核電用管特點和質(zhì)量要求及國產(chǎn)化進展現(xiàn)狀

 隨著我國大型核電站建設(shè)的快速發(fā)展，核電站設(shè)備國產(chǎn)化進程明顯加快，對核電用無縫鋼管的國產(chǎn)化要求也日益迫切。簡介了核電用管的特點及質(zhì)量要求，分析了核電站管道系統(tǒng)用無縫鋼管的國產(chǎn)化進展和存在的問題，提出了核電用無縫鋼管全部國產(chǎn)化的建議和改進思路。

  長期以來，在我國的電力構(gòu)成中，火力發(fā)電所占比例占了電力總裝機容量的70%；而核電所占比例很小，目前全國已投產(chǎn)的核電裝機容量約900萬kW，僅占電力總裝機容量的1.3%。隨著能源需求的增大和緊張趨勢的進一步加劇以及國家對節(jié)能減排的明確要求，采用高效、經(jīng)濟、清潔的原子能發(fā)電將是今后我國能源重點發(fā)展的方向之一，不容置疑，我國核電站建設(shè)速度將加快。按照國家調(diào)整后的核電中長期發(fā)展規(guī)劃，2020年我國核電裝機容量將占電力總裝機容量的5%以上，即6000萬kW。平均每年將增加300～400萬kW。預計今后10年內(nèi)，我國每年將新建3～4臺100萬kW核電機組。

一、核電用管的特點和質(zhì)量要求

  1. 核電站的構(gòu)成和作用

  核能發(fā)電是通過核反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱能來實現(xiàn)發(fā)電的，而核反應(yīng)堆采用帶有輻射性的核燃料為熱源。通常根據(jù)反應(yīng)堆所使用的慢化劑和冷卻劑的不同，將核電站分為壓水堆、輕水堆、重水堆等不同的堆型。相對于其他核電而言，壓水堆核電站（PWR），無論在技術(shù)上和安全上均較為成熟。PWR一般由核島、常規(guī)島及電廠輔助設(shè)施組成，各部分組成和工作原理如圖所示。

  核島主要包括壓水堆本體（核反應(yīng)堆）及一回路冷卻系統(tǒng)，其功能是產(chǎn)生核蒸汽，由一回路冷卻系統(tǒng)將反應(yīng)堆所產(chǎn)生的核能轉(zhuǎn)換為熱能，熱能通過一次冷卻劑在蒸發(fā)器中經(jīng)傳熱管傳遞給二回路的蒸汽。常規(guī)島包含主蒸汽管道和給水管道兩個主要的管道系統(tǒng)，這兩個管道系統(tǒng)稱之為二回路。其作用是將從蒸汽發(fā)生器中帶出的熱能（蒸汽）通過核汽輪機轉(zhuǎn)換為機械能、電能。

  2. 核電用管的要求及使用的標準和牌號

由于核反應(yīng)堆使用的是帶有輻射性的核燃料，一旦發(fā)生核泄漏，會嚴重惡化該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境，因此核電站對核島的安全要求最高。核電站使用的管材，其安全等級分為核級和非核級；核級材料又分為核一級、核二級和核三級。此外，在生產(chǎn)制造過程中也有嚴格質(zhì)保要求。通常，核島一回路管道為核級材料，其中用于一回路冷卻系統(tǒng)的所有承壓邊界設(shè)備和管道均屬核一級材料，部分蒸汽輸送管道為核二級和核三級材料；常規(guī)島的二回路系統(tǒng)管道均為非核級材料。

   a. 核島一回路管道要求和選材

  核電站安全的重點在于防止核輻射泄漏，因此世界各國對核島系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計、制造、檢查等各環(huán)節(jié)都有很嚴格的要求。核電廠設(shè)計、建造和檢查所采用的規(guī)范是美國聯(lián)邦法規(guī)10 CFR Part 50指定的ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范；法國對核島設(shè)備制訂了RCC系列規(guī)范，其中RCC-M為壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)范。目前我國的核電站大多為第2代核電技術(shù)的壓水堆核電站，核島設(shè)計采用RCC系列規(guī)范。

   核級鋼管和非核級鋼管的生產(chǎn)資質(zhì)和技術(shù)要求有較大區(qū)別，主要包括以下幾點。

  1）生產(chǎn)資質(zhì)

