國產AP1000核電主蒸汽及主給水管道工藝研究

黃 文 程世清 姜治凱 孫 林 羅祖義 張德龍 楊翠峰

(武漢重工鑄鍛有限責任公司，湖北430084)

為促進我國核電事業的發展，我國從美國西屋電氣公司引進了AP1000第三代核電站技術。設備的國產化工作是第三代核電自主化依托項目成功與否的關鍵，設備自主制造是我國核電自主化發展的關鍵和批量化建設的前提。因此實現AP1000核電主蒸汽及主給水管道國產化具有重要的意義。

為了使研制成功的產品具有代表性，在批量生產前，選取了每種材質最大規格的管道進行工藝研制。研制對象如下：材料牌號A106B，規格OD1067×54≥4 500 mm，數量2支；材料牌號A335P11，規格OD864×54≥6 000 mm，數量2支。

1 工藝特點

武漢重工鑄鍛有限責任公司擁有一條電站、高壓鍋爐用大口徑厚壁無縫鋼管生產線，是目前國內最大口徑的厚壁無縫鋼管制造企業。所擁有的沖孔-頂伸制管技術已取得中國發明專利。

其原理是，將加熱到規定溫度的鋼錠送入與之匹配的陰模中，選擇合適的沖桿沿鋼錠的中心線向下運動，進行沖孔作業，得到帶底的杯狀沖孔坯，沖孔工序在45 MN立式水壓機上進行，沖孔示意圖如圖1所示。然后將杯狀的沖孔坯套入頂桿，20 MN臥式水壓機推動頂桿水平運動，沖孔坯連同頂桿通過模圈，使沖孔坯的外圓減小，長度變長，得到管坯，頂伸示意圖如圖2所示。依次更換內徑更小的模圈(若需要，亦須更換頂桿)，反復頂伸過程，得到工藝尺寸的毛坯管。最終的模圈和頂桿決定毛坯管的外圓和內孔尺寸。

采用沖孔——頂伸制管技術，可確保管道的內在性能質量；經內外圓機加工成形，可確保管道的幾何尺寸和表面質量。

圖1 沖孔示意圖Figure 1 Punching diagrammatic drawing

圖2 頂伸示意圖Figure 2 Top stretching diagrammatic drawing

2 工藝過程

A106B、A335P11兩種材質用鋼，均采用電爐冶煉加鋼包真空精煉的鎮靜鋼，經沖孔——頂伸法成形，管坯熱處理、性能試驗合格后，內外表面經機加工成形，并經過無損探傷檢測(超聲波探傷、渦流探傷、磁粉探傷)、水壓試驗、目視及尺寸檢驗合格后防護、包裝。具體工藝流程如下：

煉 鋼→鋼錠紅送→切割冒口→加熱→沖 孔→加熱(含再加熱)→頂伸(含再頂伸)→切割兩端工藝棄料→性能熱處理→取試樣→性能試驗→內、外圓加工→無損探傷(UT、ET、MT)→水壓試驗→尺寸、外觀檢查→包裝、發貨。

3 主要工藝及其要點

(1)煉鋼

兩種材質用鋼采用電弧爐粗煉，鋼包精煉爐吹氬攪拌精煉，并經真空處理(真空度達到133 Pa以下)后下注，保證得到細晶粒的鎮靜鋼。為確保管道的綜合力學性能，在煉鋼過程中嚴格控制氣體元素及五害雜質元素含量，并加入微量合金元素優化成分。

考慮到流動加速腐蝕(fluid accelerate corrosion, FAC)對碳鋼管道造成的影響，在普通碳鋼材料中添加少量Cr(一般質量分數小于0.3%)，就可以大大提高低碳鋼的抗FAC能力。國外對碳鋼中Cr的質量分數與材料相對腐蝕速率的試驗研究成果如圖3所示[1]。在A106B中加入Cr 0.2%～0.3%。

(2)加熱

加熱分鋼錠加熱和沖孔坯、管坯加熱，加熱至1 270℃以上，并保溫一段時間。加熱質量是順利沖孔、頂伸制管的關鍵之一，加熱時須嚴格控制始鍛溫度和保溫時間，防止加熱不均勻或出現過熱、過燒現象。

(3)制管

制管分沖孔、頂伸工序，分別在45 MN立式水壓機進行沖孔及在20 MN臥式水壓機進行頂伸作業。所用模具工裝、變形量均按工藝規定執行，保證毛坯管總鍛造比≥3。

(4)熱處理

在毛坯狀態下進行正火+回火熱處理，A106B熱處理正火溫度選取910℃，A335P11正火溫度選取940℃。為確保管道性能的均勻性，在全自動電腦溫控爐中進行熱處理，溫控精度達±5℃。

(5)機加工

待有關試驗、檢驗合格后，轉機加工。其工序為內鏜外車及磨削加工。使內外表面的缺陷及脫碳層能被完全去除掉，管道表面粗糙度達到Ra6.3μm以上。管道兩端加工成直角，尺寸允差、直線度等達到規定的要求。加工時外形尺寸按上偏差控制。

圖3 鋼中Cr含量與FAC相對速率的關系曲線Figure 3 The relation curve between Cr content and fluid accelerate corrosion rate

4 試驗、檢驗結果

4.1 化學成分

熔煉分析、成品分析結果見表1、表2所示。

五害元素分析結果見表3。

從以上分析結果可看出，化學成分分析結果符合ASTM A106、ASTM A335/A335M標準規定的要求，其中P、S元素含量遠遠低于規定的要求，其余元素均處于中線水平，五害元素控制較好，鋼錠冶煉較理想。

