華龍一號主管道60年壽命設(shè)計技術(shù)研究

劉向紅 陶舒暢 黃均麟 蔡志云 趙 禹

（中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，四川 成都610213）

0 引言

在核電廠中，主管道連接反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器和反應(yīng)堆冷卻劑泵（簡稱主泵），形成重要的一回路壓力邊界，為反應(yīng)堆冷卻劑提供循環(huán)通道，防止放射性物質(zhì)外漏，承受高溫、高壓和高強放射性，在各種工況下都應(yīng)保證其壓力邊界的完整性，是關(guān)系到反應(yīng)堆安全運行的關(guān)鍵部件，屬于核安全一級設(shè)備[1]。

本文對華龍一號主管道60年壽命設(shè)計技術(shù)進行研究，通過研究發(fā)現(xiàn)，采取一定技術(shù)措施后，主管道提高到60年是可行的。通過本文的研究，為主管道設(shè)計制造技術(shù)的提升、經(jīng)濟性的提高具有借鑒意義。

1 主管道設(shè)計（60年壽命）技術(shù)可行性研究

通過調(diào)研和分析國內(nèi)、外第三代核電站主管道60年壽命設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，同時，廣泛調(diào)研國內(nèi)外對主管道60年設(shè)計壽命的研究成果及應(yīng)用實例[2]，重點研究第三代核電站的主管道設(shè)計特點，對華龍一號鍛造主管道（60年壽命）設(shè)計和制造技術(shù)進行研究，確定設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

本文調(diào)研了國內(nèi)外主管道采用鍛件的情況，分析了主管道鍛件設(shè)計和制造采用ASME標(biāo)準(zhǔn)和RCC-M標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)、缺點，并結(jié)合多專業(yè)分析了華龍一號采用ASME標(biāo)準(zhǔn)或RCC-M標(biāo)準(zhǔn)進行主管道鍛件的設(shè)計和選材造成的影響。

根據(jù)初步分析，考慮到華龍一號總體設(shè)計采用法國RCC系列標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)長期以來具有大量的核電站主管道設(shè)計經(jīng)驗（現(xiàn)國內(nèi)以RCC-M為主），因此，華龍一號采用RCC-M標(biāo)準(zhǔn)進行主管道鍛件的設(shè)計。

2 主管道6 0年壽命設(shè)計技術(shù)研究

2.1 材料選擇

由于鍛件比鑄件晶粒度小且均勻，使同材質(zhì)的不銹鋼鍛件比鑄件有更好的抗腐蝕和抗疲勞性能。華龍一號主管道設(shè)計中采用鍛件，材料選擇有三種：RCC-M M3321的材料X2CrNiMo18-12（控氮）、X2CrNi19-10（控氮）和ASMESA-376中的材料TP316LN。根據(jù)主管道設(shè)計要求，對三種材料進行了對比分析論證[3]。

三種材料在成分上主要表現(xiàn)在C、N、Mo元素的差別上，在組織上鐵素體含量不同，從而導(dǎo)致鋼錠的鍛造性能存在差異。鍛造主管道所用鋼錠重量較大，而且不銹鋼的高溫抗力較高，所以鍛造性能的優(yōu)劣是決定材料選擇的主要標(biāo)準(zhǔn)之一。

2.1.1 X2CrNi19-10（控氮）

組織：固溶處理后鐵素體含量δ為10%~15%，鍛造時δ達到20%~27%，鍛造性能惡化。

優(yōu)點：焊接性能好

對大鍛件的適應(yīng)性：傳統(tǒng)觀念，要求鍛件中保留4%~12%的鐵素體，以其細化鍛造組織及改善焊接性能，并將鐵素體控制量納入了技術(shù)規(guī)范。但如果室溫組織中含有4%~12%的鐵素體，則在高溫鍛造時鐵素體含量更多，導(dǎo)致鍛造困難。

2.1.2 X2CrNiMo18-12（控氮）

組織：固溶處理后為單一奧氏體組織，但鍛造時鐵素體含量δ增加，鍛造性能優(yōu)于前一種材料。

2.1.3 TP316LN

組織：固溶處理后為單一奧氏體組織，但該種材質(zhì)中Mo、N含量較高，提高了其高溫屈服強度，但需要提高加熱溫度，否則成型困難。

綜合以上分析過程，主管道材料選用RCCMM3321中的材料X2CrNiMo18-12（控氮）。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 取消車間預(yù)制環(huán)焊縫和大于4″接管嘴的焊縫

由于主管道的薄弱環(huán)節(jié)主要在焊縫，在華龍一號主管道結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，設(shè)計者考慮了主管道的布置和成型，取消車間預(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，實現(xiàn)了華龍一號主管道的一體化鍛造，減少了主管道在使用過程中的潛在風(fēng)險。

