核級(jí)熱交換器管子管板脹接及質(zhì)量控制

石曾偉，高俊根，劉世輝

（中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124）

0 概 述

CPR1000項(xiàng)目中的核級(jí)換熱器主要有余熱排出熱交換器、安全殼噴淋熱交換器、再生和下泄熱交換器等，這些換熱器設(shè)備的可靠性對(duì)核電廠的正常運(yùn)行和安全很重要。在這類換熱器制造過程中，管子管板的脹接工序是重要的質(zhì)量控制環(huán)節(jié)。脹接不僅可以起到保證一次側(cè)和二次側(cè)隔離密封的作用，還可以起到吸收二次側(cè)帶來的振動(dòng)載荷等作用。

1 核級(jí)換熱器

余熱排出熱交換器是典型的核2級(jí)換熱器。該熱交換器的主要功能是在電廠停堆期間，從堆芯和反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)RCP排出熱量，使反應(yīng)堆冷卻劑溫度降至冷停堆值，以便進(jìn)行維修和換料操作。余熱排出熱交換器為立式U型管式熱交換器，管側(cè)為雙程，殼側(cè)為單程，設(shè)備的整體制造和驗(yàn)收，需符合RCCM2000＋2002標(biāo)準(zhǔn)的要求?，F(xiàn)以余熱排出熱交換器為例，介紹管子管板脹接工藝及其質(zhì)量控制要素。

2 管子管板的液壓脹接

余熱排出熱交換器的管子管板連接，采用了焊接加脹接的工藝形式。脹接和焊接的先后順序?qū)茏庸馨宓暮附淤|(zhì)量影響較大，如果先脹后焊，則在脹接過程中殘留在間隙中的空氣、濕氣或油等雜質(zhì)，不易被清理干凈。在焊接時(shí)，這些雜質(zhì)會(huì)發(fā)生膨脹，因已脹接，雜質(zhì)氣體不能從管板反面逸出，只能從管子管板的焊接熔池中沖出，容易造成熔池內(nèi)流體金屬翻騰，從而形成氣孔等焊接缺陷，且焊縫處的高溫使已脹接管子管板的局部區(qū)域發(fā)生松馳現(xiàn)象，影響了脹接效果。采用先焊后脹的工藝順序，可明顯降低管板焊接接頭的焊接缺陷，并保證了焊口處于良好的應(yīng)力狀態(tài)［1］。

目前，管子管板連接采用的脹管工藝主要有機(jī)械滾脹、液壓脹接、爆炸脹管、橡膠脹管等，由于液壓脹接是在管子內(nèi)表面施以靜壓，使管子產(chǎn)生塑性變形，脹接效果較好，脹接狀態(tài)也較易控制，現(xiàn)已被眾多制造商廣泛采用。余熱排出熱交換器的管子管板脹接，采用O形環(huán)法液壓脹接，將2個(gè)O形環(huán)作為密封介質(zhì)，分別設(shè)置在脹管器芯軸兩端，脹管壓力直接通過芯軸的中心孔施加到換熱管的內(nèi)表面，使換熱管發(fā)生塑性變形，達(dá)到與管板緊密貼合的目的。

管子管板的液壓脹接可分幾個(gè)階段，開始加壓后，管子的管壁受力發(fā)生屈服，產(chǎn)生塑性變形，消除管子與管板的間隙。繼續(xù)加壓后，管板孔壁部分或全部進(jìn)入塑性狀態(tài)。再加壓至脹接工藝要求的最大脹管壓力。當(dāng)脹接壓力達(dá)到預(yù)定值后，卸去脹接壓力，管板產(chǎn)生彈性恢復(fù)力施加在脹后的管子外壁上形成接觸壓力，從而達(dá)到脹接密封的目的。

3 管子管板液壓脹接影響因素

影響管子管板液壓脹接質(zhì)量的因素，主要存在于幾個(gè)方面。

（1）脹接清潔度的控制

如果管子表面有硬質(zhì)異物或劃傷等問題，在脹接過程中就可能會(huì)損傷換熱管，而一旦發(fā)生損傷，在后續(xù)工序中幾乎不可能被發(fā)現(xiàn)，當(dāng)核級(jí)設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后，在應(yīng)力、腐蝕及高溫作用下，換熱管的缺陷會(huì)逐漸發(fā)生擴(kuò)展造成設(shè)備停用，降低了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