   核級鋼管生產(chǎn)企業(yè)必須持有由國家核安全局頒發(fā)的“民用核承壓設(shè)備制造許可證”。對CPR1000系列機組按RCC-M（2000版+2002補遺）規(guī)范制造和檢驗，鋼管材質(zhì)采用“法標”規(guī)定的牌號。

  2）檢驗和報告

   有關(guān)檢測必須按照RCC-M第3卷MC的規(guī)定進行。根據(jù)生產(chǎn)工序設(shè)立R、W、H等控制點，對制造過程實施全程監(jiān)控；無損檢驗探傷全部按RCC-M規(guī)范執(zhí)行，操作人員必須具備核級管道的探傷資質(zhì)。此外，還規(guī)定了嚴格的質(zhì)量文件提交報告制度，如質(zhì)量計劃、重要操作人員資格證書、各工序控制記錄、各種質(zhì)量檢測報告以及檢驗和完工報告等。

  3）有關(guān)技術(shù)規(guī)范和鋼管牌號

   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）鋼管材質(zhì)要求

  一回路管道系統(tǒng)屬于反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界的一部分，管道的服役條件復雜，對鋼管材質(zhì)的性能要求也各不相同。該系統(tǒng)使用的管道主要有：主冷卻劑管道、波動管線和噴淋管線、輔助系統(tǒng)中的1級管道以及與主冷卻系統(tǒng)相連的小徑管（直徑≤25.4mm）。

（1）主冷卻劑管道選用含少量鐵素體（5%～15%）的奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼（如Z3 CN 20-09M），以避免單相奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕。其鐵素體含量通過成分配比調(diào)整；鋼管制造工藝目前采用離心澆鑄工藝生產(chǎn)，今后將有可能采用鍛制工藝生產(chǎn)。

（2）與主冷卻系統(tǒng)相連的小徑管與主冷卻系統(tǒng)相連的小徑管要求具有耐酸性介質(zhì)的腐蝕性，通常采用奧氏體不銹鋼：不含Mo 18-10型（Z2 CN 19.10）；含Mo的17-12型（Z3 CND 17.12）；時效硬化不銹鋼。

（3）蒸汽發(fā)生器傳熱管

   蒸汽發(fā)生器傳熱管要求兼顧強韌性和耐應(yīng)力腐蝕能力。目前多采用鎳基合金Inconel690、In-conel600。

（4）核蒸汽系統(tǒng)和核輔助系統(tǒng)管道核蒸汽系統(tǒng)和核輔助系統(tǒng)管道（NSSS和BNI）主要采用碳素鋼/碳錳鋼，如P280GH、TUE250B、TU42C、TU48C等。

  b. 常規(guī)島二回路管道要求和選材

   常規(guī)島與火力發(fā)電站相似，包括由主蒸汽管道、給水管道構(gòu)成的二回路系統(tǒng)和核汽輪機（采用飽和蒸汽沖轉(zhuǎn)汽輪機），其蒸汽溫度和壓力參數(shù)比火電廠的低。目前的第2代核電技術(shù)的壓水堆（如CPR1000）設(shè)計的主蒸汽溫度316℃、壓力8.6 MPa。新開發(fā)的第3代核電技術(shù)的反應(yīng)堆（EPR或AP1000）的蒸汽溫度和壓力參數(shù)也無大的變化。在這樣的工作條件下，二回路管道材料采用碳素鋼（碳錳鋼）就能滿足要求，因此常規(guī)島二回路系統(tǒng)的主蒸汽管道和給水管道材料主要采用碳素鋼/碳錳鋼，牌號與核島材料一致；也有部分采用ASTM標準的碳素鋼；第3代核電站用管材料采用的是碳素鋼/碳錳鋼TU42C、P355NH。

   常規(guī)島二回路管道輸送中溫、中壓并帶有一定濕度的飽和蒸汽，由此會因蒸汽和水的流動速度較高而導致管道的“FAC（流動加速的腐蝕）”。據(jù)有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，鉻含量會抑制FAC現(xiàn)象的發(fā)生，所以對給水管道特別提出了控制Cr含量的要求；對于少量蒸汽濕度較大的高壓缸排汽管線和高壓加熱器的抽汽管，則采用鉻含量為2.25%的鉻-鉬合金鋼管，疏水器之后的疏水管采用304L不銹鋼，引用的標準、牌號主要包括：

