AP1000核电冷却剂主管道监造分析

刘 昇

(山东核电有限公司，山东 烟台265116)

AP1000核电冷却剂主管道，是当今世界上最先进的连接核电厂反应堆压力容器、主泵和蒸汽发生器的大型厚壁承压管道，是核电厂实现冷却剂循环、导出反应堆堆芯热量的“主动脉”，是压水堆核电厂核岛7大关键设备之一。为核安全I级、抗震I类以及质量分级A类的设备。由2根热段、4根冷段以及5根波动管组成，其设计寿命为60年，设计压力为17.13 MPa，设计温度为343 ℃，其中波动管设计温度为360 ℃。

AP1000核电冷却剂主管道有别于传统压水堆核电分段铸造主管道，采用了整体锻造技术，不存在焊缝，将大大减少在役检查工作量，其安全性有了很大的提高。

AP1000核电冷却剂主管道首次国产化，且在世界上属首次制造，具有冶炼技术要求高、锻造难度大、机加工制造周期长以及弯管工艺复杂等特点，由传统的不锈钢分段铸造技术改为超低碳控氮不锈钢整体锻造，无论是化学成分要求、尺寸控制还是制造难度，都堪称目前世界核电厂主管道之最。AP1000核电冷却剂主管道制造过程中，由于主管道材质的特殊要求，不仅面临着炼钢纯净度要求高、钢锭吨位大等难点，而且存在着锻造可锻温度范围窄、变形抗力大、晶粒度要求高的问题。此外，大直径小弯曲半径管道弯曲成型过程中空间尺寸的精确控制也给主管道的制造带来了巨大的挑战。

AP1000核电冷却剂主管道在国产化制造过程中曾多次出现了钢锭化学成分不达标、锻件锻造开裂、管嘴锻造位置偏差以及内部缺陷超标等问题，出现连续报废多根主管道的情况。文章通过对AP1000核电冷却剂主管道制造过程中的技术要点总结以及对前期制造中出现的问题进行分析，旨在提出AP1000核电冷却剂主管道制造过程中的质量监督要点，以便在设备监造工作中更好地控制其制造质量。

1 文件准备

1.1 质量保证文件

主管道制造开展前，制造企业须提供资质证明，证明具有制造与AP1000核电冷却剂主管道相当的规格、弯曲半径、材料以及质量特性管子的经验，否则须按照西屋《资质评定试验规范》APP-PL01-T1-001的要求进行模拟件试制，鉴定合格后方可开始制造。

主管道制造企业在生产之前，须向采购方及业主提交详细的质量保证文件供审查和批准，诸如项目质保大纲、不符合项管理程序、焊工操作技能评定程序、试验人员资格评定和认定程序、NDE人员资格评定和认定程序以及质量计划等。此类文件的编制须满足HAF003[13]、ASME NQA-1《核设施质量保证要求》[1]、ASME Ⅲ卷NB分卷[3]、ASME Ⅲ卷NCA分卷、ASMEⅡ卷A篇以及其它的设计方相关设计文件的要求。材料供应须满足NCA-3800《金属材料机构的质量体系大纲》[2]的要求。

1.2 主管道制造文件[13]

主管道制造开展前，制造企业须提交以下文件供采购方（或设计方）审批，包括主管道制造大纲、制造转化图纸、NDE检查程序、原材料采购验收管理程序、冶炼/锻造控制程序、热处理程序、尺寸检查程序、标识程序、清洁程序、储存及运输程序、理化性能试验程序、焊接工艺评定报告、焊接工艺规程、UT检测标定试块质量证明文件以及其他制造过程的文件。

2 冷却剂主管道的制造

主管道制造工艺大致分为：金属冶炼→锻造→NDE检查→预备热处理→机加工→弯制→固溶热处理→NDE检查→酸洗→清洁→包装等阶段。安装图如图1和图2所示。

图1 冷却剂主管道安装图Fig.1 Installation of main coolant pipe

2.1 冶炼[4-5]

冶炼一般采用二次冶炼方案，在对原材料进行复验时，除了要复验材料中的合金含量外，还要复验材料中的磷、铜、钴、砷等有害元素。监造须关注严格按照冶炼工艺规程执行，熔炼分析必须满足ASME SA376、ASME SA312及设计文件中关于化学成分的要求。

