压水堆核电厂主管道静态铸造质量控制措施的研究

江振标，刘志诚，李冠英

（1.福清核电有限公司，福建 福州 350318；2.四川三洲川化机核能设备制造有限公司，四川 成都 610302）

压水堆核电厂主管道静态铸造质量控制措施的研究

江振标1，刘志诚2，李冠英1

（1.福清核电有限公司，福建 福州 350318；2.四川三洲川化机核能设备制造有限公司，四川 成都 610302）

文章分析确定了影响压水堆核电厂M310堆型主管道弯头静态铸造质量的主要原因。从加强对原材料的精选、检验，改进砂型制作工艺和浇注工艺，提高人员精益管理水平，减少人因失误3个方面制定了质量控制措施，福清1、2号机组主管道静态铸造弯头的铸造缺陷均下降到只有实施前项目缺陷总数的50%以下，静态铸造的质量得到有效提高，节省了处理缺陷的成本，也赢得了产品交付进度。制定的质量控制措施对核电主管道设备的铸造工艺改进有良好的借鉴意义，也为进一步研究主管道静态铸造质量控制措施积累了宝贵的经验。

主管道；静态铸造；铸造缺陷；工艺；质量控制

压水堆核电厂的主管道连接反应堆一回路系统中主泵、压力容器与蒸汽发生器，为反应堆冷却剂提供循环通道，构成了反应堆冷却剂压力边界，是反应堆安全稳定运行的关键部件。核电厂主管道是核安全1级，QA1级重要设备，设计压力为17.13 MPa，设计温度为343 ℃，材料选用Z3CN20-09M（直管、弯头、斜插管）和Z2CND18-12控氮（锻件接管），设计寿命40年。由于核电厂主管道长期处于高温、高压、高辐射的特殊工作状态，对主管道设备制造过程的质量控制显得至关重要[1-3]。

福清核电厂1、2号机组采用M310压水堆型，每台机组主管道设备分3个环路，每个环路由热段、40°弯头、过渡段、泵入口段和冷段5个组件组成，各组件中的直管段采用离心铸造，弯头采用静态铸造。主管道弯头静态铸造主要过程包括铸造原料选配、砂模制作、炼钢与静态浇注。

1 主管道弯头静态铸造质量问题

主管道静态铸造的质量问题主要包括无损检测检查出的内部铸造缺陷和铸件的机械性能不合格。由于主管道的材料选用牌号为Z3CN20-09M的奥氏体-铁素体双相不锈钢，其兼具不锈钢良好的冲击韧性，也具备较高的强度，机械性能方面能够满足RCC-M规范要求，很少出现机械性能不合格质量问题，所以文章着重讨论静态铸造过程中的内部铸造缺陷造成的质量问题。

静态铸造工艺的局限性和特殊性导致主管道铸造弯头可能存在较多的冲砂、缩孔、疏松类缺陷（铸造缺陷）。如表1所示，由福清核电主管道项目制造厂承制的已交货项目一的铸造缺陷达到58处，项目二的铸造缺陷更是达到94处。这些缺陷的处理不仅需花费大量的人力、焊补材料和返工时间，存在质量风险，而且严重影响主管道设备的交货进度。基于以上原因，文章通过分析主管道弯头静态铸造缺陷的形成原因，进而制定有效的改进措施，并将改进措施实施于生产，使主管道铸造弯头的缺陷减少，质量有效提高。

表1 国内某核电厂两台机组主管道弯头铸造缺陷统计表Table 1 Casting defects of the primary pipe elbows of two nuclear power plants in China

2 主管道静态铸造质量的影响因素分析

主管道静态铸造工艺复杂，造成弯头铸造缺陷的原因有很多，铸造过程中的任何一道工序、任何一种参数控制不严格都有可能造成缺陷。下面从人、机、料、法、环等多个方面分析影响主管道静态铸造质量的各种因素。影响主管道静态铸造质量的各种因素如图1所示。

经分析确认，得出影响主管道静态铸造质量的主要因素如下：

（1）原材料的选择与配制

图1 主管道静态铸造质量影响因素分析图Fig.1 Analysis on quality influencing factors of primary pipe static casting

1）主要原材料的选配

主管道弯头静态铸造的主要原材料包括炼钢材料的选配，以及型砂材料的选配。

根据RCCM标准，主管道弯头材料选用具有良好耐晶间腐蚀性能的奥氏体-铁素体双相不锈钢，材料牌号为Z3CN20-09M（法国），主要原材料化学成分要求如表2所示。

选择好的钢铁材料以及按照化学成分要求准确添加高纯度的合金材料，有利于得到化学成分合格的钢水，减少钢水自带的杂质，从而降低铸造缺陷。

型砂材料包括石英砂、水玻璃、二氧化碳等。型砂配料中的石英砂粒度、水玻璃密度、型（芯）砂的水分、湿压强度、透气性等均会影响铸造质量，控制不当容易造成冲砂类铸造缺陷。

