核电站用不锈钢无缝钢管国产化研究

2017-11-22 09:43:33 作者：本网整理来源：世界金属导报分享至：

专题|中国不锈钢管30年

编者按：近30年来，我国不锈钢管的生产技术取得了长足进步，产量、质量大幅提高，品种不断扩大，标准进一步完善。为此，本报特组织“中国不锈钢管30年”专题系列报道，以飨读者。

核电站用不锈钢无缝钢管

国产化研究

1 核能发电概况

电力发展“十三五”规划指出，坚持安全发展核电的原则，加大自主核电示范工程建设力度，着力打造核心竞争力，加快推进沿海核电项目建设。“十三五”期间，全国核电将投产约3000万千瓦、开工3000万千瓦以上，2020年装机将达到5800万千瓦。

核能发电没有空气污染，不会加重地球的温室效应。核能燃料的能量密度比化石燃料高几百万倍，燃料体积小，运输与储存方便。但是，核能发电会产生高低阶放射性废料；使用过的核燃料，尽管体积不大，但具有放射性，必须慎重处理；核电厂的反应器内有大量的放射性物质，如果在事故时泄露到环境中，会对环境及公众造成伤害。

2 压水堆核电站用不锈钢无缝钢管

压水堆核电站使用的不锈钢无缝钢管，按照安全等级划分为核级和非核级；核级钢管又分为核1级、核2级和核3级。依据不同的安全等级，在设计、生产、检验、安装、运行等各个环节，又执行不同等级的质保要求（如质保1级、质保2级和质保3级）。通常，核岛一回路的不锈钢无缝钢管为核级材料，其中用于一回路冷却剂系统的所有承压边界设备和管道均属于核安全1级，核质保1级材料，部分蒸汽输送管道为核2级或核3级，质保2级材料；常规岛的二回路系统管道均为非核级，质保3级材料。

3 压水堆核电站用不锈钢无缝钢管的性能要求

压水堆核电站的特点是反应堆内具有很强的中子和γ射线辐照及巨大的核能释放及反应性裂变产物。核电厂的部件结构、选材以及系统组成和安全设施等远比火电厂复杂、庞大和要求严格。为了保证反应堆安全运行和设计寿命，各部件在服役期内必须具有稳定性、完整性和可靠性。一般而言，核电站核1级不锈钢无缝钢管性能要求主要体现在以下几个方面。

1）力学性能：不锈钢无缝钢管应具备足够强度、韧性和耐热性，以保证管路系统的稳定性和完整性。

2）化学性能：不锈钢无缝钢管应有抗局部腐蚀、抗全面腐蚀、抗高温氧化和高温蠕变能力；对晶间腐蚀和应力腐蚀不敏感、对冷却剂和燃料相容性好。

3）物理性能：不锈钢无缝钢管的导热率高、热膨胀系数小、熔点高。

4）辐照性能：不锈钢无缝钢管对辐照不敏感、辐照肿胀和辐照引起的性能变化小，辐照产生的感生放射性小、组织结构稳定、杂质和气体含量应该尽量少，尤其对于磷、硫含量和参与元素要严格控制。

5）工艺性能：不锈钢无缝钢管制造中的冶炼、铸造、锻压、轧制、热处理、无损检测以及安装过程中的对接焊、弯曲、胀接等工艺性能均应良好。

6）经济性：不锈钢无缝钢管应具有来源方便、生产工艺简单、成本低廉、使用经验丰富的经济性。

4 核电站用不锈钢无缝钢管的国产化

1994年，我国从法国成套引进大亚湾核电站1、2号机组和秦山核电站一期，之后二十多年，我国核电工业有了很大发展。核电站用不锈钢无缝钢管也走过了从检修应急时零星从国内采购非核级，到无缝管件用直管国内制造，到制造厂家严格按照HAF003的要求取证、整机成套供货的发展历程。

2005年，国内企业开始为秦山二期扩建工程和岭澳二期工程供应首批核级不锈钢无缝钢管，标志着我国无缝钢管行业开始具备为核电站成套供应核级不锈钢无缝钢管能力。

无论是美国西屋公司的AP1000堆型技术（我国消化吸收后为CAP1400），法国的M310堆型技术，还是我国自主研发的华龙一号技术，核岛一回路1、2、3级不锈钢无缝钢管现均已实现国产化

通常，核电站一回路用核级不锈钢无缝钢管选择的牌号为Z2CN18.10、Z2CN19.10N（控氮）、Z2CND17.12、Z2CND18.12（控氮）（依次对应美标的TP304L、TP304LN、TP316L、TP316LN；国标的022Cr19Ni10、022Cr19Ni10N、022Cr17Ni12Mo2、022Cr17Ni12Mo2N）；最大直径为711mm（台山1、2号机组核2级Z2CND17.12 Ф711mm×15.88mm，其他机组未见此规格），最小为13.7mm（核3级 Z2CN18.10 Ф13.7mm×1.65mm），最大壁厚为35.71mm（核1级 Z2CND18.12（控氮） Ф355.6mm×35.71mm），最小壁厚为0.8mm（核1级 Z2CN18.10 Ф9.52mm× 0.8mm）。我国基本都采用挤压/斜轧穿孔+冷轧或冷拔方式生产。以法国M310堆型技术为主的RCC-M规范规定，钢管应以热加工完成，小直径管可以冷加工完成。以AP1000堆型技术为代表的钢管，ASME规范规定可以热加工完成，也可以冷加工完成。

