王培河

（1．三門(mén)核電有限公司，浙江 三門(mén) 317112；

2．黑龍江省電力科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150030）

AP1000是美國(guó)西屋公司在AP600的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的第三代先進(jìn)核電技術(shù)，與傳統(tǒng)成熟的壓水堆核電技術(shù)相比，最大的優(yōu)點(diǎn)是其安全系統(tǒng)采用了“非能動(dòng)”技術(shù)，提高了安全性和經(jīng)濟(jì)性以及建造中大量采用模塊化建造技術(shù)，大大縮短建設(shè)周期。

蒸汽發(fā)生器是核電站一、二回路的樞紐，主要作用是通過(guò)管束的換熱作用產(chǎn)生高品質(zhì)干燥蒸汽（設(shè)計(jì)干燥度99.90%以上）來(lái)驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。由于一回路冷卻劑流經(jīng)堆芯帶有放射性，因此蒸汽發(fā)生器也是一回路壓力邊界的一部分，用于防止放射性物質(zhì)外泄。根據(jù)國(guó)外報(bào)道，壓水堆核電廠的非計(jì)劃停堆次數(shù)中約有四分之一是因?yàn)橛嘘P(guān)蒸汽發(fā)生器問(wèn)題造成的，因此它對(duì)核電廠的安全運(yùn)行十分重要。

浙江三門(mén)核電站1號(hào)機(jī)組為全球首臺(tái)在建1 250 MW AP1000機(jī)組，西屋公司承包核島關(guān)鍵設(shè)備反應(yīng)堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器，由韓國(guó)斗山重工制造（部分鍛件分包給國(guó)內(nèi)某重型廠）。

AP1000機(jī)組簡(jiǎn)化的兩回路設(shè)計(jì)和60 a設(shè)計(jì)壽期，與目前成熟的CPR1000和二代加普遍使用的三回路或四回路設(shè)計(jì)和40 a設(shè)計(jì)壽期相比，AP1000蒸汽發(fā)生器尺寸更大、重量更重、材料要求更高、設(shè)計(jì)、制造更復(fù)雜，堪稱(chēng)為當(dāng)代熱交換器技術(shù)的最高水平。因此，在制造過(guò)程中，需要解決冶煉、鍛造、調(diào)質(zhì)處理、鉆孔、裝配、焊接、局部焊后熱處理等許多方面的制造難題。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及制造工藝流程

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

AP1000蒸汽發(fā)生器型號(hào)為△125型，主要由以下組件組成：下封頭組件、管束組件和下筒體組件、旋風(fēng)分離器和板式分離器和上筒體組件。采用倒U形管立式布置，自然循環(huán)，結(jié)構(gòu)非常緊湊，見(jiàn)圖1[1-3]。

圖1 AP1000蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Steam generator structure for the AP1000

蒸汽發(fā)生器外殼分上段、中段、下段3部分，上段由橢球封頭、上筒節(jié)E&D組成；中段由錐形筒節(jié)、下筒節(jié)C&B&A和管板組成；下段是下封頭。橢球封頭頂部中心開(kāi)有7個(gè)φ150 mm孔來(lái)安裝文丘里噴嘴，以限制進(jìn)入主蒸汽接管的蒸汽流量。下封頭整體鍛造成型其上開(kāi)有1個(gè)φ799.2 mm冷卻劑進(jìn)口接管、2個(gè)φ706.7 mm冷卻劑出口接管、2個(gè)φ471 mm檢修人孔和1個(gè)φ296 mm非能動(dòng)余熱排出接管。

圖2 AP1000蒸汽發(fā)生器制造流程圖Fig.2 Manufacture flow chart of the AP1000 steam generator

1.2 制造工藝流程圖

AP1000蒸汽發(fā)生器制造流程簡(jiǎn)圖如圖2所示。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)及承壓材料

2.1 基本設(shè)計(jì)參數(shù)

AP1000蒸汽發(fā)生器基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

2.2 承壓材料

蒸汽發(fā)生器殼體承壓材料全部為SA508Gr.3Cl.2低合金鋼鍛件，U形管材料為經(jīng)過(guò)特殊熱處理SB163 UNS N06690鎳基合金管。

表1 AP1000蒸汽發(fā)生器基本設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Basic design parameters of the AP1000 steam generator

SA508Gr.3Cl.2鍛件的化學(xué)成分實(shí)測(cè)典型值見(jiàn)表2。力學(xué)性能要求及實(shí)測(cè)典型值見(jiàn)表3。

