百萬千瓦級核電站蒸汽發(fā)生器大鍛件工藝評定

關(guān) 暉，李 磊，毛輝輝

(中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610041)

百萬千瓦級核電站蒸汽發(fā)生器大鍛件工藝評定

關(guān) 暉，李 磊，毛輝輝

(中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610041)

文章介紹了百萬千瓦級核電站蒸汽發(fā)生器大鍛件工藝評定的背景、依據(jù)、目的、技術(shù)指標(biāo)和評定方法。根據(jù)蒸汽發(fā)生器鍛件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和制造工藝，形成了一整套評定試驗(yàn)方案，可以對鍛件各部位的化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織和內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行全面驗(yàn)證。該方案已在國內(nèi)福清、方家山等多個(gè)核電工程中的蒸汽發(fā)生器鍛件評定中成功應(yīng)用。

蒸汽發(fā)生器; 鍛件; 工藝評定

蒸汽發(fā)生器大鍛件的供貨是百萬千瓦級核電站蒸汽發(fā)生器國產(chǎn)化制造的瓶頸。長期以來，蒸汽發(fā)生器大鍛件的制造技術(shù)僅掌握在法國、日本等國家的少數(shù)廠家手里，制約著我國蒸汽發(fā)生器設(shè)備國產(chǎn)化的經(jīng)濟(jì)性和核電工程進(jìn)度。十一五期間，我國核電邁入了批量化建設(shè)的階段，紅沿河、寧德、陽江、福清、方家山等一系列二代改進(jìn)型百萬千瓦級核電站開工建設(shè)。為了降低核電站造價(jià)、保證工程進(jìn)度，同時(shí)提升國產(chǎn)裝備技術(shù)能力，亟需突破蒸汽發(fā)生器大鍛件國產(chǎn)化難題。

為了滿足工程建設(shè)的需要，中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院于2008年成立了核級設(shè)備制品評定中心，專門負(fù)責(zé)組織反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器等關(guān)鍵核級設(shè)備用制品的評定認(rèn)證工作。在蒸汽發(fā)生器鍛件方面，目前已完成了國內(nèi)一重、二重、上重等鍛件制造廠共十余種（次）鍛件的制造工藝評定認(rèn)證，經(jīng)評定合格的鍛件已用于福清、方家山等核電項(xiàng)目蒸汽發(fā)生器制造，促進(jìn)了設(shè)備國產(chǎn)化能力的提升，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 評定依據(jù)和目的

二代改進(jìn)型百萬千瓦級核電站由引進(jìn)的法國核電技術(shù)發(fā)展而來，并結(jié)合我國核電站建造經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，建造規(guī)范總體上仍沿用法國體系，其中蒸汽發(fā)生器采用RCC-M規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造。按照RCC-M規(guī)范要求，鍛件制造廠在首次進(jìn)行蒸汽發(fā)生器大鍛件供貨前，為驗(yàn)證鍛件的性能滿足規(guī)范要求，應(yīng)進(jìn)行制造工藝評定。

應(yīng)進(jìn)行評定的蒸汽發(fā)生器大鍛件包括：管板、下封頭、圓柱筒體、錐筒體和上封頭鍛件，這些鍛件是一次側(cè)和二次側(cè)承壓邊界的重要組成部分。鍛件材料為錳－鎳－鉬低合金鋼，牌號為18MND5。

這些鍛件噸位大、具有大直徑厚壁的特點(diǎn)，且上封頭、下封頭等鍛件形狀復(fù)雜，鍛造和成形難度大，各鍛件產(chǎn)品交貨重量和總體尺寸情況見表1。

蒸汽發(fā)生器大鍛件的評定依據(jù)RCC-M M140的要求及各鍛件相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。通過評定，應(yīng)能驗(yàn)證：

表1 鍛件重量及尺寸Table1 Weight and size of forgings

1）鍛件的化學(xué)成分滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求且分布均勻；

2）鍛件的力學(xué)性能滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求且性能均勻；

3）鍛件的內(nèi)部質(zhì)量良好，滿足無損檢測驗(yàn)收要求。

通過對鍛件性能的檢驗(yàn)，評定的最終目標(biāo)是形成并固化鍛件的冶煉、鍛造、熱處理、無損檢測等關(guān)鍵工藝。

2 主要技術(shù)指標(biāo)

