環(huán)境保護部核與輻射安全中心（北京 100082）張文廣 浦承皓 郭德朋 陳陽陽

壓水堆M310機組中核2、3級熱交換器種類繁多，這些熱交換器（見圖1）對于機組的安全穩(wěn)定運行、放射性物質(zhì)包容和廢物處理起到了至關(guān)重要的作用，一旦其發(fā)生故障，就有可能導(dǎo)致放射性物質(zhì)外泄，引起嚴重的核事故。因此，必須確保這些熱交換器在機組運行期間或整個電站壽期內(nèi)保持其設(shè)備和功能完整性。

圖1

余熱排出熱交換器由殼體、管板管束組件、封頭、水室組件、支承和接管等組成。在這些結(jié)構(gòu)件中，傳熱管用于熱量交換，是熱交換器的關(guān)鍵部件，其質(zhì)量的好壞直接決定熱交換器的性能優(yōu)劣。因此，必須確保傳熱管的質(zhì)量以滿足熱交換器的功能要求。

對于核安全級設(shè)備來說，U形傳熱管需要在直管的基礎(chǔ)上彎制成形，并需要事先對彎管工藝進行評定和制定彎管工藝規(guī)程，從而指導(dǎo)彎管工作，確保成品U形管滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和相關(guān)技術(shù)條件的要求。鑒于傳熱管的重要性，國家核安全局已將其納入監(jiān)管范圍。

然而，經(jīng)驗表明，國內(nèi)部分制造廠對RCC－M標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中彎管工藝要求的理解存在誤區(qū)，未按照RCC－M的要求進行U形管生產(chǎn)，導(dǎo)致設(shè)備最終報廢的嚴重后果。為此，本文將針對某項目熱交換器用U形傳熱管彎制過程中存在的具體問題，充分分析標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中彎管工藝的具體要求，以指導(dǎo)U形管的生產(chǎn)工作。

一、典型事件介紹

2010年，國內(nèi)某制造廠承接的某項目熱交換器合同，采購成品傳熱管直管用于制備U形管。該制造廠事先根據(jù)RCC－M標(biāo)準(zhǔn)要求進行了彎管工藝評定，并編制了彎管工藝規(guī)程。規(guī)程中規(guī)定只對含最小彎曲半徑的幾種彎管進行消應(yīng)力熱處理，并且未明確對經(jīng)消應(yīng)力熱處理后的彎管進行驗證性試驗。然后，制造廠用所制備的U形管進行熱交換器制造，直至買方進行設(shè)備出廠驗收時發(fā)現(xiàn)制造廠提供的彎管工藝評定報告和相應(yīng)記錄文件不符合RCCM的相關(guān)要求。

由于這些熱交換器設(shè)備已經(jīng)制造完成，無法驗證U形傳熱管的性能是否滿足標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)條件要求，最終不得不報廢所有設(shè)備。這次事件的代價是沉重的。因此，為了弄清RCC－M（2000＋2002補遺版）F 4160章節(jié)中核2、3級熱交換器用奧氏體不銹鋼傳熱管彎管工藝的具體要求，下面將逐步進行分析。

二、工藝評定

在進行批量生產(chǎn)彎管前，應(yīng)選取預(yù)制直管或者成品直管進行試驗評定，驗證所采用的彎管工藝能夠滿足規(guī)定的尺寸公差要求，同時不會對材料造成影響，并驗證彎管段是否需要進行消應(yīng)力熱處理。具體工藝評定過程如下：

1.尺寸公差的符合性檢查

用彎管機彎制5根最小彎曲半徑的彎管，在同一點測量尺寸，尺寸公差須滿足要求；彎管機必須是經(jīng)過評定合格的或者為同一車間內(nèi)相同規(guī)格型號的機器。

2.應(yīng)力腐蝕試驗和金相檢查

對于奧氏體不銹鋼，進行應(yīng)力腐蝕試驗和金相檢查。

（1）按照MC1362的要求進行沸騰Mg Cl2試驗，確定彎管部位耐應(yīng)力腐蝕的能力。合格標(biāo)準(zhǔn)為試驗后無裂紋產(chǎn)生；如果試驗證明有必要進行消應(yīng)力熱處理，則由制造廠制定熱處理工藝條件。