由表3可以看出，60 a設(shè)計(jì)壽期和鍛件尺寸加大對(duì)鍛件提出了更高的性能要求，特別是低溫?cái)嗔秧g性。此外，從管板鍛件實(shí)測(cè)值可以看出，目前SA508Gr.3Cl.2超大鍛件Rm值偏下限，迫切需要鍛件制造廠提高超大鍛件調(diào)質(zhì)處理技術(shù)水平以提高鍛件的整體性能水平。

表2 SA508Gr.3Cl.2鍛件的化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of the SA508Gr.3Cl.2 forging

表3 SA508Gr.3Cl.2鍛件力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of the SA508Gr.3Cl.2 forging

3 制造難點(diǎn)分析

3.1 鍛件的冶煉、澆鑄和鍛造

為滿足AP1000蒸汽發(fā)生器SA508Gr.3Cl.2鍛件較低的無(wú)延性轉(zhuǎn)變溫度（NDTT），對(duì)鋼的純凈度、均勻性提出了更高的要求，因此必須從冶煉、澆鑄、鍛造和熱處理每個(gè)過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格控制，目前國(guó)內(nèi)外普遍使用如圖3所示的雙真空冶煉澆鑄技術(shù)[6]。

3.1.1 冶煉的控制要點(diǎn)

圖3 煉鋼和澆鑄過(guò)程Fig.3 Melting and casting process

精選原材料（嚴(yán)格控制有害元素S、P、H和稀有元素As、Sb、Sn等）和鐵合金，采用堿性電爐冶煉加鋼包爐外精煉。鋼包爐采用吹氬攪拌。鋼包爐外精煉的主要任務(wù)是最大限度地脫O、脫S、去除非金屬夾雜物、脫H、鋼液成分調(diào)整和升溫。

真空處理通過(guò)減壓和提高Ar攪拌強(qiáng)度，提高熔池的攪拌能，增強(qiáng)液-渣、液-氣、渣-氣不同物相之間的傳質(zhì)作用。

真空脫氣的真空度控制在＜1 000 μm，以足夠長(zhǎng)的時(shí)間（一般10～20 min）充分?jǐn)嚢枞廴诮饘伲蛊淠艹浞直┞队诔檎婵諝夥罩?，充分凈化鋼液，提高鋼水純凈度?/p>

3.1.2 澆鑄的控制要點(diǎn)

經(jīng)過(guò)真空處理的鋼水要真空澆注，防止鋼液二次氧化，保證有效去除氣體（根據(jù)以往核電設(shè)備的制造經(jīng)驗(yàn)，一般H含量要控制在2×10－6以下，斗山重工就在材料采購(gòu)規(guī)范書(shū)中增加了對(duì)鋼中氣體含量分析的要求），得到高純凈度的鋼。

由于單個(gè)鍛件毛坯重達(dá)320 t，受單臺(tái)冶煉設(shè)備能力的限制，采用多爐冶煉合澆工藝。合理利用多爐合澆工藝，按照多爐出鋼順序及鋼液量的不同，適當(dāng)控制不同爐次的碳及其他元素成分和出鋼溫度，以減少大型鋼錠在凝固過(guò)程中所形成的∧形偏析和區(qū)域偏析，并改善鋼中夾雜物的上浮條件，獲得理想效果。

鋼錠冒口使用發(fā)熱劑發(fā)熱冒口，使錠身在凝固過(guò)程中得到充分補(bǔ)縮；夾雜容易上浮，減少偏析、疏松，縮孔上移；減小了冒口所占鋼錠的比例。

3.1.3 鍛造的控制要點(diǎn)

采用錐度8%左右、高徑比為1.2左右的優(yōu)質(zhì)鍛件錠形。

鋼錠的頭尾兩端應(yīng)有足夠的切除量以保證只有優(yōu)質(zhì)金屬保留在最終的鍛件上，冒口比例為17%～24%。

為保證鍛造效果，實(shí)現(xiàn)通過(guò)鍛造破碎鋼錠的鑄態(tài)組織，焊合鋼錠內(nèi)部的疏松、裂紋、氣孔等缺陷，改善第二相化合物及非金屬夾雜物在鋼中的分布，提高其力學(xué)性能，規(guī)定總鍛比大于3.5。

3.1.4 管板、下封頭鍛件的控制要點(diǎn)

管板是一、二次側(cè)壓力邊界的一部分，直徑φ4 487.7 mm，厚度784 mm；下封頭是蒸汽發(fā)生器中承受壓差最大的部件，呈半球形，壁厚254 mm，由于表面開(kāi)有6個(gè)大孔，應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜，設(shè)計(jì)為管孔與封頭整體鍛造機(jī)加成形，技術(shù)難度大。

