AP1000核电站主管道国产化研制进展.pdf

第 3 2卷第4期 2 0 1 0年 7月 上海金属 S HANGHAI ME T AL S Vo 1 ． 3 2，No ． 4 J u l y ，2 0 1 0 2 9 A P I O 0 0核 电站主管道国产化研制进展 卢华兴 国家核 电技术公 司， 北京 1 0 0 0 3 2 【 摘要】 阐述了A P 1 0 0 0核电站用主管道的技术要求和特点， 介绍 A P 1 0 0 0主管道模拟 件 国产4 Lz , ,l 的主要技术思路及进展 ， 通过联合技术攻关我 国企业 已经掌握 了 A P 1 0 0 0整体 锻造主管道技 术， 并成x A ,l 造 了满足 西屋 电气工程公 司技 术规 范的 A P 1 0 0 0主 管道 ， 实现 了 国产化 。 【 关键词】 A P 1 0 0 0 锻造主管道国产化 RES EARCH AND DEVELoPM ENT oF AP1 0 0 0 REACToR CooLANT PI PE I N CHI NA Lu Hu a x i ng S t a t e N u c l e a r P o w e r T e c h n o l o g y C o r p o r a t i o n 【 A b s t r a c t 】 T h e t e c h n i c a l c h a r a c te ri s t i c a n d r e q u i r e m e n t o f A P 1 0 0 0 r e a c t o r c o o l a n t p i p e w a s d e s c r i b e d．a n d t h e ma j o r t e c h n i c a l i d e a s o n t h e l o c a l i z a t i o n o f AP 1 0 0 0 r e a c t o r c o o l a n t p i p e i n C h i n a w a s b rie fl y i n t r o d u c e d，a s w e l l a s t h e p r o g r e s s o f t h e p r o c e s s ．T h r o u g h c o l l a b o r a t i v e i n v e s t i g a t i o n， s o me Ch i n e s e c o r p o r a t i o n s h a v e ma s t e r e d t h e k no w- h o w o f t he ma ki n g o f f o r g e d AP1 0 0 0 r e a c t o r c o o l _。 a n t p i p e ．Th e s u c c e s s f u l l y ma n u f a c t u r e d r e a c t o r c o o l a n t p i pe me e t s a l l t h e r e q ui r e me n t s o f s p e c i fic a t i o n o f W e s t i n g h o us e El e c t r i c Co mp a n y LLC． 【 K e y Wo r d s 】 A P I O 0 0 ， F o r g e d C o o l a n t P i p e ， L o c a l i z a t i o n 随着我国经济的高速发展 ， 能源资源已经成 为制约我 国经济健康发展的瓶颈问题。在我 国能 源结构 中， 目前火 电装机容量 占 7 5 ％左右 ， 火 电 机组实际发 电量 占 8 2 ％左右 。为优化电源结 构 ， 我国政府提出了“ 优先发展水 电， 积极发展核 电， 优化发展火电” 的能源政策 。目前， 核能是 世界范围内唯一可大规模建设 的清洁型新能源 ， 到 2 0 0 9年我 国已建成 1 1台核 电机组 共计 9 1 2 万 k W J 。