CAP1400一回路系統管道彎制工藝研究及質量控制

李海濤，張 躍，*，許云偉，趙立彬，陳一偉

(1.生態環境部核與輻射安全中心,北京 100082;2.中國能源建設集團浙江火電建設有限公司,浙江 杭州 310016)

CAP1400核電技術是在我國由美國西屋公司引進的第三代先進非能動核電技術AP1000基礎之上，經過消化、吸收，并轉化創新成為我國自主知識產權、功率更大的非能動大型先進壓水堆核電技術，作為《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》確定的16個國家科技重大專項之一[1]，備受關注。目前，我國的山東榮成兩臺CAP1400型壓水堆核電機組，設計壽命為60年，機組單機功率大于1 350 MW。一回路系統(反應堆冷卻劑系統)管道屬于核電站第二道安全屏障，其工作介質溫度為320～360 ℃，運行壓力達15.5 MPa 以上，經受含硼水腐蝕、燃料組件輻照、熱沖擊等作用，設計使用壽命要求達到60年。

SA-312 TP316LN不銹鋼中添加了N元素，具有TP316L 不銹鋼的較優耐腐蝕性，同時也提高了約20%的高溫屈服強度，具有較強的耐腐蝕性，高溫強度較好[2]。其化學成分和力學性能如表1和表2所示。

表1 ASME SA312-TP316LN奧氏體不銹鋼化學成分Table.1 Chemical composition of ASME SA312-TP316LN %(質量分數)

表2 ASME SA312-TP316LN 奧氏體不銹鋼力學性能Table.2 Mechanic property of ASME SA312-TP316LN

一回路管道規格尺寸不同，在彎制過程的參數會有差別，本次以Φ(508×40) mm，材質為SA-312 TP316LN的管道彎制為模型，在彎管橢圓度、減薄率、彎管角度、彎曲半徑等方面進行嚴格控制，并且要保證彎制完成后的室溫拉伸、高溫拉伸及晶間腐蝕滿足規定要求，且晶粒度大于等于5級。

1 彎管工藝

1.1 彎管工藝選擇

管道彎管工藝主要分為熱管彎管和冷管彎管，通常而言，加熱溫度要參照t=(tC-56) ℃的標準溫度，其中，tC指的是管子材料的下臨界溫度，在溫度低于標準溫度t的情況下，彎管工藝是冷彎彎管；當加熱溫度不低于t的情況下，彎管工藝是熱彎彎管[3]。我國目前多采用感應加熱彎管工藝作為熱彎彎管工藝，利用高頻電源對管道圓周方向的狹窄區域進行加熱，直至達到彎管需要的溫度，并且勻速推進管道，從而通過彎矩作用使得管道能夠根據預先設定的角度調整彎曲程度，進而使得彎管具有一定的角度和曲率半徑。采用該工藝彎制的彎管具有成本低、質量高、外形美觀、力學性能好等優點，并且90°彎管局部阻力為0.20，比90°彎頭局部阻力系數0.25要小，更加有利于管道彎曲結構阻力的降低，減小管道內部阻力[4]。

1.2 推管設置

本次彎管的規格為Φ(508×40) mm，材質為SA-312 TP316LN。本次采用的SLZPW-630/40彎管設備，其需要直管段：前段800 mm，后端3 000 mm。目前大口徑大壁厚的管道由于受制造工藝的限制，管道長度一般較短，為滿足彎曲角度90°和彎曲半徑1 500 mm(3D)的要求，需焊接推管臨時管，把原管道加長，滿足設備推板的行程。推管臨時管材質為20號鋼，規格為Φ(508×35) mm，長度為1 200 mm,彎管部分材質為SA312 TP316LN。管道推管焊接坡口如圖1所示。

圖1 管道推管焊接坡口示意圖Fig.1 Schematic of impelling pipe weld groove

管道推管焊接采用手工氬電聯焊，焊材選用異種鋼焊絲ER309/CHG309和異種鋼焊條A307/CHS307。

1.3 推進速度

中頻彎管的速度和溫度控制影響彎制質量。加熱溫度一般控制在1 050～1100 ℃，溫度太低會造成彎矩變大而不能穩定推進，溫度過高會造成過燒現象。TP316LN的高溫屈服強度較高，且管道的口徑和壁厚大、彎曲半徑小，因此所需功率較高，彎制速度較慢。經過工藝試驗驗證，中頻功率設定在450～460 kW左右，溫度控制在1 060～1 070 ℃上下，扭矩95%，推進速度設定在7～8.5 mm/min 比較合適[5，6]。彎制過程中，要關注加熱帶的溫度變化情況，隨著彎曲角度的增大，應及時調整感應線圈與管子的間隙，使外弧側溫度略高于內弧側，有利于外弧側拉伸和內弧側擠壓成形。本次彎管的弧長為2 355 mm，彎制時間為317 min，經計算推進速度為7.43 mm/min?，F場彎制過程如圖2所示。

圖2 中頻彎管彎制過程圖Fig.2 Process of medium-frequency bending

1.4 冷卻方式

中頻彎管應采用水冷，本彎管設備采用外徑610 mm/內徑530 mm/寬25 mm的感應線圈，噴水孔角度設定為25°，噴水孔數為210個。在工藝評定過程中，該角度上部容易回水，造成加熱帶溫度不均勻。因此調整線圈內徑和噴水角度，將感應線圈寬度調至40 mm，調整頂部噴水孔角度至45°，經試驗無回水現象。在將停止彎制時，感應線圈緩慢向后移動，并對收弧段持續噴水冷卻15 min[7]。

