核電主管道制造工藝難點分析及典型質量案例處理

李偉偉，秦志鵬

（上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233）

0 引言

核電主管道（以下簡稱“主管道”）安裝在安全殼廠房內，包括連接反應堆壓力容器與蒸汽發生器、反應堆冷卻劑泵的熱段管道和冷段管道，是核電蒸汽供應系統輸出堆芯熱能的“大動脈”，是核電站核一級關鍵部件之一，其健康狀況直接關系到核電站運行的可靠性[1]。通過對美國三代核電AP1000 技術的引進、消化和再吸收工作，目前我國已成功制造出AP1000 系列主管道，并在此基礎上成功研制出具有完全自主知識產權的CAP1400 主管道。相較于AP1000 主管道，CAP1400 主管道具有更大的尺寸，對于大型的超低碳控氮不銹鋼電渣錠鍛造，特別是鍛造過程中鍛造裂紋的產生及管道不同部位晶粒度及組織均勻性控制、管道成形工藝的尺寸精度控制、固溶熱處理過程的尺寸變形控制及管道最終表面質量控制等有更高的要求。

由于CAP1400 主管道完全由我國自主研制，目前國內相關學者已對其制造工藝難點等進行了大量研究，如張玉等[2]對其冷彎成形壓力進行了分析，結果表明相較于AP1000 主管道，CAP1400 主管道對彎制壓力提出了更大的挑戰；余江山等[3]通過分析CAP1400 主管道制造難點，提出一種主管道熱段A 彎管管坯整體鍛造成形和晶粒度控制的方法；郭偉等[4]對核電奧氏體不銹鋼鍛造開裂的主要原因及解決措施進行了研究等。盡管相關研究較多，但鑒于其復雜的結構特點及較高的技術要求，工廠在實際制造過程中仍然出現了一系列的包括重大的不符合項。根據核安全定義，重大不符合項，即已經顯著影響到設備的使用性能、精度和壽命，為后續設備正常使用過程中的檢修、更換等增加了較大困難，進而使核電廠的安全和可利用率受到威脅[5]。所以對核電主管道制造工藝難點進行進一步總結分析，同時對工廠在制造過程中已產生的重大不符合項典型案例進行經驗反饋，提高管道制造質量，避免類似案例發生就顯得意義重大。

本文重點對主管道成形過程中鍛造裂紋及晶粒度均勻性、尺寸精度、固溶處理變形等控制措施進行分析討論，并提出監督措施。

1 技術要求及制造工藝難點

1.1 技術要求

CAP1400 主管道由4 根冷段和2 根熱段組成，外徑、長度和管嘴直徑、高度等尺寸較AP1000 主管道更大：AP1000 主管道熱段L001A 外徑953 mm，CAP1400 主管道外徑達1100 mm。另外，由于主管道直段、彎管和管嘴等采用整體鍛造成型工藝，使得其鍛造用電渣重熔鋼錠由AP1000 時的70 t 級提高到CAP1400 時的120 t 級，重量提高率達71.4%，管道電渣錠的熔煉難度成幾何倍數提高。和AP1000 相同，CAP1400 主管道材料采用316LN 超低碳含氮奧氏體不銹鋼，晶粒度要求至少為2 級（表1）。

表1 CAP1400 主管道材料316LN 化學成分要求 %

316LN 材料僅含有單一的奧氏體相，具有鍛造過程變形抗力大、可鍛溫度范圍窄、裂紋敏感性強等特點，但工藝性能較差，無法通過固溶熱處理的方式進行晶粒細化，僅能以熱變形或冷變形的方式通過動態再結晶和靜態再結晶來獲得均勻細小的晶粒組織。綜合分析CAP1400 主管道的尺寸數據、材料特性，外加一體化管嘴整鍛成型工藝，CAP1400 主管道通過鍛造成形實現其技術要求并獲得均勻的晶粒度難度極大，工廠必須基于大量的實驗數據分析及理論研究，才能制定滿足主管道最終質量要求的控制工藝。

1.2 制造工藝難點分析

主管道的制造工藝流程主要為：鋼錠VOD 冶煉→電渣重熔→直管坯鍛造→機械加工→無損檢測→模具彎曲→固溶熱處理→精加工成形→酸洗鈍化處理。其中，根據主管道的尺寸結構及材料特性分析，對其最終成形質量起關鍵性作用的工藝控制點為主管道鍛造階段的鍛造裂紋及晶粒度均勻性控制、彎曲階段的管道尺寸精度控制以及固溶熱處理階段的管道變形控制，此為主管道制造工藝控制的難點所在。

