張敬才(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610041)

壓水堆核電廠核島主設(shè)備國(guó)產(chǎn)化關(guān)注點(diǎn)—大型鍛件

張敬才
(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610041)

以核島RPV和SG用低合金鋼大型鍛件為對(duì)象，分析了其重要性、供需、成熟性，以及法國(guó)20世紀(jì)七八十年代規(guī)?；l(fā)展核電的經(jīng)驗(yàn)，力挺以進(jìn)一步深入科研、集中、標(biāo)準(zhǔn)化的做法，加速提升國(guó)產(chǎn)大型鍛件的供貨能力。

核電廠；核島主設(shè)備；大型鍛件

積極發(fā)展核電是中國(guó)能源戰(zhàn)略之一，近期核電的發(fā)展是以二代改進(jìn)型核電廠技術(shù)為主導(dǎo)，遠(yuǎn)期將以引進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)證的AP1000作為我國(guó)核電自主化的依托項(xiàng)目，通過(guò)消化吸收、自主化和再創(chuàng)新，作為我國(guó)三代核電廠發(fā)展的技術(shù)路線，并成為核工業(yè)界多數(shù)人的共識(shí)。

一個(gè)二代百萬(wàn)千瓦級(jí)核電機(jī)組的核電廠，各種壓力容器約260臺(tái)、管道約60 000 m、焊縫約50 000條、用于主回路設(shè)備的低合金鋼約為1 200 t、奧氏體不銹鋼約為1 150 t，核電廠總用鋼量約為61 000 t。因此，材料是發(fā)展核電重要基礎(chǔ)之一，特別是核島反應(yīng)堆壓力容器(RPV)及蒸汽發(fā)生器(SG)用的低合金鋼(16MND5/SA508-3)大型鍛件已成為我國(guó)核島主設(shè)備國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)業(yè)鏈中重要鏈節(jié)，引起了多方人士關(guān)注。

1 關(guān)注點(diǎn)之一：材料成本

核電廠建造的特點(diǎn)之一是初投資比較大，按美國(guó)“用戶要求文件”（URD）目標(biāo)比投資是≤1 300 美元/千瓦，但核電廠設(shè)計(jì)壽期較長(zhǎng)，一般為40～60年，還貸期一般為15年。初投資中設(shè)備成本約占一半（見圖1），其中核島設(shè)備占52.4%、常規(guī)島占28.6%、其他兩項(xiàng)為19%；從設(shè)計(jì)、設(shè)備采購(gòu)角度看，設(shè)備采購(gòu)占51.4%的65.6%，其中材料費(fèi)約為55%，對(duì)RPV而言它的一半多（為28%）為鍛件材料費(fèi)。因此，僅從材料或鍛件成本看亦值得關(guān)注。

2 關(guān)注點(diǎn)之二：供需

AP1000和EPR核電廠主設(shè)備中需要的大型鍛件是AP1000蒸汽發(fā)生器（Δ125）的管板和封頭及EPR堆芯筒體內(nèi)徑為4 870 mm的反應(yīng)堆壓力容器的法蘭接管段殼體和堆芯段筒體，不銹鋼用于主管道和主泵殼體，它們的尺寸、重量及鋼錠大小見表1。

據(jù)了解，我國(guó)目前（2007年底）核電廠和近期發(fā)展簡(jiǎn)述如下：

在役核電機(jī)組 共計(jì)11個(gè) 870萬(wàn)千瓦（QS-Ⅰ/1、QS-Ⅱ/2、QS-Ⅲ/2、田灣/2、大亞灣/2、LA-Ⅰ/2）。

核準(zhǔn)建造核電機(jī)組 共計(jì)8個(gè) 778萬(wàn)千瓦（QS-ⅡE/2、LA-Ⅱ/2、紅沿河/4，注：數(shù)據(jù)截至2007年底。），三門和海陽(yáng)為引進(jìn)AP1000機(jī)組的核電廠，共計(jì)400萬(wàn)千瓦。

圖1 材料成本Fig.1 Cost of materials

表1 EPR與AP1000主設(shè)備部件尺寸、質(zhì)量及鋼錠大小Table 1 The specification and weight of major equipment components, and the size of steel ingot of EPR and AP1000

