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1、核电金属管道1.1 第三代核电技术21.2核电用管管综述21.2.1核电管道要求和选材32先进压水堆管道32.1核岛蒸汽系统和核辅助系统用核2、3级无缝钢管32.1.1 P280GH无缝钢管的性能特点32.1.1.1 安全性要求32.1.1.2 质量要求42.1.2 关键技术42.1.2.1 化学成分设计42.1.2.2 冶炼工艺42.1.2.3 制管工艺42.1.2.4 热处理工艺52.2 压水堆核电站一回路主管道材料52.2.1 一回路主管道制备工艺62.3 EPR核电站常规岛主蒸汽和主给水管道的选材62.3.1 管道选材的要求72.3.2 管道材料的选择72.3.3 主给水管道材料73
2、先进轻水堆73.1 AP1000主管道73.1.1 冶炼技术83.1.2 锻造技术84 核电金属管道的相关技术、专利94.1 管道弯曲工艺94.1.1 各种弯曲方法94.2 A-T I G焊在核电管道全位置焊接中的应用94.3 Z形跳焊法在核电工程管道中的应用94.4 锆材在核电站的应用104.4.1 锆合金包壳管在核电站的重要性104.4.2 锆材在核电站中的应用104.5 相关专利115 国内外知名企业135.1 国内知名企业135.2 国外知名企业151.1 第三代核电技术1.2核电用管管综述核反应堆使用的是带有辐射性的核燃料，一旦发生核泄漏，会严重恶化该区域的生态环境，因此核电站对核岛
3、的安全要求最高。核电站使用的管材，其安全等级分为核级和非核级；核级材料又分为核一级、核二级和核三级。此外，在生产制造过程中也有严格质保要求。通常，核岛一回路管道为核级材料，其中用于一回路冷却系统的所有承压边界设备和管道均属核一级材料，部分蒸汽输送管道为核二级和核三级材料；常规岛的二回路系统管道均为非核级材料。核电站主管道（如下图）是连接反应堆压力容器和蒸汽发生器的大型厚壁管道，是核电蒸汽供应系统输出堆芯热能的“大动脉”，是核电站的一级关键部件之一。它的重要性不言而喻，其材料通常为含一定铁素体相的奥氏体不锈钢，国外也称双相不锈钢，此类材料综合性能优异。1.2.1核电管道要求和选材对于主蒸汽、主给
4、水管道可以考虑常规岛主蒸汽、主给水管道材料的选用与核岛侧主蒸汽、主给水管道保持一致，从而避免现场异种钢之间的焊接问题，但核岛侧主蒸汽管道材料（主蒸汽管道A106C，主给水管道P11） 多为国外生产，国内厂家产品质量不易保证；或考虑全部国内采购重点考察其他核电项目应用过的材料如WB36CN1。对于长期受湿蒸汽冲刷腐蚀的管道，考虑压水堆核电厂湿蒸汽对管道的冲刷腐蚀较为严重，宜采用低合金管材或碳钢管材；对于一些重要的湿蒸汽介质管道（如抽汽管道） 考虑采用进口低合金管材，如：ASTM A335P22；对于经常处于备用状态或小管径湿蒸汽介质管道，考虑采用国产低合金管材或碳钢管材，如：12Cr2MoG、2
5、0钢等；对于过热蒸汽介质管道，如低压缸第一级抽汽为过热蒸汽，但蒸汽温度不高，低于200 ，此种管道，考虑采用国产优质碳素结构钢，如20钢。对于稳定流动的水介质管道（如凝结水系统管道、常规岛闭式冷却水系统管道等），该类管道考虑到流动加速腐蚀因素，按管道的使用频率选用国产20（控Cr）钢或20钢。对于疏水管道（加热器疏水管、热力系统管道疏水、排污管等），易出现汽水两相流，从而受到冲刷、腐蚀。选用原则为：调节阀或疏水阀前管道选用国产20（控Cr） 钢或20钢，调节阀后或疏水阀后选用国产不锈钢管材，如国产TP304L。对于气体管道，常规岛气体系统包括压缩空气系统、氮气系统、氢气系统、二氧化碳系统，可根
