CAP1400一回路系統(tǒng)管道彎制工藝研究及質(zhì)量控制

李海濤，張 躍，*，許云偉，趙立彬，陳一偉

(1.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心,北京 100082;2.中國能源建設集團浙江火電建設有限公司,浙江 杭州 310016)

CAP1400核電技術(shù)是在我國由美國西屋公司引進的第三代先進非能動核電技術(shù)AP1000基礎之上，經(jīng)過消化、吸收，并轉(zhuǎn)化創(chuàng)新成為我國自主知識產(chǎn)權(quán)、功率更大的非能動大型先進壓水堆核電技術(shù)，作為《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》確定的16個國家科技重大專項之一[1]，備受關(guān)注。目前，我國的山東榮成兩臺CAP1400型壓水堆核電機組，設計壽命為60年，機組單機功率大于1 350 MW。一回路系統(tǒng)(反應堆冷卻劑系統(tǒng))管道屬于核電站第二道安全屏障，其工作介質(zhì)溫度為320～360 ℃，運行壓力達15.5 MPa 以上，經(jīng)受含硼水腐蝕、燃料組件輻照、熱沖擊等作用，設計使用壽命要求達到60年。

SA-312 TP316LN不銹鋼中添加了N元素，具有TP316L 不銹鋼的較優(yōu)耐腐蝕性，同時也提高了約20%的高溫屈服強度，具有較強的耐腐蝕性，高溫強度較好[2]。其化學成分和力學性能如表1和表2所示。

表1 ASME SA312-TP316LN奧氏體不銹鋼化學成分Table.1 Chemical composition of ASME SA312-TP316LN %(質(zhì)量分數(shù))

表2 ASME SA312-TP316LN 奧氏體不銹鋼力學性能Table.2 Mechanic property of ASME SA312-TP316LN

一回路管道規(guī)格尺寸不同，在彎制過程的參數(shù)會有差別，本次以Φ(508×40) mm，材質(zhì)為SA-312 TP316LN的管道彎制為模型，在彎管橢圓度、減薄率、彎管角度、彎曲半徑等方面進行嚴格控制，并且要保證彎制完成后的室溫拉伸、高溫拉伸及晶間腐蝕滿足規(guī)定要求，且晶粒度大于等于5級。

1 彎管工藝

1.1 彎管工藝選擇

管道彎管工藝主要分為熱管彎管和冷管彎管，通常而言，加熱溫度要參照t=(tC-56) ℃的標準溫度，其中，tC指的是管子材料的下臨界溫度，在溫度低于標準溫度t的情況下，彎管工藝是冷彎彎管；當加熱溫度不低于t的情況下，彎管工藝是熱彎彎管[3]。我國目前多采用感應加熱彎管工藝作為熱彎彎管工藝，利用高頻電源對管道圓周方向的狹窄區(qū)域進行加熱，直至達到彎管需要的溫度，并且勻速推進管道，從而通過彎矩作用使得管道能夠根據(jù)預先設定的角度調(diào)整彎曲程度，進而使得彎管具有一定的角度和曲率半徑。采用該工藝彎制的彎管具有成本低、質(zhì)量高、外形美觀、力學性能好等優(yōu)點，并且90°彎管局部阻力為0.20，比90°彎頭局部阻力系數(shù)0.25要小，更加有利于管道彎曲結(jié)構(gòu)阻力的降低，減小管道內(nèi)部阻力[4]。

1.2 推管設置

本次彎管的規(guī)格為Φ(508×40) mm，材質(zhì)為SA-312 TP316LN。本次采用的SLZPW-630/40彎管設備，其需要直管段：前段800 mm，后端3 000 mm。目前大口徑大壁厚的管道由于受制造工藝的限制，管道長度一般較短，為滿足彎曲角度90°和彎曲半徑1 500 mm(3D)的要求，需焊接推管臨時管，把原管道加長，滿足設備推板的行程。推管臨時管材質(zhì)為20號鋼，規(guī)格為Φ(508×35) mm，長度為1 200 mm,彎管部分材質(zhì)為SA312 TP316LN。管道推管焊接坡口如圖1所示。

