AP1000反應堆蒸汽發生器制造難點與案例分析

陳中灼

（中核集團三門核電有限公司，浙江　三門　317112）

·生產與管理·

AP1000反應堆蒸汽發生器制造難點與案例分析

陳中灼

（中核集團三門核電有限公司，浙江三門317112）

摘要：闡述了AP1000反應堆蒸汽發生器的設計特點、制造難點，結合三門核電一期工程蒸發器的制造及質量監督實踐，特別是在制造過程中發生的具體案例，提出了一些經驗反饋和核電業主監造應對措施。

關鍵詞：反應堆蒸汽發生器；制造難點；案例分析

反應堆蒸汽發生器（以下簡稱蒸發器）是壓水堆核電廠一回路、二回路的樞紐，它將反應堆產生的熱量傳遞給蒸發器二次側，產生蒸汽經一、二級汽水分離器干燥后推動汽輪機做功。該設備是核電站中最為關鍵也是造價最為昂貴的設備之一。

作為我國三代核電自主化依托項目，三門核電一期工程引進了由美國西屋公司設計的AP1000三代壓水堆核電技術。AP1000蒸發器基于成熟的二代核電技術并吸收了多年的核電運行經驗及工業界最新的技術進展進行了改進型設計。三門核電1、2號機組蒸發器是全世界首批AP1000蒸發器從設計轉化成實際產品，其設計和制造完全依照美國ASME規范進行，作為核電運營業主，我公司全程參與了設備制造的整個質量監督過程，并參與了質量問題的處理，積累了第一手資料。

目前三門核電1、2號機組蒸發器均已交付。因此總結分析AP1000蒸發器的設計特點、制造難點和制造典型案例，對后續設備國產化過程中設備制造和質量監督具有積極的指導意義。

一、AP1000蒸發器的技術特點

AP1000機組采用兩臺典型的直立式帶有一體化汽水分離器的U形管自然循環蒸發器。蒸發器一回路側屬于核安全一級和抗震I類部件，二回路側屬于核安全二級和抗震I類部件，設計壽命為60年,采用改進型的Delta125型（Delta75的擴容型）。

Delta125型蒸汽發生器有如下主要技術特點：單臺熱功率是M310機組（法國設計的二代機組）的1.77倍；傳熱管數量為10025根，傳熱管的材料為Inconel690-T T,傳熱管外/內徑為17.48/15.4mm；殼體和管板采用全鍛件形式，下封頭、上封頭采用一體化的管嘴；主泵泵殼直接焊接在水室封頭出口接管上。

二、AP1000蒸發器制造難點和案例分析

AP1000設計上的特性導致了設備制造上一些的難點。殼體全部采用重型鍛件，材料為錳-鉬-鎳低合金鋼，在ASME規范里材料牌號為SA508Gr3Cl2，要求總鍛造比不低于3.5，制造規范采用ASME第Ⅲ卷NB部分。管板和水室封頭都需要120MN以上的鍛壓機。由于60年的壽命設計，要求大鍛件制造過程中提高鋼水純凈度，嚴格限制硫、磷、銅、鈷、氫和低熔點雜質元素，要求鍛件韌脆轉變溫度低至-21℃（國內在建二代加機組要求-12℃），鍛件和焊材性能試樣都需進行48h模擬熱處理試驗（傳統上一般進行24h）。其中管板、下封頭、錐形過渡段筒體（鍛件兩側有直段）為其中最難的三個大鍛件。目前全世界只有少數幾家鍛件廠能夠制造，國內制造廠中國一重經過三門核電項目艱難的實踐攻關，也突破了這一類鍛件生產技術。

管板鎳基堆焊一直是蒸發器制造的難點之一。由于管板直徑、厚度增大，增加了管板的剛性，使得管板鎳基堆焊對制造廠提出了更高的工藝要求；由于管板厚度增加也大大提高了管板深孔鉆鉆20050個孔的難度。

AP1000機組蒸發器采用主泵泵殼直接焊接在蒸發器出口管嘴上是一個全新的設計，因此給制造、檢測、試驗帶來了全新的難題。

三門核電1、2號機組蒸發器由國際、國內頂尖的核設備制造廠承制，由于AP100機組蒸發器設計的獨特難題，也遇到了諸多問題，下面結合三門核電1、2號機組蒸發器制造過程中的典型問題進行總結。

1.管板大面積鎳基堆焊

1號機組蒸汽發生器2塊管板在堆焊后進行超聲波探傷的時候發現了大量的裂紋，裂紋深度已超過堆焊層厚度。

制造廠在確認工藝執行和控制滿足規程要求后，通過與在制的其他項目管板（且沒有焊接缺陷）制造工藝參數比較（見表1），發現相當重要的參數差別是管板的厚度與直徑差異（AP1000管板較WattsBarR SG厚度增加了43%，直徑增加了21%），這個尺寸效應限制了管板焊接后的微變形（如表1，焊接后撓度為接近0mm），應力無法釋放，使得內部的殘余應力增大，在第2塊管板隨機取7處進行了殘余應力分析，數據表明殘余應力在22.4～34.8ksi，為管板材料抗拉強度（90～115ksi）的三分之一左右。另外，1號機組的蒸汽發生器管板使用的單真空熔煉工藝，氫含量偏高，接近該種材料的飽和氫含量。最終確認是由于AP1000管板尺寸效應造成的殘余應力和氫含量偏高（母材氫含量偏高以及焊后擴氫不夠）共同導致了氫致裂紋。

