核电主管道制造工艺难点分析及典型质量案例处理

李伟伟，秦志鹏

（上海核工程研究设计院有限公司，上海 200233）

0 引言

核电主管道（以下简称“主管道”）安装在安全壳厂房内，包括连接反应堆压力容器与蒸汽发生器、反应堆冷却剂泵的热段管道和冷段管道，是核电蒸汽供应系统输出堆芯热能的“大动脉”，是核电站核一级关键部件之一，其健康状况直接关系到核电站运行的可靠性[1]。通过对美国三代核电AP1000 技术的引进、消化和再吸收工作，目前我国已成功制造出AP1000 系列主管道，并在此基础上成功研制出具有完全自主知识产权的CAP1400 主管道。相较于AP1000 主管道，CAP1400 主管道具有更大的尺寸，对于大型的超低碳控氮不锈钢电渣锭锻造，特别是锻造过程中锻造裂纹的产生及管道不同部位晶粒度及组织均匀性控制、管道成形工艺的尺寸精度控制、固溶热处理过程的尺寸变形控制及管道最终表面质量控制等有更高的要求。

由于CAP1400 主管道完全由我国自主研制，目前国内相关学者已对其制造工艺难点等进行了大量研究，如张玉等[2]对其冷弯成形压力进行了分析，结果表明相较于AP1000 主管道，CAP1400 主管道对弯制压力提出了更大的挑战；余江山等[3]通过分析CAP1400 主管道制造难点，提出一种主管道热段A 弯管管坯整体锻造成形和晶粒度控制的方法；郭伟等[4]对核电奥氏体不锈钢锻造开裂的主要原因及解决措施进行了研究等。尽管相关研究较多，但鉴于其复杂的结构特点及较高的技术要求，工厂在实际制造过程中仍然出现了一系列的包括重大的不符合项。根据核安全定义，重大不符合项，即已经显著影响到设备的使用性能、精度和寿命，为后续设备正常使用过程中的检修、更换等增加了较大困难，进而使核电厂的安全和可利用率受到威胁[5]。所以对核电主管道制造工艺难点进行进一步总结分析，同时对工厂在制造过程中已产生的重大不符合项典型案例进行经验反馈，提高管道制造质量，避免类似案例发生就显得意义重大。

本文重点对主管道成形过程中锻造裂纹及晶粒度均匀性、尺寸精度、固溶处理变形等控制措施进行分析讨论，并提出监督措施。

1 技术要求及制造工艺难点

1.1 技术要求

CAP1400 主管道由4 根冷段和2 根热段组成，外径、长度和管嘴直径、高度等尺寸较AP1000 主管道更大：AP1000 主管道热段L001A 外径953 mm，CAP1400 主管道外径达1100 mm。另外，由于主管道直段、弯管和管嘴等采用整体锻造成型工艺，使得其锻造用电渣重熔钢锭由AP1000 时的70 t 级提高到CAP1400 时的120 t 级，重量提高率达71.4%，管道电渣锭的熔炼难度成几何倍数提高。和AP1000 相同，CAP1400 主管道材料采用316LN 超低碳含氮奥氏体不锈钢，晶粒度要求至少为2 级（表1）。

表1 CAP1400 主管道材料316LN 化学成分要求 %

316LN 材料仅含有单一的奥氏体相，具有锻造过程变形抗力大、可锻温度范围窄、裂纹敏感性强等特点，但工艺性能较差，无法通过固溶热处理的方式进行晶粒细化，仅能以热变形或冷变形的方式通过动态再结晶和静态再结晶来获得均匀细小的晶粒组织。综合分析CAP1400 主管道的尺寸数据、材料特性，外加一体化管嘴整锻成型工艺，CAP1400 主管道通过锻造成形实现其技术要求并获得均匀的晶粒度难度极大，工厂必须基于大量的实验数据分析及理论研究，才能制定满足主管道最终质量要求的控制工艺。

1.2 制造工艺难点分析

主管道的制造工艺流程主要为：钢锭VOD 冶炼→电渣重熔→直管坯锻造→机械加工→无损检测→模具弯曲→固溶热处理→精加工成形→酸洗钝化处理。其中，根据主管道的尺寸结构及材料特性分析，对其最终成形质量起关键性作用的工艺控制点为主管道锻造阶段的锻造裂纹及晶粒度均匀性控制、弯曲阶段的管道尺寸精度控制以及固溶热处理阶段的管道变形控制，此为主管道制造工艺控制的难点所在。