圖1 管道推管焊接坡口示意圖Fig.1 Schematic of impelling pipe weld groove

管道推管焊接采用手工氬電聯(lián)焊，焊材選用異種鋼焊絲ER309/CHG309和異種鋼焊條A307/CHS307。

1.3 推進速度

中頻彎管的速度和溫度控制影響彎制質(zhì)量。加熱溫度一般控制在1 050～1100 ℃，溫度太低會造成彎矩變大而不能穩(wěn)定推進，溫度過高會造成過燒現(xiàn)象。TP316LN的高溫屈服強度較高，且管道的口徑和壁厚大、彎曲半徑小，因此所需功率較高，彎制速度較慢。經(jīng)過工藝試驗驗證，中頻功率設定在450～460 kW左右，溫度控制在1 060～1 070 ℃上下，扭矩95%，推進速度設定在7～8.5 mm/min 比較合適[5，6]。彎制過程中，要關(guān)注加熱帶的溫度變化情況，隨著彎曲角度的增大，應及時調(diào)整感應線圈與管子的間隙，使外弧側(cè)溫度略高于內(nèi)弧側(cè)，有利于外弧側(cè)拉伸和內(nèi)弧側(cè)擠壓成形。本次彎管的弧長為2 355 mm，彎制時間為317 min，經(jīng)計算推進速度為7.43 mm/min?，F(xiàn)場彎制過程如圖2所示。

圖2 中頻彎管彎制過程圖Fig.2 Process of medium-frequency bending

1.4 冷卻方式

中頻彎管應采用水冷，本彎管設備采用外徑610 mm/內(nèi)徑530 mm/寬25 mm的感應線圈，噴水孔角度設定為25°，噴水孔數(shù)為210個。在工藝評定過程中，該角度上部容易回水，造成加熱帶溫度不均勻。因此調(diào)整線圈內(nèi)徑和噴水角度，將感應線圈寬度調(diào)至40 mm，調(diào)整頂部噴水孔角度至45°，經(jīng)試驗無回水現(xiàn)象。在將停止彎制時，感應線圈緩慢向后移動，并對收弧段持續(xù)噴水冷卻15 min[7]。

2 熱處理

該管道為奧氏體不銹鋼材質(zhì)，在彎制過程中經(jīng)歷中頻高溫加熱、拉伸擠壓變形、噴水冷卻等工藝，在400～850 ℃的敏化溫度區(qū)間，會析出以Cr23C6為主的高絡碳化物，產(chǎn)生晶間腐蝕傾向。彎管成形后整管放入熱處理爐進行固溶熱處理，425 ℃以上時加熱速率控制在55～125 ℃/h。加熱至1 050～1 100 ℃，保溫時間為1 h，出爐迅速浸入水池中進行冷卻，從爐門全開至彎管全部浸入水中為45 s?？焖倏邕^了不銹鋼敏化溫度區(qū)間[8]。固溶熱處理如圖3所示。

圖3 固溶熱處理過程Fig.3 Process of solution treatment

3 檢驗試驗

管道彎制成形經(jīng)過固溶熱處理后，還需要完成以下的檢驗和試驗。

3.1 尺寸檢查

彎管橢圓度：

8月24日至9月2日，雨帶位置擺動，西北地區(qū)東部、東北地區(qū)南部、江淮、江南、華南及西南地區(qū)有30-60毫米降雨，部分地區(qū)有80-150毫米；上述大部地區(qū)降水量較常年同期偏多2-5成。