表1　AP1000管板與工廠在制的其他管板制造工藝參數比較

在返修工藝中，管板鎳基第二層堆焊后在后熱的基礎上增加了一次焊后熱處理。返修后無損探傷未發現裂紋。

2.管板鉆孔

超厚的管板不但給一次側鎳基堆焊帶來了很大的挑戰，對于管板的鉆孔也帶來不小的困難。表2列出了AP1000管板與秦山二期、大亞灣機組（M310機組）蒸發器管板鉆孔制造工藝參數對比。

表2　AP1000管板鉆孔制造工藝參數與其他項目比較

2號機組蒸發器B（以下簡稱SG2B）鉆孔過程中檢查發現二次側有3個孔鉆偏，受其影響共6個孔間距（孔橋）不滿足設計要求。制造廠按照設計方的結構分析方法進行了復核，按照堵管的方案進行了傳熱管穿管、脹管以及堵管的模擬試驗。經評估，設計方批準按照3個鉆偏的孔穿管后堵管的方案，也得到了核安全監管機構的審查通過。

制造廠檢查發現，鉆孔機床（5軸）的其中一個鉆頭的軸套密封圈破損，分析認為鉆孔過程中鉆頭軸套移動時有鐵屑落入其中，導致軸套端部破損，進而導致無法卡緊鉆頭桿，最終產生了鉆孔尺寸偏移。制造廠認為考慮到AP1000機組蒸發器管板厚度以及損壞軸套表面狀況，其按照常規經驗設置的每5000個孔（5軸，即1000次行程）更換鉆頭軸套的要求不夠保守。

因此制造廠提出了糾正行動措施：操作人員在鉆孔時檢查鉆頭軸套處漏油量；將鉆頭軸套的使用壽命從每5000個孔一換降至每3000個孔一換，以減少工具表面磨損并避免軸套破損情況再次發生；每次換鉆頭時對鉆頭軸套進行目視檢查并清除其中鐵屑；在軸套筒管內增加一套噴氣裝置，盡可能減少鐵屑落入卡入其中。此后制造廠在該塊蒸發器管板后續鉆孔及第2臺蒸發器管板鉆孔過程中，均未發生類似問題。

3.主泵泵殼的焊接及焊縫檢測

AP1000的蒸發器直接在出口接管焊接主泵泵殼，省去了主管道過渡段，減小了環路壓降。這是一個新的設計。而其他的壓水堆核電站都是通過主管道過渡段將蒸發器與主泵連接起來，在核電安裝現場焊接。

AP1000主泵泵殼材料為SA-351CF8A，奧氏體不銹鋼鑄件，水室封頭材料為SA508Gr3Cl2，低合金鋼鍛件。焊縫屬異種金屬焊接，因此為提高焊縫成型性能，在蒸發器出口接管端部鎳基焊材(ER NiCrFe-7)預堆邊，泵殼端部堆焊一層309不銹鋼。該條焊縫的焊接技術是蒸發器制造過程中最難的幾個關鍵技術之一。主泵泵殼與蒸汽發生器的焊縫屬承壓邊界焊縫，按照ASMEIII卷需要進行水壓試驗檢驗。三門核電監造人員在審查制造廠提交的質量計劃時，發現該焊縫只有滲透檢測（PT）和射線檢測（R T）工序，缺少水壓試驗程序以及后續在核電廠役前檢查過程需要執行超聲波檢測（UT）工序。設計規范書和圖紙規定該焊縫的水壓試驗可以用現場系統回路冷態水壓試驗代替。

考慮到主泵泵殼開口（與主泵電機連接開口以及冷卻劑出口管嘴兩處）較大，水壓試驗封堵比較困難，而且將主泵泵殼與蒸發器作為一個整體結構進行一回路側水壓試驗以前都沒有經驗；該條焊縫的設計為新型設計，全世界尚無參考電站。三門核電經過評估，決策接受該條焊縫水壓試驗用系統回路水壓試驗代替，但制造過程中增加UT，即該焊縫在車間需進行UT、PT、R T。

三、案例經驗總結和核電運營業主管理和監造應對措施

1.優化設備供應鏈，確保業績卓越的供應商承制關鍵設備

三門核電1號機組是世界首臺AP1000機組，三門核電2號機組是設備國產化首臺機組，由于三代核電AP1000機組采取了革新型的設計改進，大大增加了關鍵設備開發、制造的難度。目前國內各大設備廠也在解決各種困難和問題的過程中，鍛煉了一批精干的技術人員隊伍，建立和開發了一整套經過實際考驗的制造規程和工裝，形成了具有承接世界最前沿的核電設備制造技術和質量管理體系，為后續核電大發展，核電設備供應商走向世界承攬訂單夯實基礎，也為國際客戶選擇核設備中國制造樹立了信心。后續機組建造應優先考慮這些業績優異的制造廠承制關鍵設備，這將為核電廠設備質量提供堅實的基礎。

