AP1000蒸汽發生器鍛件制造的難點

王英杰 趙宇強

(1.國核工程有限公司, 上海200233；2. 華東理工大學, 上海200237）

蒸汽發生器是壓水堆核電站中的關鍵設備，是核島中一、二回路進行熱能轉換、傳遞的熱交換設備，其一次側為一回路壓力邊界，在服役期間承受高溫、高壓、強放射性，二次側為核蒸汽產生區，一、二回路及其介質之間由U形換熱管和管板構成隔離層[1]。

AP1000蒸汽發生器屬于核安全A級，抗震等級為I類，設計壽命為60年。由于其一次側與二次側的溫度、壓力、放射性的差異，其內部質量和鍛件的制造質量是極其重要的，直接影響到核電廠成套裝備的整體水平、維護和長期運行可靠性[1-3]。

AP1000蒸汽發生器鍛件的制造周期較長，是核電廠設備制造的關鍵技術之一。其毛坯尺寸大、重量重，材質的純凈度、致密度和各項理化、機械性能指標要求都非常高，是綜合材料、冶煉、鍛造、熱處理、探傷和測量為一體的高技術產品。

圖1 蒸汽發生器主要鍛件Fig.1 Major forgings of steam generator

1 AP1000蒸汽發生器主要鍛件

AP1000蒸汽發生器鍛件材料為錳-鉬-鎳低合金鋼，在ASME規范里材料牌號為SA508 Gr3 Cl2，要求總鍛造比不低于3.5，制造規范采用ASME第Ⅲ卷NB部分，制造中不允許任何形式的補焊。蒸汽發生器體積大，每臺設備主要有10個大鍛件，如圖1所示。其關鍵鍛件為管板、錐形筒體和水室封頭。

2 制造難點分析

2.1 化學成分控制

化學成分是影響材料性能的基礎因素。蒸汽發生器是壓水堆一回路向二回路轉化的設備，屬于一回路承壓邊界，其化學成分指標和斷裂韌性指標要求更高。ASME規范中SA508-Ⅲ鋼的化學成分與國內650 MW核電機組要求如表1所示[2-4]。表1中的成分采用質量分數。

AP1000蒸汽發生器中化學成分的要求參照ASME SA508的要求。由表1可知，對P、S和Sb含量的控制相對嚴格。當采用真空碳脫氧時，熔煉分析和產品分析中Si含量應不大于0.10%，不允許添加此表規定以外的合金元素，完整的化學分析還應該包括此表以外且含量大于0.010%的元素都應記錄。其他元素的控制都沒有60萬kW機組的要求嚴格。

表1 AP1000與650 MW核電機組蒸汽發生器鍛件的化學成分比較Table1 Comparison of the chemical components of AP1000 steam generator forgings with those of650 MW power plant

常溫機械性能參照ASME規范，如表2所示。其斷裂韌性指標和沖擊韌性要求都比較高。實際制造的產品也驗證了這一點。

為了達到-21 ℃的RTNDT溫度和保證比較均勻的材質，需要嚴格控制雜質元素、殘余元素和有害氣體的含量。研究和實踐表明，為了提高鋼的韌性，減少輻照敏感性，需要采取的措施有[3-5]：

1）冶煉前嚴格控制原料中天然有害雜質元素Sn、Sb、Bi等和輻照敏感元素Cu、P等含量是減少輻照脆化的主要途徑。

2）在澆鑄前和澆鑄時對熔融鋼水進行真空處理，除去有害的氣體，特別是氫，根據經驗，一般氫含量要控制在2 ppm以下。

3）盡量減少氧和氮的含量，以便減少非金屬夾雜物，提高鋼的純凈度，盡量減少鋼中非合金化元素，尤其是硅，在冶煉過程中用適量鋁脫氧以細化鋼的晶粒。

4）大型鋼錠在生產中難以避免元素的偏析和內部缺陷的存在，目前采用中間包芯桿吹氬真空澆鑄技術和冒口加熱技術可控制大鋼錠的成分偏析和提高鋼的純凈度，同時可使鋼的無塑性轉變溫度下降40 ℃。

5）鎳對提高鋼的強度、改善鋼的可焊性和降低無塑性轉變溫度都是有益的，但鋼中殘余銅含量較高時，鎳有增強銅對鋼輻照脆化傾向的有害作用，且鎳含量較高的材料經過輻照后生成的物質放射性比較強；另外，在高中子注量時發生二階段的n-α反應，因此鎳的含量不宜過高，取中上限為佳。

6）在滿足強度要求下，碳含量盡量低，取中限較好。碳含量增加雖顯著提高鋼的強度，但也顯著提高了鋼的無塑性轉變溫度；錳既能提高鋼的強度又能降低鋼的無塑性轉變溫度，所以其含量取中上限較好。

