壓水堆核電廠穩(wěn)壓器熱成形封頭評(píng)定

1、壓水堆核電廠穩(wěn)壓器熱成形封頭評(píng)定鄧豐黃燕李煥鳴袁宏田雅婧【摘要】穩(wěn)壓器是壓水堆核電廠一回路冷卻劑系統(tǒng)的主設(shè)備之一，對(duì)整個(gè)核電廠的運(yùn)行和平安起著重要的作用。百萬千瓦級(jí)壓水堆核電廠穩(wěn)壓器采用板焊結(jié)構(gòu)，封頭采用低合金鋼鋼板通過熱沖壓成形制造。本文基于核電設(shè)備建造標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)穩(wěn)壓器熱成形封頭的評(píng)定進(jìn)行研究。根據(jù)穩(wěn)壓器封頭的成形工藝，確定了穩(wěn)壓器封頭制造中的主要工藝及關(guān)鍵參數(shù)，并明確了評(píng)定過程中相關(guān)的試驗(yàn)和檢驗(yàn)。對(duì)評(píng)定試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了初步統(tǒng)計(jì)和分析。結(jié)果說明，按既定工藝成形后的封頭質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求，且各部位的強(qiáng)度均勻性良好?！娟P(guān)鍵詞】穩(wěn)壓器;熱成形;封頭;評(píng)定中圖分類號(hào)：TM623.91文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)

2、碼：A文章編號(hào)：2095-2457202118-0001-003DOI：10.19694/j ki.issn2095-2457.2021.18.001TheQualificationoftheHotFormedHeadofPressurizerinPWRPowerStationDENGFengHUANGYanLIHuan-mingYUANHongTIANYa-jingScienceandTechnologyonReactorSystemDesignTechnologyLaboratory，NuclearPowerInstituteofChina，ChengduSichuan610041，Chi

3、na【Abstract】PressurizerisoneofthemostimportantequipmentsofthereactorcoolantsysteminPWR，anditiskeytothesecurityduringtheoperatingofnuclearpowerplant.ThePressurizerisaplate-weldvesselin1000MWPWRpowerstation，anditsheadsarehotformedusingoflowalloysteelplates.baseonthecoderequirements，thispaperresearches

4、thequalificationofhotformedheads.Examinationsandtestsshallbecarriedoutduringthequalificationaccordingtothedesignandconstructionrules.Thestatisticalanalysisoftestdataindicatesthatheadshotformedaccordingtothegivenformingproceduremeettherequirementsofthedesignandconstructionrules，andtheuniformityofstre

5、ngthofheadsisperfect.【Keywords】Pressurizer;Hotformed;Head;Qualification0前言穩(wěn)壓器是壓水堆核電廠反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的主設(shè)備之一，為核平安1級(jí)設(shè)備。穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)建造標(biāo)準(zhǔn)為?壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)那么?【1】RCC-M，穩(wěn)壓器為板焊結(jié)構(gòu)，主承壓殼體材料均為低合金鋼16MND5鋼板RCC-M中牌號(hào)，封頭采用低合金鋼鋼板通過熱沖壓成形。在RCC-M中，特別規(guī)定對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)1級(jí)設(shè)備的主要承壓部件需要進(jìn)行制品評(píng)定，以驗(yàn)證按既定的大綱制造的制品或部件具有滿意的制造過程和使用條件，制品評(píng)定是判定制品特性的時(shí)機(jī)，尤其是制品的獨(dú)特性及可試驗(yàn)性

6、。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，通過制品評(píng)定，最終必須滿足以下要求【2】：1通過對(duì)制品試料化學(xué)成分試驗(yàn)測量結(jié)果的分析，確認(rèn)鍛件的化學(xué)成分分布均勻。2通過對(duì)制品試料的拉伸性能、沖擊性能等試驗(yàn)結(jié)果的比照分析，確認(rèn)制品的力學(xué)性能均勻程度良好。與一般的鍛件評(píng)定不同，由于本工程中穩(wěn)壓器封頭使用的是成熟的低合金鋼鋼板，本評(píng)定是在鋼板滿足相應(yīng)要求的前提下，研究鋼板后續(xù)制造工藝對(duì)最終封頭制品性能的影響，即穩(wěn)壓器封頭的成形工藝以及后續(xù)的性能熱處理工藝的合理性，故本評(píng)定更多關(guān)注熱成形封頭內(nèi)部及外部質(zhì)量，以及力學(xué)性能的均勻性。1封頭評(píng)定大綱確實(shí)定1.1封頭成形工藝穩(wěn)壓器封頭采用熱沖壓成形，成形方法采用自卸式上模半球形沖頭和漏盤形下