2020年應(yīng)投運(yùn) 4 000萬(wàn)千瓦

2020年應(yīng)在建 1 800萬(wàn)千瓦

2020年前核電缺口 1 410萬(wàn)千瓦（投運(yùn)）/3 210萬(wàn)千瓦（包括在建）

建造周期 約60個(gè)月=約5年

RPV/SG鍛件生產(chǎn)周期 10/12個(gè)月=約1年

需要的整套R(shí)PV鍛件數(shù)量 15/33臺(tái)套

需要的整套SG鍛件數(shù)量 45/99臺(tái)套

按余下時(shí)間10年計(jì)（已核準(zhǔn)建造的14個(gè)核電機(jī)組的14臺(tái)RPV和40臺(tái)SG預(yù)計(jì)于2008-2012年間供貨）

每年RPV出廠 1.5/3.3臺(tái)

每年SG出廠 4.5/9.9臺(tái)

對(duì)上述需求的RPV和SG國(guó)產(chǎn)化數(shù)量可持謹(jǐn)慎的樂(lè)觀態(tài)度，原因之一是取決于RPV和SG用的大型鍛件的按時(shí)供貨，國(guó)產(chǎn)的大型低合金鋼鍛件按時(shí)供貨則主要決定于大型鍛件制造工藝（包括工藝過(guò)程控制）的成熟性。

3 關(guān)注之三：成熟性

對(duì)壓水堆核島主設(shè)備RPV和SG用的大型鍛件的基本要求是在所有厚度的全斷面上具有合適的強(qiáng)度、足夠的韌性及良好的焊接性。然而，由于冶煉、多爐合澆、錠型與冷卻過(guò)程中存在偏析，包括碳偏析、A型偏析、V型偏析等，以及熱處理后的晶粒度和微觀組織的不均勻，導(dǎo)致大型鍛件性能均勻性欠佳或甚至不滿足要求。其原因之一是經(jīng)驗(yàn)不足，我國(guó)大型鍛件的制造正從試制進(jìn)入小批量制造階段，還沒(méi)有進(jìn)入專業(yè)化的穩(wěn)定成熟階段，要跨越式提升，適時(shí)開展核級(jí)大型鍛件制造工藝的科研應(yīng)受到關(guān)注。

特定鋼種的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(CCT曲線)描繪由奧氏體化溫度冷至室溫過(guò)程中奧氏體的轉(zhuǎn)變過(guò)程及微觀組織，可以利用CCT曲線探討和預(yù)知大型鍛件不同斷面厚度冷卻速率下奧氏體的轉(zhuǎn)變過(guò)程及產(chǎn)生的微觀組織，進(jìn)而推知力學(xué)性能并判斷不同厚度及不同斷面厚度處需要的冷卻速率。正火、淬火、焊接過(guò)程中，從高溫到低溫的冷卻速率不但可以測(cè)量亦可建立理論模型編程進(jìn)行計(jì)算。這些研究結(jié)果對(duì)大型鍛件的正火、淬火及回火的工藝過(guò)程控制具有指導(dǎo)意義?；鼗疬^(guò)程應(yīng)關(guān)注回火參數(shù)對(duì)材料韌性的影響，通過(guò)研究可以最佳的回火參數(shù)來(lái)控制回火溫度和保溫時(shí)間。

強(qiáng)化工藝過(guò)程控制，包括工藝文件完整、記錄齊全、監(jiān)督全面，已正在成為各廠家認(rèn)可的共同質(zhì)?；顒?dòng)，只能加強(qiáng)不能削弱。

在上述解決了核級(jí)大型鍛件制造工藝穩(wěn)定成熟后，再進(jìn)一步開展高純度高韌性耐中子輻照的核級(jí)巨型鍛件研究，以滿足三代壓水堆核島主設(shè)備的設(shè)計(jì)建造需求。

實(shí)踐表明，在研制過(guò)程中，以核電工程需求為背景，以企業(yè)集團(tuán)為主體，實(shí)施企業(yè)集團(tuán)、研究單位和設(shè)計(jì)單位三結(jié)合的方式進(jìn)行是比較行之有效的模式。

