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 6 2 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