表2 AP1000核電機組蒸汽發生器鍛件的機械性能Table2 Mechanical performance of AP1000 steam generator forgings

2.2 熱處理要求

AP1000蒸汽發生器的公稱內徑下筒體為4 m多，上筒體為5 m，上筒體壁厚為121 mm，下筒體壁厚為95 mm，水室封頭壁厚為254 mm，每段高度3 m多。厚壁和大尺寸鍛件使得鋼錠粗重，鍛件尺寸重量比較大，在鍛造過程中翻轉比較困難。為了在截面厚度方向上得到均勻的性能，必須對厚壁鍛件進行均勻和強有力的熱處理，并在鍛造過程中施加足夠壓力，以打碎鑄態組織，細化晶粒，提高鍛件的致密性。對實心或厚壁鍛件要進行中心壓實，以保證芯部的組織和性能滿足技術條件要求。

為了滿足高的機械性能，AP1000蒸汽發生器鍛件在鍛造后、粗加工前要求在870～970 ℃保溫6 h的正、回火處理，以改善鍛件的切削性能，鍛件粗加工后在870～920 ℃保溫6 h的調質處理，以細化晶粒，提高鍛件的機械性能，試驗材料要求在595～621 ℃保溫48 h的模擬焊后熱處理。

2.3 管板的制造難點

管板是蒸汽發生器中技術要求最高、生產周期最長的部件，在保證鍛件心部的鍛造比和材料性能方面難度較大。澆注過程中，心部會存在密集性超標缺陷，例如，非金屬類雜質、白點和內部疏松。非金屬類雜質和白點可以在冶煉、澆注、熱處理等方面采取措施予以解決，而內部疏松則是鋼錠中固有的缺陷，必須選用合適的鍛造比和特殊的鍛造方法來消除。例如雙重壓實法，即下料時采用WHF（寬砧強壓）進行一次壓實，然后再用翻身中心壓實進行第二次壓實。經粗加工后對整個鍛件體積進行超聲波檢測，對所有表面進行磁粉檢測。管板示意圖如圖2所示。

A P1000蒸汽發生器管板成品是直徑4488 mm，厚度為797 mm的餅狀實心鍛件，鍛造工藝為敦粗成形，加工后的管板與冷卻劑接觸的表面需分區堆焊一層厚度至少為6.6 mm的Inconel690鎳基合金和不銹鋼，堆焊后的管板鉆孔20050個，U形傳熱管插入孔內、端面與堆焊層焊接。因此，管板堆焊也是管板制造的關鍵工藝之一。

三門核電站1號蒸汽發生器的兩塊管板分別于2008年5月和6月在韓國斗山重工完成堆焊，在用0°和70°探頭對堆焊表面進行UT檢查中，發現1A管板有135條深10～10.4 mm的裂紋，1B管板有14條深9～10 mm的裂紋，這些裂紋基本都集中在1900 mm直徑的中心區域。在對1A管板裂紋處堆焊表面機加工掉10～10.4 mm后進行PT檢查時發現約有100條裂紋，對1B管板裂紋處堆焊表面進行9.2～14.7 mm的打磨后的PT檢查時發現14條裂紋被完全去除。對機加工以外的堆焊表面再次進行UT檢查時，發現兩塊管板都有新增裂紋。斗山重工隨后對所有可能產生這些裂紋的影響因素進行根本原因分析，包括基礎金屬及其殘余應力情況、焊材氫吸收、堆焊預熱和焊后熱處理問題、焊接熱輸入等。經分析表明，管板堆焊裂紋產生的原因主要有焊接殘余應力和堆焊過程中的氫致裂紋。針對堆焊裂紋斗山采取的糾正措施：1）在第一層、第二層堆焊后，要進行焊后熱處理消除殘余應力，并使用0°和70°探頭進行UT檢查，以檢測堆焊的熔合度和堆焊裂紋；2）堆焊前進行預熱，焊接過程中堆焊溫度需大于150 ℃，并對特定位置進行測量。工藝改進后避免了堆焊裂紋的產生。

2.4 錐形筒體的制造難點

AP1000蒸汽發生器過渡段錐形體是核島一回路設備中最為關鍵部件之一，其鍛造毛坯為制造難度極大且需整體成形的異型鍛件。錐形筒體是兩端帶直段的錐形體，通過機加工成形，與第二代核電同類產品相比，該產品宛若一個2 m高、4 m多寬碩大的“米斗”，在重量、尺寸上都有大幅度提高，而且為滿足AP1000核電機組60年設計壽命，要求材料在具有高強度條件下還要有良好的低溫韌性，對鋼水純凈度、鋼錠的均勻性也有極苛刻的要求，錐筒大小端的直段部分是鍛造中最大的技術難點。錐形筒體如圖3所示。

