核電高加換熱管的脹接工藝性探討

阮云峰，趙敏凱，史曉瑋

（上海電氣電站設(shè)備有限公司上海電站輔機(jī)廠，上海 200090）

1 概 述

SA803TP439鐵素體不銹鋼換熱管的抗腐蝕性能優(yōu)于碳鋼，傳熱性能優(yōu)于奧氏體不銹鋼，相對奧氏體不銹鋼還具有一定的價格優(yōu)勢。目前國內(nèi)核電機(jī)組的高壓加熱器采用這種換熱管的比例較高。在嶺澳、紅沿河、寧德等核電工程中，均采用了該材質(zhì)的換熱管。由于鐵素體不銹鋼存在脆性轉(zhuǎn)變溫度較高的特性，該特性與換熱管脹接工藝性密切相關(guān)。因此，SA803TP439鐵素體不銹鋼換熱管的脹接質(zhì)量，在很大程度上取決于管材脆性轉(zhuǎn)變溫度對脹管的影響。

2 SA803TP439的化學(xué)成分及力學(xué)性能

為了說明SA803TP439鐵素體不銹鋼的材料性能，選擇了國外電廠高加采用過的SA213TP304奧氏體不銹鋼材料與之進(jìn)行比較。2種材料的化學(xué)成分和常溫力學(xué)性能，分別見表1、表2所示。

表1 化學(xué)成分

表2 常溫力學(xué)性能

通過表1、表2的數(shù)據(jù)可知，在化學(xué)成分上，SA803TP439鐵素體不銹鋼中鎳（Ni）的含量較低。在常溫力學(xué)性能方面，鐵素體不銹鋼SA803TP439的抗拉強(qiáng)度、伸長率均低于SA213TP304奧氏體不銹鋼。

3 鈦含量對脆性轉(zhuǎn)變溫度的影響

根據(jù)SA803TP439化學(xué)成分分析，影響脆性轉(zhuǎn)變溫度的主要因素除了晶粒度大小以外，還有對鈦含量的控制。鈦含量越高，脆變溫度越高，反之脆變溫度越低。圖1是對不同鈦含量試樣管進(jìn)行沖擊試驗的曲線圖。

圖1 鈦（Ti）含量與脆變溫度變化曲線

從Ti含量與脆變溫度變化曲線得知，當(dāng)換熱管鈦含量在0.33%，溫度低于－20℃時，對管子進(jìn)行沖擊試驗，有部分管子試樣發(fā)生了開裂；而當(dāng)溫度超過－20℃時，沖擊試驗后管子試樣均未發(fā)生開裂。因此，－20℃是鈦含量為0.33%樣管可能發(fā)生開裂的臨界溫度。同理，當(dāng)管子鈦含量在0.5%，溫度低于0℃時，進(jìn)行管子沖擊試驗，有部分管子試樣發(fā)生了開裂；但當(dāng)溫度超過0℃時，管子試樣均未發(fā)生開裂。說明0℃是鈦含量為0.5%樣管可能發(fā)生開裂的臨界溫度。

在高壓加熱器的生產(chǎn)過程中，換熱管與管板進(jìn)行脹管的極限環(huán)境溫度一般為0℃，因此，換熱管的脆變溫度理論上控制在0℃以下即可。所以，SA803TP439換熱管的鈦含量控制在0.5%以下比較合適。

4 SA803TP439換熱管的脹接溫度

與其它鐵素體不銹鋼相同，SA803TP439不銹鋼具有韌 脆性轉(zhuǎn)變溫度較高的特點，因此，在管子管板脹接過程中，須對操作溫度進(jìn)行控制。為了進(jìn)一步研究和檢測SA803TP439管子脆性轉(zhuǎn)變溫度，對管子母材進(jìn)行了不同溫度的夏比沖擊試驗，試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果，見表3所示。

表3 脆變溫度檢測數(shù)據(jù)