我国政府制订 了宏伟 的核 电发展计 划， 到 2 0 2 0年我 国核 电运行 装机容量争取 达到 4 0 0 0 万 k W 。为促进我国核电技术的跨越式发 展， 我 国从美 国西屋 电气公 司引进 了 A P 1 0 0 0第 三代核电站技术 ， 并成立了国家核电技术公司 ， 专 责推进 A P 1 0 0 0第三代核 电站技术 的引进 、 消化 、 吸收 、 创新和技术跨越发展 。 1 A P 1 0 0 0核电技术特点及主管道情况 A P 1 0 0 0是美 国西屋公司开发 的新一代核 电 技术 ， 采用先进的非能动设计理念 ， 在安全性和使 用寿命上均有较大的提高 ， 与法 国开发的 E P R 核 电技术并称为第三代核电技术。 压水堆核电站核岛 中， 主管道是核岛内七大 关键设备之一， 被称为核电站的“ 主动脉” 。主管 道连接了反应堆压力容器、 蒸汽发生器和反应堆 冷却剂泵 ， 从而组成一条闭式的循环 回路。在反 应堆冷却剂泵驱动下， 冷却剂在环路中流动， 带出 反应堆压力容器 中核燃料裂变所产生 的热量， 并 通过蒸汽发生器产生蒸汽驱动汽轮发电机组 。 在核电站中， 反应堆压力容器及主管道组成 了核电站的第三道安全屏障。主管道所运输的冷 却剂含有从反应堆中带来 的放射性物质 ， 主管道 作者简介 卢华兴 ， 男 ， 高级经济师， 国家核 电技术公司设备部高级主管 ， 从事 A P I O 0 0三代核 电关键设备和材料 国产化工作。 3 0 上海金属 第 3 2 卷 一 旦 出现冷却剂泄漏， 将会带来巨大的安全问题。 所以， 对主管道的正确选材和在役 检验是核 电站 运行工作中的一个重要内容。在世界范围内， 在 役核电站的主管道采用的材质及制造工艺如表 1 所示 [ 。 表 1 一些国家压水堆主管道用材 国别 材料牌号 或结构 化学成分标号 备注 AI S I 3 1 6 美国 双层管 0 C r l 8 N i l o Tj 俄罗斯 双层管 日本 核级含A 氮 I S 3 I l 3 6 1 6 3 1 6 L N 德国 A I S I 3 4 7 一Z 2 C N D1 8 一l 2 控氮 法国 z 3 c N2 0一 o 0 Cr 1 8 Ni2 M0 2 外壳碳钢 ， 内层不锈钢 0 o c r 1 8 M 1 外壳碳钢 ， 内层不锈钢 0 c T 1 8 N j 1 2 M0 2 0 Cr 培 M 1 4 M0 2 N 0 0 Cr l 8 Nnl N b 0 C r l 7 ． 5N i l 2 Mo 2 ． 5 0 2 0 N．9 热变形管 热变形管 热变形管 热变形管 热变形管 热挤压锻造管 铸造管 可知， 除 了法 国， 其它各国都采用热变形管。 采用热变形管的主要问题是长度受 限， 导致焊缝 数量增多， 从而增加在役检查工作量。为了减少 在役检查工作量， 法国发展了铸造主管道 ， 采用离 心铸造技术可以制造出较长的直管 ， 用砂型铸造 制造弯头， 然后对直管和弯头进行焊接。所 以， 焊 缝数量 比采用热变形管减少。 目前 ， 我国大量采 用的是 Z 3 C N 2 0 0 9 M材质主管道 如秦山二期、 大亚湾等 ， 使用寿命为4 0年。 A P 1 0 0 0核电的主管道系统 由2个环路组成 ， 每个环路包括 2根热段管和 4根冷段管 ， 如图 1 所示 。 A P 1 0 0 0主管道在设计上首次采用了整体锻 造 3 1 6 L N大型无缝管， 不但设计使用寿命提高到 6 0年， 而且由于采用整体锻造管， 不存在焊缝， 也 大 大降低了核电站在役检查工作量。 A P 1 0 0 0 主 管道设计理念的创新 ， 对 主管道的制造提 出更高 的要求 ， 下面以主管道热段为例 ， 分析其特点及制 造难度。 热段管道 冷 蒸汽发生器 屏蔽电动泵 图 1 A P 1 0 0 0主设备示意图 图 2所示为 A P 1 0 0 0主管道热段示 意图， 这 是主管道系统 中制造难度最大的部件。其外径为 9 5 2 mm、 内径 7 8 7 m m。弯 曲角度为 5 6 ． 4 。 ， 在热 段上有两只整体锻造成形的相对角度为 4 5 。 