壓水堆核電廠穩壓器熱成形封頭評定

鄧豐　黃燕　李煥鳴　袁宏　田雅婧

【摘 要】穩壓器是壓水堆核電廠一回路冷卻劑系統的主設備之一，對整個核電廠的運行和安全起著重要的作用。百萬千瓦級壓水堆核電廠穩壓器采用板焊結構，封頭采用低合金鋼鋼板通過熱沖壓成形制造。本文基于核電設備建造規范的要求，對穩壓器熱成形封頭的評定進行研究。根據穩壓器封頭的成形工藝，確定了穩壓器封頭制造中的主要工藝及關鍵參數，并明確了評定過程中相關的試驗和檢驗。對評定試驗的結果進行了初步統計和分析。結果表明，按既定工藝成形后的封頭質量滿足規范和設計要求，且各部位的強度均勻性良好。

【關鍵詞】穩壓器;熱成形;封頭;評定

中圖分類號： TM623.91文獻標識碼： A 文章編號： 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

穩壓器是壓水堆核電廠反應堆冷卻劑系統的主設備之一，為核安全1級設備。穩壓器設計建造規范為《壓水堆核島機械設備設計和建造規則》[1]（RCC-M），穩壓器為板焊結構，主承壓殼體材料均為低合金鋼16MND5鋼板（RCC-M中牌號），封頭采用低合金鋼鋼板通過熱沖壓成形。

在RCC-M中，特別規定對于規范1級設備的主要承壓部件需要進行制品評定，以驗證按既定的大綱制造的制品或部件具有滿意的制造過程和使用條件，制品評定是判定制品特性的時機，尤其是制品的獨特性及可試驗性。根據規范要求，通過制品評定，最終必須滿足下列要求[2]：

（1）通過對制品試料化學成分試驗測量結果的分析，確認鍛件的化學成分分布均勻。

（2）通過對制品試料的拉伸性能、沖擊性能等試驗結果的對比分析，確認制品的力學性能均勻程度良好。

與一般的鍛件評定不同，由于本項目中穩壓器封頭使用的是成熟的低合金鋼鋼板，本評定是在鋼板滿足相應要求的前提下，研究鋼板后續制造工藝對最終封頭制品性能的影響，即穩壓器封頭的成形工藝以及后續的性能熱處理工藝的合理性，故本評定更多關注熱成形封頭內部及外部質量，以及力學性能的均勻性。

1 封頭評定大綱的確定

1.1 封頭成形工藝

穩壓器封頭采用熱沖壓成形，成形方法采用自卸式上模（半球形沖頭）和漏盤形下模，坯料采用常規的圓餅形坯料。等壁厚的低合金鋼鋼板加熱到1000℃左右后出爐，放置在漏盤形下模上，通過上模壓制成形，并控制封頭的終成形溫度。

封頭在沖壓成形過程中，不同部位的壁厚會發生不同的變化。國內也進行了相關理論研究[3-4]，認為厚壁半球形封頭在成形過程中有更大的局部減薄量和增厚量，封頭頂部的減薄量并非最大，減薄量最大值出現在靠近坯料中心的地方，邊緣的直邊部分增厚量最大，最大的減薄量和增厚量均達到坯料的16%左右。

1.2 封頭制造工藝確定

為確保采用了合格的低合金鋼鋼板，在封頭成形前的鋼板上需進行相關的無損檢驗。為檢驗封頭成形后的內部及外表面質量，在封頭成形后也應進行相應的無損檢驗，確保封頭產品質量滿足設計要求。最終確定在封頭成形前后需進行100%的液體滲透檢驗（PT）和超聲波檢驗（UT）。封頭在熱沖壓成形后要經受性能熱處理（包括淬火和回火），考慮到封頭在后續的穩壓器制造過程中需要與筒體等部件進行焊接，焊縫需進行消應力處理，故同時需要驗證封頭性能態（交貨態）和模擬焊后熱處理態兩種狀態的力學性能。

1.3 評定試板部位的確定

評定的目的是驗證制品最終性能滿足設計要求，須驗證封頭不同部位性能的均勻程度，需要在封頭的不同部位分別取樣進行力學性能試驗。但考慮到破壞性試驗的試驗項目較多（包括常溫拉伸、高溫拉伸、各溫度下的KV沖擊等），試驗不可能在封頭的各個部位全部進行，故需選取具有代表性的部位切取評定試板進行破壞性試驗。

根據前述的封頭成形過程中材料變形研究，穩壓器封頭在成形過程中，其頂部、大端以及中間部位的變形過程不一樣，對材料內部性能的影響也有所不同，故需考慮在封頭的大端、封頭頂部及中間過渡區域分別切取試樣驗證其力學性能。

在本項目中，考慮到穩壓器上下封頭的厚度和半徑有所不同，下封頭壁厚大于上封頭壁厚，故分別采用兩塊不同厚度的鋼板進行評定。為驗證成形后封頭各部位力學性能的均勻性，在成形后上頭評定件和下封頭評定件上各截取了四塊試塊，包括：上封頭的大端不同部位三塊、上封頭評定件中間部位一塊、下封頭大端不同部位三塊、封頭在封頭頂部一塊。各試板在封頭評定件上的位置如圖2所示。

