华龙一号主管道设计及国内外技术对比

刘向红 陶舒畅 黄均麟 蒋 鸿 黄 燕

（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都610213）

0 引言

目前，国内在建和待批核电项目绝大部分采用百万千瓦级压水堆型，主管道作为其中的关键设备之一，自主化设计降低了设备采购和核电站建造成本，提高了工程建造效率，缩短了核电站建造周期，为核电站的及时发电提供了更好的保障[1]。目前，该自主设计成果已经成功应用于华龙一号福清5号、6号机组及巴基斯坦K2、K3项目。

本文论述了华龙一号主管道设计的主要思路，并对国内外同类技术进行总结对比，为核电站主管道设计、建造、安装等提供借鉴。

1 华龙一号主管道设计思路

1.1 总体思路

通过开展主管道标准研究，对国内外三代核电主管道设计的标准进行调研和研究分析，确定华龙一号项目主管道设计标准；通过对本项目主管道结构设计和分析研究（包括LBB分析），确定主管道的设计和制造参数，包括结构、材料、焊接等，分析论证主管道及接管嘴的应力和60年寿命周期内的疲劳性能等[2]。通过对主管道制造工艺研究，确定主管道稳定的制造工艺，包括冶炼、锻造、弯制、热处理、无损检测等；通过主管道母材和焊缝材料特殊力学性能研究等，获得主管道LBB分析相关的材料性能试验数据：分别对主管道材料和焊缝材料进行试验以获取JR曲线、真应力—应变曲线、疲劳裂纹扩展速率曲线和设计疲劳曲线。

1.2 华龙一号主管道技术难点

相较于同类型高温高压条件下的铸造主管道结构设计和制造，华龙一号锻造主管道的结构设计和制造难度更大，主要体现在[3]：（1）一体化锻造成型：对主管道的结构设计进行了大量优化；（2）主管道L BB试验研究和分析；（3）适宜一体化锻造工艺，合理的材料选择，晶粒度控制、锻造组织均匀性控制等，避免不锈钢大锻件在锻造过程产生裂纹；（4）主管道弯管成型尺寸精度的控制；（5）超长主管道热处理变形控制。

1.3 华龙一号主管道设计难点问题的解决

针对一体化主管道的结构特点，主管道设计和制造过程中主要解决如下的技术问题：

（1）主管道设计标准

对国内外三代核电主管道60年寿命设计的标准进行研究，确定华龙一号主管道设计标准。

（2）主管道结构设计和分析

根据主管道使用环境条件和设计运行工况要求，初步提出主管道设计方案，并进行分析论证研究，确定主管道的基本结构。针对方案论证研究开展主管道的结构设计。结构设计包括标准选取、材料选取、确定关键尺寸以及开展主管道力学评价等。

（3）主管道的制造工艺研究和评定件制造

根据前期摸索确定的制造工艺，完成主管道评定件的制造，且进行了大量理化性能、常规力学性能检测以及无损检测。通过评定件的生产，掌握了华龙一号锻造主管道整个生产流程中的所有关键技术，形成了一套成熟稳定的生产工艺。

（4）主管道LBB试验研究和分析

根据主管道的设计特点，采用LBB分析技术，建立主管道及接管嘴力学分析模型，并根据设计参数及设计载荷开展力学分析和评价。

2 国内外同类技术比较

2.1 材料设计

AP1000主管道由美国西屋进行设计、材料为ASME第II卷SA-376中TP316LN，EPR主管道由法国法玛通设计，主管道材料为RCC-M M3321中的X2CrNi19.10（控氮）。华龙一号锻造主管道由中国核动力研究设计院自主设计，材料采用RCC-M M3321中的X2CrNi Mo18.12（控氮），由烟台台海玛努尔核电设备有限公司制造，力学性能对比情况见表1。通过表1对3种材料的对比可知，华龙一号主管道材料在锻造和力学性能等方面都明显优于其他2种材料。

表1 力学性能对比表

2.2 结构设计

与M310系相比，在华龙一号主管道结构设计过程中，考虑了主管道的布置和成型，取消车间预制环焊缝和大于4″接管嘴的焊缝，减少了车间预制环焊缝（直管和弯头之间）和大于4″接管嘴与主管道间的焊缝，由于主管道的薄弱环节主要在焊缝，主管道上焊缝的减少相应地降低了主管道在使用过程中的潜在风险。同时，由于焊缝的减少，电厂运行期间也减少了相应焊缝的在役检查工作，为核电站的运行节约了成本，也为整个在役检查节约了时间。为了便于主管道的制造成型以及加工，在M310的基础上取消主管道热段变径的要求，改善了弯头的应力状态，有利于制造及加工，提高了设备使用寿命。在疲劳使用系数较大的焊缝部位，采用热套管结构设计，有效地降低了热冲击对焊缝的疲劳影响。

2.3 LBB分析

国内首次采用LBB技术对主管道进行设计分析，与M310相比，LBB技术的应用，可代替高能管道双端剪切断裂的设计准则，简化系统结构设计，既确保了核反应堆的安全，又可以省去一些不必要的设施，降低核反应堆结构的复杂程度，节约建设费用，同时还能降低在役检查的难度，减少人员辐照剂量吸收等一系列好处。本项目开展了锻造主管道母材和焊缝材料相关试验研究，为主管道的LBB设计分析提供了输入数据。采用了LBB技术分析了华龙一号锻造主管道的设计，达到了国际三代核电的技术要求。

2.4 制造工艺

华龙一号首次采用材料X2CrNiMo18.12（控氮）进行主管道锻件的制造，并开发了超纯净、成分均匀、材料利用率高的大型超低碳奥氏体不锈钢冶炼技术，实现了大型电渣重熔钢锭的整体锻造（包含≥4"接管嘴）的模压整体成型技术，相对真空冶炼技术减轻了钢锭的质量；自主开发了高效内孔套料加工技术，提高了加工效率和材料利用率，显著地缩短了制造周期，降低了在役检查的工作量，大幅度减低了制造成本；自主开发了弯制模具和主管道整体冷弯成型技术，弯制尺寸精度高，现已完成主管道弯制约百余件，合格率100%，为主管道现场安装提供了精确的尺寸保障。

3 结语

综上所述，华龙一号锻造主管道的研制是在总结M310铸造主管道生产技术的基础上，充分融合了三代核电主管道制造技术的先进点。因此，华龙一号锻造主管道具有对先进及成熟技术的传承性，研发的渐进性以及对提高国产化水平的带动性等特征，华龙一号主管道制造属于国内首例，关键技术处于国际领先水平，主管道主要技术指标达到国际同类产品先进水平，为我国自主设计的核电站主管道产业化提供了条件。