  RCC-M1152（P280GH）

  API 5L B、ASTM A106(Gr.B、Gr.C)

  ASTM A335(P22、P11)

  ASTM A312(TP304L)

  按技術(shù)協(xié)議（控鉻碳素鋼HD245、WB36CN1）ANSI B36.10

二、核電用管國產(chǎn)化存在的主要問題

  1994年，我國從法國成套引進了大亞灣核電站1號、2號機組和秦山一期核電站，之后10多年，我國核電工業(yè)有了很大發(fā)展：所建核電站不僅數(shù)量增加，而且裝機容量也大增（單機容量已超過100萬kW），核電站用管的國產(chǎn)化工作也取得了長足的進步，但是我國的核電站從設(shè)計到設(shè)備制造，仍基本依賴國外技術(shù)，關(guān)鍵設(shè)備及材料需要進口的局面并沒有發(fā)生根本改變。就核電用管而言，雖然部分品種規(guī)格可以國內(nèi)生產(chǎn)，但規(guī)格不配套、品種不齊全，不能完全滿足核電站建設(shè)要求，產(chǎn)品質(zhì)量還有待進一步提高。

  1. 核電用管規(guī)格不齊、品種不配套

   a. 核級鋼管

  目前國內(nèi)具備核級鋼管生產(chǎn)資質(zhì)的幾家企業(yè)，所生產(chǎn)的核島一回路使用的奧氏體不銹鋼管及少量的主冷卻管道和蒸發(fā)器傳熱管，長期以來也只作為進口產(chǎn)品的補缺產(chǎn)品，尚不具備成套供應(yīng)的能力；而核二、三級碳錳鋼管因品種規(guī)格多，難以形成批量生產(chǎn)且利潤遠低于不銹鋼管，持證企業(yè)沒有生產(chǎn)積極性。因此，核級鋼管雖然國內(nèi)有部分企業(yè)可以生產(chǎn)，但尚不具備成套供貨的能力。

  b. 非核級鋼管

  常規(guī)島二回路用非核級無縫鋼管，大多是碳素鋼/碳錳鋼。目前盡管國內(nèi)部分鋼管生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)有的裝備技術(shù)已完全具備生產(chǎn)高質(zhì)量非核級鋼管的條件，但是國內(nèi)核電建設(shè)工程仍大多采用國外規(guī)范、國外標準和國外牌號。另外，因這類鋼管涉及的規(guī)格多、數(shù)量少、牌號特殊，難以形成規(guī)模生產(chǎn)，故鋼管企業(yè)對這類鋼管的生產(chǎn)渴求不高。迄今非核級鋼管和管件只能長期成套進口，國產(chǎn)的部分管材也只是作為短缺規(guī)格和臨時所需鋼管品種的補充。

  2. 核電用管缺乏國家標準和國內(nèi)采購規(guī)范

  我國的核電建設(shè)起步較晚，核電站設(shè)計及設(shè)備制造一直依賴國外技術(shù)，核電用管材料采用國外標準和國外牌號鋼種，給國內(nèi)采購和生產(chǎn)帶來很多問題。因此制定相應(yīng)的國家核電用管標準，以彌補我國在核電用管道材料標準方面的缺失，是核電用管國產(chǎn)化亟需開展的工作。

  3. 核電用管產(chǎn)品質(zhì)量有待改進

   核電用管的規(guī)格多（Φ6～840 mm），涉及的鋼種從碳素鋼、合金鋼、不銹鋼，到鎳基合金和鈦合金，品種復雜，產(chǎn)品質(zhì)量要求高，生產(chǎn)的技術(shù)難度大。目前，國產(chǎn)核電用管的幾何尺寸精度尚能滿足標準的要求，但其冶金質(zhì)量和性能的穩(wěn)定性有待于進一步提高。

三、核電用管國產(chǎn)化的最新進展

  近幾年隨著核電建設(shè)的加速發(fā)展，鋼管制造企業(yè)生產(chǎn)裝備水平的不斷提高，我國核電用管國產(chǎn)化取得了很大進展，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