7、模，坯料采用常規(guī)的圓餅形坯料。等壁厚的低合金鋼鋼板加熱到1000左右后出爐，放置在漏盤形下模上，通過上模壓制成形，并控制封頭的終成形溫度。封頭在沖壓成形過程中，不同部位的壁厚會(huì)發(fā)生不同的變化。國內(nèi)也進(jìn)行了相關(guān)理論研究3-4，認(rèn)為厚壁半球形封頭在成形過程中有更大的局部減薄量和增厚量，封頭頂部的減薄量并非最大，減薄量最大值出現(xiàn)在靠近坯料中心的地方，邊緣的直邊局部增厚量最大，最大的減薄量和增厚量均到達(dá)坯料的16%左右。1.2封頭制造工藝確定為確保采用了合格的低合金鋼鋼板，在封頭成形前的鋼板上需進(jìn)行相關(guān)的無損檢驗(yàn)。為檢驗(yàn)封頭成形后的內(nèi)部及外表面質(zhì)量，在封頭成形后也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的無損檢驗(yàn)，確保封頭產(chǎn)品質(zhì)量

8、滿足設(shè)計(jì)要求。最終確定在封頭成形前后需進(jìn)行100%的液體滲透檢驗(yàn)PT和超聲波檢驗(yàn)UT。封頭在熱沖壓成形后要經(jīng)受性能熱處理包括淬火和回火，考慮到封頭在后續(xù)的穩(wěn)壓器制造過程中需要與筒體等部件進(jìn)行焊接，焊縫需進(jìn)行消應(yīng)力處理，故同時(shí)需要驗(yàn)證封頭性能態(tài)交貨態(tài)和模擬焊后熱處理態(tài)兩種狀態(tài)的力學(xué)性能。1.3評(píng)定試板部位確實(shí)定評(píng)定的目的是驗(yàn)證制品最終性能滿足設(shè)計(jì)要求，須驗(yàn)證封頭不同部位性能的均勻程度，需要在封頭的不同部位分別取樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。但考慮到破壞性試驗(yàn)的試驗(yàn)工程較多包括常溫拉伸、高溫拉伸、各溫度下的KV沖擊等，試驗(yàn)不可能在封頭的各個(gè)部位全部進(jìn)行，故需選取具有代表性的部位切取評(píng)定試板進(jìn)行破壞性試驗(yàn)。根

9、據(jù)前述的封頭成形過程中材料變形研究，穩(wěn)壓器封頭在成形過程中，其頂部、大端以及中間部位的變形過程不一樣，對(duì)材料內(nèi)部性能的影響也有所不同，故需考慮在封頭的大端、封頭頂部及中間過渡區(qū)域分別切取試樣驗(yàn)證其力學(xué)性能。在本工程中，考慮到穩(wěn)壓器上下封頭的厚度和半徑有所不同，下封頭壁厚大于上封頭壁厚，故分別采用兩塊不同厚度的鋼板進(jìn)行評(píng)定。為驗(yàn)證成形后封頭各部位力學(xué)性能的均勻性，在成形后上頭評(píng)定件和下封頭評(píng)定件上各截取了四塊試塊，包括：上封頭的大端不同部位三塊、上封頭評(píng)定件中間部位一塊、下封頭大端不同部位三塊、封頭在封頭頂部一塊。各試板在封頭評(píng)定件上的位置如圖2所示。在每塊試板上的試樣數(shù)量，根據(jù)成形后封頭的采購

10、技術(shù)要求的規(guī)定，取全套試樣包括常溫拉伸、高溫拉伸、各溫度下的KV沖擊等進(jìn)行試驗(yàn)。同樣，考慮到封頭成形過程中內(nèi)外兩個(gè)面變形狀態(tài)的不同，對(duì)與外表試樣，在內(nèi)外表側(cè)和外表面?zhèn)确謩e切取試樣進(jìn)行試驗(yàn)。所有試樣的試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿足封頭采購技術(shù)條件中的要求。在每塊試板上也同時(shí)截取化學(xué)成分分析試樣。1.4尺寸測量部位確實(shí)定理論上，成形后封頭應(yīng)為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故對(duì)封頭的縱截面上從大端到封頭頂部等弧長劃分?jǐn)?shù)等位置角度的圓周截面，在每個(gè)圓周上等分?jǐn)?shù)個(gè)位置，測量各個(gè)交點(diǎn)的內(nèi)徑及厚度尺寸見圖3所示。在封頭成形過程中同一角度坐標(biāo)的圓周上各部位材料的變形理論上應(yīng)一致。2評(píng)定檢驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果分析2.1無損檢驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)壓器封頭用鋼板的無損檢

