核電奧氏體不銹鋼傳熱彎管工藝評定及典型事件分析

環(huán)境保護部核與輻射安全中心（北京 100082）張文廣 浦承皓 郭德朋 陳陽陽

壓水堆M310機組中核2、3級熱交換器種類繁多，這些熱交換器（見圖1）對于機組的安全穩(wěn)定運行、放射性物質包容和廢物處理起到了至關重要的作用，一旦其發(fā)生故障，就有可能導致放射性物質外泄，引起嚴重的核事故。因此，必須確保這些熱交換器在機組運行期間或整個電站壽期內保持其設備和功能完整性。

圖1

余熱排出熱交換器由殼體、管板管束組件、封頭、水室組件、支承和接管等組成。在這些結構件中，傳熱管用于熱量交換，是熱交換器的關鍵部件，其質量的好壞直接決定熱交換器的性能優(yōu)劣。因此，必須確保傳熱管的質量以滿足熱交換器的功能要求。

對于核安全級設備來說，U形傳熱管需要在直管的基礎上彎制成形，并需要事先對彎管工藝進行評定和制定彎管工藝規(guī)程，從而指導彎管工作，確保成品U形管滿足標準規(guī)范和相關技術條件的要求。鑒于傳熱管的重要性，國家核安全局已將其納入監(jiān)管范圍。

然而，經驗表明，國內部分制造廠對RCC－M標準規(guī)范中彎管工藝要求的理解存在誤區(qū)，未按照RCC－M的要求進行U形管生產，導致設備最終報廢的嚴重后果。為此，本文將針對某項目熱交換器用U形傳熱管彎制過程中存在的具體問題，充分分析標準規(guī)范中彎管工藝的具體要求，以指導U形管的生產工作。

一、典型事件介紹

2010年，國內某制造廠承接的某項目熱交換器合同，采購成品傳熱管直管用于制備U形管。該制造廠事先根據(jù)RCC－M標準要求進行了彎管工藝評定，并編制了彎管工藝規(guī)程。規(guī)程中規(guī)定只對含最小彎曲半徑的幾種彎管進行消應力熱處理，并且未明確對經消應力熱處理后的彎管進行驗證性試驗。然后，制造廠用所制備的U形管進行熱交換器制造，直至買方進行設備出廠驗收時發(fā)現(xiàn)制造廠提供的彎管工藝評定報告和相應記錄文件不符合RCCM的相關要求。

由于這些熱交換器設備已經制造完成，無法驗證U形傳熱管的性能是否滿足標準及技術條件要求，最終不得不報廢所有設備。這次事件的代價是沉重的。因此，為了弄清RCC－M（2000＋2002補遺版）F 4160章節(jié)中核2、3級熱交換器用奧氏體不銹鋼傳熱管彎管工藝的具體要求，下面將逐步進行分析。

二、工藝評定

在進行批量生產彎管前，應選取預制直管或者成品直管進行試驗評定，驗證所采用的彎管工藝能夠滿足規(guī)定的尺寸公差要求，同時不會對材料造成影響，并驗證彎管段是否需要進行消應力熱處理。具體工藝評定過程如下：

1.尺寸公差的符合性檢查

用彎管機彎制5根最小彎曲半徑的彎管，在同一點測量尺寸，尺寸公差須滿足要求；彎管機必須是經過評定合格的或者為同一車間內相同規(guī)格型號的機器。

2.應力腐蝕試驗和金相檢查

對于奧氏體不銹鋼，進行應力腐蝕試驗和金相檢查。

（1）按照MC1362的要求進行沸騰Mg Cl2試驗，確定彎管部位耐應力腐蝕的能力。合格標準為試驗后無裂紋產生；如果試驗證明有必要進行消應力熱處理，則由制造廠制定熱處理工藝條件。

（2）取5根彎管試樣對消應熱處理的效果進行驗證，其中2根是未進行消應熱處理的彎管，3根是進行過消應熱處理的彎管。①消應力熱處理后，應取3根熱處理過的彎管測量尺寸公差。②對于未進行消應熱處理的彎管，應按照MC1362的要求分別對2根彎管進行沸騰Mg Cl2試驗：取2個試樣，其中1個試樣取自直管和彎管部分的過渡部位，1個試樣取自彎管的中間部位。③消應力熱處理后，應按照MC 1330的要求對彎管進行金相試驗檢查（100倍放大），合格標準為：與未經消應力熱處理試樣的相同部位的晶粒相比，熱處理后的晶粒尺寸變化不大；或者最大晶粒的尺寸小于前者，晶粒數(shù)至少等于同一區(qū)域的平均值，這樣的晶粒長大可以接受。晶界處無新的析出物。④如果所取5根彎管的彎曲半徑小于等于10d（d為傳熱管的名義直徑），需要增加彎制2根彎曲半徑最接近10d的彎管；這2根彎管應進行上述②和③的試驗驗證。

若試驗結果顯示應力值不可接受，則選取大于10d的鄰近彎曲半徑的彎管進行上述試驗，以確定需要進行消應力熱處理的最大彎曲半徑的彎管。反之，試驗結果顯示應力值可以接受，則只對最接近10d及以下彎曲半徑的彎管進行消應力熱處理。⑤如果上述中所選取的5根彎管的最小彎曲半徑大于10d且沸騰Mg Cl2試驗結果不合格，則執(zhí)行上述④中第二段的要求。