中國一重承制海陽核電站1號蒸汽發生器的兩個錐形筒體，為了攻克直接鍛造出筒體兩端直段的技術難關，中國一重技術人員聯合清華大學不斷摸索，設計了11種專用輔具，反復在計算機上進行萬噸水壓機加工技術模擬試驗，突破了傳統加工錐形筒體費工、費時、費料問題的瓶頸。在實際制造中，1A錐形筒體的拉伸試驗結果不符合技術文件要求，經重新熱處理后取樣，機械性能滿足要求；1B錐形筒體精加工后尺寸檢查發現斜面壁厚稍微超過要求壁厚，但不影響使用，也是滿足要求的。因此中國一重實現了AP1000蒸汽發生器錐形筒體制造的國產化。

圖2 蒸汽發生器管板Fig.2 Tubesheet of steam generator

圖3 蒸汽發生器錐形筒體Fig.3 Transition cone of steam generator

2.5 一次側水室封頭的制造難點

一次側水室封頭是蒸汽發生器中承受一次側高溫、高壓的部件，一般設計成半球形，早期采用低合金鋼或碳鋼鑄造而成，一次側進口、出口接管、人孔法蘭座可連同底封頭一起整體鑄造出來。大亞灣核電站蒸汽發生器水室封頭采用20MN5M碳鋼整體鑄造，秦山二期核電站蒸汽發生器水室封頭為帶一次側進出口接管和人孔法蘭座的SA5083a級低合金鋼鍛件，然后再與底封頭環焊接。為了減少在役檢查的工作量和檢查人員受到的輻射劑量，AP1000蒸汽發生器的水室封頭為整體鍛件，如圖4所示。

圖4 蒸汽發生器水室封頭Fig.4 Channel head of steam generator

AP1000蒸汽發生器水室封頭制造難點是：1）鋼錠鍛造完成后的毛坯重量為200多噸，且形狀復雜，不容易鍛透，會造成內部偏析或晶粒粗大等缺陷；2）鍛件經熱處理后的化學分析和機械性能要求水室封頭本體和進出口管嘴都要滿足表1和表2的要求，再熱裂紋敏感系數ΔG=3.3Mo+Cr+8.1V-2≤0；3）水室封頭上有整體鍛造的1個支撐凸臺和6個接管嘴（2個一次側人孔，2個出口管嘴，1個進口管嘴和1個非能動換熱管嘴），特別是連接兩臺反應堆冷卻劑泵泵殼的接管直徑大且為垂直方向，更增加了鍛造工藝的難度；4）水室封頭本身的最終壁厚與管嘴的最終壁厚不同，要靠機加工來完成；5）鍛造完成后，內壁及管嘴都要堆焊不銹鋼。

目前，中國一重和韓國斗山重工都已成功制造水室封頭鍛件。

3 建議和措施

3.1 冶煉和成分控制

為了達到較低的脆性轉變溫度、較高的拉伸性能，必須嚴格控制雜質元素如硫、磷等元素的含量，以及有害氣體的含量，如氫的含量等，采用雙真空冶煉澆鑄技術。

國內重機企業經過多年的研究發展，在熔煉和澆注方面取得較大進步，同樣產品中有害氣體控制量、雜質元素含量已經與國外的供應商相當或更好，熱加工能力也得到了長足的發展。目前，國家對中國一重鑄鍛鋼基地及大型鑄鍛件自主化改造項目已經完成，在生產能力和技術水平上已接近世界一流水平。項目建成后，一重將形成年產鋼水50萬t、鍛件24萬t、鑄鋼件6萬t的能力。屆時，可一次提供鋼水700 t，澆注最大雙真空鋼錠600 t，最大鑄件500 t，提供最大鍛件400 t。

3.2 鍛造和熱處理

AP1000機組要求鍛件熱處理表面距精加工表面不超過19 mm，以保證鍛件熱處理效果。這就要求制造廠精準鍛造，制造出與精加工形狀相近的鍛件，從而減少了鍛件重量和鋼錠重量，也減少了材料成本和機械加工工時成本，有利于減少鍛件制造周期和降低鍛件成本。同時可以保證鍛件的纖維流向和厚壁鍛件芯部的熱處理效果。鍛件一般經過鍛后熱處理和調質（淬火和回火）兩次熱處理以提高鍛造性能和機械性能。

大直徑筒體和封頭在熱處理時預防變形也是值得注意的，應防止由鍛后熱處理引起鍛件變形而報廢的現象，尤其是蒸汽發生器的錐形筒體。

3.3 制造中存在的管理問題

3.3.1 機械加工問題

蒸汽發生器鍛件體積大、形狀復雜、鍛件機加工的要求比較高，要在專用設備上加工。國內制造的鍛件在機加工過程中，由于操作人員失誤，造成多次出現局部尺寸超差，不滿足圖紙尺寸要求的情況；也曾幾次出現在機床加工時，刀具在工件表面打刀造成凹坑；制造中技術人員的技術交底不充分或看錯圖紙等，這些錯誤都曾導致鍛件的報廢。

