核電用管特點和質量要求及國產化進展現狀

來源：至德鋼業　日期：2020-07-30 10:42:47　人氣：1663

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

長期以來，在我國的電力構成中，火力發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能減排的明確要求，采用高效、經濟、清潔的原子能發電將是今后我國能源重點發展的方向之一，不容置疑，我國核電站建設速度將加快。按照國家調整后的核電中長期發展規劃，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，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量要求

1. 核電站的構成和作用

核能發電是通過核反應堆產生的熱能來實現發電的，而核反應堆采用帶有輻射性的核燃料為熱源。通常根據反應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），無論在技術上和安全上均較為成熟。PWR一般由核島、常規島及電廠輔助設施組成，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（核反應堆）及一回路冷卻系統，其功能是產生核蒸汽，由一回路冷卻系統將反應堆所產生的核能轉換為熱能，熱能通過一次冷卻劑在蒸發器中經傳熱管傳遞給二回路的蒸汽。常規島包含主蒸汽管道和給水管道兩個主要的管道系統，這兩個管道系統稱之為二回路。其作用是將從蒸汽發生器中帶出的熱能（蒸汽）通過核汽輪機轉換為機械能、電能。

2. 核電用管的要求及使用的標準和牌號

由于核反應堆使用的是帶有輻射性的核燃料，一旦發生核泄漏，會嚴重惡化該區域的生態環境，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，在生產制造過程中也有嚴格質保要求。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的所有承壓邊界設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；常規島的二回路系統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設備的設計、制造、檢查等各環節都有很嚴格的要求。核電廠設計、建造和檢查所采用的規范是美國聯邦法規10 CFR Part 50指定的ASME鍋爐和壓力容器規范；法國對核島設備制訂了RCC系列規范，其中RCC-M為壓水堆核島機械設備設計和建造規范。目前我國的核電站大多為第2代核電技術的壓水堆核電站，核島設計采用RCC系列規范。

核級鋼管和非核級鋼管的生產資質和技術要求有較大區別，主要包括以下幾點。

1）生產資質

核級鋼管生產企業必須持有由國家核安全局頒發的“民用核承壓設備制造許可證”。對CPR1000系列機組按RCC-M（2000版+2002補遺）規范制造和檢驗，鋼管材質采用“法標”規定的牌號。

2）檢驗和報告

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

3）有關技術規范和鋼管牌號

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）鋼管材質要求

一回路管道系統屬于反應堆冷卻劑壓力邊界的一部分，管道的服役條件復雜，對鋼管材質的性能要求也各不相同。該系統使用的管道主要有：主冷卻劑管道、波動管線和噴淋管線、輔助系統中的1級管道以及與主冷卻系統相連的小徑管（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力腐蝕。其鐵素體含量通過成分配比調整；鋼管制造工藝目前采用離心澆鑄工藝生產，今后將有可能采用鍛制工藝生產。

（2）與主冷卻系統相連的小徑管與主冷卻系統相連的小徑管要求具有耐酸性介質的腐蝕性，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）蒸汽發生器傳熱管

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

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

b. 常規島二回路管道要求和選材

常規島與火力發電站相似，包括由主蒸汽管道、給水管道構成的二回路系統和核汽輪機（采用飽和蒸汽沖轉汽輪機），其蒸汽溫度和壓力參數比火電廠的低。目前的第2代核電技術的壓水堆（如CPR1000）設計的主蒸汽溫度316℃、壓力8.6 MPa。新開發的第3代核電技術的反應堆（EPR或AP1000）的蒸汽溫度和壓力參數也無大的變化。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，因此常規島二回路系統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）”。據有關研究發現，鉻含量會抑制FAC現象的發生，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)

按技術協議（控鉻碳素鋼HD245、WB36CN1）ANSI B36.10

二、核電用管國產化存在的主要問題

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，我國核電工業有了很大發展：所建核電站不僅數量增加，而且裝機容量也大增（單機容量已超過100萬kW），核電站用管的國產化工作也取得了長足的進步，但是我國的核電站從設計到設備制造，仍基本依賴國外技術，關鍵設備及材料需要進口的局面并沒有發生根本改變。就核電用管而言，雖然部分品種規格可以國內生產，但規格不配套、品種不齊全，不能完全滿足核電站建設要求，產品質量還有待進一步提高。

1. 核電用管規格不齊、品種不配套

a. 核級鋼管

目前國內具備核級鋼管生產資質的幾家企業，所生產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器傳熱管，長期以來也只作為進口產品的補缺產品，尚不具備成套供應的能力；而核二、三級碳錳鋼管因品種規格多，難以形成批量生產且利潤遠低于不銹鋼管，持證企業沒有生產積極性。因此，核級鋼管雖然國內有部分企業可以生產，但尚不具備成套供貨的能力。

b. 非核級鋼管

常規島二回路用非核級無縫鋼管，大多是碳素鋼/碳錳鋼。目前盡管國內部分鋼管生產企業現有的裝備技術已完全具備生產高質量非核級鋼管的條件，但是國內核電建設工程仍大多采用國外規范、國外標準和國外牌號。另外，因這類鋼管涉及的規格多、數量少、牌號特殊，難以形成規模生產，故鋼管企業對這類鋼管的生產渴求不高。迄今非核級鋼管和管件只能長期成套進口，國產的部分管材也只是作為短缺規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采購規范