6、据使用条件选用优质碳素结构钢或不锈钢，可选用20钢或国产TP304L等。对于油管道如汽轮发电机润滑油系统、发电机氢密封油系统、各辅助机械润滑油系统等，可根据使用条件选择国产优质碳素结构钢或不锈钢，如：20钢、TP304L等。 一回路管道系统属于反应堆冷却剂压力边界的一部分，管道的服役条件复杂，对钢管材质的性能要求也各不相同。该系统使用的管道主要有：主冷却剂管道、波动管线和喷淋管线、辅助系统中的1 级管道以及与主冷却系统相连的小径管（直径25.4mm）。 （1）主冷却剂管道选用含少量铁素体（5%15%）的奥氏体- 铁素体双相不锈钢（如 Z3 CN 20- 09M），以避免单相奥氏体不锈钢的应力腐
7、蚀。其铁素体含量通过成分配比调整；钢管制造工艺目前采用离心浇铸工艺生产，今后将有可能采用锻制工艺生产。 （2）与主冷却系统相连的小径管与主冷却系统相连的小径管要求具有耐酸性介质的腐蚀性，通常采用奥氏体不锈钢：不含 Mo18- 10 型（Z2 CN 19.10）；含 Mo 的 17- 12 型（Z3CND 17.12）；时效硬化不锈钢。 （3）蒸汽发生器传热管蒸汽发生器传热管要求兼顾强韧性和耐应力腐蚀能力。目前多采用镍基合金 Inconel690、In-conel600。（4）核蒸汽系统和核辅助系统管道核蒸汽系统和核辅助系统管道（NSSS和 BNI）主要采用碳素钢/碳锰钢，如 P280GH、TU
8、E250B、TU42C、TU48C等。2先进压水堆管道2.1核岛蒸汽系统和核辅助系统用核2、3级无缝钢管根据国家二代加核电机组CPR1000建设的需要，按法国压水堆核岛机械设备设计和建造规则简称RCC-M材料规范研制的核岛蒸汽系统和核辅助系统用核级钢管P280GH、P265GH、TU42C、TUE250等品种。这里主要介绍P280GH这一型号钢管。2.1.1 P280GH无缝钢管的性能特点2.1.1.1 安全性要求核能发电是通过核反应堆产生的热能实现发电的，安全性要求很高,绝不允许发生蒸汽泄漏。P280GH是RCC-M规范中规定了高温特性的碳素钢无缝钢管品种。具有良好的冲击韧性和焊接性能。在加
9、入特定范围的Cr,P280GH具有较好的抗流动加速腐蚀FAC性能，被广泛用于压水堆核电站主蒸汽系统.蒸汽发生器给水控流.辅助给水系统和汽轮机旁路系统等。在核岛部分使用的P280GH通常为核2级无缝钢管。2.1.1.2 质量要求P280GH无缝钢管质量特性可以概括为以下几点：(1) 对S、P的含量要求比一般钢管严格，同时限制As、Sn、Cu、B等残余元素含量和碳当量(Ceq)，对用于给水控流系统管道的钢管必须控制Cr含量等。(2) 除了常温性能要求外!还规定了高温性能和低温冲击性能，对核2级的管道还有试样模拟热处理后的性能和管体性能必须同时满足技术指标的规定。(3) 钢管探伤严格按RCC-M规范
10、进行，除进行纵、横向探伤(C5当量）外用于主蒸汽系统的钢管还要进行分层缺陷探伤!因此对钢质纯净度要求很高。(4) 对钢管表面质量要求严格，要求渗透/磁粉探伤检验合格!因此必须采取特殊的表面精整措施。2.1.2 关键技术 2.1.2.1 化学成分设计1) 降低P、S含量，提高其高温拉伸性能和横向低温冲击韧性指标。2) 控制合适的C、Mn含量及最佳的Mn/C范围，既要保证碳当量满足产品要求，又要保证钢管模拟热处理后的强度指标稳定，管体和模拟热处理试样拉伸性能同时满足技术规范的要求。3) 将残余元素N作为合金元素加以控制，提高P280GH钢的低温冲击韧性。 2.1.2.2 冶炼工艺针对P280GH钢