与其他行业用不锈钢无缝钢管不同，核电站用不锈钢无缝钢管除了区分核安全等级、核质保等级，并满足相应的质保要求外，在国产化制造过程中，还要满足以下几个要求。

1）化学成分中对Co含量进行严格限制，熔炼分析不超过0.20%，力争控制在0.10%以下；B含量成品分析不超过0.0018%（部分设备限制为不超过0.0015%）。

2）大多数钢管的壁厚与外径之比低于0.1，甚至低于0.03。对于管径超过200mm的钢管，外径控制、壁厚控制、椭圆度控制都很困难。

3）水压试验是必做的检验项目，且根据钢管的核安全等级的不同，水压试验用水的等级有严格限制。

4）不锈钢抗晶间腐蚀敏感性能测定规程按照含钼与不含钼区分，敏化温度分别为725℃和700℃，并对敏化过程的升温、降温速度有严格限制；在加铜屑的硫酸铜溶液中沸腾24小时，不得出现晶间腐蚀敏感性（RCC-M规范）。

5）350℃的高温拉伸性能是核安全1、2级钢管的必检项目。

6）如果壁厚大于12mm，外径大于168mm，拉伸试样取样方向为横向，当室温拉伸时，延伸率低于45%但不低于40%时，允许用冲击试验进一步验证钢管的塑性和韧性，如果冲击试验合格，则认为钢管合格（RCC-M规范）。

5 核电站用不锈钢无缝钢管国产化进程中的一些问题

我国核电站用不锈钢无缝钢管在国产化过程中取得了丰硕的成果，但也存在一些问题。

1）设计、制造、检验的标准化问题

国检能源局组织核工业的设计院所编制了NB/T的行业标准，涵盖了生产、制造、检验、安装等各工艺流程，并对人员资质和能力进行了规定；中国钢铁工业协会也组织国内的几家核电站用不锈钢无缝钢管制造企业编制了GB标准。

但是，由于安全性设计和可靠性设计等基础数据的缺失，各堆型技术规范体系相对独立，导致部分依照标准或规范为母本编制的采购技术规格书的技术要求不能完全覆盖。

2）制造、检验场地问题

我国的各核电用管制造企业的装备配套都十分完善、设备指标也都很“高大上”。但是由于核电用管的品种规格多，批量又不大，无法做到批量化生产，这就对现场的生产组织管理带来了挑战。

如何做到与其他非核电品种“同台竞技”而丝毫不乱，除了严格的管理制度外，宽裕、整洁、明亮的专用场地条件是必不可少的。

3）生产、制造工艺问题

统计发现，核电用不锈钢无缝钢管一次检验不合格品中，尺寸（形状）公差和表面质量问题占到了50%以上。

通常，冷轧冷拔钢管的尺寸精度和形状精度应该是很高的，表面质量也优于热轧钢管，但是由于目前国内的冷轧冷拔钢管的表面质量处理过于依赖抛光，导致在冷轧冷拔时，对工序质量控制放的较松，希望成品抛光时来矫正尺寸和形状。因此，放松了对轧辊、拔模的形状、尺寸公差控制；成品热处理时，也未采用保护气氛热处理方式或真空气淬方式。

采用高硬度硬质合金轧辊、拔模，严格控制钢管的成品尺寸公差、形状公差；采用保护气氛热处理或真空气淬等方式进行固溶热处理，可以很好地解决目前尺寸公差、形状公差和表面质量差的问题。

4）良好的核安全文化培育问题

核电用管制造厂的管理人员、技术人员一般都能接受到良好的核安全文化教育，但身处一线的基层操作者，一是受限于自身文化素质、二是受限于工厂的重视程度、三是受限于工厂的薪酬体系，可能不能受到有效的核安全文化培训，或是不主动、不自愿地接受核安全文化培训，存在漠不关心、敷衍的态度问题。

只有制造厂全员的核安全文化素养的提高，才能带来整体核质保能力的跃升，进而促进核电用管质量的提升。

5）人员能力延续问题

由于人力资源流动成了一种新常态，核电站用核级钢管的生产、检验人员又必须具有相应的资质，如何保持现有人力资源能力，并满足不断扩大的建设需求的问题，已日渐影响到制造厂的生产经营决策。

6 结论

随着我国核电站建设的高速发展，核电站用不锈钢无缝钢管的国产化工作取得了长足的进步。核岛用不锈钢无缝钢管已全部可以自主生产，产能能够满足国家建设的需要。

我国核电站用不锈钢无缝钢管的开发虽然取得了很大进步，但也还存在着标准使用混乱、生产场地局促、质量控制有待进一步提高、人员的快速流动影响制造厂的生产经营活动等问题。

更多关于材料方面、材料腐蚀控制、材料科普等方面的国内外最新动态，我们网站会不断更新。希望大家一直关注中国腐蚀与防护网http://www.ecorr.org

责任编辑：王元

《中国腐蚀与防护网电子期刊》征订启事