核電主蒸汽超級管道管段制造工藝及質量控制

黃炳臣 鄧 冬 熊冬慶 石 紅

(環境保護部核與輻射安全中心，北京 100082)

主蒸汽超級管道是指反應堆安全殼外從主蒸汽管線的安全殼機械貫穿件起，至主蒸汽管線橫向限制件下游第一道焊縫止的一段飽和蒸汽管道。超級管道熱工參數高、焊縫多、受力復雜，尤其在事故工況下所受沖擊力大，具有較高的安全性要求［1］，故法規和標準將其定義為核安全2 級設備。

主蒸汽超級管道由于要與多個安全閥進行連接，因此在其上存在多個管嘴。早期核電機組如秦山一期和大亞灣核電站主蒸汽超級管道連接主蒸汽安全閥的管嘴是采用支管焊接方式，即在母管上開孔，然后把支管焊接上去。這種制作方法工藝簡單，但會造成該部位金屬材料不連續，焊縫部位易產生應力集中，且對焊接質量和接管的補強都有較高的要求。隨著管子成型工藝的不斷發展，在上個世紀的九十年代后建造的核電站中主蒸汽超級管道開始采用擠壓成型管嘴，該工藝可以一次成型，金屬組織連續，減少了焊縫，提高了核電廠運行的可靠性［1］。

以秦山二期核電廠(該電廠為二代改進型核電廠)為例，每根主蒸汽超級管道是由5 段管段焊接而成，這5 段管段分別稱為管段T1(最終長度2.7 m)、管段T2(最終長度3.6 m)、管段T3(最終長度4.4 m)、管段T4(最終長度4.481 m)和管段T5。管段T5為超級管道和主蒸汽機械貫穿件之間的過渡段。5 段管段的管徑均為Φ813 mm×46 mm，材料為P280GH(法國材料牌號，大致相當于我國的16Mn)。各管段均在工廠制作，在安裝現場將其組焊為一根超級管道。主蒸汽超級管道除了帶有管嘴的管段外，還有些附件，主要包括:限制件、保溫件固定金屬環、探傷用可拆卸插塞、測壓管頭和加能助動管嘴等［2］。其基本結構見圖1，設計參數見表1。由于超級管道的主要加工難度在于管嘴的熱擠壓成型，因此本文主要介紹管段(含管嘴)的制造工藝及質量控制。

表1 主蒸汽超級管道的設計參數［2］

1 母管的制造要求

M310 改進型核電機組用超級管道的母管材料一般采用P280GH，鋼管的制作一般是由鍛造、擠壓或芯棒拉制成型。鋼管用鋼是由電爐冶煉的全鎮靜鋼，鋼水應脫氧后澆鑄，鋼管應在正火狀態下交貨。

對鋼管需進行化學成分檢驗和碳當量測定，其澆包鋼水和成品管的化學成分應符合表2 的規定值，除由脫氧帶入的成分外，不能隨意添加未列出的成分。

制造鋼管的圓鋼或管坯應取自頭部和底部有充分切除量的鋼錠，總鍛造比應≥3，鋼管應采用熱成型的方式制造，優先選用鍛造工藝制造的鋼管。

管子應取樣進行拉伸(室溫和300 ℃)、沖擊、壓扁等力學性能實驗。此外還應進行模擬消除應力熱處理的材料實驗(拉伸、沖擊)，模擬消除應力熱處理的名義保溫溫度為605 ℃，保溫時間為每1 mm 厚度6 min，最少為2 h。試驗時可以用彎曲實驗代替壓扁試驗，一組彎曲實驗應包括2 個試樣，一個為正向彎曲試樣，一個為反向彎曲試樣。直管的主要力學性能應符合表3 的規定值。

鋼管晶粒度的大小應按照有關標準測定，晶粒度應細于5 級。成品鋼管應完成相應的表面缺陷檢驗和體積缺陷檢驗，主要的檢驗項目有目視檢驗、液體滲透檢驗及超聲檢驗，為了提高體積性缺陷的檢出效果，可增加射線檢驗項目，同時鋼管交貨前還應該完成水壓試驗。

2 管嘴成型工藝要求

主蒸汽超級管道的管嘴采用熱擠壓成型工藝。其主要的制造工藝環節如下:母管原材料合格后，需要進行下料，平齊管子兩端，確定基準后進行劃線，以確定各個管嘴的位置。鉆管嘴孔，并根據不同的管嘴直徑分別進行鏜擴孔。然后進行管嘴部位局部加熱，通過一定的工具(一般可以采用油壓機)和工裝進行管嘴拉拔，所有管嘴拉拔完成后對整個母管進行正火+回火的熱處理。然后對成型后的管子進行檢驗、實驗及無損探傷，加工相應的管嘴使其滿足高度要求并加工坡口。