蒸汽發(fā)生器鍛件長期在高溫高壓環(huán)境中使用，并承受多種瞬態(tài)工況，設(shè)計(jì)壽命長達(dá)40～60 a。在力學(xué)性能上，要求材料具有良好的高溫強(qiáng)度性能，并需要良好的沖擊韌性性能與之匹配，避免在大量交變載荷作用下出現(xiàn)疲勞裂紋導(dǎo)致脆性斷裂。在鍛件內(nèi)部質(zhì)量上，嚴(yán)格控制夾雜物水平和允許的缺陷尺寸。鍛件化學(xué)成分的配比在滿足力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，還應(yīng)保證材料的淬透性、可焊性和鍛造成形性能，應(yīng)嚴(yán)格控制有害元素硫、磷以及殘留低熔點(diǎn)元素的含量。

蒸汽發(fā)生器鍛件的化學(xué)成分要求見表2，力學(xué)性能要求見表3。

應(yīng)對鍛件的非金屬夾雜物水平和晶粒度進(jìn)行檢測，要求硫化物、氧化鋁、硅酸鹽、環(huán)氧化物夾雜物分別不超過1.50級，晶粒度應(yīng)細(xì)于5級。

對交貨鍛件應(yīng)按NF A 04-308標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)行100%體積超聲檢測，滿足該標(biāo)準(zhǔn)3級質(zhì)量要求，不允許存在尺寸超過φ5 mm當(dāng)量的孤立點(diǎn)狀缺陷，不允許存在尺寸超過φ3 mm的密集型點(diǎn)狀缺陷。

3 評定方案

為了達(dá)到評定目標(biāo)，尤其是驗(yàn)證鍛件各部位性能的均勻性，應(yīng)制定合理可行且經(jīng)濟(jì)的評定試驗(yàn)方案。

導(dǎo)致同一鍛件不同部位性能存在差異的因素主要包括：一是鑄錠過程中產(chǎn)生的化學(xué)成分偏析，主要體現(xiàn)在鋼錠水口端、冒口端的化學(xué)成分差異上；二是鍛造過程中壓力加工的不均勻性，主要體現(xiàn)在變形方向和鍛造比不均勻上；三是熱處理參數(shù)實(shí)際分布的不均勻性。

表2 化學(xué)成分要求Table2 Chemical composition requirements

表3 力學(xué)性能要求Table3 Mechanical property requirements

制定評定方案時(shí)應(yīng)針對各類鍛件的特殊結(jié)構(gòu)和制造特點(diǎn)，在材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試驗(yàn)要求的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)關(guān)注制造難度較大的局部區(qū)域，補(bǔ)充一系列試驗(yàn)和檢測，驗(yàn)證鍛件的整體性能滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

（1）筒體類鍛件

蒸汽發(fā)生器圓柱筒體（見圖1）和錐筒體（見圖2）鍛件的材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為RCC-M M2133。目前，國內(nèi)鍛件廠一般采用澆注實(shí)心鋼錠，然后采用鐓粗、沖孔、拔長、擴(kuò)孔的方式制造筒體類鍛件。對于錐筒體鍛件，還需采用專用模具鍛造成形。

圖1 圓柱筒體Fig.1 Cylinder shell

圖2 錐筒體Fig.2 Cone shell

筒體類鍛件形狀相對規(guī)則，主要應(yīng)關(guān)注對應(yīng)澆注鋼錠水口端、冒口端的筒體兩端性能的差異。針對這一特點(diǎn)，筒體類鍛件應(yīng)在兩端均取樣進(jìn)行檢驗(yàn)，同時(shí)為驗(yàn)證理化性能在鍛件壁厚上的均勻性，應(yīng)在壁厚的內(nèi)1/4T、1/2T和外1/4T位置（T代表鍛件性能熱處理時(shí)的厚度）均取樣進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)項(xiàng)目包括技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)和力學(xué)性能試驗(yàn)等所有項(xiàng)目。