2.2.2 優(yōu)化了主管道熱段彎頭變徑設(shè)計

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，原M310主管道熱段從736.6 mm（反應(yīng)堆壓力容器側(cè)）變徑到787.4 mm（蒸汽發(fā)生器側(cè)），通過與反應(yīng)堆壓力容器、力學(xué)等專業(yè)的綜合研究和分析，華龍一號主管道熱段內(nèi)徑統(tǒng)一修改為787.4 mm，從而改善了主管道彎頭的應(yīng)力狀態(tài)，降低了制造難度。

2.2.3 主管道接管嘴的設(shè)計

在主管道設(shè)計過程中，針對主管道接管嘴的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，保證了主管道接管嘴的60年壽命設(shè)計。例如，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，有效地降低了熱沖擊對焊縫的疲勞影響。

2.2.4 采用三維設(shè)計技術(shù)，保證了主管道結(jié)構(gòu)設(shè)計和接口設(shè)計的合理性

主管道熱段連接反應(yīng)堆壓力容器出口與蒸汽發(fā)生器入口，壓力容器出口接管嘴與蒸汽發(fā)生器入口接管嘴位于不同的標(biāo)高，采用三維設(shè)計技術(shù)確定了主管道熱段的俯視同軸設(shè)計，使制造階段整個熱段可位于同一平面內(nèi)，后續(xù)施工階段也較便于組對。

主管道冷段連接主泵出口與反應(yīng)堆壓力容器入口，主泵出口與壓力容器入口接管嘴位于同一標(biāo)高，采用三維設(shè)計技術(shù)確定了主管道冷段的同平面設(shè)計；考慮到整個冷段并非同軸，利用三維設(shè)計開展了多次模擬并合理確定了冷段彎頭的位置與角度，即將彎頭（帶一段很短的直段）直接與反應(yīng)堆壓力容器入口連接，這樣就給冷段留出了最大直段長度，留給輔助系統(tǒng)接管嘴用。

主管道過渡段連接蒸汽發(fā)生器出口與主泵入口，設(shè)備接管嘴標(biāo)高不一致，且管道走向也不能同軸，通過三維設(shè)計，確定了過渡段底部直段與主泵入口彎頭局部俯視同軸，并將主回路施工的最后焊口及調(diào)整段預(yù)留在過渡段水平和垂直直段上。

主管道上設(shè)計有大量的輔助系統(tǒng)接管嘴（如安注接管嘴、余排接管嘴等）和主系統(tǒng)自身測量所需的儀表接管嘴（如溫度測量、流量測量、水位測量等），這些接口設(shè)計不僅要考慮主管道自身的結(jié)構(gòu)強度，還必須同時考慮接口物項的布置狀態(tài)。在三維設(shè)計系統(tǒng)中，充分開展了各接口信息的布置信息核實，從綜合布置設(shè)計角度保證了各接口設(shè)計是合理的。

2.3 焊接設(shè)計

為保證主管道現(xiàn)場焊接質(zhì)量以及減少焊接變形，盡量減少焊縫填充金屬，縮短安裝周期，設(shè)計者將主管道現(xiàn)場的焊接設(shè)計為窄間隙自動TIG焊。為此，需要設(shè)計特殊的焊接坡口型式，一方面能使焊縫坡口盡可能窄；另一方面又要適應(yīng)焊槍的填絲操作。同時，采用TIG焊的焊縫對熱老化不敏感，而材料不存在熱老化、疲勞等劣化機理又是LBB技術(shù)實施的先決條件之一，同時要滿足極限載荷方法進行LBB評估，因此，采用窄間隙TIG焊有利于LBB分析的實施。

2.4 制造工藝

華龍一號首次采用材料X2CrNiMo18—12（控氮）進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)，相對真空冶煉技術(shù)減少了鋼錠的重量，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，顯著縮短了制造周期和降低了主管道在役檢查的工作量，大幅降低了制造成本；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)場安裝提供了精確的尺寸保障。

3 結(jié)論

本文通過調(diào)研明確了主管道60年壽命設(shè)計是可行的，通過材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、焊接設(shè)計以及制造工藝的優(yōu)化，完成了60年設(shè)計壽命鍛造主管道的設(shè)計工作，解決了60年設(shè)計壽命鍛造主管道設(shè)計、制造等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了滿足60年設(shè)計壽命及規(guī)范要求的鍛造主管道設(shè)計、制造等技術(shù)指標(biāo)，為核電廠技術(shù)水平提高、經(jīng)濟性提升提供了有益借鑒。