整個加工過程中有以下幾點需要進行重點控制:

(1)孔位置的確定。由于主蒸汽超級管道管嘴之間距離要求偏差較小，且各管嘴中心線在母管周向位置角度偏差要求在-1.44°～+1.44°之間，因此需使用合理工裝放置管子，設定好基準后劃線找正，確定各個孔的中心位置。

表2 主蒸汽超級管道用鋼管的化學成分［3］(ωt/%)

表3 主蒸汽超級管道用鋼管的主要力學性能［3］

(2)鏜擴孔的直徑及有關尺寸。主蒸汽超級管道上有2 種尺寸規格的管嘴，一種為Φ243 μm×23 mm，高度為45 mm;另一種為Φ88.9 mm ×7.65 mm，高度30 mm。由于二者是從同一種壁厚的管子上擠壓而成，但高度和直徑卻有較大的差異，因此，對于管徑較大的管嘴，可采用通孔，而對于管徑和管壁厚較小的管嘴，由于成型后需要較小的金屬補償，則需要采用凹錐孔的方式，見圖2。

(3)管嘴成型前的預熱。要吊裝好管段，在管壁的外側設置局部加熱裝置，從管壁外側加熱，在管壁內側設置圈火蓋，防止在加熱時熱量的進一步散失。圈火蓋內應設置熱電偶，檢測加熱溫度。進行火焰加熱時，管嘴孔與火口應有一定的距離，加熱過程中防止出現過燒和過熱的現象。要嚴格控制加熱速度、加熱溫度以及恒溫時間，可以輔助紅外線測溫儀監測加熱溫度。先以較快的加熱速度升溫到400 ℃左右，然后以一個恒定的速度加熱至1 200 ℃左右，并在該溫度下保持一定時間的恒溫，加熱區域以預置孔為中心的局部加熱，加熱面為Φ300 mm～350 mm［4］。加熱工裝示意圖見圖3。

(4)管嘴的擠壓成型。首先要根據拉拔管嘴的外徑大小，設計一套拉拔工裝和模具。將加熱到溫的管段迅速地吊裝到拉拔模具中，迅速找正，放置拉拔桿，并對正拉拔桿的入口。裝入拉頭，并施加拉力以一定的速度拖拉拉桿。注意在拉拔的過程中不得出現裂紋和微裂紋。更換不同的拉頭，依次進行拉拔，至最終成型至合格的尺寸。在此過程中需注意拉拔管嘴處的溫度不應低于750 ℃。成型前需設計完成相應的工裝，如龍門架，用以固定母管。拉力的產生可使用壓力機配合龍門架完成。擠壓成型管嘴示意圖見圖4。所有的管嘴擠壓成型完成后，應對母管進行整體校直，公差為1 mm/m。

(5)管段的最終熱處理。為了保證超級管道管段的金相組織及最終力學性能，需對已經完成熱擠壓成型的管段進行正火，正火的保溫范圍在890～940 ℃之間，保溫一定的時間后，在靜止的空氣中冷卻。然后再進行高溫回火，回火的保溫溫度在610 ℃左右，保溫一定的時間后在空氣中冷卻。

(6)管段最終機加工。在大型立式車床上對完成取樣和水壓試驗后的主蒸汽管段進行機加工，把管段的長度和管嘴的高度加工至要求的尺寸，并加工好焊接坡口。

3 管段的成品檢驗

主蒸汽超級管道管段最終熱處理完成后，尚需要完成以下的檢驗和試驗:

3.1 化學成分分析

從管段延長段上切取試樣進行化學成分分析，分析方法可以采用光譜分析法或化學分析法。測得產品的化學成分應與原材料鋼管的化學成分相同。

3.2 力學性能檢測

力學性能試樣也應從管段延長段上切取。取樣應分為兩個部分，一部分為正常態，另一部分需要進行模擬消除應力熱處理。試樣包括拉伸2 個(室溫、300 ℃高溫各1 個)、沖擊每組3 個。每種試樣都要從周向和軸向兩個方向切取。

3.3 尺寸檢驗

對管段需進行基本尺寸、管嘴的壁厚、管嘴同管段的連接半徑、管嘴高度、管段的橢圓度、管嘴的垂直度、管段的彎曲度以及管嘴之間的間距等重要幾何尺寸進行測量。

(1)管段的基本尺寸。應測量管段的外徑、內徑、壁厚、長度、直線度及內外表面的同心度等。

(2)管嘴壁厚。應在4 個截面上檢驗熱擠壓管嘴的壁厚，這4 個截面分別取自包含管段中心線和管嘴中心線的剖面。具體有關尺寸的界定可參照RCC-M C3643.4 中有關定義。測量時如難以用量具測量，則可采用超聲波測厚的方式。測量所得的最小壁厚應滿足設計圖紙的要求。