2）辅助材料的选配

主管道弯头静态铸造的辅助材料包括耐火材料、冒口、涂料等。

铸造砂模浇包内衬有耐火材料——浇包砖或流钢砖，如果选择的耐火材料抗钢水冲刷能力不足，则耐火砖容易被高温的钢水冲刷侵蚀，导致铸件吸出性气孔和夹杂物的增多，造成缩孔和夹杂类铸造缺陷。冒口在铸造过程中的主要作用为补缩，同时也是去除杂质的通道。目前国内主管道静态铸造的冒口均采用保温冒口（材料为硅酸铝—复合纤维）。冒口的材质、热导率、密度等参数均可能影响冒口的保温效果，进而影响冒口中钢水的冷却时间，如对上述参数控制不当，就会影响冒口的补缩作用，铸件就容易产生缩孔类铸造缺陷。砂型制作过程中在砂模型腔的内壁喷有涂料，如果选择的涂料粘结性能不好，会影响到喷涂的质量，进而导致夹杂或粘模铸造缺陷。

（2）铸造过程工艺控制

经分析表1中主管道缺陷性质，特别是对超出无损检验技术要求导致报废的弯头的解剖，发现因工艺过程失控所造成报废的弯头占报废总数近一半，而未报废的组件，也因析出性气孔和夹杂物的富聚，造成大量铸造缺陷。可见工艺过程控制是影响弯头铸件质量的重要原因。主管道弯头铸造工艺主要包括砂型制作工艺与浇注工艺。

表2 Z3CN20-09M 不锈钢材料化学成分要求[4]Table2 Chemical composition requirements of Z3CN20-09M stainless steel（%）

1）砂型制作工艺

砂型制作工艺包括面砂、背砂、填充砂材料的配比、浇道与冒口的布置、砂型烘干温度与烘干时间、型腔涂料、型腔的洁净度等。通过分析前期铸造缺陷较多的产品生产过程记录，发现铸件浇注过程中钢液与水反应引起的沸腾是造成缺陷的重要原因。究其原因，是配砂操作人员没有对填充砂进行水分控制，填充砂虽不与铸件接触，但水分含量超标，也会迁移、渗透至面砂层，这样使面砂水分也会增加，从而引起沸腾。沸腾会对铸件造成气孔、垮砂、夹砂缺陷及因钢水大量吸气而引发的其他缺陷。砂型制作后期需要在型腔中喷涂涂料，在涂料喷涂过程中，风压是否足够或稳定也是影响铸造质量的因素之一，如果风压太小或不稳定，将会使涂层不均匀，影响喷涂质量。

2）浇注工艺

浇注工艺过程是影响铸造质量的最主要因素之一，浇注的工艺参数包括炼钢过程、钢水镇静时间、浇注方式、浇注温度、浇注重量和浇注速率等。由于初始钢水的冷却速度快，如后期浇注速度慢，会使气体、夹杂物在钢水凝固前来不及扩散至外层，而残留在直管内部形成夹杂缺陷。如果浇注温度在工艺要求值的下限，会影响到钢水晶粒的生长，容易产生疏松类弯头铸造缺陷。另外，炼钢后钢水从炉转移至浇注现场的时间控制、保温控制，也是影响浇注质量的重要因素之一。

（3）人员管理与经验反馈

由于铸造工艺过程的自动化程度低，铸造各工序均需要大量的人员参与操作，这就要求具备高素质的管理者、执行者与监督者。企业的管理人员是否把“质量第一”的理念贯彻到生产和管理中去；车间工人是否具有良好的质量意识、责任心、执行力和积极性，是否能有效贯彻实施工艺规程，按照程序办事；监督人员是否对制造全过程进行有效监控，是否注意到影响质量的细节，直接影响到铸件产品的质量。

再者，制造厂在制造过程中常对静态铸造工艺进行优化，如果工艺修改和优化的过程记录不规范，铸造弯头质量的改进经验未能及时得到总结与反馈，将会造成许多宝贵的经验流失，进而影响到后期铸造的实施与改进。结合人员管理，有效利用工艺优化和经验反馈等对员工进行相关培训，提高员工的执行力与工作效率，也是值得进一步实施的工作。