（2）管子與管板之間的間隙控制

余熱排出熱交換器的管板孔徑與換熱管的間隙，一般控制在0.0625～0.225mm，如果此間隙過小，管子未完全發(fā)生塑性變形及管板未充分發(fā)生彈性變形時(shí)就己完成脹接，在脹接區(qū)域產(chǎn)生的殘余接觸壓力不夠，達(dá)不到脹接密封的效果。如果間隙過大，就需要更大的脹接力，會(huì)引起脹接過渡區(qū)較大的殘余應(yīng)力及管子壁厚減薄率，降低了管子過渡區(qū)抗應(yīng)力腐蝕的能力，過大的脹接力還可能造成管子與管板接觸之前就被脹裂。因此，管子管板間隙應(yīng)控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。

（3）脹接力大小的選取

從脹接殘余接觸壓力的分布來看，脹接會(huì)在管板兩端形成兩個(gè)峰值壓力環(huán)帶，峰值壓力環(huán)帶提高了液壓脹接接頭的密封性，而在管子與管板軸向中間區(qū)域，殘余接觸壓力分布較均勻，為較穩(wěn)定的壓應(yīng)力，隨著脹接壓力的增加，殘余接觸壓力的峰值也會(huì)增加［2］，脹接力的提高，會(huì)提高管子管板的拉脫力，增加密封效果。在管子脹接過渡區(qū)，應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生和擴(kuò)展與脹接時(shí)所形成的殘余應(yīng)力密切相關(guān)。隨著脹接力的增加，會(huì)造成管子過渡區(qū)內(nèi)殘余應(yīng)力的增加。殘余應(yīng)力的存在，會(huì)使靠近管板的管子發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，造成管子與管板接頭失效［3］。同時(shí)，隨著脹接力的增加，管子壁厚減薄率也會(huì)增加，實(shí)際脹接中，并不希望過脹使管壁變得太薄而使接頭性能下降。

因此要綜合考慮管子管板材料特性、管子管板拉脫力、界面殘余接觸壓力、過渡區(qū)殘余應(yīng)力及管子減薄率等因素，經(jīng)計(jì)算和驗(yàn)證才能確定脹接力的大小。余熱排出熱交換器管子管板脹接壓力經(jīng)脹接評(píng)定和計(jì)算，一般控制在約240MPa。

（4）管子相對(duì)管板屈服強(qiáng)度的大小

如果管子材料的屈服強(qiáng)度小于管板材料的屈服強(qiáng)度，需要的脹接壓力較小。脹接完成時(shí)管板能夠保持較好的彈性，管板材料的回彈能力較好，便于達(dá)到脹接效果。如果管子比管板的屈服強(qiáng)度大，管子與管板接觸后增加管子的屈服會(huì)更難，而管板的屈服變得相對(duì)較容易，這樣管板回彈能力比管子弱，殘余接觸壓力會(huì)減?。?］。余熱排出熱交換器管子管板均采用同種材料00Cr19Ni10，材料塑性較好，對(duì)屈服強(qiáng)度要求也一樣，即Rp0.2≧175MPa，兩者實(shí)際情況下屈服強(qiáng)度相差很小，對(duì)脹接效果影響較小。

（5）其它影響因素

其它影響因素如脹接長(zhǎng)度等。一般來講，脹接長(zhǎng)度越小，脹接兩端殘余接觸壓力受影響越大，相反，脹接長(zhǎng)度越大，脹接兩端殘余接觸壓力受影響越小，而中間段殘余接觸壓力受影響很小，脹接拉脫力主要受脹接中間段影響。核2、3級(jí)換熱器管板厚度一般不超過200mm，如余熱排出熱交換器脹接長(zhǎng)度為194mm，由于均采用了全深度脹接，故脹接長(zhǎng)度對(duì)脹接影響很小。

4 管子管板液壓脹接質(zhì)量控制

4.1 脹接前檢查

管子管板焊接后及脹接前均需進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為0.3MPa，一定要在氣密性檢查無泄漏后再進(jìn)行脹接。