 1. 重視核電用管國產(chǎn)化工作

  核電建設(shè)的發(fā)展給核電用管國產(chǎn)化帶來了契機。由于國家對核電用材料國產(chǎn)化工作的高度重視，開始實施核電國產(chǎn)化的產(chǎn)業(yè)政策，要求新建核電站所使用的國產(chǎn)設(shè)備和國產(chǎn)材料必須達到一定比例，對電站設(shè)計、設(shè)備制造、電廠安裝等方面提出了“國產(chǎn)化”要求，即使是國外的承包商也必須按國家政策要求，將部分設(shè)備制造和材料采購留給國內(nèi)企業(yè)。因此，近兩年在建的核電工程，均已大量使用國產(chǎn)材料。

 2. 開始建立我國核電用管標準

  一直以來，我國核電站建設(shè)的管道材料選擇和材料標準沒有自己的規(guī)范，全部引用國外標準，給國產(chǎn)化工作帶來很多問題。近年來，有些企業(yè)和研究院所一直在研究和推進制定我國核電用管國家標準，并已納入了2008年國家標準制定計劃。預計2008年底將完成標準的編制、審定工作，這將有力地推動核電用管的國產(chǎn)化進程。

 3. 常規(guī)島用管已國產(chǎn)化、核島用管可部分國產(chǎn)化

   a. 常規(guī)島用管

  中國廣東核電集團公司負責的嶺澳二期核電工程，是國內(nèi)首個百萬千瓦級核電站核電自主化依托項目，其常規(guī)島二回路中的高壓管道、合金管道、控鉻管道及管件全部采用國內(nèi)生產(chǎn)，這是我國百萬千瓦級核電站用壓力管道、管件的首次全臺（套）國產(chǎn)化。其主要的品種規(guī)格如下。

（1）控鉻碳素鋼HD245控鉻碳素鋼是為了滿足常規(guī)島給水管道抗蒸汽沖蝕性能的要求而開發(fā)的專用管，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中國牌號HD245Cr（Φ48～660 mm）已納入正在制定的核電用管國家標準。

（2）主蒸汽管、給水管WB36CN1主蒸汽管、給水管WB36CN1（Φ48.3～914 mm）材質(zhì)基于德國牌號WB36S1，加入適量的鉻元素，重新設(shè)計化學成分，很好地滿足了主蒸汽管道高強度、高韌性及抗蒸汽沖蝕的性能要求。

（3）抽汽管道用管P22抽汽管道用管P22（Φ168～610 mm）主要技術(shù)要求以ASTM 335 P22為基礎(chǔ)，增加了鋼質(zhì)純凈度、高溫力學性能和沖擊韌性等規(guī)定。

  嶺澳二期核電工程所需的全部無縫鋼管和管件材料的生產(chǎn)，由攀鋼集團成都鋼鐵有限責任公司和武漢重型鑄鍛廠承擔，其承制的主蒸汽管WB36CN1在首件試制評審中獲得了國內(nèi)專家組的肯定，已經(jīng)正式進入嶺澳二期核電站使用；在此基礎(chǔ)上，秦山二期核電擴建工程的常規(guī)島管道系統(tǒng)所需的P280GH、A106B、A106C也將全部國產(chǎn)化。由此將結(jié)束國內(nèi)核電常規(guī)島管道系統(tǒng)不能成套供貨而長期依賴進口的局面，也標志著我國核電管道國產(chǎn)化進展將取得重大突破。

  b. 核島用管

  前已述及，核島管道屬核級材料，生產(chǎn)企業(yè)必須持證生產(chǎn)。由于這部分管材所需數(shù)量很少，且規(guī)格零散，難于規(guī)?；a(chǎn)，加之部分品種為高合金鋼，因此以規(guī)模生產(chǎn)為主流的大型鋼管企業(yè)對此的生產(chǎn)積極性不高。

  目前，國內(nèi)持有核級管材生產(chǎn)許可證的幾家企業(yè)，已可以生產(chǎn)部分不銹鋼種類的核電用管品種。隨著這幾年國家對核電國產(chǎn)化工作重視程度的提高和國產(chǎn)化政策的逐步實施，鋼管生產(chǎn)企業(yè)都認識到具備核級管材生產(chǎn)能力不僅是鋼管生產(chǎn)企業(yè)工藝技術(shù)水平高的重要標志，而且也代表著企業(yè)在質(zhì)量管理水平方面跨上了更高的臺階。因此這些企業(yè)已開始積極為生產(chǎn)核級管道做工作，并且取得了以下方面的一些進展。

