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核电用管特点和质量要求及国产化进展现状

来源:至德钢业 日期:2020-07-30 10:42:47 人气:162

 随着我国大型核电站建设的快速发展,核电站设备国产化进程明显加快,对核电用无缝钢管的国产化要求也日益迫切。简介了核电用管的特点及质量要求,分析了核电站管道系统用无缝钢管的国产化进展和存在的问题,提出了核电用无缝钢管全部国产化的建议和改进思路。


  长期以来,在我国的电力构成中,火力发电所占比例占了电力总装机容量的70%;而核电所占比例很小,目前全国已投产的核电装机容量约900万kW,仅占电力总装机容量的1.3%。随着能源需求的增大和紧张趋势的进一步加剧以及国家对节能减排的明确要求,采用高效、经济、清洁的原子能发电将是今后我国能源重点发展的方向之一,不容置疑,我国核电站建设速度将加快。按照国家调整后的核电中长期发展规划,2020年我国核电装机容量将占电力总装机容量的5%以上,即6000万kW。平均每年将增加300~400万kW。预计今后10年内,我国每年将新建3~4台100万kW核电机组。


一、核电用管的特点和质量要求


  1. 核电站的构成和作用


  核能发电是通过核反应堆产生的热能来实现发电的,而核反应堆采用带有辐射性的核燃料为热源。通常根据反应堆所使用的慢化剂和冷却剂的不同,将核电站分为压水堆、轻水堆、重水堆等不同的堆型。相对于其他核电而言,压水堆核电站(PWR),无论在技术上和安全上均较为成熟。PWR一般由核岛、常规岛及电厂辅助设施组成,各部分组成和工作原理如图所示。


  核岛主要包括压水堆本体(核反应堆)及一回路冷却系统,其功能是产生核蒸汽,由一回路冷却系统将反应堆所产生的核能转换为热能,热能通过一次冷却剂在蒸发器中经传热管传递给二回路的蒸汽。常规岛包含主蒸汽管道和给水管道两个主要的管道系统,这两个管道系统称之为二回路。其作用是将从蒸汽发生器中带出的热能(蒸汽)通过核汽轮机转换为机械能、电能。


  2. 核电用管的要求及使用的标准和牌号


由于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。


   a. 核岛一回路管道要求和选材


  核电站安全的重点在于防止核辐射泄漏,因此世界各国对核岛系统设备的设计、制造、检查等各环节都有很严格的要求。核电厂设计、建造和检查所采用的规范是美国联邦法规10 CFR Part 50指定的ASME锅炉和压力容器规范;法国对核岛设备制订了RCC系列规范,其中RCC-M为压水堆核岛机械设备设计和建造规范。目前我国的核电站大多为第2代核电技术的压水堆核电站,核岛设计采用RCC系列规范。


   核级钢管和非核级钢管的生产资质和技术要求有较大区别,主要包括以下几点。


  1)生产资质


   核级钢管生产manbetx998必须持有由国家核安全局颁发的“民用核承压设备制造许可证”。对CPR1000系列机组按RCC-M(2000版+2002补遗)规范制造和检验,钢管材质采用“法标”规定的牌号。


  2)检验和报告


   有关检测必须按照RCC-M第3卷MC的规定进行。根据生产工序设立R、W、H等控制点,对制造过程实施全程监控;无损检验探伤全部按RCC-M规范执行,操作人员必须具备核级管道的探伤资质。此外,还规定了严格的质量文件提交报告制度,如质量计划、重要操作人员资格证书、各工序控制记录、各种质量检测报告以及检验和完工报告等。


  3)有关技术规范和钢管牌号


   RCC-M3304(Z2CN18.10、Z3CND18.12)


   RCC-M4101(Inconel690、Inconel600)


   RCC-M1152(P280GH)


   RCC-M1141(TU48C、TU42C)


   RCC-M1143(TUE250B、P265GH)


   NF A49-213(TU42C、TU48C)


  4)钢管材质要求


  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manbetx998(如Z3 CN 20-09M),以避免单相奥氏体manbetx998的应力腐蚀。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manbetx998:不含Mo 18-10型(Z2 CN 19.10);含Mo的17-12型(Z3 CND 17.12);时效硬化manbetx998。


(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、TUE250B、TU42C、TU48C等。


  b. 常规岛二回路管道要求和选材


   常规岛与火力发电站相似,包括由主蒸汽管道、给水管道构成的二回路系统和核汽轮机(采用饱和蒸汽冲转汽轮机),其蒸汽温度和压力参数比火电厂的低。目前的第2代核电技术的压水堆(如CPR1000)设计的主蒸汽温度316℃、压力8.6 MPa。新开发的第3代核电技术的反应堆(EPR或AP1000)的蒸汽温度和压力参数也无大的变化。在这样的工作条件下,二回路管道材料采用碳素钢(碳锰钢)就能满足要求,因此常规岛二回路系统的主蒸汽管道和给水管道材料主要采用碳素钢/碳锰钢,牌号与核岛材料一致;也有部分采用ASTM标准的碳素钢;第3代核电站用管材料采用的是碳素钢/碳锰钢TU42C、P355NH。


