)根據(jù)管道標高值，計算管道敷設的傾斜度1‰。

7)根據(jù)管道標高值、土建房間尺寸，確定焊接困難位置及解決方案。

8)確定管道、支架材質、規(guī)格，確定業(yè)主調撥和自購的可行性。

9)根據(jù)管道、支架的材質、規(guī)格，確定焊接材料的型號規(guī)格，及采購的風險。

10)管材與管件標準尺寸核算。

預制廠基礎審核成果如下：

1)管道預制圖設計，包括自動焊接預制圖和二次預制手工焊接預制圖；

2)儀表小管現(xiàn)場布置圖設計；

3)管道及支架的預制方案及監(jiān)督檢查見證要點；

4)管道預制焊接施工方案；

5)非標制作與材料代用的可行性。

3 預制廠房布置

核電廠選址距10 萬人口以上的城鎮(zhèn)發(fā)展邊界應不小于10 km[1]，預制廠選擇在核電廠上風方向，不超過10 km，靠近核電應急主干道。

預制車間布置的總體要求是不同類別管道預制有獨立足夠的操作空間，相互之間協(xié)作便捷，檢查見證可達性好，見圖2。

圖2 預制廠房布置Fig.2 Layout of the prefabrication building

不銹鋼管道和碳鋼管道預制車間相互隔離，避免不銹鋼產(chǎn)生碳擴散污染，車間內有二級庫房，臨近原材料和成品管段堆場，配套有噴砂防腐車間、焊接工藝研發(fā)中心和職工培訓中心、計量室。

4 質量計劃管理

ASME的檢驗計劃，即質量計劃是核電建設的新文件，與傳統(tǒng)的工藝流轉單相比，缺少了工序具體要求，減少了一物一工序一單的繁雜流程，將工序集成在一份文件中，且以技術標準、技術規(guī)范、工作程序的形式代替具體工藝要求，增加外部人員監(jiān)督檢查見證簽字欄。

質量計劃是預制工作的紐帶，是操作人員、試驗檢測人員、質量檢查見證人員對工作質量認可的文字依據(jù)。管道預制工作利用好質量計劃，工作流程順暢，檢查見證及時，實體工作與文檔資料同步，做到工完料凈場地清。

管道預制以主質量計劃為依據(jù)，按系統(tǒng)編制質量計劃，按廠房房間內管段分成檢驗批。

焊接專業(yè)根據(jù)主質量計劃，按系統(tǒng)編制分質量計劃，按系統(tǒng)將管段焊縫按同焊接工藝、同焊工、同比例的三同原則和時間段形成檢驗批。

管道支架按圖紙統(tǒng)計型號，分類制作，分批檢驗。

質量計劃的基本內容有先決條件、預制焊接及檢驗工序、質量計劃關閉。質量計劃欄目設置有班組操作人員、預制廠之間人員、駐廠監(jiān)理人員、業(yè)主代表簽字欄，必要時可增加預制車間質檢員欄目。質保監(jiān)督人員對質量計劃實施過程中的偏差，及重點工序、關鍵工藝、核級部件的預制焊接實施有計劃的監(jiān)督。

5 管道預制材料管理

預制材料費用占總費用的70%以上。預制材料包括不銹鋼管道、碳鋼/低合金鋼管道、管件、焊接材料、鋼板、型材、法蘭、五金閥門、油漆等工程材料，依據(jù)物項貯存條件管理，且ASME材料的質量證明文件必須有ASME或ASTM標志、逐根水壓試驗結果。

管道、鋼板、型材、焊接材料按規(guī)定實施入場檢驗，化學成分、物理性能(包括沖擊韌性)指標不低于ASME標準或相應的國家標準，奧氏體不銹鋼應檢驗鐵素體含量。

不銹鋼和碳鋼管件、五金閥門、法蘭采用不同庫房存放；材料堆場的管道、鋼板、型材上有遮蓋，下有道木墊高，且不銹鋼和碳鋼分區(qū)域存放；焊材一二級庫房恒溫恒濕，焊材烘干房禁止人員隨意走動；油漆建立危險品庫房，通風防曬。