1.2.1 主管道的鍛造裂紋及晶粒度均勻性控制

由于CAP1400 主管道一體化鍛造的特點，其一體化管嘴在成形過程中存在無鍛比、小鍛比加熱的風險，這將顯著影響管坯的晶粒度大小。為保證管道整體晶粒度的均勻性及符合性，工廠在管坯最終成形階段，根據加熱溫度和保溫時間對316LN不銹鋼晶粒度的影響關系[6]。采取適當降低坯料的加熱溫度，同時對無變形、小變形區域采用陶纖包裹的方式來避免該區域的晶粒快速長大（圖1）。由于陶纖的隔熱功能有效避免了坯料溫度的快速升高，故而對改善管坯晶粒度大小（即均勻性）作用明顯。實踐證明，通過該工藝制造的管坯的晶粒度較好，完全符合技術要求。

圖1 加熱溫度和保溫時間對316LN 不銹鋼晶粒度的影響

另外，主管道材料316LN 具有導熱系數低、熱膨脹系數大的特點，將導致管坯的鍛造裂紋傾向。為解決管坯的鍛造裂紋傾向，工廠通過對坯料不同位置的溫度場及變形量分布進行了模擬分析，優化了控制工藝，進而避免了鍛造裂紋的產生，改善了管坯晶粒度。例如，對鋼錠鍛前采用階梯式加熱的方式，減小坯料內、外表面的熱應力產生；在較高溫度保溫較長時間，盡可能減小α 相、提高材料塑性，避免心部裂紋的產生；每火次出爐前同時對工裝也進行預熱或隔熱處理，盡可能降低熱應力的影響，達到避免鍛造裂紋產生的目的。

1.2.2 主管道的成形尺寸精度控制

CAP1400 主管道具有尺寸大、結構復雜，且涉及空間尺寸、精度要求高等特點，以熱段L001A 為例，其在彎曲成形過程中，由于主管道的一體化管嘴靠近彎曲部位，對金屬的自由流動形成阻礙，導致彎曲部位內側金屬不能得到均勻壓縮，外側金屬不能達到均勻拉伸等，故金屬流動的擠壓作用使得管坯彎曲成形過程中管嘴位置在周向和軸向發生了偏移等。對于熱段L001B 來說，其具有兩個一體化管嘴且位于管道彎曲段同一側，在彎曲過程中同樣會產生由于管嘴對金屬自由流動的阻礙而導致的管道兩側受力不均勻的現象，使得管道彎曲中心發生偏移，進而導致管嘴最終位置尺寸的偏移。因此，如何保證主管道在彎曲成形后管嘴的位置尺寸不發生偏移至觀重要。目前，主管道彎曲工藝主要采用冷彎技術和熱彎技術兩種方式，以某廠冷彎成形工藝為例，其基于對大壁厚承壓管道冷彎成形工藝的大量實驗研究及數值模擬分析，包括研究管道彎曲回彈量、模具支撐位置、金屬流動規律以及管道壁厚變化規律等[6]，最終制定主管道的冷彎成形工藝，并通過多次成形試驗、逐步調整的方法來實現主管道彎曲后的尺寸精度控制。實踐表明，該方法能夠有效保證管道的最終彎曲精度，滿足設計要求。

1.2.3 主管道的固溶處理過程變形控制

為保證主管道的最終性能要求，需要對彎曲成形后的管道進行固溶熱處理。固溶熱處理既有加熱過程也包含急冷過程，同時CAP1400 主管道因結構復雜，外形尺寸大，其在固溶處理時的毛坯重量達24 t，這造成了主管道在不同部位處的加熱及冷卻存在不均勻的問題，也使得固溶熱處理前后的主管道尺寸存在變化。為改善尺寸對主管道最終尺寸精度的影響，某廠通過借鑒AP1000 主管道的制造經驗，在理論研究證明可行的基礎上，采用管道平放、保持管道重心控制在料盤中心的方式，確保吊裝過程中料盤與管道的水平，同樣要保證料盤的強度能夠承受管道重量并在吊裝后不會產生較大的彎曲變形，這可以在一定程度上保證管道的尺寸要求。

2 典型質量案例及應對措施

2.1 典型質量案例及分析

本文通過對主管道實際制造過程中的重大不符合項典型案例進行討論分析，提出監督措施，為后續主管道的制造監督工作，提供經驗和參考。

2.1.1 主管道鍛造開裂及晶粒粗大

某核電項目管道在制過程中電渣錠鍛造產生的嚴重環裂質量問題，直接導致管道報廢，大大影響項目成本及進度（圖2）。

圖2 電渣錠鍛造開裂

通過分析，認為該鋼錠表面質量差、渣溝較深是導致鍛造裂紋產生的直接原因。經進一步分析，電渣錠在熔鑄過程中電流波動大，在交換電極時渣溫偏低，交換電極后送電體升溫緩慢，渣溫下降過快，電極坯熔化速度過慢，導致形成較深的渣溝，此為根本原因。