   常规岛二回路管道输送中温、中压并带有一定湿度的饱和蒸汽,由此会因蒸汽和水的流动速度较高而导致管道的“FAC(流动加速的腐蚀)”。据有关研究发现,铬含量会抑制FAC现象的发生,所以对给水管道特别提出了控制Cr含量的要求;对于少量蒸汽湿度较大的高压缸排汽管线和高压加热器的抽汽管,则采用铬含量为2.25%的铬-钼合金钢管,疏水器之后的疏水管采用304Lmanbetx998,引用的标准、牌号主要包括:


  RCC-M1152(P280GH)


  API 5L B、ASTM A106(Gr.B、Gr.C)


  ASTM A335(P22、P11)


  ASTM A312(TP304L)


  按技术协议(控铬碳素钢HD245、WB36CN1)ANSI B36.10


二、核电用管国产化存在的主要问题


  1994年,我国从法国成套引进了大亚湾核电站1号、2号机组和秦山一期核电站,之后10多年,我国核电工业有了很大发展:所建核电站不仅数量增加,而且装机容量也大增(单机容量已超过100万kW),核电站用管的国产化工作也取得了长足的进步,但是我国的核电站从设计到设备制造,仍基本依赖国外技术,关键设备及材料需要进口的局面并没有发生根本改变。就核电用管而言,虽然部分品种规格可以国内生产,但规格不配套、品种不齐全,不能完全满足核电站建设要求,产品质量还有待进一步提高。


  1. 核电用管规格不齐、品种不配套


   a. 核级钢管


  目前国内具备核级钢管生产资质的几家manbetx998,所生产的核岛一回路使用的奥氏体ManBetx及少量的主冷却管道和蒸发器传热管,长期以来也只作为进口产品的补缺产品,尚不具备成套供应的能力;而核二、三级碳锰钢管因品种规格多,难以形成批量生产且利润远低于ManBetx,持证manbetx998没有生产积极性。因此,核级钢管虽然国内有部分manbetx998可以生产,但尚不具备成套供货的能力。


  b. 非核级钢管


  常规岛二回路用非核级无缝钢管,大多是碳素钢/碳锰钢。目前尽管国内部分钢管生产manbetx998现有的装备技术已完全具备生产高质量非核级钢管的条件,但是国内核电建设工程仍大多采用国外规范、国外标准和国外牌号。另外,因这类钢管涉及的规格多、数量少、牌号特殊,难以形成规模生产,故钢管manbetx998对这类钢管的生产渴求不高。迄今非核级钢管和管件只能长期成套进口,国产的部分管材也只是作为短缺规格和临时所需钢管品种的补充。


  2. 核电用管缺乏国家标准和国内采购规范


  我国的核电建设起步较晚,核电站设计及设备制造一直依赖国外技术,核电用管材料采用国外标准和国外牌号钢种,给国内采购和生产带来很多问题。因此制定相应的国家核电用管标准,以弥补我国在核电用管道材料标准方面的缺失,是核电用管国产化亟需开展的工作。


  3. 核电用管产品质量有待改进


   核电用管的规格多(Φ6~840 mm),涉及的钢种从碳素钢、合金钢、manbetx998,到镍基合金和钛合金,品种复杂,产品质量要求高,生产的技术难度大。目前,国产核电用管的几何尺寸精度尚能满足标准的要求,但其冶金质量和性能的稳定性有待于进一步提高。


三、核电用管国产化的最新进展


  近几年随着核电建设的加速发展,钢管制造manbetx998生产装备水平的不断提高,我国核电用管国产化取得了很大进展,主要表现在以下几个方面。


 1. 重视核电用管国产化工作


  核电建设的发展给核电用管国产化带来了契机。由于国家对核电用材料国产化工作的高度重视,开始实施核电国产化的产业政策,要求新建核电站所使用的国产设备和国产材料必须达到一定比例,对电站设计、设备制造、电厂安装等方面提出了“国产化”要求,即使是国外的承包商也必须按国家政策要求,将部分设备制造和材料采购留给国内manbetx998。因此,近两年在建的核电工程,均已大量使用国产材料。


 2. 开始建立我国核电用管标准


  一直以来,我国核电站建设的管道材料选择和材料标准没有自己的规范,全部引用国外标准,给国产化工作带来很多问题。近年来,有些manbetx998和研究院所一直在研究和推进制定我国核电用管国家标准,并已纳入了2008年国家标准制定计划。预计2008年底将完成标准的编制、审定工作,这将有力地推动核电用管的国产化进程。


 3. 常规岛用管已国产化、核岛用管可部分国产化


   a. 常规岛用管


  中国广东核电集团公司负责的岭澳二期核电工程,是国内首个百万千瓦级核电站核电自主化依托项目,其常规岛二回路中的高压管道、合金管道、控铬管道及管件全部采用国内生产,这是我国百万千瓦级核电站用压力管道、管件的首次全台(套)国产化。其主要的品种规格如下。