筒體類鍛件由于鑄錠中質(zhì)量最差的中心部分已被沖孔去除，因而質(zhì)量一般較好。筒體的主要變形方向一般為周向，組織缺陷的主要取向與筒體圓柱表面平行，超聲檢測時(shí)應(yīng)以直探頭為主從內(nèi)表面和外表面探測。同時(shí)，考慮到鍛件較厚，還應(yīng)用斜探頭從內(nèi)、外表面從軸向和周向探測。此外，為了發(fā)現(xiàn)與軸線垂直的橫向缺陷，還要求采用直探頭從鍛件兩端面進(jìn)行探測。

（2）管板鍛件

蒸汽發(fā)生器管板鍛件（見圖3）的材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為RCC-M M2115。管板鍛件屬于特厚餅形鍛件，鍛造工藝主要為交替的鐓粗和拔長過程。

管板鍛件的主要特點(diǎn)是厚度較大，中心部位材料鍛實(shí)困難且熱處理時(shí)不易淬透從而影響力學(xué)性能，容易出現(xiàn)超聲檢測超標(biāo)缺陷。

為了全面驗(yàn)證鍛件的性能，對管板鍛件采取解剖檢驗(yàn)的評定方案（見圖4），將管板在厚度方向上分為5層，每層在1/4半徑、1/2半徑和3/4半徑處均取試樣進(jìn)行理化性能檢驗(yàn)。包括技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)和力學(xué)性能試驗(yàn)等所有檢驗(yàn)項(xiàng)目。

圖3 管板Fig.3 Tube sheet

圖4 管板取樣位置Fig.4 Sample position of tube sheet

管板鍛件的最終鍛造通常為鐓粗過程，缺陷的分布主要平行于端面，超聲檢測時(shí)應(yīng)采用直探頭從兩端面檢測，有利于檢出缺陷。同時(shí)，應(yīng)注意管板兩側(cè)將與筒體或下封頭連接的凸緣位置的檢測時(shí)機(jī)，應(yīng)保證交貨鍛件的100%體積均已檢測。該凸緣部位位于設(shè)備結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域，應(yīng)力狀況復(fù)雜，質(zhì)量應(yīng)得到充分保證，該區(qū)域內(nèi)、外圓面還應(yīng)全部采用直探頭和斜探頭進(jìn)行掃查。

（3）上封頭鍛件

蒸汽發(fā)生器上封頭鍛件（見圖5）的材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為RCC-M M2134。上封頭鍛件蒸汽出口接管嘴為與上封頭橢球部分成為一體化設(shè)計(jì)，加大了制造難度。上封頭鍛件采用先鍛造管坯，然后采用專用模具沖壓成型的制造工藝。

圖5 上封頭Fig.5 Upper head

由于上封頭鍛件管嘴區(qū)域的厚度與橢球區(qū)域的厚度相差較大，且封頭形狀復(fù)雜，容易導(dǎo)致熱處理時(shí)冷卻條件存在較大差別，需要重點(diǎn)關(guān)注其性能差異。

為驗(yàn)證封頭兩端性能的均應(yīng)性，要求在封頭大端（開口端）和管嘴部位都應(yīng)截取試環(huán)取樣進(jìn)行檢驗(yàn)（見圖6）。

圖6 上封頭取樣位置Fig.6 Sample position of upper head

為驗(yàn)證封頭在壁厚方向上性能的均勻性，在封頭大端的內(nèi)1/4T、1/2T和外1/4T位置均取樣檢驗(yàn)。

為考核管嘴厚壁區(qū)域的性能，要求在性能熱處理后精加工階段從蒸汽出口流量限制器管孔部位套棒料進(jìn)行理化性能檢測。

上封頭鍛件形狀復(fù)雜，應(yīng)尤其注意超聲檢測時(shí)機(jī)的選擇，部分區(qū)域（譬如內(nèi)表面的凸臺(tái)）應(yīng)在鍛件精加工至交貨狀態(tài)前（但應(yīng)在性能熱處理后）進(jìn)行檢測，保證鍛件100%體積均有效掃查。為充分保證鍛件質(zhì)量，在成形前的板坯階段，也要求進(jìn)行一次100%體積超聲檢測，合格后才能進(jìn)行板坯沖壓，防止將板坯中的缺陷帶入成形封頭。

