華龍一號(hào)主管道設(shè)計(jì)及國內(nèi)外技術(shù)對(duì)比

劉向紅 陶舒暢 黃均麟 蔣 鴻 黃 燕

（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610213）

0 引言

目前，國內(nèi)在建和待批核電項(xiàng)目絕大部分采用百萬千瓦級(jí)壓水堆型，主管道作為其中的關(guān)鍵設(shè)備之一，自主化設(shè)計(jì)降低了設(shè)備采購和核電站建造成本，提高了工程建造效率，縮短了核電站建造周期，為核電站的及時(shí)發(fā)電提供了更好的保障[1]。目前，該自主設(shè)計(jì)成果已經(jīng)成功應(yīng)用于華龍一號(hào)福清5號(hào)、6號(hào)機(jī)組及巴基斯坦K2、K3項(xiàng)目。

本文論述了華龍一號(hào)主管道設(shè)計(jì)的主要思路，并對(duì)國內(nèi)外同類技術(shù)進(jìn)行總結(jié)對(duì)比，為核電站主管道設(shè)計(jì)、建造、安裝等提供借鑒。

1 華龍一號(hào)主管道設(shè)計(jì)思路

1.1 總體思路

通過開展主管道標(biāo)準(zhǔn)研究，對(duì)國內(nèi)外三代核電主管道設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)研和研究分析，確定華龍一號(hào)項(xiàng)目主管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；通過對(duì)本項(xiàng)目主管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析研究（包括LBB分析），確定主管道的設(shè)計(jì)和制造參數(shù)，包括結(jié)構(gòu)、材料、焊接等，分析論證主管道及接管嘴的應(yīng)力和60年壽命周期內(nèi)的疲勞性能等[2]。通過對(duì)主管道制造工藝研究，確定主管道穩(wěn)定的制造工藝，包括冶煉、鍛造、彎制、熱處理、無損檢測(cè)等；通過主管道母材和焊縫材料特殊力學(xué)性能研究等，獲得主管道LBB分析相關(guān)的材料性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)：分別對(duì)主管道材料和焊縫材料進(jìn)行試驗(yàn)以獲取JR曲線、真應(yīng)力—應(yīng)變曲線、疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線和設(shè)計(jì)疲勞曲線。

1.2 華龍一號(hào)主管道技術(shù)難點(diǎn)

相較于同類型高溫高壓條件下的鑄造主管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造，華龍一號(hào)鍛造主管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造難度更大，主要體現(xiàn)在[3]：（1）一體化鍛造成型：對(duì)主管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量優(yōu)化；（2）主管道L BB試驗(yàn)研究和分析；（3）適宜一體化鍛造工藝，合理的材料選擇，晶粒度控制、鍛造組織均勻性控制等，避免不銹鋼大鍛件在鍛造過程產(chǎn)生裂紋；（4）主管道彎管成型尺寸精度的控制；（5）超長主管道熱處理變形控制。

1.3 華龍一號(hào)主管道設(shè)計(jì)難點(diǎn)問題的解決

針對(duì)一體化主管道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主管道設(shè)計(jì)和制造過程中主要解決如下的技術(shù)問題：

（1）主管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)國內(nèi)外三代核電主管道60年壽命設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，確定華龍一號(hào)主管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）主管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析

根據(jù)主管道使用環(huán)境條件和設(shè)計(jì)運(yùn)行工況要求，初步提出主管道設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行分析論證研究，確定主管道的基本結(jié)構(gòu)。針對(duì)方案論證研究開展主管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括標(biāo)準(zhǔn)選取、材料選取、確定關(guān)鍵尺寸以及開展主管道力學(xué)評(píng)價(jià)等。

（3）主管道的制造工藝研究和評(píng)定件制造

根據(jù)前期摸索確定的制造工藝，完成主管道評(píng)定件的制造，且進(jìn)行了大量理化性能、常規(guī)力學(xué)性能檢測(cè)以及無損檢測(cè)。通過評(píng)定件的生產(chǎn)，掌握了華龍一號(hào)鍛造主管道整個(gè)生產(chǎn)流程中的所有關(guān)鍵技術(shù)，形成了一套成熟穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝。

（4）主管道LBB試驗(yàn)研究和分析

根據(jù)主管道的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，采用LBB分析技術(shù)，建立主管道及接管嘴力學(xué)分析模型，并根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)載荷開展力學(xué)分析和評(píng)價(jià)。

2 國內(nèi)外同類技術(shù)比較

2.1 材料設(shè)計(jì)