(1)控铬碳素钢HD245控铬碳素钢是为了满足常规岛给水管道抗蒸汽冲蚀性能的要求而开发的专用管,具有自主知识产权的中国牌号HD245Cr(Φ48~660 mm)已纳入正在制定的核电用管国家标准。


(2)主蒸汽管、给水管WB36CN1主蒸汽管、给水管WB36CN1(Φ48.3~914 mm)材质基于德国牌号WB36S1,加入适量的铬元素,重新设计化学成分,很好地满足了主蒸汽管道高强度、高韧性及抗蒸汽冲蚀的性能要求。


(3)抽汽管道用管P22抽汽管道用管P22(Φ168~610 mm)主要技术要求以ASTM 335 P22为基础,增加了钢质纯净度、高温力学性能和冲击韧性等规定。


  岭澳二期核电工程所需的全部无缝钢管和管件材料的生产,由攀钢集团成都钢铁有限责任公司和武汉重型铸锻厂承担,其承制的主蒸汽管WB36CN1在首件试制评审中获得了国内专家组的肯定,已经正式进入岭澳二期核电站使用;在此基础上,秦山二期核电扩建工程的常规岛管道系统所需的P280GH、A106B、A106C也将全部国产化。由此将结束国内核电常规岛管道系统不能成套供货而长期依赖进口的局面,也标志着我国核电管道国产化进展将取得重大突破。


  b. 核岛用管


  前已述及,核岛管道属核级材料,生产manbetx998必须持证生产。由于这部分管材所需数量很少,且规格零散,难于规模化生产,加之部分品种为高合金钢,因此以规模生产为主流的大型钢管manbetx998对此的生产积极性不高。


  目前,国内持有核级管材生产许可证的几家manbetx998,已可以生产部分manbetx998种类的核电用管品种。随着这几年国家对核电国产化工作重视程度的提高和国产化政策的逐步实施,钢管生产manbetx998都认识到具备核级管材生产能力不仅是钢管生产manbetx998工艺技术水平高的重要标志,而且也代表着manbetx998在质量管理水平方面跨上了更高的台阶。因此这些manbetx998已开始积极为生产核级管道做工作,并且取得了以下方面的一些进展。


(1)已经具备核级管材生产条件的钢管manbetx998,通过努力已成为秦山二期扩建项目和岭澳二期项目的核级管道的主要供应商。这两个项目的核级ManBetx、一回路主管道(双相manbetx998)以及核蒸汽系统和核辅助系统用碳素钢/碳锰钢钢管均由国内manbetx998生产。已经开工的红沿河核电站将是我国目前国产化程度最高的核电建设项目,所有manbetx998无缝钢管(按RCC-M 3304标准采购)已全部在国内订货生产。


(2)国内已有大型钢管生产manbetx998投资新建核电专用的镍基合金管(蒸汽发生器用690-U型管)生产基地,预计2009年具备规模生产能力,能够满足每年2座100万kW核电站蒸汽发生器用U型管的需求。


(3)按照国家核安全局的要求,那些具有按RCC-M规范生产碳素钢/碳锰钢无缝钢管条件,但还没有获得核级管材生产许可证的manbetx998,正在积极进行核级管材生产许可认证的工作,有的钢管生产manbetx998正着手进行第3代核电技术(EPR、AP1000)的核电站用管材的研制开发工作。


四、加快核电用管国产化的建议


  随着我国核电站建设速度的加快和建设规模的不断扩大,我国的核电用管国产化工作取得了长足的进步。但是与国外核电产业发达的国家相比,同时按照不断提高核电用产品质量的要求,我国的核电用管生产还存在诸多不足,需要尽快解决多方面的问题,如完善工艺、稳定产品质量等。


(1)应进一步重视核电用管的国产化工作,加大核电用管国产化的力度。国家主管部门应引导和要求核电设计院、核电主管单位、核电设备制造厂主动采用国产核电用管。


(2)钢管生产manbetx998应积极改进制管工艺,提高核电用管的产品质量,克服核电用管因生产规格多、规模小等方面存在的困难,千方百计满足核电站建设对钢管产品的需要。


(3)核电用管使用部门、设计研究院所与核电用管生产manbetx998应加强合作,重视核电用管新品种的开发。


(4)在完成核电用无缝钢管标准制定的基础上,逐步建立我国完整的核电用钢标准体系。


(5)加快核电用管生产manbetx998人员培训,提高涉及核电用管生产、检验等相关人员的核安全意识,建立健全完善的质保体系,按照国家核安全局的要求组织核级管材生产许可证的认证工作。


五、结论


(1)随着我国核电站建设的快速发展,核电用管的国产化工作取得了长足的进步。常规岛用管的品种、规格已全部可以由国内生产,其质量完全满足技术要求;核岛用管虽可以部分国产,但品种数量仍显不足。


(2)我国已经开始制定核电用管的国家标准,我国完整的核电用管标准系列将逐步形成。


(3)我国核电用管的开发虽然已取得了很大进展,但是总体来讲,产品的规格不配套、品种不齐全、质量不稳定等问题比较突出,要完全实现核电用管的国产化还任重道远。


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