1.2.1 主管道的锻造裂纹及晶粒度均匀性控制

由于CAP1400 主管道一体化锻造的特点，其一体化管嘴在成形过程中存在无锻比、小锻比加热的风险，这将显著影响管坯的晶粒度大小。为保证管道整体晶粒度的均匀性及符合性，工厂在管坯最终成形阶段，根据加热温度和保温时间对316LN不锈钢晶粒度的影响关系[6]。采取适当降低坯料的加热温度，同时对无变形、小变形区域采用陶纤包裹的方式来避免该区域的晶粒快速长大（图1）。由于陶纤的隔热功能有效避免了坯料温度的快速升高，故而对改善管坯晶粒度大小（即均匀性）作用明显。实践证明，通过该工艺制造的管坯的晶粒度较好，完全符合技术要求。

图1 加热温度和保温时间对316LN 不锈钢晶粒度的影响

另外，主管道材料316LN 具有导热系数低、热膨胀系数大的特点，将导致管坯的锻造裂纹倾向。为解决管坯的锻造裂纹倾向，工厂通过对坯料不同位置的温度场及变形量分布进行了模拟分析，优化了控制工艺，进而避免了锻造裂纹的产生，改善了管坯晶粒度。例如，对钢锭锻前采用阶梯式加热的方式，减小坯料内、外表面的热应力产生；在较高温度保温较长时间，尽可能减小α 相、提高材料塑性，避免心部裂纹的产生；每火次出炉前同时对工装也进行预热或隔热处理，尽可能降低热应力的影响，达到避免锻造裂纹产生的目的。

1.2.2 主管道的成形尺寸精度控制

CAP1400 主管道具有尺寸大、结构复杂，且涉及空间尺寸、精度要求高等特点，以热段L001A 为例，其在弯曲成形过程中，由于主管道的一体化管嘴靠近弯曲部位，对金属的自由流动形成阻碍，导致弯曲部位内侧金属不能得到均匀压缩，外侧金属不能达到均匀拉伸等，故金属流动的挤压作用使得管坯弯曲成形过程中管嘴位置在周向和轴向发生了偏移等。对于热段L001B 来说，其具有两个一体化管嘴且位于管道弯曲段同一侧，在弯曲过程中同样会产生由于管嘴对金属自由流动的阻碍而导致的管道两侧受力不均匀的现象，使得管道弯曲中心发生偏移，进而导致管嘴最终位置尺寸的偏移。因此，如何保证主管道在弯曲成形后管嘴的位置尺寸不发生偏移至观重要。目前，主管道弯曲工艺主要采用冷弯技术和热弯技术两种方式，以某厂冷弯成形工艺为例，其基于对大壁厚承压管道冷弯成形工艺的大量实验研究及数值模拟分析，包括研究管道弯曲回弹量、模具支撑位置、金属流动规律以及管道壁厚变化规律等[6]，最终制定主管道的冷弯成形工艺，并通过多次成形试验、逐步调整的方法来实现主管道弯曲后的尺寸精度控制。实践表明，该方法能够有效保证管道的最终弯曲精度，满足设计要求。

1.2.3 主管道的固溶处理过程变形控制

为保证主管道的最终性能要求，需要对弯曲成形后的管道进行固溶热处理。固溶热处理既有加热过程也包含急冷过程，同时CAP1400 主管道因结构复杂，外形尺寸大，其在固溶处理时的毛坯重量达24 t，这造成了主管道在不同部位处的加热及冷却存在不均匀的问题，也使得固溶热处理前后的主管道尺寸存在变化。为改善尺寸对主管道最终尺寸精度的影响，某厂通过借鉴AP1000 主管道的制造经验，在理论研究证明可行的基础上，采用管道平放、保持管道重心控制在料盘中心的方式，确保吊装过程中料盘与管道的水平，同样要保证料盘的强度能够承受管道重量并在吊装后不会产生较大的弯曲变形，这可以在一定程度上保证管道的尺寸要求。

2 典型质量案例及应对措施

2.1 典型质量案例及分析

本文通过对主管道实际制造过程中的重大不符合项典型案例进行讨论分析，提出监督措施，为后续主管道的制造监督工作，提供经验和参考。

2.1.1 主管道锻造开裂及晶粒粗大

某核电项目管道在制过程中电渣锭锻造产生的严重环裂质量问题，直接导致管道报废，大大影响项目成本及进度（图2）。

图2 电渣锭锻造开裂

通过分析，认为该钢锭表面质量差、渣沟较深是导致锻造裂纹产生的直接原因。经进一步分析，电渣锭在熔铸过程中电流波动大，在交换电极时渣温偏低，交换电极后送电体升温缓慢，渣温下降过快，电极坯熔化速度过慢，导致形成较深的渣沟，此为根本原因。