的接 管嘴 最大外径6 5 0 m m ， 该管成品重量约9 t ， 化 学成分及力学性能分别如表 2 、 3所示 。 图2 A P 1 0 0 0主管道热段 管锻件 示意图 表 2 主管道钢材的化学成分 质量分数 ， ％ 室温 3 5 0 ℃ 主管道晶粒度要求大于 2级。 热段管的制造包括冶炼、 锻造、 机加工、 弯制、 炼水平及装备， 许多企业都能冶炼出成分合格的 热处理等主要工序。根据目 前超低碳不锈钢的冶 钢锭， 关键问题是如何保证钢锭的锻造性能。热 第 4期 卢华兴 A P 1 0 0 0核 电站主管道国产化研制进展 3 1 段管的成品重量将近 9 t ， 所 以锻造钢锭一般超过 7 0 t ， 锻造如此重量的钢锭我国尚缺乏经验 ， 而且 热段管上面一同锻造的接管嘴更加增添了锻造难 度 。另外 ， 成功弯制 出大直径 、 大厚度 、 带接管 嘴 的不锈钢管 ， 在世界范围内还未见报导。 2 国家核 电技术公 司对 A P 1 0 0 0主管道 国产化 的部署 A P 1 0 0 0主管道一直是 国内外制造行业讨论 的热点问题。美国西屋公司委托意大利 I B F公 司 进行研制 ， 但一直对该产品的研制情况进行封锁 ， 并对主管道提出了较高的报价。 为了打破国外的技术封锁 ， 降低我 国核 电建 设的成本 ， 面对我国核电产业大发展的形势 ， 我 国 机械行业的骨干企业中国二重、 中国一重、 上海重 工和渤船重工等单独或通过组建联合体 ， 分别开 展了 A P I O 0 0主管道研制。国家核电技术公司审 时度势对四家单位／ 联合体进行指导和督导 ， 并在 国家重 大科 技专 项 设 备制 造 类项 目中安排 了 A P 1 0 0 0主管道研制课题 ， 成立了以中船重工集团 公司渤船重工为牵头单位 ， 中国二重 、 中国一重和 上海 重 工 均 为课 题成 员单 位 的课 题 组 ， 开 展 A P 1 0 0 0主管道国产化研制攻关 。 3 A P I O 0 0主管道国产化研制进展 针对主管道的研制 ， 以上企业采取 的工艺路 线细节虽有不同， 但总的工艺路线大致为 冶炼 锻造 机加工 弯制 热处理。 3 ． 1冶 炼、 锻 造及 机加 工 目前国内主要 采用两种工艺路线 1 电弧 炉 V O D真空浇铸 ； 2 电弧炉 A O D电渣 重熔 。 这两种方法均可生产出成分合格 的钢锭， 但采 用第二种工艺， 钢锭在结晶组织及纯净度上优于第 一 种。一重和二重采用了第一种工艺 ， 而渤船重工 团队和上海重工采用了第二种工艺。对于电渣重 熔工艺 ， 渤船重工团队和上重均克服了重熔时增碳 的问题 ， 成功研发了超低碳不锈钢的重熔工艺， 并 各自形成了独立知识产权。以渤船重工团队为例 ， 在冶炼 自耗 电极时将碳控制在 0 ． 0 1 ％～0 ． 0 1 3 ％ ， 电渣重熔后 ， 电渣锭碳含量基本保持不变。 锻造阶段 ， 以上企业制定 的锻造工艺大体相 同， 均包括墩粗 、 拔长 、 分料 、 整圆等。渤船重工团 队、 二重以及上重均锻造出合格的坯料 ， 除了渤船 重工团队采用万吨以下压力机外 ， 其余企业均采 用万吨以上压力机完成 。从渤船重工团队的成功 事例可以看出采用 电渣锭的优势 ， 这也为我国今 后解决大型不锈钢锻件开辟了新的思路 。 锻造毛坯 的机加工包 括 了镗 内孔 和外 圆加 工 ， 分别在深孔镗床和大型车床上完成 。各企业 通过模拟件的加工 ， 均解决了加工工艺问题。 3 ． 2 弯制 钢管的弯制可以采用冷弯和热弯工艺， 而冷弯 在控制变形部位 晶粒度方面具有独特的优势， 得到 国内专家的认可。A P 1 0 0 0主管道热段弯制角度为 5 6 ． 4 。 ， 弯曲部位的最大延伸率达到3 3 ． 5 ％， 技术难 点在于弯制过程中两整体管嘴对金属流动的阻碍 ， 其结果将导致弯制后主管道内外表面的凹凸缺陷。 国外 ， 西屋电气工程公司指定 的主管道制造商意大 利 I B F公司 2 0 0 8年 7月进行 A P 1 0 0 0主管道模拟 件热弯时曾出现上述问题 。 