2 熱處理

該管道為奧氏體不銹鋼材質，在彎制過程中經歷中頻高溫加熱、拉伸擠壓變形、噴水冷卻等工藝，在400～850 ℃的敏化溫度區間，會析出以Cr23C6為主的高絡碳化物，產生晶間腐蝕傾向。彎管成形后整管放入熱處理爐進行固溶熱處理，425 ℃以上時加熱速率控制在55～125 ℃/h。加熱至1 050～1 100 ℃，保溫時間為1 h，出爐迅速浸入水池中進行冷卻，從爐門全開至彎管全部浸入水中為45 s?？焖倏邕^了不銹鋼敏化溫度區間[8]。固溶熱處理如圖3所示。

圖3 固溶熱處理過程Fig.3 Process of solution treatment

3 檢驗試驗

管道彎制成形經過固溶熱處理后，還需要完成以下的檢驗和試驗。

3.1 尺寸檢查

彎管橢圓度：

8月24日至9月2日，雨帶位置擺動，西北地區東部、東北地區南部、江淮、江南、華南及西南地區有30-60毫米降雨，部分地區有80-150毫米；上述大部地區降水量較常年同期偏多2-5成。

Δ——彎管任一截面上的橢圓度,%；

Do——鋼管公稱外徑,mm；

Dmax——彎曲成形后某一檢查截面的最大外徑,mm；

Dmin——彎曲成形后某一檢查截面的最小外徑,mm；

經計算，彎管橢圓度為1.18%，滿足規定要求[9]。

彎管減薄率：

式中：v——彎管壁厚減薄率,%；

δ1——管道公稱直徑,mm；

若不能滿足該減薄率，彎管最小壁厚不得小于管道公稱壁厚的87.5%。

經計算，彎管減薄率為12.77%，滿足規定要求。

彎曲角度要求為：90°±0.5°。

經計算，彎曲角度為89.98°，滿足規定要求。

彎管角度校正：角度偏差不超過±0.5°,回彎角度不超過5°，且只能進行一次回彎。

彎曲半徑要求為：1 500 mm±50 mm。

經計算，彎曲半徑為1 490.87 mm，滿足規定要求。

3.2 無損檢驗

無損檢驗包括液體滲透檢驗和超聲波檢驗。

在彎管最大拉伸側兩邊各45°的帶狀弧面、焊接坡口及1倍公稱壁厚范圍內的內外表面按ASTM E165《液體滲透檢查的標準試驗方法》的要求進行液體滲透試驗，并滿足ASME NB-2546的要求。

彎管在熱處理后進行100%體積的超聲波檢驗，按ASTM E213《金屬管材超聲波檢驗的標準操作方法》的要求進行超聲波檢驗，并滿足ASME NB-2552的要求。

3.3 理化試驗

根據取樣示意圖在起弧處、弧頂外側、弧頂內側、收弧處四點位置各取拉伸、晶間腐蝕、金相試驗2個試樣，并按相應的標準進行理化試驗。取樣的要求和數量如表3所示，取樣的具體位置如圖4所示。

表3 彎管理化試驗取樣的要求和數量Table.3 Requirement and quantity of physical and chemical test sample

圖4 取樣位置示意圖Fig.4 Schematic of sampling place

彎管的力學性能按ASTM A370和ASTM E21進行檢驗，力學性能試驗分別在常溫和350 ℃高溫下進行，并符合表4的要求。

表4 彎管的力學性能Table.4 Mechanic property of bending pipe

彎管晶間腐蝕試驗按ASTM A262方法E的規定進行試驗，無晶間腐蝕傾向。

彎管晶粒度按ASTM E112的方法測定，晶粒度大于等于5級。起彎處和中間背拱處的晶粒度分別為5.5級和6級，分別如圖5和圖6所示。

圖5 起彎處金相組織 100×Fig.5 Microstructure of bending start point 100×

圖6 中間背拱處金相組織 100×Fig.6 Microstructure of middle back bending point 100×

3.4 水壓試驗

一回路管道彎制完成后需在工廠完成水壓試驗，試驗應按照ASME B31.1的要求進行[10]。試驗用水應滿足RCC-M A級水的要求[11]。緩慢升壓至設計壓力17.2 MPa，穩壓5 min，再繼續升壓至試驗壓力22.36 MPa，穩壓10 min，將試驗壓力降至設計壓力，穩壓30 min，且有足夠的時間進行觀察。試驗后管道應無泄漏，并無明顯殘余變形。水壓試驗曲線如圖7所示。

圖7 水壓試驗曲線Fig.7 Hydrostatic test curve

4 結論

中頻彎管工藝在大口徑大壁厚管道的小彎曲半徑時應用較多，與彎頭結構比較，中頻彎管工藝能夠減少管道焊縫數量、降低管道振動、減少管道內部阻力，有利于提升核電站的安全性和經濟性[12]。在彎制工藝的控制方面要注意以下幾點。

(1)控制推進速度設定在7～8.5 mm/min、中頻功率在450～460 kW和加熱溫度在1 060～1 070 ℃，可以得到更好的彎制質量。

(2)控制固溶熱處理的升溫速率在55～125 ℃/h，在1 050～1 100 ℃區間保溫時間大于1 h，出爐迅速浸入水池中進行冷卻，入水時間控制在1 min之內，可以保證彎管的晶間腐蝕和晶粒度滿足要求。

(3)管道彎制后的無損檢驗、理化試驗及功能性試驗應嚴格按照技術規格書及相關標準規范的要求進行，對于無損檢驗(包括目視檢驗、滲透檢驗和超聲波檢驗等)應按照《民用核安全設備監督管理條例》(國務院令第500號)和《民用核安全設備無損檢驗人員資格管理規定》(HAF602)的要求，取得相應的人員資格證書后方可進行。