斗山重工將下封頭鍛件分包給國(guó)內(nèi)某重型廠制造，受?chē)?guó)內(nèi)鍛造技術(shù)水平限制，該重型廠將水室封頭分兩體鍛造。后來(lái)由于斗山鍛制成功一體化下封頭，最終使用了斗山自制的一體化下封頭。

管板和下封頭都是由鐓粗變形為主鍛制而成的大型餅類(lèi)超厚鍛件，內(nèi)部不易鍛透。鐓粗工序能否焊合鍛件內(nèi)部疏松取決于鐓粗比的大小，所以這類(lèi)鍛件實(shí)際鐓粗時(shí)的變形量很大，內(nèi)部容易出現(xiàn)橫向內(nèi)裂層狀缺陷，超聲波探傷廢品率高。

3.1.4.1 為保證鍛件內(nèi)部質(zhì)量，需要采取以下措施

(1) 采用高徑比為1.1左右的優(yōu)質(zhì)鍛件錠型，適當(dāng)加大水口和冒口的切除量，水口端切除量≥8%，冒口端切除量≥23%。

(2) 采用多次中心壓實(shí)拔長(zhǎng)加鐓粗的特殊鍛造工藝，加大鍛粗比，使鍛件實(shí)際鍛比應(yīng)達(dá)10%以上，保證鍛造效果。以圖4管板鍛造變形過(guò)程為例。

3.1.4.2 設(shè)計(jì)要求材料具有優(yōu)良的塑性及淬透性

管板和下封頭鍛件厚大，淬透性差，調(diào)質(zhì)處理過(guò)程中需要采取以下措施保證得到下貝氏體組織達(dá)到所要求的力學(xué)性能。

(1) 嚴(yán)格加強(qiáng)鍛造過(guò)程控制，使鍛件內(nèi)部組織均勻。

（2）調(diào)質(zhì)處理前進(jìn)行一次（920±10）℃正火加（670±10）℃高溫回火的鍛后細(xì)化晶粒熱處理，增強(qiáng)隨后調(diào)質(zhì)熱處理的效果。

(3)調(diào)質(zhì)處理過(guò)程中嚴(yán)格控制淬火溫度（890±10）℃和保溫時(shí)間，避免晶粒長(zhǎng)大，淬火前水槽中冷卻水溫≤4 ℃，工件出爐后要在5 min內(nèi)入水槽，工件在水槽中停留時(shí)間260～300 m i n，加強(qiáng)水槽中冷卻水循環(huán)，工件出水溫度≤80 ℃。高溫回火溫度嚴(yán)格控制在635～650 ℃范圍內(nèi)。

圖4 管板鍛造變形過(guò)程Fig.4 Forging process of tubesheet

3.1.5 錐形筒節(jié)鍛件的控制要點(diǎn)

錐形筒節(jié)高度為2 5 0 0mm，大徑端φ5 576×120 mm向小徑端φ4 417×112 mm過(guò)渡。具有直徑大，壁厚薄的特點(diǎn)。采用筒體芯棒拔長(zhǎng)的鍛造方法，使鍛件形狀和尺寸接近產(chǎn)品。

斗山重工將錐形筒節(jié)鍛件分包給國(guó)內(nèi)某重型廠制造，但由于在調(diào)質(zhì)熱處理過(guò)程中工件變形超差報(bào)廢，斗山最后使用自己鍛造成功的備用件。

因此設(shè)計(jì)合理的防錐形筒節(jié)鍛件調(diào)質(zhì)熱處理變形工裝成為控制要點(diǎn)。

3.2 管板管孔的加工

與目前成熟的CPR1000和二代加管板相比，AP1000管板更大、更厚、對(duì)孔徑公差、節(jié)距公差、形位公差及管孔光潔度要求更嚴(yán)、鍛件內(nèi)部組織均勻程度更差，以及管板鉆孔時(shí)受力不均等因素，需要從以下3方面進(jìn)行嚴(yán)格控制。

3.2.1 管板的固定

(1) 通過(guò)在V形支撐上加墊片和安裝可調(diào)千斤頂調(diào)整鉆床與管板X(qián)軸平行度≤0.2 mm，Y軸平行度≤0.08 mm；

(2) 用鏈狀鋼索夾緊管板，并重新驗(yàn)證管板對(duì)中和平行度仍滿足上述要求；

(3) 將鉆床的X和Y軸移到管板的中心，設(shè)為鉆孔程序零位，并記錄原始坐標(biāo)，整個(gè)鉆孔過(guò)程中以該坐標(biāo)點(diǎn)為基點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。1號(hào)軸放在管板的中心。