管道、管件、閥門兩端采用端蓋封堵，保證內部清潔。

氬氣、氧氣、乙炔，以及二氧化碳氣體設置在較偏位置的氣體倉庫；角向磨光機等施工用工具、周轉材料等的管理按工程材料管理模式慣例，驗收入庫，登記入賬，出入庫一物一單，賬務兩清，月報年報賬物兩平衡。

6 管道支架預制

管道支架質量對管道系統(tǒng)的抗腐蝕性能、抗震性能有著較為密切的聯(lián)系。按照管道支架樣本圖紙批量制作、檢驗，噴砂防腐后編號，入庫貯存待交貨。

支架材質是碳鋼，貯存期間避免生銹。不銹鋼管道和支架之間的不銹鋼隔離墊鐵，采用異種鋼焊接工藝，避免支架型材污染不銹鋼工藝管道，且墊鐵和型材邊緣的距離能滿足焊接尺寸要求。

防止管道膨脹位移的框架型支吊架，接觸管道下側的墊鐵，左右兩側靠近建筑墻面一側的兩塊墊鐵在預制廠完成，另外兩側在管段安裝現(xiàn)場完成。

吊架和墻面連接端，長度留有一定余量，用于現(xiàn)場裝配尺寸調整。

7 碳鋼管道預制

核級不銹鋼標識元素是低C、S、P百分比含量和清晰的晶界。

管道材料來自業(yè)主調撥，數(shù)量受限，采用機械方法切割，加工坡口，以節(jié)省原材料。

組對前，按質量計劃先決條件檢查預制圖紙、焊接工藝指導書、管道材料質量證明文件、焊材管理，以及規(guī)格尺寸。

管道下料的尺寸計算要精確，將加工余量、現(xiàn)場組對加工調整量、焊接收縮量考慮在內，確保成品管段尺寸符合加工圖紙要求。

碳鋼管道組對臺架穩(wěn)固，與待組對焊接的管道接觸良好，可用作電焊機接地夾的連接。待焊部件軸線對中偏差不超過1/16 in。組對點焊采用對稱四點定位焊，長度不少于10 mm，厚度不低于3 mm。在正式焊接前定位焊磨除，減少接頭焊，提高整體焊接質量。焊接完成后打磨焊縫表面紋路打磨，與母材圓滑過渡。

低合金鋼焊前預熱、層間保溫、過程消氫熱處理、焊后熱處理采用電控熱處理裝備。焊前預熱受限使用火焰加熱，避免加熱不勻，導致金相組織各異，硬度不一，在焊接或冷卻過程中產(chǎn)生微裂紋。依據(jù)技術文件有熱處理要求的焊縫，無損檢測在焊接/熱處理完成后24 h或48 h實施。

預制管段噴砂后，將管段兩端封堵，端口、焊縫及兩側20 mm范圍內采用粘膠帶封閉，然后防腐處理。

支管焊接接頭僅用于非承壓焊縫，且采用全焊透坡口型式(見圖3)。

圖3 支管全焊透焊縫Fig.3 Full penetration welding of branch pipe

8 不銹鋼管道預制

核級不銹鋼標識元素是Co[2]、B和δ鐵素體含量。

不銹鋼與碳鋼的區(qū)別是對清潔度要求較高，不銹鋼硬度低，且需防止被鐵素體材料接觸形成滲碳污染，可采取不銹鋼鋼搬運、支墊、切割、打磨和焊縫檢驗尺等專用措施，以及隔離碳鋼打磨產(chǎn)生的粉塵、浮銹。管道內部采用不起毛的白布擦拭和丙酮，保證內部清潔度。

不銹鋼管道組對支架，采用碳鋼支架上加裝不銹鋼薄板隔離層。不銹鋼管道焊接采用全氬、氬電聯(lián)合焊接工藝，內部充氬保護，采用測氧儀檢測氬氣排氣孔，氧濃度在1%范圍內即可施焊。根據(jù)焊接工藝指導書選擇偏小規(guī)范焊接。焊接完成后焊縫表面紋路打磨清理，與母材圓滑過渡，焊縫表面至少與母材表面齊平。不銹鋼晶粒較粗大，超聲波檢測幻象波與缺陷波形的波形混淆，難以區(qū)分。采用每三層實施一次液體滲透檢測的方式，達到厚壁管道焊接等同超聲波過程檢測的效果。