2.制造廠須做好充分的技術準備

制造廠在進行工藝方案準備時，謹慎對待新設計跟已有制造經驗的不同之處，從人員、制造設備、原材料、規程、環境、檢測各個角度管控可能出現的風險。如三門核電2號機組管板鉆孔問題從發生到評審、返修合格共用了11個月，嚴重影響了設備最終交貨時間。

因此，對于設備的關鍵工序，在進行工藝評定試驗之后，充分、合理的模擬試驗考核制造方案的可靠性和穩定性，對降低制造風險非常必要。產品制造過程中，做好工前技術交底會，各方質量監督人員也參加，確保工藝實施要求得到準確無誤的理解；關鍵工序制造前，要求每班次實際制造前先進行一兩次模擬試驗，確保工人技能和工器具的穩定性。通過這些措施，有效保證關鍵工序的制造質量。

3.重視設備在工廠的預役前檢測

按照ASME規范來說，一般制造過程中體積檢測使用射線檢測是強制的，超聲波檢測是可選的，而對反應堆役前和在役檢測標準來說，體積檢測通常使用超聲波檢測。由于兩種檢測方法對缺陷的敏感性不同，往往會對檢測結果產生分歧。而且制造過程中超聲波檢測遵循的是ASMEIII卷要求，役前和在役檢測遵循ASMEX I卷要求，檢測的方法和驗收標準有不同之處。目前國內核電站建設過程中多次出現這樣的案例，在制造廠車間檢測合格的，在核電站現場進行役前檢測發現相關顯示，由于屆時已經在核電站調試、商運的關鍵路徑上，時間緊，環境工況復雜，往往比在車間處理花費幾倍的人力、物力，給核電站業主造成巨大的工期和經濟損失。

因此，三門核電業主要求1號機組蒸發器與泵殼焊縫必須進行超聲波檢測，檢測規程中綜合考慮役前檢測的要求。對于其他需要役前檢測的焊縫，都安排在設備水壓試驗后結合役前檢測的要求進行超聲波檢測，甚至邀請后續役前檢測單位直接到制造廠進行預先檢測，起到了良好的效果。

4.加強監造，建立有效的質量監督體系

核電廠業主是核安全的最終承擔者。在通過總承包合同委托核電工程公司進行設備采購和質量監督的基礎上，三門核電也建立了高效精干的監造體系來保證設備質量。

（1）開發專用監督導則

在項目實施前期，就根據ASME規范建立了各種工藝的監督導則，如無損檢驗、焊接、水壓試驗等，解析各種工藝過程，識別出需要關注的關鍵步驟及影響因素，建立活動檢查記錄表。監造人員在見證監督相關工序前，必須先熟悉圖紙和規范書要求，按照導則要求事先在活動記錄表中填寫工序執行的具體標準和要求，在執行見證監督時，填寫相應記錄結果。該方法標準化了監造依據，保證了業主監造人員的監督質量。

（2）關鍵設備固定監造人員，定期評估監造效能

反應堆蒸發器的制造過程是長周期的，從原材料制造到設備出廠往往需要至少三、四年的時間；設備制造技術要求高，涉及的技術文件繁多。為了保證監造效果，業主應固定一兩位監造人員，執行A/B角制度，全程跟蹤，歸口管理所有相關的文件、問題處理，專業化監造。同時本部監造管理部門應定期對監造駐點進行效能考核，針對考核情況及時調整，確保監造質量。

（3）重大問題引進專家支持，快速決策處理

由于安全級別高，評估和處理時間長，核電主設備出現問題第一時間確定發生原因和準備可行的處理方案對保證設備整體交貨期非常重要。業主作為核安全責任的最終承擔者，核設備的可靠質量是核安全最重要的保障措施之一。因此在設備發生重大問題時，核電廠不僅組織廠內各專業專家組成工作組快速評估響應，也邀請國內頂尖的專家團隊參與工作組評估和決策。實踐證明起到很好的效果。

四、結語

通過對AP1000蒸發器的設計特點和制造難點分析，結合制造過程中發生的具體案例，總結三門核電1、2號機組蒸發器的制造過程積累的經驗，提出了一些經驗反饋和管理應對措施。

參考文獻：

[1]林城格，非能動安全先進核電廠AP1000，原子能出版社.

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[3]杜南麟、陳中灼、陳富彬.三門核電廠2號機組蒸汽發生器管板鉆孔偏差原因分析及問題處理[J].核動力工程，2014，35 （3）：76-79.

中圖分類號：TL35

文獻標識碼：B

文章編號：1671-0711（2016）01-0047-04

收稿日期：（2015-12-08）