華龍一號主管道60年壽命設計技術研究

劉向紅 陶舒暢 黃均麟 蔡志云 趙 禹

（中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都610213）

0 引言

在核電廠中，主管道連接反應堆壓力容器、蒸汽發生器和反應堆冷卻劑泵（簡稱主泵），形成重要的一回路壓力邊界，為反應堆冷卻劑提供循環通道，防止放射性物質外漏，承受高溫、高壓和高強放射性，在各種工況下都應保證其壓力邊界的完整性，是關系到反應堆安全運行的關鍵部件，屬于核安全一級設備[1]。

本文對華龍一號主管道60年壽命設計技術進行研究，通過研究發現，采取一定技術措施后，主管道提高到60年是可行的。通過本文的研究，為主管道設計制造技術的提升、經濟性的提高具有借鑒意義。

1 主管道設計（60年壽命）技術可行性研究

通過調研和分析國內、外第三代核電站主管道60年壽命設計標準，同時，廣泛調研國內外對主管道60年設計壽命的研究成果及應用實例[2]，重點研究第三代核電站的主管道設計特點，對華龍一號鍛造主管道（60年壽命）設計和制造技術進行研究，確定設計標準。

本文調研了國內外主管道采用鍛件的情況，分析了主管道鍛件設計和制造采用ASME標準和RCC-M標準的優、缺點，并結合多專業分析了華龍一號采用ASME標準或RCC-M標準進行主管道鍛件的設計和選材造成的影響。

根據初步分析，考慮到華龍一號總體設計采用法國RCC系列標準。國內長期以來具有大量的核電站主管道設計經驗（現國內以RCC-M為主），因此，華龍一號采用RCC-M標準進行主管道鍛件的設計。

2 主管道6 0年壽命設計技術研究

2.1 材料選擇

由于鍛件比鑄件晶粒度小且均勻，使同材質的不銹鋼鍛件比鑄件有更好的抗腐蝕和抗疲勞性能。華龍一號主管道設計中采用鍛件，材料選擇有三種：RCC-M M3321的材料X2CrNiMo18-12（控氮）、X2CrNi19-10（控氮）和ASMESA-376中的材料TP316LN。根據主管道設計要求，對三種材料進行了對比分析論證[3]。

三種材料在成分上主要表現在C、N、Mo元素的差別上，在組織上鐵素體含量不同，從而導致鋼錠的鍛造性能存在差異。鍛造主管道所用鋼錠重量較大，而且不銹鋼的高溫抗力較高，所以鍛造性能的優劣是決定材料選擇的主要標準之一。

2.1.1 X2CrNi19-10（控氮）

組織：固溶處理后鐵素體含量δ為10%~15%，鍛造時δ達到20%~27%，鍛造性能惡化。

優點：焊接性能好

對大鍛件的適應性：傳統觀念，要求鍛件中保留4%~12%的鐵素體，以其細化鍛造組織及改善焊接性能，并將鐵素體控制量納入了技術規范。但如果室溫組織中含有4%~12%的鐵素體，則在高溫鍛造時鐵素體含量更多，導致鍛造困難。

2.1.2 X2CrNiMo18-12（控氮）

組織：固溶處理后為單一奧氏體組織，但鍛造時鐵素體含量δ增加，鍛造性能優于前一種材料。

2.1.3 TP316LN

組織：固溶處理后為單一奧氏體組織，但該種材質中Mo、N含量較高，提高了其高溫屈服強度，但需要提高加熱溫度，否則成型困難。

綜合以上分析過程，主管道材料選用RCCMM3321中的材料X2CrNiMo18-12（控氮）。

2.2 結構設計

2.2.1 取消車間預制環焊縫和大于4″接管嘴的焊縫

由于主管道的薄弱環節主要在焊縫，在華龍一號主管道結構設計過程中，設計者考慮了主管道的布置和成型，取消車間預制環焊縫（直管和彎頭之間）和大于4″接管嘴與主管道間的焊縫，實現了華龍一號主管道的一體化鍛造，減少了主管道在使用過程中的潛在風險。