国内企业在研究西屋 电气工程公 司技术规范 过程中， 多次进行缩小比例的冷／ 热弯对 比试验 ， 结 果显示只要锻件的整体塑性延伸率大于4 5 ％ ， 就具 备冷弯条件。冷弯工艺的关键是如何克服弯制后 “ 直段的翘曲” 变形以及后续消应热处理。我国二 重和渤船重工先后采用冷弯方法取得成功 ， 图 3所 示为弯制成功的主管道 1 1 热段模拟件。 图3 A P 1 0 0 0主管道热段模拟件 3 2 上海金属 第 3 2 卷 经检验 ， 弯制后 的 A P 1 0 0 0热段 主管道模拟 件的外表面质量、 空间三维尺寸 、 椭 圆度、 减薄率 等技术要求都符合西屋电气工程公司采购技术规 范 的要求。 3 ． 3 A P 1 0 0 0国产主管道试制件性能 A P 1 0 0 0主管道试制锻件 固溶处理后 的力学 性能如表 4所示 ， 全 面达到了西屋 电气工程公 司 技术规范的要求。 表 4 国产管道 热段 力学性能 4 A P 1 0 0 0主管道实现国产化的重要意义 从 A P I O 0 0主管道 1 1模拟件的各项理化检 验数据、 无 损检测 的结果、 弯制成 型后 的三维尺 寸 、 内外弧表面控制效果等情况分析 ， 国内企业 已 掌握了A P 1 0 0 0主管道制造技术。2 0 1 0年 1 月 1 1 日， 我国第三代核 电 A P 1 0 0 0自主化依托项 目国 产化主管道采购合同在北京签订。国家核电技术 公司所属国核工程公司与中国第二重型机械集团 公司 德阳 重型装备股份公 司签订 了三门核电 站一号机组 、 海 阳核 电站一号机组 国产化主管道 采购合 同。这是我 国加快推进第三代核电自主化 发展实现的又一项重大突破 ， 对于推动我 国第三 代核电 A P 1 0 0 0设备 国产化 ， 提升我国装 备制造 业的核心能力都具有深远的影响。 参考文献 [ 1 ]周全之 ． 核 电是一种清洁的能源 [ J ] ． 大众用电 ， 2 0 0 9 ， 8 4 6 [ 2 ]郝彦菲． 我国能源新 政将推 动新能源 产业革 命 [ J ] ． 发展研 究 ， 2 0 0 9， 1 0 3 1 ． [ 3 ]欧阳予． 国际核能应用及其前景展望与我国核电的发展[ J ] ． 物理通报 ， 2 0 0 7 。 2 1 ． [ 4 ]国家发展和改革委员会． 核电中长期发展规划[ R ] ． 2 0 0 7 8 ． [ 5 ]S c h u l z T L ．We s t i n g h 0 u s e A P 1 0 0 0 a d v a n c e d p a s s i v e p l a n t [ J ] ． Nu c l e a r En g i n e e r i n g a n d De s i g n，2 0 0 6， 2 3 6 1 5 4 7 ． [ 6 ] 刘建章．核结构材料[ M] ． 北京 化学工业出版社． 2 0 0 7 ． [ 7 ]K l a n i c a F ，R a o G．A P I O 0 0 S A 3 7 6 T P 3 1 6 L N H o t L e g F o r g i n g F u l l M ock u p Q u a l if i c a t i o n T e s t S p e c i f i c a t i o n [ s ] ． We s t i n g h o u s e El e c t ric C o mp a n y L LC． [ 8 ]K l a n i c a F， R a o G ．Re a c t o r C l a n t L o o p S e a m l e s s F o xe d a n d F o r me d P i p e F a b r i c a t i o n S p e c i f i c a t i o n [ s] ．We s t i n g h o u s e E l e c t r i C Co mp a n y L L C． 收修 改稿 日期 2 0 1 0 0 3 2 3 上接第 2 8页 [4]O l d f i e l d W．