（2）取5根彎管試樣對消應(yīng)熱處理的效果進行驗證，其中2根是未進行消應(yīng)熱處理的彎管，3根是進行過消應(yīng)熱處理的彎管。①消應(yīng)力熱處理后，應(yīng)取3根熱處理過的彎管測量尺寸公差。②對于未進行消應(yīng)熱處理的彎管，應(yīng)按照MC1362的要求分別對2根彎管進行沸騰Mg Cl2試驗：取2個試樣，其中1個試樣取自直管和彎管部分的過渡部位，1個試樣取自彎管的中間部位。③消應(yīng)力熱處理后，應(yīng)按照MC 1330的要求對彎管進行金相試驗檢查（100倍放大），合格標(biāo)準(zhǔn)為：與未經(jīng)消應(yīng)力熱處理試樣的相同部位的晶粒相比，熱處理后的晶粒尺寸變化不大；或者最大晶粒的尺寸小于前者，晶粒數(shù)至少等于同一區(qū)域的平均值，這樣的晶粒長大可以接受。晶界處無新的析出物。④如果所取5根彎管的彎曲半徑小于等于10d（d為傳熱管的名義直徑），需要增加彎制2根彎曲半徑最接近10d的彎管；這2根彎管應(yīng)進行上述②和③的試驗驗證。

若試驗結(jié)果顯示應(yīng)力值不可接受，則選取大于10d的鄰近彎曲半徑的彎管進行上述試驗，以確定需要進行消應(yīng)力熱處理的最大彎曲半徑的彎管。反之，試驗結(jié)果顯示應(yīng)力值可以接受，則只對最接近10d及以下彎曲半徑的彎管進行消應(yīng)力熱處理。⑤如果上述中所選取的5根彎管的最小彎曲半徑大于10d且沸騰Mg Cl2試驗結(jié)果不合格，則執(zhí)行上述④中第二段的要求。

圖2

以上是針對彎管工藝評定的具體要求，評定的工藝流程如圖2所示。由此可見，經(jīng)過彎管尺寸檢查、應(yīng)力腐蝕試驗、金相試驗的多次驗證后，確定彎管機、彎管方法、熱處理工藝的有效性和選取需進行消應(yīng)力熱處理的彎管范圍，最終制定符合實際需要的彎管工藝規(guī)程。

3.成品彎管的檢驗要求

采用經(jīng)過評定合格的彎管工藝規(guī)程生產(chǎn)成品彎管，完成后需對彎管進行如下檢驗：

（1）在每批中，對相同彎曲半徑的5根彎管進行尺寸檢查（若同一批中有幾種規(guī)格彎曲半徑的彎管，則每種規(guī)格選5根進行尺寸檢查）。檢查內(nèi)容如下：彎曲半徑；在3個不同的點測量橢圓度（45°，90°，135°）；UT檢測彎曲部位拱背（外側(cè)）處的管壁厚。

（2）對于全部進行了消應(yīng)力熱處理的彎管束，應(yīng)該各取1根最大和最小彎曲半徑的彎管（對于部分消應(yīng)力熱處理的管束，應(yīng)取經(jīng)消應(yīng)力熱處理的最小彎曲半徑、最大彎曲半徑和未經(jīng)消應(yīng)力熱處理的最小彎曲半徑的彎管各1根）進行如下檢驗：在3個不同的點測量橢圓度（45°，90°，135°）；UT檢測彎曲部位拱背（外側(cè)）處的管壁厚；對于未進行消應(yīng)力熱處理的彎管，取2個試樣按照MC1360的要求進行沸騰Mg Cl2試驗，其中1個試樣取自直管和彎管的過渡部位，1個試樣取自彎管的中間部位；金相試驗：對進行了消應(yīng)力熱處理的最小和最大彎曲半徑的彎管，各取2個試樣進行試驗，其中1個試樣取自直管和彎管的過渡部位，1個試樣取自彎管的中間部位；合格標(biāo)準(zhǔn)參照工藝評定2（2）③的要求。