(3)管嘴同管段的連接半徑。每一個管嘴的外表面同管段的連接半徑應≥圖紙中要求的尺寸和公差。若尺寸不能滿足要求，不可進行機加工修復。

(4)管嘴高度。每一個管嘴都應測量其高度，應在管嘴中心線和管段中心線的平面上測量管嘴高度，且測量的測點應距離管嘴內壁150 mm。管嘴高度應滿足圖紙要求。

(5)管段的橢圓度。管段的橢圓度定義為:(最大內徑-最小內徑)/公稱內徑，測量位置應位于管子兩端150～200 mm 的段，橢圓度應≤0.5%。

(6)管嘴的垂直度。管嘴的垂直度應就其縱軸和橫軸分別測量。

(7)管段的彎曲度。應測量每一段管段的彎曲度，對于最長的管段，其彎曲度應是其外徑的0.5%。

(8)管嘴間距。管嘴之間的中心線距離應滿足圖紙要求。

3.4 晶粒度測量

在整個超級管道進行熱處理后需進行超級管道管段和擠壓管嘴的晶粒度檢驗，管段取樣需在其延伸段，管嘴則在每一個擠壓管嘴在擠壓余料上成90°的4 個點位置上(在管段中心線以及垂直軸線上)進行晶粒度測試取樣。最終晶粒度檢驗的結果應細于5 級。

3.5 無損檢驗

對于熱擠壓部分，需按照RCC-M MC7000 進行100%的目視檢驗，不允許有任何表面裂紋、重疊或其他缺陷。對管嘴的內外部表面還需按照RCC-M MC5000 的要求進行100%的磁粉探傷，并按相應的規范要求進行驗收。此外，還需按照RCC-M MC2000 的要求對管嘴部分進行100%的超聲波探傷，若超聲探傷難以實施或對結果判斷有困難，也可以按照RCC-M MC3000 的要求對管嘴部分進行100%的射線探傷。

3.6 水壓試驗

主蒸汽超級管道需在工廠完成水壓試驗，試驗應按照RCC-M C5230 的要求進行。試驗壓力為12.75 MPa，試驗用水應滿足RCC-M B 級水的要求，保壓時間至少為30 min，且有足夠的時間對擠壓成型的部位進行觀察。試驗后主蒸汽超級管道應該無泄漏，也無明顯殘余變形。

對于管嘴成型時能夠把管嘴高度拉拔到超過設計圖紙要求的，可在管嘴及管段兩端焊接管帽進行打壓試驗，若不能，則需設計一套工裝封堵管嘴及管段兩端進行打壓試驗。對于前者，在打壓試驗完成后需切除管帽，對管嘴和管段兩端進行機加工，以滿足圖紙尺寸要求。

4 結語

綜上所述，在主蒸汽超級管道管段的制造過程中，以下4 點需嚴格控制:

(1)嚴把母管采購或制造關，保證母管合乎標準要求且質量優異，是主蒸汽超級管道管段能夠順利制造成功的先決條件;

(2)生產單位須根據自身裝備的實際情況，來設計并制造合適的工裝模具，是主蒸汽超級管道管段能夠順利生產的基礎;

(3)設計合理的加熱工具，確定合適的加熱溫度、升溫速度及保溫時間是主蒸汽超級管道管段能否制作成功的關鍵;

(4)建立起滿足我國核安全法規［5］要求的核級質量保證體系，并在產品生產過程中有效實施，是保證主蒸汽超級管道管段質量的必然要求。

我國目前二代改進型核電廠中使用的主蒸汽超級管道基本上都是國外進口，國內只有武漢重工鑄鍛有限公司提供過少量產品，其他幾個管配件制造企業也只是完成了該產品的樣件制造工作。這與我國作為管道和管配件的生產大國的地位極其不匹配。其實只要按照上述四個要點，做好制造技術控制，以我國目前管道和管配件生產企業的裝備和人員水平是能夠提供合格主蒸汽超級管道的。

［1］薛源，劉金貴.核電站主蒸汽超級管道管嘴受力分析［J］.廣東電力，2012(12):37 -39.

［2］黃炳臣，石紅，沈偉，等.主蒸汽超級管道許可證模擬件制作的基本要求［J］.核安全，2014(3):78 -83.

［3］上海科學技術文獻出版社.RCC-M-2002 +2002 補遺:壓水堆核島機械設備設計和建造規則［S］.2010.

［4］曾年勝.鋼管管嘴局部快速加熱系統的研制［J］.工業爐，2010(4):22 -24，26.

［5］國家核安全局.HAF003 核電廠質量保證安全規定［S］.國家核安全局，1991.