（1）已經(jīng)具備核級管材生產(chǎn)條件的鋼管企業(yè)，通過努力已成為秦山二期擴建項目和嶺澳二期項目的核級管道的主要供應(yīng)商。這兩個項目的核級不銹鋼管、一回路主管道（雙相不銹鋼）以及核蒸汽系統(tǒng)和核輔助系統(tǒng)用碳素鋼/碳錳鋼鋼管均由國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)。已經(jīng)開工的紅沿河核電站將是我國目前國產(chǎn)化程度最高的核電建設(shè)項目，所有不銹鋼無縫鋼管（按RCC-M 3304標準采購）已全部在國內(nèi)訂貨生產(chǎn)。

（2）國內(nèi)已有大型鋼管生產(chǎn)企業(yè)投資新建核電專用的鎳基合金管（蒸汽發(fā)生器用690-U型管）生產(chǎn)基地，預計2009年具備規(guī)模生產(chǎn)能力，能夠滿足每年2座100萬kW核電站蒸汽發(fā)生器用U型管的需求。

（3）按照國家核安全局的要求，那些具有按RCC-M規(guī)范生產(chǎn)碳素鋼/碳錳鋼無縫鋼管條件，但還沒有獲得核級管材生產(chǎn)許可證的企業(yè)，正在積極進行核級管材生產(chǎn)許可認證的工作，有的鋼管生產(chǎn)企業(yè)正著手進行第3代核電技術(shù)（EPR、AP1000）的核電站用管材的研制開發(fā)工作。

四、加快核電用管國產(chǎn)化的建議

  隨著我國核電站建設(shè)速度的加快和建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，我國的核電用管國產(chǎn)化工作取得了長足的進步。但是與國外核電產(chǎn)業(yè)發(fā)達的國家相比，同時按照不斷提高核電用產(chǎn)品質(zhì)量的要求，我國的核電用管生產(chǎn)還存在諸多不足，需要盡快解決多方面的問題，如完善工藝、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量等。

（1）應(yīng)進一步重視核電用管的國產(chǎn)化工作，加大核電用管國產(chǎn)化的力度。國家主管部門應(yīng)引導和要求核電設(shè)計院、核電主管單位、核電設(shè)備制造廠主動采用國產(chǎn)核電用管。

（2）鋼管生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)積極改進制管工藝，提高核電用管的產(chǎn)品質(zhì)量，克服核電用管因生產(chǎn)規(guī)格多、規(guī)模小等方面存在的困難，千方百計滿足核電站建設(shè)對鋼管產(chǎn)品的需要。

（3）核電用管使用部門、設(shè)計研究院所與核電用管生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)加強合作，重視核電用管新品種的開發(fā)。

（4）在完成核電用無縫鋼管標準制定的基礎(chǔ)上，逐步建立我國完整的核電用鋼標準體系。

（5）加快核電用管生產(chǎn)企業(yè)人員培訓，提高涉及核電用管生產(chǎn)、檢驗等相關(guān)人員的核安全意識，建立健全完善的質(zhì)保體系，按照國家核安全局的要求組織核級管材生產(chǎn)許可證的認證工作。

五、結(jié)論

（1）隨著我國核電站建設(shè)的快速發(fā)展，核電用管的國產(chǎn)化工作取得了長足的進步。常規(guī)島用管的品種、規(guī)格已全部可以由國內(nèi)生產(chǎn)，其質(zhì)量完全滿足技術(shù)要求；核島用管雖可以部分國產(chǎn)，但品種數(shù)量仍顯不足。

（2）我國已經(jīng)開始制定核電用管的國家標準，我國完整的核電用管標準系列將逐步形成。

（3）我國核電用管的開發(fā)雖然已取得了很大進展，但是總體來講，產(chǎn)品的規(guī)格不配套、品種不齊全、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題比較突出，要完全實現(xiàn)核電用管的國產(chǎn)化還任重道遠。