在每塊試板上的試樣數量，根據成形后封頭的采購技術要求的規定，取全套試樣（包括常溫拉伸、高溫拉伸、各溫度下的KV沖擊等）進行試驗。同樣，考慮到封頭成形過程中內外兩個面變形狀態的不同，對與表面試樣，在內表面側和外表面側分別切取試樣進行試驗。所有試樣的試驗結果應滿足封頭采購技術條件中的要求。在每塊試板上也同時截取化學成分分析試樣。

1.4 尺寸測量部位的確定

理論上，成形后封頭應為軸對稱結構，故對封頭的縱截面上從大端到封頭頂部等弧長劃分數等位置角度的圓周截面，在每個圓周上等分數個位置，測量各個交點的內徑及厚度尺寸（見圖3所示）。在封頭成形過程中同一角度坐標的圓周上各部位材料的變形理論上應一致。

2 評定檢驗試驗結果分析

2.1 無損檢驗結果

穩壓器封頭用鋼板的無損檢測包括目視檢測、液體滲透檢測和超聲波檢測的結果滿足要求，成形后穩壓器封頭的所有無損檢驗項目，包括液體滲透檢驗、超聲波檢驗結果均滿足相應要求。表明成形后封頭的質量滿足要求。

2.2 封頭尺寸檢驗結果

成形后封頭各測量部位的內徑測量結果滿足要求，各部位的實測厚度也滿足最小厚度要求。對具有相同角度坐標的圓周截面上的所有點所測厚度尺寸進行算術平均，取厚度的算術平均值與封頭成形前鋼板厚度的比值，成形后的穩壓器上封頭和下封頭的上述數據如圖4所示。

按照本項目成形工藝成形后的最大增厚量約15%（位于封頭大端），最大的壁厚減薄量約6%～8%，減薄量最大部位不在封頭的頂部，而存在于與封頭頂點夾角（球心角）約10°～20°的環形區域。本項目中上封頭采用的鋼板坯料較下封頭采用的鋼板坯料厚，從圖4可以看出，較厚的鋼板成形后封頭的增厚（封頭大端存在）及減薄（靠近封頭頂部區域存在）的程度較大。

2.3 封頭評定件力學性能試驗結果

在穩壓器的上封頭和下封頭評定件一共截取了8塊試板，編號分別為1～8，8個試板的力學性能試驗結果分別如下：

各試板不同溫度下Kv沖擊試驗結果及規范要求限值如圖5所示。其中橫坐標中的“外”表示從外表面側切取試樣，橫坐標中的“內”表示從內表面側切取試樣。

從上圖中可以看出，成形后封頭各試板（包括內表面側和外表面側）的Kv沖擊功均滿足規范要求，且具有較大的裕度。

各試板兩個狀態（交貨態及模擬消應力熱處理態）的內表面側面和外表面側分別截取試板的常溫拉伸試驗結果和高溫拉伸試驗結果及規范要求限值如圖6所示。其中在每塊試板的內表面側（圖中標注為“內側”）和外表面（圖中標注為“外側”）分別截取全套試樣進行試驗。

從圖6中可以看出，封頭評定件各試板兩個狀態（交貨態及模擬消應力熱處理態）的常溫及高溫拉伸試驗結果均滿足規范要求。

2.4 成形后封頭性能均勻性分析

封頭評定中，在兩個封頭評定件上具有代表性的不同部位分別截取了8塊試板，包括封頭大端、封頭頂部及大端和頂部之間的中間過渡區域。為分析封頭拉伸性能的均勻性，引入了度量每個實驗數據與算術平均值偏差幅度的相對偏差D（Xi）概念：

D（Xi）= ×100%

其中，X為試驗數據的算術平均值：

X= ?X

平均相對偏差D（Xi）：

D（Xi）= ?D（X ）

對上封頭和下封頭共8塊試板的各拉伸試驗數據進行統計分析計算，每項指標（如常溫Rm）均有16個實驗數據，結果如表1所示。

從上表的統計數據可以看出，八塊試板的每一指標數值分布較為集中，與其平均值的最大相對偏差不超過6.0%，同一試驗數據在八塊試板上差異很小，表明封頭各部位的強度性能均勻程度良好。

3 結束語

（1）穩壓器熱成形封頭的評定結果表明，評定件的所有檢驗和試驗結果均滿足設計建造規范要求，穩壓器封頭的制造工藝滿足規范要求。

（2）通過熱成形工藝成形后的封頭各部位的拉伸性能均勻程度良好。

（3）按照本項目成形工藝成形后的封頭減薄量最大部位存在于與封頭頂點夾角（球心角）約10°～20°的環形區域部位，較厚的鋼板坯料在成形過程中增厚/減薄程度較大。

【參考文獻】

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

[2]關暉，李磊，毛輝輝，百萬千瓦級核電廠站蒸汽發生器大鍛件工藝評定，中國核電，2014，7（3）：229-232.

[3]朱向哲，謝禹鈞，王曉華，半球形厚壁封頭沖壓成形有限元分析及優化，遼寧石油化工大學學報，2004，24（4）：51-53.

[4]李海峰，陳明亮，謝志毅，大型厚壁半球形封頭沖壓成形的數值模擬，計算機仿真，2004，21（3）：109-112.