2.1.2 管道空间旋向弯曲错误

某核电项目管道空间旋向弯曲与设计要求严重不符的质量问题，其管道空间旋向激光检测建模情况如图3 所示。

图3 管道空间旋向激光检测建模

通过分析，导致该质量问题发生的根本原因在于工厂技术要求吸收不充分，程序文件指导性不强。分析发现，尽管技术要求该管道进行螺旋弯曲，但制造厂未能充分识别出管道弯制过程中存在的风险点，即未识别出左螺旋和右螺旋的差异，导致工艺文件的编制及执行阶段出现了模糊，指导性不强，导致管道弯制阶段旋向选择错误。

尽管该管道最终返修成功，但整个返修经历了返修方案论证及确定、管道热校型、再次固溶热处理、力学试验等作业，过程耗时达半年，对管道的交付及项目进展造成了极大影响。因此，提前识别出管道制造过程中可能存在的风险点并得以避免，对整个项目来说至关重要。

2.1.3 管道最终表面过酸洗

某项目管道最终清洗后发现的表面质量异常问题，经检查发现管道内外表面存在乳白色的非金属光泽（图4）。进一步分析后发现，造成该异常的原因为管道表面的过酸洗，使得管道表面存在一层较薄的金属腐蚀层，该腐蚀层将对管道寿命产生质量风险。

图4 主管道最终表面过酸洗示意

通过分析发现，该管道在酸洗作业中存在过程控制不严，配液过程搅拌不充分使得酸洗溶液不均匀，局部氢氟酸含量超上限的问题，这是造成管道内壁腐蚀的直接原因。另一方面是由于该管道已历经数次酸洗，使得管道整体的酸洗累积时间超过其承受能力，进而导致了过酸洗的问题。

结合模拟件试验分析及论证，制造厂最终采取机械抛光和电解抛光相结合的方式完成了对管道表面过酸洗腐蚀层的完整去除，整个去除过程不仅成本较高，同时需要投入较多的人力及时间成本。因此在管道制造过程中，应充分识别各工序分析，汲取经验教训，不仅可以有效减少生产成本，同时也可以保证管道的生产质量。

2.2 监督措施应对

针对主管道技术特点及实际制造过程中的典型质量案例，为最大程度的避免不符合项，尤其是重大不符合项的产生，需要制造厂，包括采购方，不仅应在主管道技术要求的吸收落地上下功夫，也应更多的结合实际案例分析原因，从程序、体系的角度考虑问题，要全面统筹，保证核电主管道制造全过程质量受控。

2.2.1 质保体系建设优化

在质保体系的建设过程中，不仅要追求策划上的体系建设，更要关注“最后落地一公里”，需要建立措施对建设成效形成反馈机制，要形成全员共进步的良性循环。

2.2.2 风险点设备系统的建立

系统梳理识别管道制造过程中各工序可能存在的风险点，尤其是对易疏忽点、具有迷惑性的环节应重点关注，如管道空间旋向问题等，在依靠经验的同时也要防止出现经验主义错误。另外，针对如表面处理等非关键工序环节也应提高警惕，尽可能全方位、无死角地规避各类风险项。

2.2.3 工序交底制度的落地

风险工序实施前，应组织进行相关技术和质保交底，完全吃透技术要求，明确风险要素及控制要点，形成具有操作性的指导手册供实施，操作人员作业前应确保充分了解操作要点，并严格按照指导手册作业。同时，操作人员应大胆质疑，对工艺、指导书存疑的地方应及时反馈，直至完全领会作业要求。

2.2.4 经验反馈制度的实施及各方资源互补

在保护技术秘密的前提下，可探讨全行业质量信息共享机制，在质量防线的构建上形成资源互补，进而汲取已发生质量案例的经验教训，实现最大程度的避免同类质量问题的发生，不仅能有效保证设备的制造质量及满足项目进展需求，同时可以为核电站后期更加安全可靠的运行提供保障。

3 结论

为进一步提高主管道制造质量，本文对主管道的技术要求及制造工艺难点进行了分析讨论，结果表明，通过工艺优化，可显著改善主管道成形过程中锻造裂纹及晶粒度均匀性、尺寸精度、固溶处理变形等的控制难点，保证其制造质量满足技术要求。同时，针对主管道制造过程中出现的重大不符合项典型质量案例进行经验反馈，并提出监督措施，以期实现主管道设备制造全过程的质量受控，为后续主管道制造以及监造工作提供经验和参考。