压水堆核电厂稳压器热成形封头评定

邓丰　黄燕　李焕鸣　袁宏　田雅婧

【摘 要】稳压器是压水堆核电厂一回路冷却剂系统的主设备之一，对整个核电厂的运行和安全起着重要的作用。百万千瓦级压水堆核电厂稳压器采用板焊结构，封头采用低合金钢钢板通过热冲压成形制造。本文基于核电设备建造规范的要求，对稳压器热成形封头的评定进行研究。根据稳压器封头的成形工艺，确定了稳压器封头制造中的主要工艺及关键参数，并明确了评定过程中相关的试验和检验。对评定试验的结果进行了初步统计和分析。结果表明，按既定工艺成形后的封头质量满足规范和设计要求，且各部位的强度均匀性良好。

【关键词】稳压器;热成形;封头;评定

中图分类号： TM623.91文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）18-0001-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.001

The Qualification of the Hot Formed Head of Pressurizer in PWR Power Station

DENG Feng HUANG Yan LI Huan-ming YUAN Hong TIAN Ya-jing

（Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory， Nuclear Power Institute of China， Chengdu Sichuan 610041， China）

【Abstract】Pressurizer is one of the most important equipments of the reactor coolant system in PWR， and it is key to the security during the operating of nuclear power plant. The Pressurizer is a plate-weld vessel in 1000MW PWR power station， and its heads are hot formed using of low alloy steel plates. Base on the code requirements， this paper researches the qualification of hot formed heads. Examinations and tests shall be carried out during the qualification according to the design and construction rules. The statistical analysis of test data indicates that heads hot formed according to the given forming procedure meet the requirements of the design and construction rules， and the uniformity of strength of heads is perfect.

【Key words】Pressurizer; Hot formed; Head; Qualification

0 前言

穩压器是压水堆核电厂反应堆冷却剂系统的主设备之一，为核安全1级设备。稳压器设计建造规范为《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》[1]（RCC-M），稳压器为板焊结构，主承压壳体材料均为低合金钢16MND5钢板（RCC-M中牌号），封头采用低合金钢钢板通过热冲压成形。

在RCC-M中，特别规定对于规范1级设备的主要承压部件需要进行制品评定，以验证按既定的大纲制造的制品或部件具有满意的制造过程和使用条件，制品评定是判定制品特性的时机，尤其是制品的独特性及可试验性。根据规范要求，通过制品评定，最终必须满足下列要求[2]：

（1）通过对制品试料化学成分试验测量结果的分析，确认锻件的化学成分分布均匀。

（2）通过对制品试料的拉伸性能、冲击性能等试验结果的对比分析，确认制品的力学性能均匀程度良好。

与一般的锻件评定不同，由于本项目中稳压器封头使用的是成熟的低合金钢钢板，本评定是在钢板满足相应要求的前提下，研究钢板后续制造工艺对最终封头制品性能的影响，即稳压器封头的成形工艺以及后续的性能热处理工艺的合理性，故本评定更多关注热成形封头内部及外部质量，以及力学性能的均匀性。

1 封头评定大纲的确定

1.1 封头成形工艺

稳压器封头采用热冲压成形，成形方法采用自卸式上模（半球形冲头）和漏盘形下模，坯料采用常规的圆饼形坯料。等壁厚的低合金钢钢板加热到1000℃左右后出炉，放置在漏盘形下模上，通过上模压制成形，并控制封头的终成形温度。

封头在冲压成形过程中，不同部位的壁厚会发生不同的变化。国内也进行了相关理论研究[3-4]，认为厚壁半球形封头在成形过程中有更大的局部减薄量和增厚量，封头顶部的减薄量并非最大，减薄量最大值出现在靠近坯料中心的地方，边缘的直边部分增厚量最大，最大的减薄量和增厚量均达到坯料的16%左右。

1.2 封头制造工艺确定

为确保采用了合格的低合金钢钢板，在封头成形前的钢板上需进行相关的无损检验。为检验封头成形后的内部及外表面质量，在封头成形后也应进行相应的无损检验，确保封头产品质量满足设计要求。最终确定在封头成形前后需进行100%的液体渗透检验（PT）和超声波检验（UT）。封头在热冲压成形后要经受性能热处理（包括淬火和回火），考虑到封头在后续的稳压器制造过程中需要与筒体等部件进行焊接，焊缝需进行消应力处理，故同时需要验证封头性能态（交货态）和模拟焊后热处理态两种状态的力学性能。

1.3 评定试板部位的确定

评定的目的是验证制品最终性能满足设计要求，须验证封头不同部位性能的均匀程度，需要在封头的不同部位分别取样进行力学性能试验。但考虑到破坏性试验的试验项目较多（包括常温拉伸、高温拉伸、各温度下的KV冲击等），试验不可能在封头的各个部位全部进行，故需选取具有代表性的部位切取评定试板进行破坏性试验。

根据前述的封头成形过程中材料变形研究，稳压器封头在成形过程中，其顶部、大端以及中间部位的变形过程不一样，对材料内部性能的影响也有所不同，故需考虑在封头的大端、封头顶部及中间过渡区域分别切取试样验证其力学性能。

