华龙一号主管道60年寿命设计技术研究

刘向红 陶舒畅 黄均麟 蔡志云 赵 禹

（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

在核电厂中，主管道连接反应堆压力容器、蒸汽发生器和反应堆冷却剂泵（简称主泵），形成重要的一回路压力边界，为反应堆冷却剂提供循环通道，防止放射性物质外漏，承受高温、高压和高强放射性，在各种工况下都应保证其压力边界的完整性，是关系到反应堆安全运行的关键部件，属于核安全一级设备[1]。

本文对华龙一号主管道60年寿命设计技术进行研究，通过研究发现，采取一定技术措施后，主管道提高到60年是可行的。通过本文的研究，为主管道设计制造技术的提升、经济性的提高具有借鉴意义。

1 主管道设计（60年寿命）技术可行性研究

通过调研和分析国内、外第三代核电站主管道60年寿命设计标准，同时，广泛调研国内外对主管道60年设计寿命的研究成果及应用实例[2]，重点研究第三代核电站的主管道设计特点，对华龙一号锻造主管道（60年寿命）设计和制造技术进行研究，确定设计标准。

本文调研了国内外主管道采用锻件的情况，分析了主管道锻件设计和制造采用ASME标准和RCC-M标准的优、缺点，并结合多专业分析了华龙一号采用ASME标准或RCC-M标准进行主管道锻件的设计和选材造成的影响。

根据初步分析，考虑到华龙一号总体设计采用法国RCC系列标准。国内长期以来具有大量的核电站主管道设计经验（现国内以RCC-M为主），因此，华龙一号采用RCC-M标准进行主管道锻件的设计。

2 主管道6 0年寿命设计技术研究

2.1 材料选择

由于锻件比铸件晶粒度小且均匀，使同材质的不锈钢锻件比铸件有更好的抗腐蚀和抗疲劳性能。华龙一号主管道设计中采用锻件，材料选择有三种：RCC-M M3321的材料X2CrNiMo18-12（控氮）、X2CrNi19-10（控氮）和ASMESA-376中的材料TP316LN。根据主管道设计要求，对三种材料进行了对比分析论证[3]。

三种材料在成分上主要表现在C、N、Mo元素的差别上，在组织上铁素体含量不同，从而导致钢锭的锻造性能存在差异。锻造主管道所用钢锭重量较大，而且不锈钢的高温抗力较高，所以锻造性能的优劣是决定材料选择的主要标准之一。

2.1.1 X2CrNi19-10（控氮）

组织：固溶处理后铁素体含量δ为10%~15%，锻造时δ达到20%~27%，锻造性能恶化。

优点：焊接性能好

对大锻件的适应性：传统观念，要求锻件中保留4%~12%的铁素体，以其细化锻造组织及改善焊接性能，并将铁素体控制量纳入了技术规范。但如果室温组织中含有4%~12%的铁素体，则在高温锻造时铁素体含量更多，导致锻造困难。

2.1.2 X2CrNiMo18-12（控氮）

组织：固溶处理后为单一奥氏体组织，但锻造时铁素体含量δ增加，锻造性能优于前一种材料。

2.1.3 TP316LN

组织：固溶处理后为单一奥氏体组织，但该种材质中Mo、N含量较高，提高了其高温屈服强度，但需要提高加热温度，否则成型困难。

综合以上分析过程，主管道材料选用RCCMM3321中的材料X2CrNiMo18-12（控氮）。

2.2 结构设计

2.2.1 取消车间预制环焊缝和大于4″接管嘴的焊缝

由于主管道的薄弱环节主要在焊缝，在华龙一号主管道结构设计过程中，设计者考虑了主管道的布置和成型，取消车间预制环焊缝（直管和弯头之间）和大于4″接管嘴与主管道间的焊缝，实现了华龙一号主管道的一体化锻造，减少了主管道在使用过程中的潜在风险。

2.2.2 优化了主管道热段弯头变径设计

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，原M310主管道热段从736.6 mm（反应堆压力容器侧）变径到787.4 mm（蒸汽发生器侧），通过与反应堆压力容器、力学等专业的综合研究和分析，华龙一号主管道热段内径统一修改为787.4 mm，从而改善了主管道弯头的应力状态，降低了制造难度。

2.2.3 主管道接管嘴的设计

在主管道设计过程中，针对主管道接管嘴的结构进行了优化设计，保证了主管道接管嘴的60年寿命设计。例如，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。

2.2.4 采用三维设计技术，保证了主管道结构设计和接口设计的合理性

主管道热段连接反应堆压力容器出口与蒸汽发生器入口，压力容器出口接管嘴与蒸汽发生器入口接管嘴位于不同的标高，采用三维设计技术确定了主管道热段的俯视同轴设计，使制造阶段整个热段可位于同一平面内，后续施工阶段也较便于组对。

主管道冷段连接主泵出口与反应堆压力容器入口，主泵出口与压力容器入口接管嘴位于同一标高，采用三维设计技术确定了主管道冷段的同平面设计；考虑到整个冷段并非同轴，利用三维设计开展了多次模拟并合理确定了冷段弯头的位置与角度，即将弯头（带一段很短的直段）直接与反应堆压力容器入口连接，这样就给冷段留出了最大直段长度，留给辅助系统接管嘴用。

主管道过渡段连接蒸汽发生器出口与主泵入口，设备接管嘴标高不一致，且管道走向也不能同轴，通过三维设计，确定了过渡段底部直段与主泵入口弯头局部俯视同轴，并将主回路施工的最后焊口及调整段预留在过渡段水平和垂直直段上。

主管道上设计有大量的辅助系统接管嘴（如安注接管嘴、余排接管嘴等）和主系统自身测量所需的仪表接管嘴（如温度测量、流量测量、水位测量等），这些接口设计不仅要考虑主管道自身的结构强度，还必须同时考虑接口物项的布置状态。在三维设计系统中，充分开展了各接口信息的布置信息核实，从综合布置设计角度保证了各接口设计是合理的。

2.3 焊接设计

为保证主管道现场焊接质量以及减少焊接变形，尽量减少焊缝填充金属，缩短安装周期，设计者将主管道现场的焊接设计为窄间隙自动TIG焊。为此，需要设计特殊的焊接坡口型式，一方面能使焊缝坡口尽可能窄；另一方面又要适应焊枪的填丝操作。同时，采用TIG焊的焊缝对热老化不敏感，而材料不存在热老化、疲劳等劣化机理又是LBB技术实施的先决条件之一，同时要满足极限载荷方法进行LBB评估，因此，采用窄间隙TIG焊有利于LBB分析的实施。

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少了钢锭的重量，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，显著缩短了制造周期和降低了主管道在役检查的工作量，大幅降低了制造成本；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 结论

本文通过调研明确了主管道60年寿命设计是可行的，通过材料选择、结构设计、焊接设计以及制造工艺的优化，完成了60年设计寿命锻造主管道的设计工作，解决了60年设计寿命锻造主管道设计、制造等关键技术，实现了满足60年设计寿命及规范要求的锻造主管道设计、制造等技术指标，为核电厂技术水平提高、经济性提升提供了有益借鉴。