图2 波动管安装图Fig.2 Installation of surge line pipe

2.2 锻造

由于主管道热段、冷段及其管嘴采用整体锻造成型技术，因而大大增加了锻造的难度，特别以管嘴处的锻造难度最大，同时，可锻温度区间窄，锻造过程中对表面及芯部开裂的控制也是技术难点之一。锻造的重点是要保证锻件的晶粒度满足设计要求。

监造中须检查按照锻造工艺规程执行，重点关注锻造温度、检查其锻造比、锻后冷却方法、锻件外观、尺寸以及UT检查满足工艺及验收标准的要求。

2.3 机加工

机械切削分为粗加工和精加工，所有的加工过程应尽可能在最终热处理之前完成，应采用尖锐的刀具进行机加工，工件在机加工期间严禁使用含卤族或含有低熔点化合物的冷却润滑液，不允许由于不好的加工过程而导致最终的加工表面过热而变色。

监造中须重点检查是否按照机加工工艺规程执行，另外，严禁使用含卤族或含有低熔点化合物的冷却润滑液。

2.4 弯制成型

主管道弯曲成型工艺是主管道制造中的技术核心，也是主管道国产化制造中的技术难点之一，能否有效精确控制到设计尺寸，取决于弯管用芯模的设计、芯模的装填方式以及水压机的性能；另外，主管道的弯制还需要建立在一系列的数值模拟、管道冷弯制经验的基础上，尤其是对接管嘴位置的尺寸控制为技术难点之一。

弯制全过程必须采用冷弯方式进行，监造中须密切关注弯制后的尺寸，监督厂家按照弯管工艺规程执行。弯制后的主管道如图3所示。

图3 弯制后的主管道热段Fig.3 The hot leg of the primary pipe after bending

2.5 热处理

热段和冷段管道的供货应为固溶热处理状态，按SA-376要求进行冷水淬火，要求快速水淬到敏化温度以下，确保淬火时以较快温度通过奥氏体不锈钢的敏化温度区间。

波动管路管道的供货应为固溶热处理状态，按SA-312要求冷水淬火。

温度测量由3支直接与管坯或弯管接触的热电偶测量，并自动记录3支热电偶传输的全过程温度、时间曲线。温度记录曲线、加热和冷却方法应体现在CMTR中报告。监造中须检查：热处理炉操作人员的资格是否适用、有效；记录仪、热电偶是否已校验且合格，并在有效期内；热电偶的固定方式、数量和固定位置；热处理升温速度、恒温温度、恒温时间、降温速度是否满足工艺规程的要求；热处理后的锻件标记位置、内容是否正确、清楚。督促厂家严格按照热处理工艺规程执行，升温及淬火时快速通过其敏化温度区间。

2.6 磨削加工

工件应在固溶处理前进行粗抛磨，在固溶处理后进行精抛磨加工。所有磨削砂粒必须是新的或者之前只是用于奥氏体不锈钢或镍基合金材料的。磨削和抛光加工时应严格控制打磨速度，防止工件过热（引起材料温度达到敏化温度）或工件表面冷作硬化。

如果是在最终固溶热处理之后进行磨削加工，则最终抛光应采用粒径细小的砂粒进行打磨，最终表面光洁度达到设计要求。

2.7 最终表面要求

按照管道设计者批准的程序在整根管道经过固溶退火和淬火之后进行最终酸洗。

3 成品分析

制造厂在固溶热处理后需取样，对成品进行化学成分分析，并满足ASME SA-312及ASME SA-376中具体材料规范的要求和其他设计规范附加要求。

4 热段和冷段管道的力学性能和金相试验要求

4.1 试验方法和试样位置

试验方法、试样的位置及取样方向应符合NB-2000要求，与产品的几何轴向、径向和切向相关的抗拉特性、金相、晶粒度、腐蚀试验应按设计要求进行切去试样。

4.2 试验类型和试样数量

常温拉伸试验取样数量及取样位置应能覆盖管道力学试验的全部要求。此外，还应完成如下试验取样，如金相组织、晶粒度、碳化物分布、敏化和腐蚀、化学分析和硬度的测量等。金相试验涵盖最终产品内表面和外表面，其中硬度测量应在最终表面上进行，腐蚀试验应位于距离外表面1/4T处，冷作表面还应作径向截面的金相结构检查。