從表3的試驗數(shù)據(jù)可知，當(dāng)試驗溫度在－10℃以上時，SA803TP439換熱管的脆變風(fēng)險較低。

所以，脹接時的操作溫度，應(yīng)控制在該試驗溫度以上。

5 SA803TP439換熱管脹接性能

5.1 脹接試驗

換熱管的脹接性能也是衡量鐵素體不銹鋼換熱管可用性的重要因素。為此，模擬了高壓加熱器的生產(chǎn)過程，進(jìn)行了管子管板的脹接試驗。脹后采用拉脫力試驗和管子內(nèi)表面的滲透檢測，檢驗管子管板的脹接質(zhì)量。

5.1.1 試件的確定

試驗用管板：20MnMo鍛件，管板厚度為260mm；換熱管材質(zhì)為SA803TP439鐵素體不銹鋼，名義直徑為16mm。管板孔按照正三角形排列，試驗用管板尺寸，如圖3所示。

圖3 管板試樣圖

5.1.2 脹接方法的選擇

試驗采用液壓脹接和機(jī)械脹接兩種方式。液壓脹接屬于柔性脹接，不會對管子內(nèi)表面產(chǎn)生冷作硬化，是一種對換熱管內(nèi)表面施加均勻的靜態(tài)內(nèi)壓的脹接技術(shù)。機(jī)械脹管的應(yīng)用較為普遍，具有結(jié)構(gòu)簡單，脹接成本低，對換熱管精度要求不高，操作簡單等優(yōu)點。

5.1.3 試驗數(shù)據(jù)及分析

不同溫度狀態(tài)下的脹接試驗數(shù)據(jù)，見表4所示。根據(jù)設(shè)計圖紙，管板的鉆孔尺寸為?16.2mm，脹接設(shè)備采用超高壓液壓脹管機(jī)和帶扭矩測定裝置的脹管機(jī)。脹接完成后，對管子管板試樣進(jìn)行熱處理（按產(chǎn)品熱處理要求），然后進(jìn)行拉脫力試驗，試驗完畢后，剖開管子管板脹接試樣，對管子內(nèi)表面進(jìn)行滲透檢測，見圖4所示。

表4 脹接試驗數(shù)據(jù)記錄

圖4 管子內(nèi)表面滲透檢測

5.1.4 試驗結(jié)論

根據(jù)管子內(nèi)表面滲透檢測，可以看出，脹接后管子的內(nèi)表面未出現(xiàn)任何缺陷。通過數(shù)據(jù)分析，在不同的工況條件下，尤其在環(huán)境溫度相對較低的情況下進(jìn)行脹管試驗，其脹接部位貼合緊密無缺陷，并通過拉脫力試驗，脹接能滿足工藝要求。因此，SA803TP439鐵素體不銹鋼換熱管，還是適合采用液壓和機(jī)械方式脹接的。在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，換熱管脹管的數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于試驗的脹管數(shù)量，為避免個別換熱管發(fā)生脆性轉(zhuǎn)變的可能性，在脹接前，有必要對管子管板進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)熱，提高操作溫度。

6 結(jié) 語

現(xiàn)今，有很多國內(nèi)核電項目在SA803TP439換熱管應(yīng)用上都取得了成功，但對于鐵素體不銹鋼的脹接，國內(nèi)沒有很好的參考資料和規(guī)范，仍存在改進(jìn)的地方，制造過程中，也發(fā)生過換熱管的缺陷問題。因此鐵素體不銹鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度并不是影響管子管板脹接的唯一因素。

［1］牛忠華，龔建中.不銹鋼換熱管在高壓加熱器的應(yīng)用［J］.電站輔機(jī)，2006（3）.

［2］ASME鍋爐與壓力容器委員會.鍋爐及壓力容器規(guī)范［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1998.

［3］翟瑞銀，等.439鐵素體不銹鋼的研制［J］.寶鋼技術(shù)，2009（1）.