不銹鋼彎管預制的彎曲半徑不小于管徑的3倍，壁厚減薄≤80%t(t——管道公稱壁厚)。

預制完成的管段，外部采用防碰撞隔離物，保管在倉庫或專用堆場內。

9 閥門水壓試驗

管道系統(tǒng)的分流功能由三通等管件實現(xiàn)，截流或節(jié)流功能由閥門實現(xiàn)。在運維過程中，管段的維護，以閥門為界，阻斷介質流動。若閥門內漏，則需要采用液氮冰封閥門兩側，抽芯解體維修閥門。

閥門安裝前，需要實施水壓試驗檢驗閥體、閥芯的密封性。閥體水壓試驗在部分開啟狀態(tài)下實施；閥體水壓試驗后，完成閥門關閉水壓試驗，不小于閥門在38 ℃下額定壓力值的 110%；保壓時間至少1 min。

水壓試驗系統(tǒng)由試驗臺架、試壓泵、連接管道，密封裝置組成。

10 儲罐預制

核電廠內儲罐有去離子水儲罐、廢液儲罐。預制廠按照排版圖下料、開坡口、卷制、噴砂防腐后運輸?shù)浆F(xiàn)場。依據(jù)圖樣在鋼板上劃線，采用氣割方式下大樣，機械方式加工坡口。外表面油漆距離坡口邊緣100 mm。

罐的預制有四部分。1)罐頂預制。罐頂預制件呈扇形，相互間搭接;2)罐體預制。按罐直徑卷板成弧形，預制件左右兩側、下方有坡口，上方平直或≤5°;3)罐底預制。底部焊接采用帶墊板，預制件不加工坡口;4)附件預制。包括法蘭、接管、加強板等。

11 電儀管道預制

11.1 儀表

電流表、電壓表、傳感器、放大器、指示器和限位開關等電儀類儀表，溫度計、壓力表、液位計、文丘里管等管道內儀表，氣體探測器等核輻射儀表，振動、位移測量的機械式儀表，需實施安裝前檢定，可整體劃為兩類在線儀表和就地儀表。

11.2 儀表管

儀表管[3]預制有儀表管取樣管嘴與工藝管道的焊接、儀表管與閥門/管件/儀表接頭的焊接、儀表管膨脹彎預制、儀表管線路彎制和儀表管減震彈簧圈卷制。

管道上在線儀表的取樣管嘴分為現(xiàn)場開孔后焊接和預制廠預制，其材質與母管相同。取樣管后的截止閥的設計壓力和溫度與母管或容器的相同，施工現(xiàn)場工藝管道系統(tǒng)與儀表管水壓的分界線。在現(xiàn)場開孔，管道就位后取樣孔位置較好確定。然而，管道內部清潔度存在一定困難，需要經(jīng)驗豐富的管工精心操作，把好清潔度關口。在預制廠，管道開孔后內部可以清潔、檢查，確保清潔度。

11.3 電纜配管

國標YB/T 5305中的線纜套管的鍍鋅層難以滿足核電廠40～60年壽期要求，一般采用熱浸鋅管代用。

電纜配管預制主要工作量是彎管和端口螺紋加工與保護。電纜管彎曲半徑不超過線纜轉彎半徑的最低要求(10～30倍電纜直徑)，彎曲內側無皺褶，且經(jīng)電纜彎管工藝評定合格。

12 管道自動焊接

核電廠管道布局緊湊，為提高整體抗震性能，管道離墻壁樓板比較近，手工焊接尚有少量的困難位置焊口，如房間內墻角拐角處的焊縫，三面墻體，缺少站位空間，只能在管段預制圖中，合理設計避開困難位置。

核電焊接手工焊為主。為確保焊接質量，核電焊接工人從事大量的培訓工作，且從支架焊接、碳鋼儀表管氬弧焊接、碳鋼管道焊接、不銹鋼儀表管焊接、不銹鋼管道焊接逐步考核培養(yǎng)。手工焊接質量穩(wěn)定可靠，成型美觀，且靈活機動，適宜核電現(xiàn)場狹小空間作業(yè)。

核電管道預制量較大，管段保守預制率在55%以上。在批量作業(yè)方面，自動焊有較大優(yōu)勢。

碳鋼管道自動焊接工序是管道切割下料、坡口加工，傳輸至管件定位、對稱點焊組對、自動焊接及熱處理(若有)，以及相應的無損檢測后或二次預制或運輸至噴砂防腐車間，防腐完成后運輸至碳鋼管段堆場或施工現(xiàn)場。