2.1.2 管道空間旋向彎曲錯誤

某核電項目管道空間旋向彎曲與設計要求嚴重不符的質量問題，其管道空間旋向激光檢測建模情況如圖3 所示。

圖3 管道空間旋向激光檢測建模

通過分析，導致該質量問題發生的根本原因在于工廠技術要求吸收不充分，程序文件指導性不強。分析發現，盡管技術要求該管道進行螺旋彎曲，但制造廠未能充分識別出管道彎制過程中存在的風險點，即未識別出左螺旋和右螺旋的差異，導致工藝文件的編制及執行階段出現了模糊，指導性不強，導致管道彎制階段旋向選擇錯誤。

盡管該管道最終返修成功，但整個返修經歷了返修方案論證及確定、管道熱校型、再次固溶熱處理、力學試驗等作業，過程耗時達半年，對管道的交付及項目進展造成了極大影響。因此，提前識別出管道制造過程中可能存在的風險點并得以避免，對整個項目來說至關重要。

2.1.3 管道最終表面過酸洗

某項目管道最終清洗后發現的表面質量異常問題，經檢查發現管道內外表面存在乳白色的非金屬光澤（圖4）。進一步分析后發現，造成該異常的原因為管道表面的過酸洗，使得管道表面存在一層較薄的金屬腐蝕層，該腐蝕層將對管道壽命產生質量風險。

圖4 主管道最終表面過酸洗示意

通過分析發現，該管道在酸洗作業中存在過程控制不嚴，配液過程攪拌不充分使得酸洗溶液不均勻，局部氫氟酸含量超上限的問題，這是造成管道內壁腐蝕的直接原因。另一方面是由于該管道已歷經數次酸洗，使得管道整體的酸洗累積時間超過其承受能力，進而導致了過酸洗的問題。

結合模擬件試驗分析及論證，制造廠最終采取機械拋光和電解拋光相結合的方式完成了對管道表面過酸洗腐蝕層的完整去除，整個去除過程不僅成本較高，同時需要投入較多的人力及時間成本。因此在管道制造過程中，應充分識別各工序分析，汲取經驗教訓，不僅可以有效減少生產成本，同時也可以保證管道的生產質量。

2.2 監督措施應對

針對主管道技術特點及實際制造過程中的典型質量案例，為最大程度的避免不符合項，尤其是重大不符合項的產生，需要制造廠，包括采購方，不僅應在主管道技術要求的吸收落地上下功夫，也應更多的結合實際案例分析原因，從程序、體系的角度考慮問題，要全面統籌，保證核電主管道制造全過程質量受控。

2.2.1 質保體系建設優化

在質保體系的建設過程中，不僅要追求策劃上的體系建設，更要關注“最后落地一公里”，需要建立措施對建設成效形成反饋機制，要形成全員共進步的良性循環。

2.2.2 風險點設備系統的建立

系統梳理識別管道制造過程中各工序可能存在的風險點，尤其是對易疏忽點、具有迷惑性的環節應重點關注，如管道空間旋向問題等，在依靠經驗的同時也要防止出現經驗主義錯誤。另外，針對如表面處理等非關鍵工序環節也應提高警惕，盡可能全方位、無死角地規避各類風險項。

2.2.3 工序交底制度的落地

風險工序實施前，應組織進行相關技術和質保交底，完全吃透技術要求，明確風險要素及控制要點，形成具有操作性的指導手冊供實施，操作人員作業前應確保充分了解操作要點，并嚴格按照指導手冊作業。同時，操作人員應大膽質疑，對工藝、指導書存疑的地方應及時反饋，直至完全領會作業要求。

2.2.4 經驗反饋制度的實施及各方資源互補

在保護技術秘密的前提下，可探討全行業質量信息共享機制，在質量防線的構建上形成資源互補，進而汲取已發生質量案例的經驗教訓，實現最大程度的避免同類質量問題的發生，不僅能有效保證設備的制造質量及滿足項目進展需求，同時可以為核電站后期更加安全可靠的運行提供保障。

3 結論

為進一步提高主管道制造質量，本文對主管道的技術要求及制造工藝難點進行了分析討論，結果表明，通過工藝優化，可顯著改善主管道成形過程中鍛造裂紋及晶粒度均勻性、尺寸精度、固溶處理變形等的控制難點，保證其制造質量滿足技術要求。同時，針對主管道制造過程中出現的重大不符合項典型質量案例進行經驗反饋，并提出監督措施，以期實現主管道設備制造全過程的質量受控，為后續主管道制造以及監造工作提供經驗和參考。