在本项目中，考虑到稳压器上下封头的厚度和半径有所不同，下封头壁厚大于上封头壁厚，故分别采用两块不同厚度的钢板进行评定。为验证成形后封头各部位力学性能的均匀性，在成形后上头评定件和下封头评定件上各截取了四块试块，包括：上封头的大端不同部位三块、上封头评定件中间部位一块、下封头大端不同部位三块、封头在封头顶部一块。各试板在封头评定件上的位置如图2所示。

在每块试板上的试样数量，根据成形后封头的采购技术要求的规定，取全套试样（包括常温拉伸、高温拉伸、各温度下的KV冲击等）进行试验。同样，考虑到封头成形过程中内外两个面变形状态的不同，对与表面试样，在内表面侧和外表面侧分别切取试样进行试验。所有试样的试验结果应满足封头采购技术条件中的要求。在每块试板上也同时截取化学成分分析试样。

1.4 尺寸测量部位的确定

理论上，成形后封头应为轴对称结构，故对封头的纵截面上从大端到封头顶部等弧长划分数等位置角度的圆周截面，在每个圆周上等分数个位置，测量各个交点的内径及厚度尺寸（见图3所示）。在封头成形过程中同一角度坐标的圆周上各部位材料的变形理论上应一致。

2 评定检验试验结果分析

2.1 无损检验结果

稳压器封头用钢板的无损检测包括目视检测、液体渗透检测和超声波检测的结果满足要求，成形后稳压器封头的所有无损检验项目，包括液体渗透检验、超声波检验结果均满足相应要求。表明成形后封头的质量满足要求。

2.2 封头尺寸检验结果

成形后封头各测量部位的内径测量结果满足要求，各部位的实测厚度也满足最小厚度要求。对具有相同角度坐标的圆周截面上的所有点所测厚度尺寸进行算术平均，取厚度的算术平均值与封头成形前钢板厚度的比值，成形后的稳压器上封头和下封头的上述数据如图4所示。

按照本项目成形工艺成形后的最大增厚量约15%（位于封头大端），最大的壁厚减薄量约6%～8%，减薄量最大部位不在封头的顶部，而存在于与封头顶点夹角（球心角）约10°～20°的环形区域。本项目中上封头采用的钢板坯料较下封头采用的钢板坯料厚，从图4可以看出，较厚的钢板成形后封头的增厚（封头大端存在）及减薄（靠近封头顶部区域存在）的程度较大。

2.3 封头评定件力学性能试验结果

在稳压器的上封头和下封头评定件一共截取了8块试板，编号分别为1～8，8个试板的力学性能试验结果分别如下：

各试板不同温度下Kv冲击试验结果及规范要求限值如图5所示。其中横坐标中的“外”表示从外表面侧切取试样，横坐标中的“内”表示从内表面侧切取试样。

从上图中可以看出，成形后封头各试板（包括内表面侧和外表面侧）的Kv冲击功均满足规范要求，且具有较大的裕度。

各试板两个状态（交货态及模拟消应力热处理态）的内表面侧面和外表面侧分别截取试板的常温拉伸试验结果和高温拉伸试验结果及规范要求限值如图6所示。其中在每块试板的内表面侧（图中标注为“内侧”）和外表面（图中标注为“外侧”）分别截取全套试样进行试验。

从图6中可以看出，封头评定件各试板两个状态（交货态及模拟消应力热处理态）的常溫及高温拉伸试验结果均满足规范要求。

2.4 成形后封头性能均匀性分析

封头评定中，在两个封头评定件上具有代表性的不同部位分别截取了8块试板，包括封头大端、封头顶部及大端和顶部之间的中间过渡区域。为分析封头拉伸性能的均匀性，引入了度量每个实验数据与算术平均值偏差幅度的相对偏差D（Xi）概念：

D（Xi）= ×100%

其中，X为试验数据的算术平均值：

X=  X

平均相对偏差D（Xi）：

D（Xi）=  D（X ）

对上封头和下封头共8块试板的各拉伸试验数据进行统计分析计算，每项指标（如常温Rm）均有16个实验数据，结果如表1所示。

从上表的统计数据可以看出，八块试板的每一指标数值分布较为集中，与其平均值的最大相对偏差不超过6.0%，同一试验数据在八块试板上差异很小，表明封头各部位的强度性能均匀程度良好。

3 结束语

（1）稳压器热成形封头的评定结果表明，评定件的所有检验和试验结果均满足设计建造规范要求，稳压器封头的制造工艺满足规范要求。

（2）通过热成形工艺成形后的封头各部位的拉伸性能均匀程度良好。

（3）按照本项目成形工艺成形后的封头减薄量最大部位存在于与封头顶点夹角（球心角）约10°～20°的环形区域部位，较厚的钢板坯料在成形过程中增厚/减薄程度较大。

【参考文献】

[1]The Design and Construction Rules Applicable to Mechanical Components of PWR Nuclear Islands[S].2002.

[2]关晖，李磊，毛辉辉，百万千瓦级核电厂站蒸汽发生器大锻件工艺评定，中国核电，2014，7（3）：229-232.

[3]朱向哲，谢禹钧，王晓华，半球形厚壁封头冲压成形有限元分析及优化，辽宁石油化工大学学报，2004，24（4）：51-53.

[4]李海峰，陈明亮，谢志毅，大型厚壁半球形封头冲压成形的数值模拟，计算机仿真，2004，21（3）：109-112.