海陽核電站1號蒸汽發生器水室封頭A在精加工時，由于操作工用錯刀盤，造成加工凸臺高度方向沒有足夠的余量確保尺寸滿足精加工圖紙的要求，導致重大質量問題，延誤制造進度。

3.3.2 吊裝問題

精加工后的鍛件在存放和吊裝時要進行保護，避免磕碰傷表面而產生不符合項。三門核電站1號蒸汽發生器橢球封頭A鍛件在吊裝過程中，操作人員在掛鉤未掛穩前急于起吊造成跌落事件，造成焊接坡口受損；三門核電站1號蒸汽發生器管板吊耳焊接在母材表面缺陷區域，焊接過程中產生應力集中和氫致裂紋，導致焊縫強度不夠，吊裝過程中焊縫撕裂，鍛件報廢。

3.4 國內外鍛件制造的經驗總結

鍛件制造過程中的質量問題一方面是由于制造商的技術水平和管理能力不夠；另一方面是由于AP1000依托項目首堆是設計理念第一次付諸實際，很多設計進度滯后于制造進度，設計變更頻繁，造成了制造廠的技術準備工作不充分，增加了鍛件制造質量管理難度；第三是由于AP1000依托項目的鍛件采用的是美國ASME標準，制造廠的質保體系不完善，工作人員不熟悉ASME標準和NQA-1的質保要求，造成人為失誤，引起質量問題。

4 國產化建議措施

本文通過對AP1000蒸汽發生器制造難點的分析，根據三門和海陽兩個依托項目蒸汽發生器鍛件的實踐，指出了在生產過程中需要引起關注的問題。下面針對這些問題提出一些國產化建議：

1）制造廠要利用技術轉讓的機會，多向國外學習先進的制造技術和管理水平，提高熔煉、澆注和熱處理質量，減少鍛件中雜質元素及氫等有害氣體的含量，提高鍛件的機械性能。

2）制造廠要嚴格按照ASME的要求完善質保體系，加強質檢、質保人員的核安全文化及NQA-1的培訓，發現問題后具備提出建議的解決措施的能力；加強操作人員的培訓和考核，尤其是對關鍵工序和特殊工藝的操作人員，如熱處理、焊接和無損檢驗等；加強質量過程監督，認真吸取、總結經驗教訓，提高制造工藝水平。

3）在重要或關鍵工序開始前，應該進行嚴格的先決條件檢查，確保設備、人員資質、程序及場地滿足要求，確保車間的制造活動按照批準的工藝、程序執行。

4）作為承包單位，在鍛件采購過程中，要進行嚴格的供應商評價，無論制造廠有無相關產品的經驗，對于形狀、尺寸和材料等參數發生變化時，需要制造模擬件并進行評定，以選擇合格的供應商。

5）建立經驗總結和反饋平臺，采取切實可行的糾正措施，防止重復的質量問題發生，在實現國產化的基礎上提高制造質量，保證鍛件質量。

近兩年，國內鍛件供貨商經過多次試驗研究，逐漸攻克了AP1000蒸汽發生器關鍵鍛件的技術難關，已經成功制造了錐形筒體、管板和水室封頭鍛件，為AP1000蒸汽發生器鍛件國產化打下了堅實的基礎。

[1]林誠格，郁祖盛，等. 非能動安全先進核電廠AP1000[M]. 北京：原子能出版社,2008，(8)：110-118.（LIN Cheng-ge, YU Zu-sheng, et al. Passive Safety of Advanced AP1000 Nuclear Power Plant [M]. Beijing: Atomic Energy Press,2008, (8):100-118.）

[2]美國西屋公司蒸汽發生器設計規范書APP-MB01-Z0-101[S].（The design specifications for Westinghouse steam generator (APP-MB01-Z0-101)[S].）

[3]ASME Boiler and Pressure Vessel Code. SectionⅢ, Rules for Construction of Nuclear Power Plant Components[R],2004 Edition.

[4]唐偉寶, 顧振波. 秦山二期600 MW核電機組蒸汽發生器制造[J]. 核電工程與技術,2003，(1):7-15.（TANG Wei-bao, GU Zhen-bo. Manufacturing of the steam generator of the600 MW nuclear power plant of Qinshan II [J]. Nuclear Power Engineering and Technology,2003, (1):7-15.）

[5]王作益. 蒸汽發生器部件制造與焊接. 大亞灣核電站建設經驗匯編[M].（WANG Zuo-yi. Manufacturing and welding for steam generator components.Collection of Construction Experience of Daya Bay NPP [M].）