不銹鋼管道自動焊接工藝是不銹鋼管道切割下料、坡口加工，傳輸至管件定位、內部充氬、對稱點焊組對、自動焊接，無損檢測完成，密封管段后或二次預制或倒運到不銹鋼預制管段堆場或運輸至施工現(xiàn)場。

管道自動焊接，可采用管道旋轉的平焊位置，對工裝平衡性要求較高，焊接質量穩(wěn)定；也可以采用管道固定的全位置，對焊接工藝質量穩(wěn)定性要求較高。

13 主管道預制

主管道是核電廠壓力邊界之一的核一級裝備，是管道預制中唯一需要計算焊接收縮量的工作任務。國內首次埋弧焊預制主管道是中核二三公司原第三工程公司加工廠，帶動了國內主管道制造產(chǎn)業(yè)。

國內CNP300壓水堆首堆核電廠，國產(chǎn)化二代核電CNP650[4]、新型三代核電“華龍一號”，以及出口到巴基斯坦的CNP300堆型，主管道采用鑄造不銹鋼管段、管件預制，由熱段、冷段和過渡段組成。熱段連接壓力容器和蒸汽發(fā)生器，冷段連接主泵和壓力容器，過渡段連接蒸汽發(fā)生器和主泵。

主管道預制難點是熱段與蒸汽發(fā)生器熱端的連接面，傾斜于熱段軸線，要保證焊縫收縮量近10 mm條件下，能滿足現(xiàn)場組對焊接要求。采用埋弧焊半自動焊預制焊接的難點在于彎頭轉動的平衡性控制平臺的制作，重點在于挖眼三通組對焊接熔敷金屬質量控制。

14 焊接工藝研發(fā)

焊接工藝的基本原則是焊接環(huán)境、焊工資格項目、焊接技術規(guī)范符合ASME第Ⅸ卷。焊接工藝的基本目標是熔敷金屬抗拉強度不低于母材的最小抗拉強度，化學成分與母材主要合金元素的化學成分相類同。核電廠建設運用可再現(xiàn)穩(wěn)定質量的工藝，作為高科技建造安裝企業(yè)，必須有現(xiàn)場困難位置焊接的實操培訓、新材料焊接工藝研究、焊接新方法研發(fā)的基本能力。

秦山一期工程，核島廠房環(huán)吊牛腿焊接出現(xiàn)裂紋，曾質疑牛腿預制焊接質量，經(jīng)多方調研、金相檢查，確定根本原因是鋼材層狀撕裂。

秦山一期國產(chǎn)不銹鋼晶界略微有些雜質，焊后易在承受較大壓產(chǎn)生熱裂紋，需采用焊口內外壁打磨清理、偏小線能量快速焊，趨向于運用焊條的冶金技術，確保焊接質量。相對于日本進口的晶界純凈的奧氏體不銹鋼管件，采用全氬弧焊，質量穩(wěn)定可靠。給國內鋼鐵企業(yè)研發(fā)焊接性能優(yōu)異的晶界潔凈的不銹鋼提供了示例。

馬氏體不銹鋼因焊接冷裂紋，在核電站運用較少，僅在預埋件中應用。焊接方法是焊條電弧焊，焊前預熱、層間溫度控制、焊后熱處理工藝，以確保焊接質量。

核電設備功率較大，抗震性能要求較高，動設備的鑄鐵(ASTM A48)基礎較大，而設備廠房空間較小，在工藝管道、電氣設備、風管等工藝設備占據(jù)絕大部分空間后，還需保留運維檢修通道。根據(jù)圖紙坐標，儀表管碳鋼支架必須安裝在鑄鐵支座上，且焊后不具備熱處理條件。焊接措施是選擇塑性優(yōu)良的焊條，預熱、層間敲擊熔敷金屬、嚴格控制層間溫度、焊后即采用保溫棉緩冷措施，且全過程不允許采用電動砂輪打磨清理。焊后24 h、48 h液體滲透檢測，表面無裂紋即合格完成。