4 關(guān)注之四：借鑒

法國(guó)在1974年確定了建設(shè)34個(gè)900 MW機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)型壓水堆核電廠，在1975年又制訂了建設(shè)20個(gè)1 300 MW機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)型壓水堆核電廠的計(jì)劃。因而，法國(guó)在20世紀(jì)七八十年代發(fā)展核電的情況似乎類似我國(guó)目前的狀況。法國(guó)在總結(jié)其核電快速發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)時(shí)，在“成熟的壓水反應(yīng)堆”（法國(guó)核工程技術(shù)，No.3）一文中總結(jié)為三條：“工業(yè)和能力集中；設(shè)備和型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化；計(jì)劃的連續(xù)性”。盡管法國(guó)國(guó)情不同于我國(guó)，但它總結(jié)的集中-標(biāo)準(zhǔn)化-連續(xù)性三點(diǎn)對(duì)我們可能有參考價(jià)值，其核電發(fā)展及標(biāo)準(zhǔn)化的概貌見圖2。

法國(guó)當(dāng)時(shí)核電廠設(shè)計(jì)集中在法馬通，核電業(yè)主為國(guó)家用戶EDF，而主設(shè)備制造主要集中在屬于法馬通制造部下的克羅索-盧瓦爾-夏龍（Creusot-Loire-Salon）地區(qū)，負(fù)責(zé)施工設(shè)計(jì)和制造RPV、SG、Pzr、RVI等設(shè)備，并建有三個(gè)中心：無(wú)損檢驗(yàn)、焊接研究及計(jì)算分析中心。其大型鍛件全部由克羅索-盧瓦爾重型鑄鍛件廠生產(chǎn)，年產(chǎn)能力達(dá)3萬(wàn)t，鑄鍛件經(jīng)粗加工探傷合格后發(fā)往夏龍廠完成產(chǎn)品制造出廠。當(dāng)時(shí)重型鑄鍛件廠的能力類似甚至不如我國(guó)目前的裝備：行車為400 t/225 t/100 t，翻鋼機(jī)為190 t，鉗子為200 t，水壓機(jī)為6 000～9 000 t各一臺(tái)，加熱爐為20 m×4 m×4 m×300 t，熱處理爐為φ10 m×5 m，淬火水池為φ8.6 m×6 m，機(jī)加工為多臺(tái)8 m數(shù)控立車，行車為250 t×2，另配數(shù)控鏜銑床及UT等探傷設(shè)備多臺(tái)。由于其鋼錠不超過(guò)200 t，故一些大型鍛件，如透平轉(zhuǎn)子、RPV封頭鍛板等還采用了鍛件/鍛板拼焊制造。夏龍廠使用這些鍛件自1974年起至1988年的14年間制造了900 MW、1300 MW、1450 MW的RPV計(jì)68臺(tái)，平均年產(chǎn)達(dá)4臺(tái)半，當(dāng)然還有SG等，體現(xiàn)了在核電持續(xù)發(fā)展規(guī)劃下的集中/專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化管理的巨大優(yōu)越性。法國(guó)20世紀(jì)70年代發(fā)展核電的集中/專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化做法可能值得我們借鑒。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以壓水堆核電廠核島主設(shè)備RPV和SG用低合金鋼大型鍛件為對(duì)象，從材料成本關(guān)注其重要性、從核電規(guī)劃目標(biāo)關(guān)注其供需、從制造技術(shù)關(guān)注其成熟性、從法國(guó)核電發(fā)展關(guān)注其經(jīng)驗(yàn)，目的是進(jìn)一步引起對(duì)我國(guó)核電國(guó)產(chǎn)化大型鍛件的全面關(guān)注，并力挺以進(jìn)一步的深入科研、集中/專業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化做法加速提升國(guó)產(chǎn)大型鍛件的供貨能力，確保我國(guó)核電規(guī)劃目標(biāo)順利圓滿的實(shí)現(xiàn)。

The main factor of localization of nuclear island major equipment of PWR nuclear power plant Large forgings

ZHANG Jing-cai
(Nuclear Power Institute of China，Chengdu of Sichuan Prov. 610041，China)

Taking the RPV and SG made of low alloy steel large forgings in nuclear island as an examaple, the importance, supply and demand, and maturity of large forgings, as well as the specialized and standardized practices of France to develop nuclear power in the 1970s are studied in this paper. And further in-depth R&Ds are advocated with an aim to improve the domestic supply capacity of large forgings following the centralized and standardized practice.

nuclear power plant; nuclear island main equipment; large forging localization

圖2 法國(guó)核電發(fā)展與核電標(biāo)準(zhǔn)體系Fig.2 French nuclear power development and its standards system

TL35

A

1674-1617(2009)01-0038-04

2008-09-08

張敬才（1937－），男，遼寧本溪人，研究員級(jí)高工，主要從事反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和科研工作。