劉向紅 陶舒暢 黃均麟 蔣 鴻 黃 燕

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

0 引言

目前，國內在建和待批核電項目絕大部分采用百萬千瓦級壓水堆型，主管道作為其中的關鍵設備之一，自主化設計降低了設備采購和核電站建造成本，提高了工程建造效率，縮短了核電站建造周期，為核電站的及時發(fā)電提供了更好的保障[1]。目前，該自主設計成果已經成功應用于華龍一號福清5號、6號機組及巴基斯坦K2、K3項目。

本文論述了華龍一號主管道設計的主要思路，并對國內外同類技術進行總結對比，為核電站主管道設計、建造、安裝等提供借鑒。

1 華龍一號主管道設計思路

1.1 總體思路

通過開展主管道標準研究，對國內外三代核電主管道設計的標準進行調研和研究分析，確定華龍一號項目主管道設計標準；通過對本項目主管道結構設計和分析研究（包括LBB分析），確定主管道的設計和制造參數，包括結構、材料、焊接等，分析論證主管道及接管嘴的應力和60年壽命周期內的疲勞性能等[2]。通過對主管道制造工藝研究，確定主管道穩(wěn)定的制造工藝，包括冶煉、鍛造、彎制、熱處理、無損檢測等；通過主管道母材和焊縫材料特殊力學性能研究等，獲得主管道LBB分析相關的材料性能試驗數據：分別對主管道材料和焊縫材料進行試驗以獲取JR曲線、真應力—應變曲線、疲勞裂紋擴展速率曲線和設計疲勞曲線。

1.2 華龍一號主管道技術難點

相較于同類型高溫高壓條件下的鑄造主管道結構設計和制造，華龍一號鍛造主管道的結構設計和制造難度更大，主要體現在[3]：（1）一體化鍛造成型：對主管道的結構設計進行了大量優(yōu)化；（2）主管道L BB試驗研究和分析；（3）適宜一體化鍛造工藝，合理的材料選擇，晶粒度控制、鍛造組織均勻性控制等，避免不銹鋼大鍛件在鍛造過程產生裂紋；（4）主管道彎管成型尺寸精度的控制；（5）超長主管道熱處理變形控制。

1.3 華龍一號主管道設計難點問題的解決

針對一體化主管道的結構特點，主管道設計和制造過程中主要解決如下的技術問題：

（1）主管道設計標準

對國內外三代核電主管道60年壽命設計的標準進行研究，確定華龍一號主管道設計標準。

（2）主管道結構設計和分析

根據主管道使用環(huán)境條件和設計運行工況要求，初步提出主管道設計方案，并進行分析論證研究，確定主管道的基本結構。針對方案論證研究開展主管道的結構設計。結構設計包括標準選取、材料選取、確定關鍵尺寸以及開展主管道力學評價等。

（3）主管道的制造工藝研究和評定件制造

根據前期摸索確定的制造工藝，完成主管道評定件的制造，且進行了大量理化性能、常規(guī)力學性能檢測以及無損檢測。通過評定件的生產，掌握了華龍一號鍛造主管道整個生產流程中的所有關鍵技術，形成了一套成熟穩(wěn)定的生產工藝。

（4）主管道LBB試驗研究和分析

根據主管道的設計特點，采用LBB分析技術，建立主管道及接管嘴力學分析模型，并根據設計參數及設計載荷開展力學分析和評價。

2 國內外同類技術比較

2.1 材料設計

AP1000主管道由美國西屋進行設計、材料為ASME第II卷SA-376中TP316LN，EPR主管道由法國法瑪通設計，主管道材料為RCC-M M3321中的X2CrNi19.10（控氮）。華龍一號鍛造主管道由中國核動力研究設計院自主設計，材料采用RCC-M M3321中的X2CrNi Mo18.12（控氮），由煙臺臺?，斉瑺柡穗娫O備有限公司制造，力學性能對比情況見表1。通過表1對3種材料的對比可知，華龍一號主管道材料在鍛造和力學性能等方面都明顯優(yōu)于其他2種材料。

表1 力學性能對比表

2.2 結構設計

與M310系相比，在華龍一號主管道結構設計過程中，考慮了主管道的布置和成型，取消車間預制環(huán)焊縫和大于4″接管嘴的焊縫，減少了車間預制環(huán)焊縫（直管和彎頭之間）和大于4″接管嘴與主管道間的焊縫，由于主管道的薄弱環(huán)節(jié)主要在焊縫，主管道上焊縫的減少相應地降低了主管道在使用過程中的潛在風險。同時，由于焊縫的減少，電廠運行期間也減少了相應焊縫的在役檢查工作，為核電站的運行節(jié)約了成本，也為整個在役檢查節(jié)約了時間。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，改善了彎頭的應力狀態(tài)，有利于制造及加工，提高了設備使用壽命。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。

2.3 LBB分析

國內首次采用LBB技術對主管道進行設計分析，與M310相比，LBB技術的應用，可代替高能管道雙端剪切斷裂的設計準則，簡化系統(tǒng)結構設計，既確保了核反應堆的安全，又可以省去一些不必要的設施，降低核反應堆結構的復雜程度，節(jié)約建設費用，同時還能降低在役檢查的難度，減少人員輻照劑量吸收等一系列好處。本項目開展了鍛造主管道母材和焊縫材料相關試驗研究，為主管道的LBB設計分析提供了輸入數據。采用了LBB技術分析了華龍一號鍛造主管道的設計，達到了國際三代核電的技術要求。

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(fā)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輕了鋼錠的質量；自主開發(fā)了高效內孔套料加工技術，提高了加工效率和材料利用率，顯著地縮短了制造周期，降低了在役檢查的工作量，大幅度減低了制造成本；自主開發(fā)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 結語

綜上所述，華龍一號鍛造主管道的研制是在總結M310鑄造主管道生產技術的基礎上，充分融合了三代核電主管道制造技術的先進點。因此，華龍一號鍛造主管道具有對先進及成熟技術的傳承性，研發(fā)的漸進性以及對提高國產化水平的帶動性等特征，華龍一號主管道制造屬于國內首例，關鍵技術處于國際領先水平，主管道主要技術指標達到國際同類產品先進水平，為我國自主設計的核電站主管道產業(yè)化提供了條件。