3.2.2 參數(shù)的設(shè)定

(1) 按評(píng)定試驗(yàn)確定的數(shù)據(jù)輸入三軸鉆頭轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、冷卻劑壓力和鉆孔深度參數(shù)，并保證達(dá)到鉆頭壽命和鉆孔所用時(shí)間兩者間的最佳配置，斗山重工規(guī)定BTA鉆頭壽命最多鉆20個(gè)管板孔；

(2) 斗山重工推薦的AP1000管板鉆頭轉(zhuǎn)速為70～100 m/min、進(jìn)給量為0.10～0.20 mm/rev。

3.2.3 管孔的檢查

(1) 檢查鉆頭直徑和切削刃，保證φ17.73 mm，每班所用的全部鉆頭在工作開(kāi)始前可以在試塊上試驗(yàn)；

(2) 在每班鉆孔前，檢查導(dǎo)向襯套內(nèi)徑，發(fā)現(xiàn)φ＞17.78 mm立即更換；

(3) 首鉆8個(gè)測(cè)試孔，QC人員檢查對(duì)中、孔徑、粗糙度、垂直度和相對(duì)于管板中心的間距和位置，全部合格后才能正式鉆孔。此外，每班至少要抽檢一次；

(4) 鉆孔過(guò)程中，操作工要連續(xù)監(jiān)控鉆孔條件，當(dāng)發(fā)現(xiàn)非正常碎裂或刻痕時(shí)立即更換導(dǎo)向襯套。至少每10個(gè)孔，操作工自檢孔徑、粗糙度、垂直度和間距，發(fā)現(xiàn)偏差及時(shí)匯報(bào)、分析、處理。

3.3 焊接

3.3.1 管板鎳基合金堆焊

AP1000管板一次側(cè)與冷卻劑接觸的表面，采用690鎳基合金帶極埋弧堆焊3層，面積約12.4 m2，厚度約10 mm左右，機(jī)加到6.6 mm公稱(chēng)厚度。見(jiàn)圖5帶極堆焊簡(jiǎn)圖。

由于管板堆焊面積大，且690鎳基合金堆焊層與SA508Gr.3Cl.2管板的線膨脹系數(shù)相差很大，在堆焊層產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致熔合線低合金鋼母材側(cè)易產(chǎn)生裂紋缺陷；同時(shí)由于鎳基合金元素含量高，熔池流動(dòng)性差，對(duì)雜質(zhì)敏感性大，且堆焊層搭接處存在焊縫形狀突變，導(dǎo)致該部位易產(chǎn)生夾渣。

(1) 熔合線裂紋控制

斗山重工在堆焊首臺(tái)兩件管板時(shí)，按以往堆焊二代及二代加管板的經(jīng)驗(yàn)，僅采取焊前預(yù)熱及第二層堆焊后熱消氫處理措施，但三層全部堆焊完成后UT顯示兩件管板中心直徑1 900 mm范圍內(nèi)均發(fā)現(xiàn)大量裂紋，深度9～10 mm。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)分析確定為堆焊層內(nèi)應(yīng)力過(guò)大加之鍛件及焊材含氫量較高所致。

針對(duì)裂紋產(chǎn)生的原因，制定管板處理方案，采取第二層堆焊后熱消氫處理完成后增加一步中間焊后熱處理，以起到進(jìn)一步消氫和平衡內(nèi)應(yīng)力作用，然后堆焊表面層，兩件管板返修部位最終UT檢查全部合格。

(2) 搭接處夾渣控制

通過(guò)模擬試驗(yàn)確定合適的搭接量和焊接規(guī)范參數(shù)，適當(dāng)減少1層堆焊厚度，使前焊道邊緣形狀突變盡可能小，以利于尖角部位排渣。斗山重工推薦的工藝參數(shù)見(jiàn)表4。管板堆焊層最終UT檢測(cè)滿足不大于φ3.17 mm平底孔堆焊試塊波幅的要求。

3.3.2 下封頭隔板焊接

隔板為厚度76.5 mm的SB168 UNS N06690鎳基合金板，采用雙面坡口全焊透接頭型式焊接到下封頭內(nèi)表面不銹鋼堆焊層上，焊縫長(zhǎng)度約6.3 m。如此大的焊接量產(chǎn)生的焊接收縮易使下封頭產(chǎn)生較大的橢圓度，若焊接順序不當(dāng)隔板易產(chǎn)生較大的彎曲度，使后序下封頭與管板間環(huán)縫及隔板與管板上的短板組對(duì)錯(cuò)邊超差。所以隔板與下封頭焊接的難點(diǎn)在于合理控制焊接收縮變形。