4.2 力學性能

拉伸試樣采用直徑為12.5 mm，標距為50 mm的圓形標準拉伸試樣。沿管道同一軸線上選取三個點進行布氏硬度試驗。拉伸試驗、硬度試驗結果見表4、表5。

從表4、表5中數據可看出，管道的常溫力學性能試驗結果符合ASTM A106、ASTM A335/A335M標準規定的要求。A106B進行的300℃、350℃高溫拉伸試驗，A335P11進行的300℃高溫拉伸試驗均符合ASME 第Ⅱ卷 D篇-2007標準規定的參考要求。管道的橫向和縱向力學性能相近，說明采用沖孔-頂伸工藝保證了管道的力學性能的均勻性。

表1 A106B管道化學成分分析結果(質量分數，%)Table 1 The examined results of A106B pipe chemical composition(mass fraction, %)

注：①在規定的最大碳含量以下含碳量每降低0.01%則允許在規定的最大Mn含量增加0.06%，但最大不得超過1.35%；②該五種元素含量總和不得超過1%。

表2 A335P11管道化學成分分析結果(質量分數，%)Table 2 The examined results of A335P11 pipe chemical composition(mass fraction, %)

注：①樣管3、4為同爐冶煉。

表3 五害元素分析結果(質量分數，%)Table 3 The examined results of residue element(mass fraction, %)

沖擊試驗采用夏比V型沖擊缺口試樣，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，缺口深度為2 mm。常溫沖擊試驗結果見表6。

表4 A106B管道力學性能值Table 4 The mechanical property test results of A106B pipe

表5 A335P11管道力學性能值Table 5 The mechanical property test results of A335P11 pipe

表6 常溫沖擊試驗結果Table 6 The impact test results in ambient temperature

從表中可以看出研制管道采用ASTM E23標準和GB/T229標準進行的沖擊性能均符合GB 5310標準的要求，采用ASTM E23標準進行沖擊試驗所得的數據與GB/T229標準所得的數據相當。

4.3 彎曲試驗

彎曲試驗的試樣沿管道的一端橫向截取，試樣加工后的截面尺寸為25 mm×12.5 mm(寬度×厚度)；試樣長度為150 mm，彎芯直徑為25 mm。彎曲試驗分別為正向彎曲(靠近鋼管外表面的試樣表面受拉變形)和反向彎曲(靠近鋼管內表面的試樣表面受拉變形)。彎曲試驗后，試樣彎曲受拉表面及側面未出現目視可見的裂縫或裂口，彎曲試驗結果合格。

4.4 低倍試驗

在管道的一端截取厚度約20 mm的低倍試片，低倍檢驗橫截面酸浸試片上沒有發現夾雜及夾渣、氣泡、白點、縮孔、裂紋、翻皮、分層、異金屬缺陷。

4.5 金相試驗

四支管道取樣進行金相檢驗，檢查結果均為珠光體+鐵素體組織，其實際晶粒度為5～7級。放大100倍的金相照片如圖4所示。

圖4 金相照片Figure 4 Metallography photo

4.6 無損探傷檢測

4.6.1 超聲波探傷

超聲波探傷使用的儀器型號為HSD-28數字超聲自動探傷機，采用2.5 MHz、45°橫波斜探頭，在管道外表面周向正反兩個方向進行掃查。探傷對比樣環槽深、槽寬均為1.5 mm。按GB/T5777—2008L2級驗收，檢測結果合格。

4.6.2 渦流探傷

渦流探傷使用的儀器型號為EEC-33數字渦流自動探傷機，探傷對比樣環槽深、槽寬均為1.3 mm。按GB/7735—2004B級驗收，檢測結果合格。

4.6.3 磁粉探傷

磁粉探傷使用的儀器型號為便攜式交叉電磁軛(CXX-3B),采用的標準靈敏度試片型號為A1-30/100，磁懸液型號為罐式MT-B0，按JB/T4730—2005Ⅰ級驗收，檢測結果合格。

4.7 水壓試驗

水壓試驗在管道專用水壓試驗機上進行。水壓試驗壓力按管道設計壓力的1.5倍或按ASTM相關標準并取二者之間較大者。經計算A106B管道水壓試驗壓力值為15 MPa，A335P11管道水壓試驗壓力值為16 MPa，保壓時間取15 s。試驗中管壁無滲漏，無明顯的肉眼可見變形，試驗后無明顯永久性殘余變形，檢測結果合格。

5 結論

a)管道的整個制作過程處于可控狀態，工藝過程記錄完整，符合核質量保證體系的要求。

b)采用沖孔-頂伸制管，確保了管道的內在質量，經內外圓機加工成形，保證了管道的外觀質量。研制件的化學成分、力學性能、金相組織、無損探傷和水壓試驗結果、表面質量及目視檢查均符合相關標準的要求，研制過程中所采取的技術措施和生產工藝可行。

c)進行了一系列附加試驗：1)因主蒸汽管道的設計溫度為316℃，補充進行了A106B材料的350℃橫、縱向高溫拉伸試驗。試驗結果符合ASME Ⅱ D篇性能的規定；2)研制件按GB/T229標準進行了附加沖擊試驗，沖擊試驗結果符合GB 5310標準的相關要求，且與采用ASTM E23標準進行沖擊試驗所得的數據相當；3)研制件按GB/T7735—2004B級標準補充進行了渦流探傷，且探傷結果符合GB/T7735—2004B級的要求。

此次研制的用于AP1000第三代核電機組的主蒸汽及主給水管道，經過了相關部門的專家評審，現已批量化生產。

[1] 吳家凱，陳娟.AP1000核電站常規島主要熱力管道材料選擇[R].廣東電力，2010(2)：2.