圖2

以上是針對彎管工藝評定的具體要求，評定的工藝流程如圖2所示。由此可見，經過彎管尺寸檢查、應力腐蝕試驗、金相試驗的多次驗證后，確定彎管機、彎管方法、熱處理工藝的有效性和選取需進行消應力熱處理的彎管范圍，最終制定符合實際需要的彎管工藝規(guī)程。

3.成品彎管的檢驗要求

采用經過評定合格的彎管工藝規(guī)程生產成品彎管，完成后需對彎管進行如下檢驗：

（1）在每批中，對相同彎曲半徑的5根彎管進行尺寸檢查（若同一批中有幾種規(guī)格彎曲半徑的彎管，則每種規(guī)格選5根進行尺寸檢查）。檢查內容如下：彎曲半徑；在3個不同的點測量橢圓度（45°，90°，135°）；UT檢測彎曲部位拱背（外側）處的管壁厚。

（2）對于全部進行了消應力熱處理的彎管束，應該各取1根最大和最小彎曲半徑的彎管（對于部分消應力熱處理的管束，應取經消應力熱處理的最小彎曲半徑、最大彎曲半徑和未經消應力熱處理的最小彎曲半徑的彎管各1根）進行如下檢驗：在3個不同的點測量橢圓度（45°，90°，135°）；UT檢測彎曲部位拱背（外側）處的管壁厚；對于未進行消應力熱處理的彎管，取2個試樣按照MC1360的要求進行沸騰Mg Cl2試驗，其中1個試樣取自直管和彎管的過渡部位，1個試樣取自彎管的中間部位；金相試驗：對進行了消應力熱處理的最小和最大彎曲半徑的彎管，各取2個試樣進行試驗，其中1個試樣取自直管和彎管的過渡部位，1個試樣取自彎管的中間部位；合格標準參照工藝評定2（2）③的要求。

（3）彎管表面質量檢查：無劃痕、突起或者影響管強度的任何缺陷，必要時進行PT檢測；彎管的清潔度（尤其是經消應熱處理之后的彎管存在較淡變色的情況）應滿足F 6000的要求。

綜上可見，雖然彎管工藝規(guī)程經過了評定認可，但是在實際的產品生產過程中，還需要抽取成品彎管進行尺寸檢查、金相試驗、應力腐蝕試驗和表面質量檢查，以確保實際產品符合標準規(guī)范的要求。這些檢查要求都要體現(xiàn)在制造廠的相應程序中并嚴格執(zhí)行。

三、事件中典型熱交換器傳熱管的彎管工藝分析

本次事件中報廢的熱交換器包括余熱排出熱交換器，制造廠在彎管工藝評定過程中，只對彎曲半徑的傳熱管進行了消應力熱處理，而未對其他彎曲半徑的傳熱管進行消應力熱處理和試驗驗證，顯然制造廠的彎管工藝評定未遵循第二章節(jié)的各項要求。表1、表2為熱交換器的工藝參數(shù)及要求。

表1 余熱排出熱交換器的工藝參數(shù)

參照制造廠家的評定結果，本設備的部分傳熱管需要進行消應力熱處理，因此下面只分析消應力熱處理的驗證過程。

根據(jù)圖2所示的評定工藝流程，為了最優(yōu)化評定過程，應進行的評定步驟如下：

制備表2中序號5～9彎曲半徑的彎管5根，這樣彎管就涵蓋了第二章2（2）中①、②、③彎曲半徑范圍，10d（160mm）介于序號6彎曲半徑143.26mm和序號7彎曲半徑162.32mm之間，同時序號6和8彎曲半徑的彎管不進行消應力熱處理，其余3種規(guī)格的彎管進行消應力熱處理，然后進行二2中要求的各項試驗。若試驗結果顯示：

表2 余熱排出熱交換器傳熱管彎管的基本參數(shù)要求

（1）5根彎管全部試驗合格，則只需對彎曲半徑≤124.21mm的彎管進行篩選，以確定需經消應力熱處理彎管的最大彎曲半徑。

（2）序號5、7～9合格，序號6不合格，則需對彎曲半徑為143.26mm及以下的彎管進行消應力熱處理，同時驗證序號7是否需要消應力熱處理。

（3）序號5、7和9合格，序號6和8不合格，則需對彎曲半徑為181.37mm及以下的彎管進行消應力熱處理，同時驗證序號9是否需要消應力熱處理。

（4）5根彎管試驗全部不合格，則需修訂彎管工藝和消應力熱處理工藝，并驗證序號10是否需要消應力熱處理，直至確定需進行消應力熱處理彎管的最大彎曲半徑為止。

（5）同時在以上步驟中根據(jù)試驗結果不斷修訂消應力熱處理工藝。

經過上面的評定步驟，制定的余熱排出熱交換器彎管工藝規(guī)程才能符合實際生產需要，同時對成品彎管按照二章、3節(jié)的要求進行檢查，可以保證最終生產出來的傳熱管滿足技術要求。

四、結語

目前，國內的許多制造廠對標準規(guī)范中傳熱管的彎管工藝評定要求理解存在錯誤，導致生產的傳熱管存在質量問題。而某些制造廠則不加區(qū)分的對全部彎管進行消應力熱處理，這樣不僅造成了巨大的資源浪費，而且經熱處理后的傳熱管可能會出現(xiàn)晶粒異常長大和沉淀物在晶界處析出的情況，從而會降低傳熱管的力學性能。因此，從核安全的角度出發(fā)，充分理解和執(zhí)行標準規(guī)范的相關要求，是保證傳熱管質量的必要前提。