AP1000主管道由美國西屋進(jìn)行設(shè)計(jì)、材料為ASME第II卷SA-376中TP316LN，EPR主管道由法國法瑪通設(shè)計(jì)，主管道材料為RCC-M M3321中的X2CrNi19.10（控氮）。華龍一號(hào)鍛造主管道由中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院自主設(shè)計(jì)，材料采用RCC-M M3321中的X2CrNi Mo18.12（控氮），由煙臺(tái)臺(tái)?，斉瑺柡穗娫O(shè)備有限公司制造，力學(xué)性能對(duì)比情況見表1。通過表1對(duì)3種材料的對(duì)比可知，華龍一號(hào)主管道材料在鍛造和力學(xué)性能等方面都明顯優(yōu)于其他2種材料。

表1 力學(xué)性能對(duì)比表

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

與M310系相比，在華龍一號(hào)主管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，考慮了主管道的布置和成型，取消車間預(yù)制環(huán)焊縫和大于4″接管嘴的焊縫，減少了車間預(yù)制環(huán)焊縫（直管和彎頭之間）和大于4″接管嘴與主管道間的焊縫，由于主管道的薄弱環(huán)節(jié)主要在焊縫，主管道上焊縫的減少相應(yīng)地降低了主管道在使用過程中的潛在風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，由于焊縫的減少，電廠運(yùn)行期間也減少了相應(yīng)焊縫的在役檢查工作，為核電站的運(yùn)行節(jié)約了成本，也為整個(gè)在役檢查節(jié)約了時(shí)間。為了便于主管道的制造成型以及加工，在M310的基礎(chǔ)上取消主管道熱段變徑的要求，改善了彎頭的應(yīng)力狀態(tài)，有利于制造及加工，提高了設(shè)備使用壽命。在疲勞使用系數(shù)較大的焊縫部位，采用熱套管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效地降低了熱沖擊對(duì)焊縫的疲勞影響。

2.3 LBB分析

國內(nèi)首次采用LBB技術(shù)對(duì)主管道進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，與M310相比，LBB技術(shù)的應(yīng)用，可代替高能管道雙端剪切斷裂的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既確保了核反應(yīng)堆的安全，又可以省去一些不必要的設(shè)施，降低核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，節(jié)約建設(shè)費(fèi)用，同時(shí)還能降低在役檢查的難度，減少人員輻照劑量吸收等一系列好處。本項(xiàng)目開展了鍛造主管道母材和焊縫材料相關(guān)試驗(yàn)研究，為主管道的LBB設(shè)計(jì)分析提供了輸入數(shù)據(jù)。采用了LBB技術(shù)分析了華龍一號(hào)鍛造主管道的設(shè)計(jì)，達(dá)到了國際三代核電的技術(shù)要求。

2.4 制造工藝

華龍一號(hào)首次采用材料X2CrNiMo18.12（控氮）進(jìn)行主管道鍛件的制造，并開發(fā)了超純凈、成分均勻、材料利用率高的大型超低碳奧氏體不銹鋼冶煉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大型電渣重熔鋼錠的整體鍛造（包含≥4"接管嘴）的模壓整體成型技術(shù)，相對(duì)真空冶煉技術(shù)減輕了鋼錠的質(zhì)量；自主開發(fā)了高效內(nèi)孔套料加工技術(shù)，提高了加工效率和材料利用率，顯著地縮短了制造周期，降低了在役檢查的工作量，大幅度減低了制造成本；自主開發(fā)了彎制模具和主管道整體冷彎成型技術(shù)，彎制尺寸精度高，現(xiàn)已完成主管道彎制約百余件，合格率100%，為主管道現(xiàn)場(chǎng)安裝提供了精確的尺寸保障。

3 結(jié)語

綜上所述，華龍一號(hào)鍛造主管道的研制是在總結(jié)M310鑄造主管道生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分融合了三代核電主管道制造技術(shù)的先進(jìn)點(diǎn)。因此，華龍一號(hào)鍛造主管道具有對(duì)先進(jìn)及成熟技術(shù)的傳承性，研發(fā)的漸進(jìn)性以及對(duì)提高國產(chǎn)化水平的帶動(dòng)性等特征，華龍一號(hào)主管道制造屬于國內(nèi)首例，關(guān)鍵技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平，主管道主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際同類產(chǎn)品先進(jìn)水平，為我國自主設(shè)計(jì)的核電站主管道產(chǎn)業(yè)化提供了條件。