3 制定质量控制措施与实施

针对以上影响主管道静态铸造质量的主要因素，结合制造厂主管道的铸造经验，分别从原材料质量控制、工艺过程质量控制和人员管理质量控制三方面制定了提高主管道弯头静态铸造质量控制措施，并将这些措施运用于实际的生产与管理。

4 质量控制措施实施效果

通过以上改进措施的实施运用，福清核电厂1、2号机组主管道弯头静态铸造缺陷明显减少，质量大幅提高。从表3中可以看出，福清核电厂1、2号机组主管道弯头静态铸造缺陷总数分别下降到47个和45个，不及改进前项目缺陷总数的50%。其中40°弯头和90°弯头（过渡段）组件的铸造缺陷下降明显,福清核电厂1号机组的40°弯头和90°弯头缺陷数分别只有前期项目的29%和36%，而福清核电厂2号机组的50°弯头缺陷数更是只有前期项目的14%，可见提高主管道弯头静态铸造质量控制措施的实施效果良好。

5 结论

核电产品的生产始终要坚持质量第一的原则，虽然不同的主管道制造厂有不尽相同的静态铸造工艺，但控制质量的目标是一致的，即通过制定合理可行的质量控制措施，有效减少铸造缺陷，大大节省人力成本和资金，有效保证设备的交货进度。文章通过分析，确定了原材料、铸造工艺过程控制和人员管理为影响压水堆核电厂M310堆型主管道弯头静态铸造质量的主要原因，并从加强对原材料的精选、检验，改进砂型制作工艺和浇注工艺，提高人员精益管理水平、减少人因失误3个方面制定了质量控制措施，从实施效果可以看出主管道静态铸造弯头的铸造缺陷明显减少，主管道弯头的质量得到有效提高。文章制定的质量控制措施对核电主管道设备的铸造工艺改进有良好的借鉴意义，也为进一步研究提高主管道静态铸造质量控制措施积累了宝贵的经验。

表3 项目二机组与福清核电厂1、2号机组静态铸造弯头铸造缺陷对比表Table 3 Comparison of static casting defects of the unit in Project2 and Fuqing Units 1 &2

[1] 潘品李，钟约先. 大型核电主管道制造技术的发展[J].综述，2011，（1）：13-17.（PAN Ping-li, ZHONG Yue-xian. Development of Primary Pipe Manufacture Technique for Large-scale Nuclear Power Plant[J]. Overview,2 011, (1)：13-17.）

[2] 曾正涛，陈勇. 压水堆核电站不锈钢主管道铸造[J].核动力工程，1999，20（4）：357-359.（ZENG Zheng-tao, CHEN Yong. Casting of Stainless Steel Primary Pipe for PWR Nuclear Power Plant [J]. Nuclear Power Engineering, 1999,2 0(4)：357-359.）

[3] 蒲小芬，王俭. 秦山核电二期工程主管道的设计和安装[J]. 核动力工程，2003 ,（6）：185-187.（PU Xiao-fen, WANG Jian. Design and Installation of Primary Pipe for Qinshan II[J]. Nuclear Power Engineering,2 003, (6)：185-187.）

[4] RCC-M 压水堆核电站核岛机械设备设计与建造法则[S].（RCC-M Design and Manufacture of NI Mechanical Equipment for PWR Nuclear Power Plant [S].）

Study on Quality Control Measures of Static Casting Main Pipe in PWR Nuclear Power Plant

JIANG Zhen-biao1，LIU Zhi-cheng2，LI Guan-ying1
(1.Fuqing Nuclear Power Co., Ltd.， Fuzhou of Fujian Prov. 350318，China；2.Sichuan Sanzhou Scmp Nuclear Equipment Manufacture Incorporation，Chendu of Sichuan Prov. 610302，China)

This study analyzes the main reasons which impact the quality of primary pipe static casting elbows in PWR-M310 nuclear power plant. The quality control measures are developed from the election and inspection of material, improving sand production and casting process, improving lean management of personnel. The static casting defects of primary pipe elbows for Fuqing Unit 1 &2 were down to less than 50% of the former project. The quality of static casting for the primary pipe elbows was significantly improved. Moreover, the implementation saves human resources and financing to repair casting defects, and also helps to win the delivery schedule. The quality control measures are good reference for improving primary pipe casting process. This study provides valuable experience for further study of improving the quality of static casting for the primary pipe of PWR nuclear power plant.

primary pipe；static casting；casting defects；process；quality control

TM623 Article character: A Article ID: 1674-1617(2013)04-0343-05

TM623

A

1674-1617(2013)04-0343-05

2013-08-11

江振标（1984—），男，福建沙县人，工程师，工学硕士，从事核电站设备的采购与监造管理工作。