2.2.2 優化了主管道熱段彎頭變徑設計

為了便于主管道的制造成型以及加工，在M310的基礎上取消主管道熱段變徑的要求，原M310主管道熱段從736.6 mm（反應堆壓力容器側）變徑到787.4 mm（蒸汽發生器側），通過與反應堆壓力容器、力學等專業的綜合研究和分析，華龍一號主管道熱段內徑統一修改為787.4 mm，從而改善了主管道彎頭的應力狀態，降低了制造難度。

2.2.3 主管道接管嘴的設計

在主管道設計過程中，針對主管道接管嘴的結構進行了優化設計，保證了主管道接管嘴的60年壽命設計。例如，在疲勞使用系數較大的焊縫部位，采用熱套管結構設計，有效地降低了熱沖擊對焊縫的疲勞影響。

2.2.4 采用三維設計技術，保證了主管道結構設計和接口設計的合理性

主管道熱段連接反應堆壓力容器出口與蒸汽發生器入口，壓力容器出口接管嘴與蒸汽發生器入口接管嘴位于不同的標高，采用三維設計技術確定了主管道熱段的俯視同軸設計，使制造階段整個熱段可位于同一平面內，后續施工階段也較便于組對。

主管道冷段連接主泵出口與反應堆壓力容器入口，主泵出口與壓力容器入口接管嘴位于同一標高，采用三維設計技術確定了主管道冷段的同平面設計；考慮到整個冷段并非同軸，利用三維設計開展了多次模擬并合理確定了冷段彎頭的位置與角度，即將彎頭（帶一段很短的直段）直接與反應堆壓力容器入口連接，這樣就給冷段留出了最大直段長度，留給輔助系統接管嘴用。

主管道過渡段連接蒸汽發生器出口與主泵入口，設備接管嘴標高不一致，且管道走向也不能同軸，通過三維設計，確定了過渡段底部直段與主泵入口彎頭局部俯視同軸，并將主回路施工的最后焊口及調整段預留在過渡段水平和垂直直段上。

主管道上設計有大量的輔助系統接管嘴（如安注接管嘴、余排接管嘴等）和主系統自身測量所需的儀表接管嘴（如溫度測量、流量測量、水位測量等），這些接口設計不僅要考慮主管道自身的結構強度，還必須同時考慮接口物項的布置狀態。在三維設計系統中，充分開展了各接口信息的布置信息核實，從綜合布置設計角度保證了各接口設計是合理的。

2.3 焊接設計

為保證主管道現場焊接質量以及減少焊接變形，盡量減少焊縫填充金屬，縮短安裝周期，設計者將主管道現場的焊接設計為窄間隙自動TIG焊。為此，需要設計特殊的焊接坡口型式，一方面能使焊縫坡口盡可能窄；另一方面又要適應焊槍的填絲操作。同時，采用TIG焊的焊縫對熱老化不敏感，而材料不存在熱老化、疲勞等劣化機理又是LBB技術實施的先決條件之一，同時要滿足極限載荷方法進行LBB評估，因此，采用窄間隙TIG焊有利于LBB分析的實施。

2.4 制造工藝

華龍一號首次采用材料X2CrNiMo18—12（控氮）進行主管道鍛件的制造，并開發了超純凈、成分均勻、材料利用率高的大型超低碳奧氏體不銹鋼冶煉技術，實現了大型電渣重熔鋼錠的整體鍛造（包含≥4″接管嘴）的模壓整體成型技術，相對真空冶煉技術減少了鋼錠的重量，自主開發了高效內孔套料加工技術，提高了加工效率和材料利用率，顯著縮短了制造周期和降低了主管道在役檢查的工作量，大幅降低了制造成本；自主開發了彎制模具和主管道整體冷彎成型技術，彎制尺寸精度高，現已完成主管道彎制約百余件，合格率100%，為主管道現場安裝提供了精確的尺寸保障。

3 結論

本文通過調研明確了主管道60年壽命設計是可行的，通過材料選擇、結構設計、焊接設計以及制造工藝的優化，完成了60年設計壽命鍛造主管道的設計工作，解決了60年設計壽命鍛造主管道設計、制造等關鍵技術，實現了滿足60年設計壽命及規范要求的鍛造主管道設計、制造等技術指標，為核電廠技術水平提高、經濟性提升提供了有益借鑒。