（3）彎管表面質(zhì)量檢查：無劃痕、突起或者影響管強度的任何缺陷，必要時進行PT檢測；彎管的清潔度（尤其是經(jīng)消應(yīng)熱處理之后的彎管存在較淡變色的情況）應(yīng)滿足F 6000的要求。

綜上可見，雖然彎管工藝規(guī)程經(jīng)過了評定認可，但是在實際的產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，還需要抽取成品彎管進行尺寸檢查、金相試驗、應(yīng)力腐蝕試驗和表面質(zhì)量檢查，以確保實際產(chǎn)品符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。這些檢查要求都要體現(xiàn)在制造廠的相應(yīng)程序中并嚴格執(zhí)行。

三、事件中典型熱交換器傳熱管的彎管工藝分析

本次事件中報廢的熱交換器包括余熱排出熱交換器，制造廠在彎管工藝評定過程中，只對彎曲半徑的傳熱管進行了消應(yīng)力熱處理，而未對其他彎曲半徑的傳熱管進行消應(yīng)力熱處理和試驗驗證，顯然制造廠的彎管工藝評定未遵循第二章節(jié)的各項要求。表1、表2為熱交換器的工藝參數(shù)及要求。

表1 余熱排出熱交換器的工藝參數(shù)

參照制造廠家的評定結(jié)果，本設(shè)備的部分傳熱管需要進行消應(yīng)力熱處理，因此下面只分析消應(yīng)力熱處理的驗證過程。

根據(jù)圖2所示的評定工藝流程，為了最優(yōu)化評定過程，應(yīng)進行的評定步驟如下：

制備表2中序號5～9彎曲半徑的彎管5根，這樣彎管就涵蓋了第二章2（2）中①、②、③彎曲半徑范圍，10d（160mm）介于序號6彎曲半徑143.26mm和序號7彎曲半徑162.32mm之間，同時序號6和8彎曲半徑的彎管不進行消應(yīng)力熱處理，其余3種規(guī)格的彎管進行消應(yīng)力熱處理，然后進行二2中要求的各項試驗。若試驗結(jié)果顯示：

表2 余熱排出熱交換器傳熱管彎管的基本參數(shù)要求

（1）5根彎管全部試驗合格，則只需對彎曲半徑≤124.21mm的彎管進行篩選，以確定需經(jīng)消應(yīng)力熱處理彎管的最大彎曲半徑。

（2）序號5、7～9合格，序號6不合格，則需對彎曲半徑為143.26mm及以下的彎管進行消應(yīng)力熱處理，同時驗證序號7是否需要消應(yīng)力熱處理。

（3）序號5、7和9合格，序號6和8不合格，則需對彎曲半徑為181.37mm及以下的彎管進行消應(yīng)力熱處理，同時驗證序號9是否需要消應(yīng)力熱處理。

（4）5根彎管試驗全部不合格，則需修訂彎管工藝和消應(yīng)力熱處理工藝，并驗證序號10是否需要消應(yīng)力熱處理，直至確定需進行消應(yīng)力熱處理彎管的最大彎曲半徑為止。

（5）同時在以上步驟中根據(jù)試驗結(jié)果不斷修訂消應(yīng)力熱處理工藝。

經(jīng)過上面的評定步驟，制定的余熱排出熱交換器彎管工藝規(guī)程才能符合實際生產(chǎn)需要，同時對成品彎管按照二章、3節(jié)的要求進行檢查，可以保證最終生產(chǎn)出來的傳熱管滿足技術(shù)要求。

四、結(jié)語

目前，國內(nèi)的許多制造廠對標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中傳熱管的彎管工藝評定要求理解存在錯誤，導(dǎo)致生產(chǎn)的傳熱管存在質(zhì)量問題。而某些制造廠則不加區(qū)分的對全部彎管進行消應(yīng)力熱處理，這樣不僅造成了巨大的資源浪費，而且經(jīng)熱處理后的傳熱管可能會出現(xiàn)晶粒異常長大和沉淀物在晶界處析出的情況，從而會降低傳熱管的力學(xué)性能。因此，從核安全的角度出發(fā)，充分理解和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的相關(guān)要求，是保證傳熱管質(zhì)量的必要前提。