我國的核電建設起步較晚，核電站設計及設備制造一直依賴國外技術，核電用管材料采用國外標準和國外牌號鋼種，給國內采購和生產帶來很多問題。因此制定相應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，是核電用管國產化亟需開展的工作。

3. 核電用管產品質量有待改進

核電用管的規格多（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，產品質量要求高，生產的技術難度大。目前，國產核電用管的幾何尺寸精度尚能滿足標準的要求，但其冶金質量和性能的穩定性有待于進一步提高。

三、核電用管國產化的最新進展

近幾年隨著核電建設的加速發展，鋼管制造企業生產裝備水平的不斷提高，我國核電用管國產化取得了很大進展，主要表現在以下幾個方面。

1. 重視核電用管國產化工作

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

2. 開始建立我國核電用管標準

一直以來，我國核電站建設的管道材料選擇和材料標準沒有自己的規范，全部引用國外標準，給國產化工作帶來很多問題。近年來，有些企業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化進程。

3. 常規島用管已國產化、核島用管可部分國產化

a. 常規島用管

中國廣東核電集團公司負責的嶺澳二期核電工程，是國內首個百萬千瓦級核電站核電自主化依托項目，其常規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生產，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）國產化。其主要的品種規格如下。

（1）控鉻碳素鋼HD245控鉻碳素鋼是為了滿足常規島給水管道抗蒸汽沖蝕性能的要求而開發的專用管，具有自主知識產權的中國牌號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）材質基于德國牌號WB36S1，加入適量的鉻元素，重新設計化學成分，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）主要技術要求以ASTM 335 P22為基礎，增加了鋼質純凈度、高溫力學性能和沖擊韌性等規定。

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，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專家組的肯定，已經正式進入嶺澳二期核電站使用；在此基礎上，秦山二期核電擴建工程的常規島管道系統所需的P280GH、A106B、A106C也將全部國產化。由此將結束國內核電常規島管道系統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，生產企業必須持證生產。由于這部分管材所需數量很少，且規格零散，難于規模化生產，加之部分品種為高合金鋼，因此以規模生產為主流的大型鋼管企業對此的生產積極性不高。

目前，國內持有核級管材生產許可證的幾家企業，已可以生產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化工作重視程度的提高和國產化政策的逐步實施，鋼管生產企業都認識到具備核級管材生產能力不僅是鋼管生產企業工藝技術水平高的重要標志，而且也代表著企業在質量管理水平方面跨上了更高的臺階。因此這些企業已開始積極為生產核級管道做工作，并且取得了以下方面的一些進展。

（1）已經具備核級管材生產條件的鋼管企業，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）以及核蒸汽系統和核輔助系統用碳素鋼/碳錳鋼鋼管均由國內企業生產。已經開工的紅沿河核電站將是我國目前國產化程度最高的核電建設項目，所有不銹鋼無縫鋼管（按RCC-M 3304標準采購）已全部在國內訂貨生產。

（2）國內已有大型鋼管生產企業投資新建核電專用的鎳基合金管（蒸汽發生器用690-U型管）生產基地，預計2009年具備規模生產能力，能夠滿足每年2座100萬kW核電站蒸汽發生器用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規范生產碳素鋼/碳錳鋼無縫鋼管條件，但還沒有獲得核級管材生產許可證的企業，正在積極進行核級管材生產許可認證的工作，有的鋼管生產企業正著手進行第3代核電技術（EPR、AP1000）的核電站用管材的研制開發工作。

四、加快核電用管國產化的建議

隨著我國核電站建設速度的加快和建設規模的不斷擴大，我國的核電用管國產化工作取得了長足的進步。但是與國外核電產業發達的國家相比，同時按照不斷提高核電用產品質量的要求，我國的核電用管生產還存在諸多不足，需要盡快解決多方面的問題，如完善工藝、穩定產品質量等。

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

（2）鋼管生產企業應積極改進制管工藝，提高核電用管的產品質量，克服核電用管因生產規格多、規模小等方面存在的困難，千方百計滿足核電站建設對鋼管產品的需要。

（3）核電用管使用部門、設計研究院所與核電用管生產企業應加強合作，重視核電用管新品種的開發。

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

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

五、結論

（1）隨著我國核電站建設的快速發展，核電用管的國產化工作取得了長足的進步。常規島用管的品種、規格已全部可以由國內生產，其質量完全滿足技術要求；核島用管雖可以部分國產，但品種數量仍顯不足。

（2）我國已經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。