11、測包括目視檢測、液體滲透檢測和超聲波檢測的結(jié)果滿足要求，成形后穩(wěn)壓器封頭的所有無損檢驗(yàn)工程，包括液體滲透檢驗(yàn)、超聲波檢驗(yàn)結(jié)果均滿足相應(yīng)要求。說明成形后封頭的質(zhì)量滿足要求。2.2封頭尺寸檢驗(yàn)結(jié)果成形后封頭各測量部位的內(nèi)徑測量結(jié)果滿足要求，各部位的實(shí)測厚度也滿足最小厚度要求。對(duì)具有相同角度坐標(biāo)的圓周截面上的所有點(diǎn)所測厚度尺寸進(jìn)行算術(shù)平均，取厚度的算術(shù)平均值與封頭成形前鋼板厚度的比值，成形后的穩(wěn)壓器上封頭和下封頭的上述數(shù)據(jù)如圖4所示。按照本工程成形工藝成形后的最大增厚量約15%位于封頭大端，最大的壁厚減薄量約6%8%，減薄量最大部位不在封頭的頂部，而存在于與封頭頂點(diǎn)夾角球心角約10°20&

12、#176;的環(huán)形區(qū)域。本工程中上封頭采用的鋼板坯料較下封頭采用的鋼板坯料厚，從圖4可以看出，較厚的鋼板成形后封頭的增厚封頭大端存在及減薄靠近封頭頂部區(qū)域存在的程度較大。2.3封頭評(píng)定件力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果在穩(wěn)壓器的上封頭和下封頭評(píng)定件一共截取了8塊試板，編號(hào)分別為18，8個(gè)試板的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果分別如下：各試板不同溫度下Kv沖擊試驗(yàn)結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)要求限值如圖5所示。其中橫坐標(biāo)中的“外表示從外表面?zhèn)惹腥≡嚇?，橫坐標(biāo)中的“內(nèi)表示從內(nèi)外表側(cè)切取試樣。從上圖中可以看出，成形后封頭各試板包括內(nèi)外表側(cè)和外表面?zhèn)鹊腒v沖擊功均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且具有較大的裕度。各試板兩個(gè)狀態(tài)交貨態(tài)及模擬消應(yīng)力熱處理態(tài)的內(nèi)外表側(cè)面和外表

13、面?zhèn)确謩e截取試板的常溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果和高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)要求限值如圖6所示。其中在每塊試板的內(nèi)外表側(cè)圖中標(biāo)注為“內(nèi)側(cè)和外表面圖中標(biāo)注為“外側(cè)分別截取全套試樣進(jìn)行試驗(yàn)。從圖6中可以看出，封頭評(píng)定件各試板兩個(gè)狀態(tài)交貨態(tài)及模擬消應(yīng)力熱處理態(tài)的常溫及高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。2.4成形后封頭性能均勻性分析封頭評(píng)定中，在兩個(gè)封頭評(píng)定件上具有代表性的不同部位分別截取了8塊試板，包括封頭大端、封頭頂部及大端和頂部之間的中間過渡區(qū)域。為分析封頭拉伸性能的均勻性，引入了度量每個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與算術(shù)平均值偏差幅度的相對(duì)偏差DXi概念：DXi=×100%其中，X為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值：X= X

14、平均相對(duì)偏差DXi：DXi= DX對(duì)上封頭和下封頭共8塊試板的各拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算，每項(xiàng)指標(biāo)如常溫Rm均有16個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。從上表的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，八塊試板的每一指標(biāo)數(shù)值分布較為集中，與其平均值的最大相對(duì)偏差不超過6.0%，同一試驗(yàn)數(shù)據(jù)在八塊試板上差異很小，說明封頭各部位的強(qiáng)度性能均勻程度良好。3結(jié)束語1穩(wěn)壓器熱成形封頭的評(píng)定結(jié)果說明，評(píng)定件的所有檢驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)建造標(biāo)準(zhǔn)要求，穩(wěn)壓器封頭的制造工藝滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。2通過熱成形工藝成形后的封頭各部位的拉伸性能均勻程度良好。3按照本工程成形工藝成形后的封頭減薄量最大部位存在于與封頭頂點(diǎn)夾角球心角約10°20°的環(huán)形區(qū)域部位，較厚的鋼板坯料在成形過程中增厚/減薄程度較大?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】【1】TheDesignandConstructionRulesApplica