4.3 拉伸试验[6]

拉伸试样的制作应符合ASME锅炉和压力容器法规第II卷SA-370的要求。所有拉伸试验均应符合SA-376要求并在CMTR中报告完整的载荷-位移曲线，包括计算应力-应变曲线的足够的数据。

监造过程中须重点关注试验拉伸机的型号、标定有效期、试样夹持工具的形状（螺纹式和虎钳式）、试样的标识和实际尺寸、标定有效期、测量工具的精度及有效期以及试验机的开机时间等，实验操作人员必须持证上岗。

4.4 晶粒度测量[8]

晶粒度测量按ASTM E-112进行试验，热段、冷段和波动管锻造管道及接管嘴的晶粒度应满足设计要求；接管嘴处的晶粒度应在抛光后，采用多次NDE法进行测量。

在CMTR报告中应提供金相显微照片（标识、放大倍数、腐蚀剂）。

4.5 敏化、腐蚀试验[7]

敏化试验按ASTM A262实用方法E进行。腐蚀试样应位于从外径算起的1/4厚度处，按ASTM A262方法E进行全铜—硫酸铜—16%硫酸腐蚀试验。

4.6 硬度试验[6]

试样硬度计表面硬度符合设计要求值，操作按照SA-370进行；表面硬度采用便携式硬度计进行现场测量，其精度直接取决于仪器的测量角度及操作人员的技能水平。

4.7 压扁试验[12]

压扁试样位于管道一端，为整体切下的环状试样，试样环轴向长度大于63.5 mm。试验应按ASME法规第Ⅱ卷SA-376相关要求进行，验收标准为ASME SA999。

4.8 金相试验

在对组织放大100倍的视场下观察其组织构成，并对碳化物分布情况进行标识，要求提供照片记录。

5 NDE检测[3，10]

5.1 UT检测

热段、冷段机加工后或者热处理完成，应按照NB-2540直探法和NB-2550斜探法两种方法进行超声波探伤，探伤应在可及面的100%管道壁厚体积上进行。直探法的验收标准应符合NB-2540要求以及SA-745[9]的QL-1对直探法的附加要求。

斜探法应在两个圆周方向和两个轴线方向进行探测。标定试块制作应符合ASME-Ⅴ无损探伤卷要求。

波动管材料应按ASME法规第Ⅲ卷NB-2550进行检查。

热段、冷段和波动管的最终UT检查中，须对其端部进行在役检查条件下的UT检查，检查技术条件满足在役检查要求。

制造厂商在检查和验收之前须提交详细的NDE程序供采购方批准，程序应包含探伤基本参数、手法、顺序以及探伤方法等，另外还应包括设备标定和验收的标准，并同时满足ASME B&PVC的要求。

5.2 PT检测

在验收检查之前应提交详细的液体渗透探伤程序供采购方批准。

在弯曲之前，对所有表面（按照NB-2546要求）进行PT检查。弯曲之后，对弯曲区域以及每侧弯曲处进行PT检查。所有可触及的表面PT检查须按ASME锅炉和压力容器法规第Ⅲ卷的验收标准进行。

监造中须重点关注PT检测时机是否合适，检测试剂是否满足核电用化学成分要求，检测人员是否持核安全局颁发证书，操作是否规范等其他要求。

6 尺寸检查

主管道是连接核岛压力容器、蒸汽发生器和主泵的关键设备，其尺寸精度的高低将直接决定主设备的精确就位。尺寸控制（尤其是空间尺寸）成为主管道制造过程中的技术难点之一，为主管道制造中的技术核心，能否有效控制尺寸也成为考量制造商技术水平的关键因素。

尺寸检查范围包括：

1）主管道的外形尺寸：冷弯后管道总长、总高、弯曲角、弯曲半径、内径、外径、壁厚、R倒角、表面粗糙度及弯曲段椭圆度等。

2）主管道工艺管接管嘴尺寸：管嘴位置、外径、内径、坡口尺寸、R倒角、表面粗糙度等。

3）主管道测量仪表小接管嘴：小凸台位置、外径、内径、坡口尺寸、R倒角、表面粗糙度等。

制造中发现，小凸台在焊接中变形较大，造成其定位偏差，制造商须根据自身的具体机加工水平，可适当调整凸台焊接和机加工工序，以保证小凸台的精确定位。

7 清洁度检查

主管道制造中一般采用酸洗方式进行表面清洁，酸洗后再对其表面进行去离子水冲洗（A级），直到冲洗水表面pH值显示为中性。清洁及包装需在无尘车间进行，待管道自然干燥后对其表面异物进行取样检测，表面异物控制须满足设计规格书的要求，检测合格后方能进行包装。

