核電用管特點和質(zhì)量要求及國產(chǎn)化進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)容量約900萬kW，僅占電力總裝機(jī)容量的1.3%。隨著能源需求的增大和緊張趨勢的進(jìn)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(jì)、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(jī)容量將占電力總裝機(jī)容量的5%以上，即6000萬kW。平均每年將增加300～400萬kW。預(yù)計今后10年內(nèi)，我國每年將新建3～4臺100萬kW核電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能、電能。

  2. 核電用管的要求及使用的標(biāo)準(zhǔn)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(yán)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(yán)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(yán)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(jī)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(jī)組按RCC-M（2000版+2002補(bǔ)遺）規(guī)范制造和檢驗，鋼管材質(zhì)采用“法標(biāo)”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(jìn)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(yán)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(fù)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(qiáng)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(jī)（采用飽和蒸汽沖轉(zhuǎn)汽輪機(jī)），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(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)、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(jìn)了大亞灣核電站1號、2號機(jī)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(jī)容量也大增（單機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)口產(chǎn)品的補(bǔ)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(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(bǔ)充。

  2. 核電用管缺乏國家標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，以彌補(bǔ)我國在核電用管道材料標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)

   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(fù)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(biāo)準(zhǔn)的要求，但其冶金質(zhì)量和性能的穩(wěn)定性有待于進(jìn)一步提高。

三、核電用管國產(chǎn)化的最新進(jìn)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(jìn)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(jī)。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(dá)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(biāo)準(zhǔn)

  一直以來，我國核電站建設(shè)的管道材料選擇和材料標(biāo)準(zhǔn)沒有自己的規(guī)范，全部引用國外標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)制定我國核電用管國家標(biāo)準(zhǔn)，并已納入了2008年國家標(biāo)準(zhǔn)制定計劃。預(yù)計2008年底將完成標(biāo)準(zhǔn)的編制、審定工作，這將有力地推動核電用管的國產(chǎn)化進(jìn)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(tuán)公司負(fù)責(zé)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(biāo)準(zhǔn)。

（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(xué)成分，很好地滿足了主蒸汽管道高強(qiáng)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(xué)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(tuán)成都鋼鐵有限責(zé)任公司和武漢重型鑄鍛廠承擔(dān)，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(jìn)入嶺澳二期核電站使用；在此基礎(chǔ)上，秦山二期核電擴(kuò)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(jìn)口的局面，也標(biāo)志著我國核電管道國產(chǎn)化進(jìn)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(rèn)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(biāo)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(jìn)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(kuò)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(biāo)準(zhǔn)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(yù)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(jìn)行核級管材生產(chǎn)許可認(rèn)證的工作，有的鋼管生產(chǎn)企業(yè)正著手進(jìn)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(kuò)大，我國的核電用管國產(chǎn)化工作取得了長足的進(jìn)步。但是與國外核電產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)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(jìn)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(dǎo)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(jìn)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(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)制定的基礎(chǔ)上，逐步建立我國完整的核電用鋼標(biāo)準(zhǔn)體系。

（5）加快核電用管生產(chǎn)企業(yè)人員培訓(xùn)，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(rèn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，我國完整的核電用管標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(yuǎn)。