Δ——彎管任一截面上的橢圓度,%；

Do——鋼管公稱外徑,mm；

Dmax——彎曲成形后某一檢查截面的最大外徑,mm；

Dmin——彎曲成形后某一檢查截面的最小外徑,mm；

經(jīng)計算，彎管橢圓度為1.18%，滿足規(guī)定要求[9]。

彎管減薄率：

式中：v——彎管壁厚減薄率,%；

δ1——管道公稱直徑,mm；

若不能滿足該減薄率，彎管最小壁厚不得小于管道公稱壁厚的87.5%。

經(jīng)計算，彎管減薄率為12.77%，滿足規(guī)定要求。

彎曲角度要求為：90°±0.5°。

經(jīng)計算，彎曲角度為89.98°，滿足規(guī)定要求。

彎管角度校正：角度偏差不超過±0.5°,回彎角度不超過5°，且只能進行一次回彎。

彎曲半徑要求為：1 500 mm±50 mm。

經(jīng)計算，彎曲半徑為1 490.87 mm，滿足規(guī)定要求。

3.2 無損檢驗

無損檢驗包括液體滲透檢驗和超聲波檢驗。

在彎管最大拉伸側(cè)兩邊各45°的帶狀弧面、焊接坡口及1倍公稱壁厚范圍內(nèi)的內(nèi)外表面按ASTM E165《液體滲透檢查的標準試驗方法》的要求進行液體滲透試驗，并滿足ASME NB-2546的要求。

彎管在熱處理后進行100%體積的超聲波檢驗，按ASTM E213《金屬管材超聲波檢驗的標準操作方法》的要求進行超聲波檢驗，并滿足ASME NB-2552的要求。

3.3 理化試驗

根據(jù)取樣示意圖在起弧處、弧頂外側(cè)、弧頂內(nèi)側(cè)、收弧處四點位置各取拉伸、晶間腐蝕、金相試驗2個試樣，并按相應的標準進行理化試驗。取樣的要求和數(shù)量如表3所示，取樣的具體位置如圖4所示。

表3 彎管理化試驗取樣的要求和數(shù)量Table.3 Requirement and quantity of physical and chemical test sample

圖4 取樣位置示意圖Fig.4 Schematic of sampling place

彎管的力學性能按ASTM A370和ASTM E21進行檢驗，力學性能試驗分別在常溫和350 ℃高溫下進行，并符合表4的要求。

表4 彎管的力學性能Table.4 Mechanic property of bending pipe

彎管晶間腐蝕試驗按ASTM A262方法E的規(guī)定進行試驗，無晶間腐蝕傾向。

彎管晶粒度按ASTM E112的方法測定，晶粒度大于等于5級。起彎處和中間背拱處的晶粒度分別為5.5級和6級，分別如圖5和圖6所示。

圖5 起彎處金相組織 100×Fig.5 Microstructure of bending start point 100×

圖6 中間背拱處金相組織 100×Fig.6 Microstructure of middle back bending point 100×

3.4 水壓試驗

一回路管道彎制完成后需在工廠完成水壓試驗，試驗應按照ASME B31.1的要求進行[10]。試驗用水應滿足RCC-M A級水的要求[11]。緩慢升壓至設計壓力17.2 MPa，穩(wěn)壓5 min，再繼續(xù)升壓至試驗壓力22.36 MPa，穩(wěn)壓10 min，將試驗壓力降至設計壓力，穩(wěn)壓30 min，且有足夠的時間進行觀察。試驗后管道應無泄漏，并無明顯殘余變形。水壓試驗曲線如圖7所示。

圖7 水壓試驗曲線Fig.7 Hydrostatic test curve

4 結(jié)論

中頻彎管工藝在大口徑大壁厚管道的小彎曲半徑時應用較多，與彎頭結(jié)構(gòu)比較，中頻彎管工藝能夠減少管道焊縫數(shù)量、降低管道振動、減少管道內(nèi)部阻力，有利于提升核電站的安全性和經(jīng)濟性[12]。在彎制工藝的控制方面要注意以下幾點。

(1)控制推進速度設定在7～8.5 mm/min、中頻功率在450～460 kW和加熱溫度在1 060～1 070 ℃，可以得到更好的彎制質(zhì)量。

(2)控制固溶熱處理的升溫速率在55～125 ℃/h，在1 050～1 100 ℃區(qū)間保溫時間大于1 h，出爐迅速浸入水池中進行冷卻，入水時間控制在1 min之內(nèi)，可以保證彎管的晶間腐蝕和晶粒度滿足要求。

(3)管道彎制后的無損檢驗、理化試驗及功能性試驗應嚴格按照技術(shù)規(guī)格書及相關(guān)標準規(guī)范的要求進行，對于無損檢驗(包括目視檢驗、滲透檢驗和超聲波檢驗等)應按照《民用核安全設備監(jiān)督管理條例》(國務院令第500號)和《民用核安全設備無損檢驗人員資格管理規(guī)定》(HAF602)的要求，取得相應的人員資格證書后方可進行。