8 档案材料

按照设计规格书及采购要求，厂家提供具体尺寸大小的档案材料、焊接工艺评定材料及在役检查用材料。

9 完工文件

主管道热段、冷段和波动管在制造完工后应编制详细的完工报告，包括但不限于以下内容：

1）设计文件（含设计变更文件）；

2）材质证明书：含取样位置图、化学分析、热处理、力学性能、拉力试验、显微组织、晶粒度分布、表面加工冷作硬化、硬度试验结果、压扁试验、敏化腐蚀试验结果、焊材材质证明书、NDE检测报告、质量计划等；

3）焊接数据包；

4）UT标定试块证书；

5）最终尺寸检查报告；

6）产品清洁度报告；

7）标识报告；

8）无损检测规程及人员资质；

9）竣工图。

10 结论

AP1000冷却剂主管道采用整体锻造技术，其设计寿命60年，有别于传统离心铸造技术，技术要求高，制造难度大，且处于首次国产化试制阶段，尚属世界空白，毫无外部经验可借鉴。在对制造厂家提出挑战的同时，对设备监造人员也提出了较高的要求。在主管道制造过程中，设备监造人员须严格控制制造工艺，加强制造过程的质量控制，确保主管道制造质量，以满足设计要求。必要时还需要对历次制造过程中出现的问题进行分类、汇总和分析，以“保姆式”的监造方式关注所监造的设备，尽可能地减少人因失误的发生，避免制造中同类问题再现。

[1]ASME NQA-1-1994，核设施质量保证要求[S].（ASME NQA-1-1994, QA Requirements for Nuclear Installations[S].）

[2]ASME Ⅲ NCA3800-2004，金属材料机构的质量体系大纲[S].（ASME III NCA3800-2004, Quality System Program for Metallic Material Mechanism[S].）

[3]ASME Ⅲ NB -2004，核1级部件[S].（ASME III NB-2004, Class-1E Components[S].）

[4]ASME SA376-2004，高温中央电站用无缝奥氏体钢公称管[S].（ASME SA376-2004, Austenite Seamless Steel Nominal Tube Used in High Temperature Central Station[S].）

[5]ASME SA312-2004，无缝和焊接奥氏体不锈钢公称管[S].（ASME SA312-2004, Seamless and Welded Austenitic Stainless Steel Nominal Tube[S].）

[6]ASME SA370-2004，钢制品力学性能试验的标准试验方法和定义[S].（ASME SA370-2004, Standard Test Method and Definition for Steel Product Mechanical Property Test[S].）

[7]A S T M-A262-2002，探测奥氏体不锈钢晶间腐蚀敏感度的标准实施规范[S].（A S T M-A262-2002, Standard Practice Criteria for Detecting the Sensibility of Intergranular Corrosion of Austenitic Stainless Steel[S].）

[8]ASTM-E112-96，测定平均晶粒度的测量方法[S].（ASTM-E112-96, Methods for Measuring the Average Grain Size[S].）

[9]ASME SA745-2004，奥氏体钢锻件超声波检验[S].（ASME SA745-2004, Supersonic Test for Austenite Steel Forgings[S].）

[10]ASME V-2004，无损检测[S].（ASME V-2004,NDT[S].）

[11]ASME Ⅸ-2004，焊接和钎焊评定标准[S].（ASME IX-2004, Evaluation Criteria for Welding and Soldering[S].）

[12]ASME SA999 -2004，合金钢和不锈钢公称管通用要求[S].（ASME SA999-2004, Requirements for General Use of Alloy Steel and Stainless Steel Nominal Tubes[S].）

[13]HAF003 -1991，核电厂质量保证安全规定[L].（HAF003-1991, Quality Assurance for Safety in Nuclear Power Plant: A Code of Practice[L].）