C h i l l i n g me c h a n i s m o f c h r o mi u m i n c ast i r o n [ J ] ． B C I R A J o u r n al， 1 9 6 1 ， 9 4 5 0 6 5 1 8 ． [ 5]R o b e r t s G A， Me h l R F ．T h e m e c h a n i s m a n d t h e r a t e o f f o r ma - ti o n o f a u s t e n i t e f r o m f e r r i t e c e m e n t i t e a g g r e g a t e s [ J ] ．T r a n s a c t i o n s o f t h e Ame ri c an S o c i e t y f o r Me t a l s ．1 9 4 3，31 6 1 3 6 5 0 ． [ 6]J u d d R R， P a x t o n H W．K i n e t i c s o f a u s t e n i t e f o r m a t i o n f r o i n a s p h e m i d i z e d f e r r l t e c a r b i d e a g g r e g a te [ J ] ．T r ans a c t i o n s o fth e M e t a l l u r gi c al S o c i e t y o f AI ME， 1 9 6 8 ， 2 4 2 2 2 0 62 1 5 ． [7]S p e i c h G R， S z i rma e A ．R i c h a r d s M J ．F o r m a t i o n o f a u s t e n i t e f r o m f e r r i t e and f e r r i t e - c a r b i d e a g g r e g a t e s [ J ] ．T r ans a c t i o n s o f t h e Me t a l l u r gi c al S oci e t y o f A I ME， 1 9 6 9， 2 4 5 5 1 0 6 31 0 7 4 ． [8]F e u e r s t e i n W J ，S m i t h W K ．E l e v a t i o n o f c ri t i c a l t e m p e r a t ure s i n s t e e l b y h i g h h e a t i n g r a t e s [ J ] ．T r a n sac t i o n s o f t h e A me ri c an S o c i e t y f o r Me t a l s，1 9 5 4， 4 6 1 2 7 01 2 81 ． [ 9]S c o o n o v e r T W， K r u a s s G ．H i g h r a t e s h o r t t i me a u s t e n i t i z i n g o f 4 0 3 0 s t e e l [ J ] ．Me t al s E n gi n e e ri n g Q u a r t e r l y ， 1 9 7 2 ， 1 2 1 4 1 4 8 ． [ 1 0 J A S M C o mm i t t e e o n I n d u c t i o n Ha r d e n i n g ．I n d u c t i o n Har d e n i n g and T e m p e ri n g [ M] ．M e t al s P ar k ， O h i o A m e ri c a n S o c i e t y f o r Me t a l s ，1 9 6 4 1 3 3． [ 1 1 ] 王东生， 柳百成， 芮争家． 锡、 铜促进球墨铸铁基体珠光体化 【 J ] ．铸造技术 ，1 9 9 1 ， 2 2 42 7 ． 收修改稿 日期 2 0 1 0 0 11 8