超聲檢測時(shí)，應(yīng)采用直探頭和斜探頭從封頭的所有內(nèi)、外表面和管嘴端面進(jìn)行掃查，以檢出與封頭表面平行或成角度的缺陷。

（4）下封頭鍛件

蒸汽發(fā)生器下封頭鍛件（見圖7）的材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為RCC-M M2143。下封頭鍛件為半球形結(jié)構(gòu)，并帶有安裝蒸汽發(fā)生器用的4個(gè)支承凸臺(tái)以及反應(yīng)堆冷卻劑進(jìn)、出口管嘴，形狀異常復(fù)雜，是蒸汽發(fā)生器鍛件中成形難度最大的鍛件。

同上封頭鍛件類似，下封頭鍛件也采用先鍛造板坯，然后采用專用模具沖壓成形的制造工藝。封頭成形后，在進(jìn)、出口接管位置開孔，然后局部加熱沖出接管嘴。

圖7 下封頭Fig.7 Lower head

下封頭接管嘴區(qū)域成形復(fù)雜，且位于設(shè)備結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)，應(yīng)力狀況復(fù)雜，需要重點(diǎn)關(guān)注該區(qū)域的性能。

為驗(yàn)證封頭性能的均應(yīng)性，在下封頭開口端和兩個(gè)接管嘴位置都取樣進(jìn)行檢測（見圖8），并且取樣位置包括各自的內(nèi)1/4T、1/2T和外1/4T位置。

圖8 下封頭取樣位置Fig.8 Sample position of lower head

在下封頭上，還設(shè)置有2個(gè)人孔，出于便利后續(xù)蒸汽發(fā)生器制造廠在下封頭內(nèi)部進(jìn)行整體堆焊操作的需要，通常鍛件供貨時(shí)未開人孔，使得鍛件在整體浸沒式淬火時(shí)人孔區(qū)域的冷卻條件苛刻。針對評定件，在人孔區(qū)域特別要求取樣進(jìn)行性能驗(yàn)證。

下封頭無損檢測的要求與上封頭類似。采用直探頭和斜探頭從封頭的所有內(nèi)、外表面和管嘴端面進(jìn)行掃查，應(yīng)選擇合適時(shí)機(jī)，保證100%體積均有效檢測。

4 結(jié)論

依據(jù)RCC-M規(guī)范的要求，通過分析蒸汽發(fā)生器筒體、管板、上封頭和下封頭鍛件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和制造工藝，提出了鍛件的評定方案。評定方案可全面驗(yàn)證鍛件各部位化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織及內(nèi)部質(zhì)量滿足規(guī)范要求，并已應(yīng)用于國內(nèi)多個(gè)核電工程蒸汽發(fā)生器鍛件的評定，為推動(dòng)核級設(shè)備制品國產(chǎn)化，提高大型核電設(shè)備制造廠的技術(shù)能力提供了有力保障。

Qualif cation of Steam Generator Forgings Used in 1000 MW Grade Nuclear Power Plant

GUAN Hui，LI Lei，MAO Hui-hui
（Nuclear Power Institute of China, Chengdu of Sichuan Prov. 610041，China）

This article introduces the background, code requirements and methodology concerning qualification of steam generator forgings used in 1000 MW grade nuclear power plant. Qualification plan is established based on reviewing the characteristics of configurations and manufacturing techniques of steam generator forgings. The qualification plan can evaluate the homogeneity of the chemical analysis and the mechanical properties and can check effectively the internal soundness of the forgings. The plan has been implemented successfully on steam generator forgings qualification in several engineering projects such as Fuqing，F(xiàn)angjiashan nuclear power plants.

steam generator；forging；qualification

TL341 Article character：A Article ID：1674-1617(2014)03-0229-05

TL341

A

1674-1617(2014)03-0229-05

2014-05-07

關(guān) 暉（1970—），男，高級工程師，工學(xué)學(xué)士，長期從事核電工程設(shè)計(jì)工作。