在秦山一期主管道大厚壁奧氏體不銹鋼焊接工藝研發(fā)過程中，為確保焊接質量，記錄熔敷金屬的發(fā)展變化，考慮采用射線檢測每一層熔敷金屬的質量，后因涉及安裝焊接階段的可行性，在設計文件5%、15%、50%、100%厚度階段實施射線檢測的基礎上，采用每三層液體滲透代替層間射線檢測工藝。

15 風管預制

風管安裝是在工藝設備、工藝管道安裝完成后實施，施工作業(yè)窗口時間較短。工程前期風機和風管閥門選型配置、風管預制量較大，倉儲空間需求大。軸流式風機和閥門經(jīng)過試驗平臺檢驗，開啟次數(shù)達標，運行可靠。

風管的板材有不銹鋼薄板、鍍鋅薄板、低碳鋼薄板。1.2 mm以上的低碳鋼板和1.0 mm以上的不銹鋼鋼板采用焊接，其余采用咬口連接。風管焊接采用手工CO2氣體保護焊。法蘭采用鋼板加工后焊接制作，法蘭螺栓孔和風機、閥門的孔對應。

最后均采用噴砂防腐。

16 預制物項保管與運輸

預制材料中型材、鋼板、鋼管在堆場碼垛，采用吊裝方式裝卸貨物；儀表、管件、法蘭、五金件等在倉庫內儲存。焊接材料設置有兩級庫房，一級庫房儲存焊材，二級庫房儲存1周用量的焊材及烘干發(fā)放。

成品管段在堆場儲存，防碰撞保護措施和管帽封堵完好，支墊道木相距不超過1.5 m，采用防雨布覆蓋保護。堆場分區(qū)編號，利于成品管段定位。領料申請?zhí)崆?4 h報送，待發(fā)運物項臨時集中倒運到發(fā)運區(qū)。

17 交工文件管理

按照質保文件永久性記錄和非永久性的規(guī)定，交工文件按照ASME NCA-4134.17-1表式的最低要求[5]：1全壽命期記錄索引、2規(guī)范數(shù)據(jù)報告、3設計任務書、4設計輸出文件、5設計報告、7監(jiān)造技術條件、8竣工圖紙、9鑒定材料試驗報告、11熱處理記錄、12驗收試驗報告、14液壓試驗報告、15無損檢測報告、16返修補焊記錄、17焊接工藝規(guī)程、18建造記錄。核三級部件僅提供1、2、3、4、8、9、15、16項文件。

非永久性記錄符合ASME NCA-4134.17-2的規(guī)定，預制單位保存10年。

18 核電建設低谷期預制轉型

核電廠建設有周期性，在核電建設的低谷期，預制廠有優(yōu)勢轉型生產(chǎn)風電塔架筒節(jié)，按照核電的管理模式和工序，實施質量計劃管理，達到“建設過程中在保證質量的基礎上，確保不發(fā)生安全環(huán)保事故[6]”安全目標，以破解新能源風力發(fā)電廠倒塔難題或從根本上避免塔架因素所致風電倒塔事故。

存在的問題是核電建設重啟時質保評審難度增大，常規(guī)做法是擴建專用風電塔筒車間，采取人員流動、場地中轉、車間固定、設備專用的策略，平緩過渡核級預制與民用市場競標制造之間的轉型生產(chǎn)，充分利用非核市場保留、培養(yǎng)、鍛煉核電建設專業(yè)人才和更新?lián)Q代核電建設裝備。

19 結束語

預制廠建設與核電廠場平同步，合理布局預制車間分布，利于工序間配合協(xié)作，促進預制工作達到事半功倍的效果。碳鋼、低合金鋼管道預制分開，保證成品的清潔度；碳鋼和不銹鋼的自動焊生產(chǎn)線車間臨近碳鋼、不銹鋼預制車間，起到延長自動生產(chǎn)線的功能。主管道預制依托焊接工藝研發(fā)中心。風管預制空間包括的成品、半成品的貯存場所，是最大的預制車間。

預制廠最大的特點是敞亮、靜音、半成品流轉通暢，表征是原材料堆場、成品管段堆場大，體現(xiàn)在原材料入場是源頭，經(jīng)驗豐富的持證作業(yè)人員是動力，預制作業(yè)工廠化的基礎是自動化裝備。

擴大預制廠占地面積，深化設計，提高預制率，細化大綱程序，加強預制管理，是保證核島建安周期5年目標的良好實踐。