圖5 帶極堆焊簡(jiǎn)圖Fig.5 Diagram for overlaying with pole

表4 帶極埋弧堆焊工藝參數(shù)Table 4 Technical parameters of strip ESW cladding

通過(guò)理論分析、結(jié)合以往積累的經(jīng)驗(yàn)，斗山重工采用分段對(duì)稱(chēng)的焊接順序：將整條焊縫分為多個(gè)焊區(qū)隔區(qū)分段進(jìn)行焊接，坡口兩側(cè)焊接交替進(jìn)行，由中部向兩側(cè)放射方向施焊，順時(shí)針及逆時(shí)針?lè)较蚍謱咏惶孢M(jìn)行以使應(yīng)力部分抵消從而實(shí)現(xiàn)控制焊接殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)，降低其峰值；嚴(yán)格控制施焊過(guò)程中的層間溫度；以及在焊接過(guò)程中及時(shí)檢測(cè)隔板彎曲度，以便隨時(shí)調(diào)整焊接措施，使下封頭隔板的焊接變形得到有效控制。最終封頭的橢圓度及隔板的彎曲度都在≤3 mm公差范圍內(nèi)。

3.4 下封頭與管板環(huán)焊縫局部熱處理

U形管束組件端部裝入管板管孔，管端局部點(diǎn)脹定位后焊接密封，焊接完成后沿管板全厚度進(jìn)行液壓脹接。脹接完成后管板與下封頭組焊，由于結(jié)構(gòu)限制下封頭與管板的環(huán)焊縫焊后熱處理只能采取局部熱處理方式，否則將引起管束的變形及管子與管板脹接性能的破壞。

后續(xù)將進(jìn)行的該局部焊后熱處理的難點(diǎn)在于：局部焊后熱處理既要達(dá)到有效消除水室封頭與管板間焊縫的焊接殘余應(yīng)力，又不能由于過(guò)高的熱處理溫度作用而造成近焊縫的管子管板脹接區(qū)的脹接力松弛，以及管子管板焊縫的機(jī)械性能損害。因此，對(duì)該局部熱處理所產(chǎn)生的溫度場(chǎng)控制十分嚴(yán)格。

需要通過(guò)設(shè)計(jì)合理的局部熱處理工裝和溫度場(chǎng)的模擬計(jì)算以及大量的試驗(yàn)確定出能滿足要求的溫度場(chǎng)。至少要包括環(huán)縫區(qū)、二次側(cè)手孔區(qū)、排污接管區(qū)、安全端焊縫區(qū)、管板一次側(cè)平面邊緣區(qū)、二次側(cè)平面邊緣區(qū)等部位的溫度場(chǎng)的要求。在實(shí)際產(chǎn)品焊后熱處理過(guò)程中嚴(yán)格按試驗(yàn)確定的熱電偶位置、陶瓷加熱板布置和保溫方式要求來(lái)執(zhí)行，保證以上各部位溫差均控制在溫度場(chǎng)要求的范圍內(nèi)。此外，為有效防止管板區(qū)域溫度過(guò)高，需配備緊急冷卻裝置。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)總結(jié)韓國(guó)斗山重工承制的全球首臺(tái)AP1000蒸汽發(fā)生器制造過(guò)程中積累的經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)AP1000項(xiàng)目蒸汽發(fā)生器等核島主設(shè)備的國(guó)內(nèi)制造提供借鑒和參考。當(dāng)然更需要國(guó)內(nèi)制造廠在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，使我國(guó)的核電制造技術(shù)水平達(dá)到世界先進(jìn)水平。

[1] Westinghouse Electric Company.AP1000 Steam Generator design specification APP-MB01-Z0-101 Rev.2，2009.

[2] Doosan Heavy Industries&Construction. Material Purchase Specification for SA-508 Grade3 Class2 Forgings for AP1000 Project CA-MPS21-001 Rev.2，2009.

[3] Doosan Heavy Industries&Construction. Tube Sheet Drilling for AP1000 Steam Generator Rev.1，2009.

[4] 丁訓(xùn)慎. 壓水堆核電站蒸汽發(fā)生器的制造[J]. 核電站，2003，(4)：11-18.

[5] 鄒小平，等. 秦山核電二期600 MW蒸汽發(fā)生器關(guān)鍵焊接技術(shù)[J]. 鍋爐技術(shù)2006，7(4)：5-8.

[6] 劉助柏，等. 大鍛件形變新理論新工藝[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：11-23.

[7] 臧希年，等. 核電廠系統(tǒng)及設(shè)備[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2006：65-71.