第三代AP1000核电主管道的研制
宋树康 刘志颖 郑建能 邓林涛 陈红宇
【摘 要】摘要：根据AP1000主管道热段的结构特点、技术难点和316LN超低碳奥氏体不锈钢的材料特性，中国二重在超大型不锈钢钢锭冶炼和浇注、大型不锈钢毛坯锻造、大直径小弯曲半径管道弯曲成型、不锈钢大直径旁通管嘴相贯线机加工和大直径不锈钢管道热处理等领域开展了重点攻关，在国际上率先研制成功AP1000主管道热段试制件，其技术指标达到国际领先水平，并形成了多项具有自主知识产权的专有技术。 【期刊名称】大型铸锻件 【年(卷),期】2011(000)001 【总页数】4
【关键词】AP1000主管道；热段弯管；弯曲成型 试验研究
美国西屋公司设计的第三代大型先进AP1000压水堆核电技术是目前世界上二代、二代加核电技术的更新换代机型，其主要优点是使用寿命从以前的40年增加到了60年，单堆装机容量达到125万千瓦。AP1000反应堆目前还没有在建机组，我国率先起动这一机型的建设。主管道是连接反应堆压力容器和蒸汽发生器的大型厚壁承压管道，是核蒸汽供应系统输出堆芯热能的“大动脉”，也是保证核安全的核岛关键设备。AP1000主管道由二代、二代加的不锈钢分段铸件(离心铸造直管，砂型铸造弯头，管嘴采用铸件或锻件)焊接形式改为超低碳加氮奥氏体不锈钢带管嘴一体化大口径弯管，对钢的化学成分、弯管的椭圆度、减薄量等技术指标提出了更高的要求，按常规的制造方法无法满足要求，
制造难度很大，堪称世界级的技术难题。AP1000主管道包括2根热段、4根冷段，热段由于尺寸大、结构复杂，是AP1000主管道制造技术的代表件。 中国二重技术人员根据AP1000主管道热段的材料特性、结构特点和技术难点，结合公司现有设备能力，在超大型不锈钢钢锭冶炼和浇注、大型不锈钢毛坯锻造、大直径小弯曲半径管道弯曲成型、大直径旁通管嘴相贯线机加工和大直径不锈钢管道热处理等领域开展重点攻关，在国际上率先研制成功AP1000主管道热段试制件，其技术指标达到国际领先水平，并形成了多项具有自主知识产权的专有技术。
1 技术难点分析
1.1 技术要求
AP1000主管道热段试制件产品见图1。材料采用316LN改良型(提高了化学成分要求)超低碳加氮不锈钢，产品晶粒度要求细于2级；弯曲部位壁厚减薄量不大于名义壁厚6.1%；弯曲部分椭圆度小于4%。 1.2 技术难点分析
1.2.1 超大型不锈钢钢锭的冶炼和浇注
由于316LN不锈钢锻造时变形抗力大、可锻温度范围窄、裂纹敏感性强，根据AP1000主管道热段试制件的结构特点，热段试制件采用实心带管嘴锻造，通过机加工镗孔。考虑到锻造余量和热处理余量，热段试制件采用的钢锭重量大于100 t。对于这种超大型不锈钢钢锭的冶炼和浇注，在炼钢工艺上存在很多技术难点，特别是对C、P和S的控制。316LN不锈钢Ni、Cr含量高，熔点比碳钢、低合金钢低50～80℃，钢液黏度大，因此，浇注时存在很大风险。 1.2.2 大型316LN不锈钢管道的锻造
316LN奥氏体不锈钢没有同素异晶转变，无法通过热处理细化晶粒。超大型奥氏体不锈钢的锻造准备时间长、温降大，可锻温度范围窄；锻造过程中表面易产生裂纹且产生裂纹后清理难度大；管嘴部位与管身变形量很难保证一致，要使管嘴和管身满足同样的晶粒度要求难度较大。 1.2.3 小半径大直径管道的弯曲成型 (1)减薄量≤6.1%的控制
弯头与弯管的区别是，弯头两端不带直管，弯管两端有直管。R=1.5D长半径弯头技术要求减薄量≤12.5%是合理的，因为模压成型时，弯头坯料可以做成扇形，见图2。L1是弯头外弧线的展开长度，L2是弯头内弧线的展开长度，见图2(a)。弯曲成型时，坯料在内模和外模的作用力下弯曲成型，见图2(b)。内弧和外弧受力后主要是弯曲变形，减薄量一般在8%左右。
弯管两边带直管后，坯料不能制成扇形，弯曲成型时内弧金属只能压缩，外弧金属只能拉伸，如果不采取一些必要的措施，在纯弯曲时，外弧的减薄量大于25%。
弯管减薄量的设计原理是：
式中：D为弯管外径，R为弯曲半径，δ为弯管减薄量。
AP1000主管道热段弯管的尺寸参数按此式计算的减薄量应该为25.1%，所以，要满足减薄量≤6.1% 的要求，难度很大。 (2)椭圆度≤4%的控制
根据ASME B31.1《压力管道规范》104.2“对于铁基材料，当弯管的弯曲半径等于或大于5倍公称管径和公称管的壁厚为Sch40或更厚时，最大与最小直径之差不应超过管子弯曲前平均实际外径的8%”，也就是说，当弯曲半径≥5D
第三代AP1000核电主管道的研制