11、的特殊质量要求，设计了“电弧炉（转炉）+VD真空精炼+连铸”、“电弧炉（转炉）+连铸+电渣重熔”冶炼工艺；针对P280GH低碳锰钢容易产生包晶反应，而且产品对Al含量有要求，冶炼过程容易增碳，连铸坯容易产生表面裂纹等问题，通过采取措施，加强初炼钢水脱氧剂的使用，降低初炼钢水O含量，提高Al的收得率，避免精炼后期因加Al导致钢水中Al2O3夹杂物增加，影响钢质纯净度。采取专门设计的连铸二冷制度浇铸工艺和特殊保护渣，防止铸坯产生裂纹。2.1.2.3 制管工艺设计了钢锭（连铸坯）直接轧管和锻坯斜轧穿孔（包括二次延伸）两种热轧管工艺和冷轧管工艺，突破了单一轧管工艺对产品规格范围的限制。经过不断地实践和
12、改进，已经掌握了热轧管温度控制、轧管工具配置、终轧温度、毛管冷却速度对产品最终性能的影响规律以及冷轧工艺控制技术，在生产操作规程中对热轧加热炉各段加热温度及加热时间、工模具质量及润滑、二次延伸毛管的冷却速度、冷轧管坯质量要求等作了专门规定，从而保证P280GH无缝钢管具有良好的尺寸精度和表面质量。 2.1.2.4 热处理工艺其技术关键是防止加热过程中产生粗晶和混晶组织。因此，一般情况下，正火工艺是以细化晶粒为目标!选择较低的正火加热温度!提高低温冲击韧性；但是对于厚壁管!尤其是有模拟热处理要求的主蒸汽系统管道用管!为满足其强度指标模拟热处理后达到标准要求，除了优化成分外，在热处理时取相对较高的
13、正火温度，并采用适当的冷却方式，以确保产品模拟热处理后的强度指标达到技术规范要求。2.2 压水堆核电站一回路主管道材料一回路主管道属于核安全一级部件，尺寸大、运行条件苛刻(约300C、16 MPa的含磷酸、硼酸高温高压水)，对材料性能要求极高，除要求有良好的综合力学性能(足够的强度、高的塑性和韧性)外，还要求耐高温高压水腐蚀，具有良好的抗疲劳性能、易加工性和焊接性能等。拥有-双相组织的铸造奥氏体不锈钢(约5%20%铁素体相以岛状分布在奥氏体基体上一CASS)能很好的满足上述性能，广泛用于核电站一回路主管道。 目前世界上半数以上的核电站是按法国核岛设备设计和建造委员会(AFCEN)制定的RCCM
14、压水堆机械设备设计和建造规则制造的，我国正在建造的和今后相当一部分核电站也都按这个规范建造。RCC-M压水堆机械设备设计和建造规则是一部国际上公认的最为安全的核电设备制造规范，按RCC-M制造的核电设备迄今为止没有发生过重大的安全事故，且设备故障率最低。RCC-M规范中的牌号Z3CN20.09M不锈钢属于低碳奥氏体铁素体型不锈钢。RCC-M规范要求Z3CN20.09M铁素体含量范围1220，最理想值为1518，其值可依据Shaeffler图通过改变材料成分实现调控。2.2.1 一回路主管道制备工艺压水堆一回路主管道可以采用锻造或铸造制造工艺。采用锻造奥氏体不锈钢时，主管道组织均匀，力学性能较好
15、；但由于制造工艺的限制，直管段制造长度受限，使主管道焊缝数量增多，焊接工作量增大，而且由于材料本身特点，在焊接时容易产生焊接缺陷。铸造工艺可以克服锻造主管道的缺点在保证主管道力学性能不降低的前期下，采用铸造奥氏素体一铁体不锈钢来替代锻造奥氏体不锈钢。铸造奥氏素体一铁体不锈钢具有较好的焊接性能，焊接时不易产生焊接缺陷，且采用离心铸造可以制造出长度较大的直管，使焊缝数量减少，这一技术已经成功应用到主管道的生产中。原料经过电弧炉+氩氧炉双联冶炼，调控微合金元素及杂质含量得到成分合格的钢液，成分调控时要严格将C含量降低到0.03%以下，然后进行浇注。弯头通过砂型静态铸造成型，直管经卧式离心铸造机成型，成型后的毛坯管件脱模后进行固溶热处理，目的是减少缺陷、均匀成分及调控铁素体含量从而提高性能，热处理工序完成后进行机械加工。直管和弯头的加工包括内圆和外圆的加工，机加工设备主要包括大型的车床、镗床及工装。对直管和弯头的机加工关键在于制定合理的加工工艺，并配套相应的设备。2.3 EPR核电站常规岛主蒸汽和主给水管道的选材随着我国第三代核电技术 EPR 的引进，作为其常规岛最主要的两大管道，主蒸汽和主给水管道所用钢管对材质的技术要求也随之增高，这些管道都是在高温、高压条件下工作的大