管板鉆孔尺寸檢查。檢查管孔尺寸是否超差，管孔尺寸和管子外徑尺寸直接決定了脹接時(shí)的間隙尺寸，間隙尺寸偏小，可能造成穿管困難，間隙尺寸偏大，不能確保脹接質(zhì)量。還需重點(diǎn)檢查管板的孔橋尺寸，如果尺寸超差，可能給后續(xù)穿管工序造成困難，超差大了，還可能造成管子之間發(fā)生干涉。檢查管孔表面及內(nèi)壁表面質(zhì)量，包括清潔度，如果有劃傷等，要及時(shí)處理，避免在后續(xù)穿管及脹接過程中發(fā)生質(zhì)量問題。

換熱管的質(zhì)量檢查。在使用換熱管前要完成管子的入廠復(fù)驗(yàn)工作，在管子制造過程中要注意管子無損檢測(cè)情況，如果超聲波或渦流檢測(cè)有超標(biāo)缺陷，甚至發(fā)生有漏檢現(xiàn)象，在后續(xù)脹接過程中隨著缺陷擴(kuò)展，可能造成的質(zhì)量隱患是比較嚴(yán)重的，而且不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)。穿管前須檢查管子外觀質(zhì)量，余熱排出熱交換器清潔度等級(jí)為A22，根據(jù)RCCM F6331關(guān)鍵性表面的檢查要求，如換熱管表面及管板表面應(yīng)做A檢查，同時(shí)表面不應(yīng)有劃傷，氧化色等，穿管后注意檢查管端與管板表面的平齊度。

在脹接前，應(yīng)進(jìn)行脹接工藝評(píng)定，以驗(yàn)證脹接工藝參數(shù)的合理性。脹接工藝評(píng)定時(shí)，需檢測(cè)管子脹后壁厚的減薄量，一般控制在0.05～0.1mm，假定脹接時(shí)管子發(fā)生塑性變形，管板發(fā)生彈性變形，脹接前后管子收縮忽略不計(jì)，其計(jì)算公示為：

e＝0.5（e0－（D0－D1）），其中e0為脹接前管子壁厚，D0為管板實(shí)際孔徑，D1為脹接后管子內(nèi)徑。

在管子脹接的過渡段應(yīng)保證無幾何不連續(xù)區(qū)域，控制好過渡段長(zhǎng)度。在泄漏試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，通過二次側(cè)施加5%有機(jī)紅除鹽水并在一定壓力下（至少為二次側(cè)最高工作壓力的1.5倍，但不超過5 MPa），用指示器對(duì)試樣一次側(cè)進(jìn)行檢驗(yàn)。在拉脫力試驗(yàn)驗(yàn)證中，按照RCCM F4423要求，分別為：

管子的拉脫力應(yīng)至少為基本力的2倍：

其中：F為拉脫力，P為第2類工況下，即只有管程設(shè)計(jì)壓力，殼程設(shè)計(jì)壓力為零時(shí)的最大壓差，D為管子內(nèi)徑。

按名義橫戴面積確定的應(yīng)力，應(yīng)大于管子20℃最小屈服強(qiáng)度的0.5倍：

其中：F為拉脫力，S0為管子的名義截面積。不同換熱器的換熱管和管孔尺寸不同，檢查時(shí)應(yīng)注意要求值的區(qū)別。以余熱排出熱交換器為例，管側(cè)和殼側(cè)設(shè)計(jì)壓力分別為4.65MPa和1.1MPa。設(shè)備所用換熱管和管板的力學(xué)性能，如表1所示。采用YZJ－350D型脹管機(jī)，脹接長(zhǎng)度為200mm時(shí)，所得5組脹接測(cè)量數(shù)據(jù)，如表2所示。

表1 U型管和管板力學(xué)性能數(shù)據(jù)表

表2 5組脹接測(cè)量數(shù)據(jù)

根據(jù)公式（1）和（2），所計(jì)算拉脫力數(shù)值分別為1 432N和4 123N。根據(jù)表2數(shù)據(jù)可知，在脹接長(zhǎng)度為200mm的情況下，脹接力設(shè)定在240MPa左右是可行的。脹接評(píng)定的有效期一般為3年，從車間最后運(yùn)用該工藝之日起計(jì)算，評(píng)定的使用可延長(zhǎng)至相同期間。

在正式脹接產(chǎn)品前要進(jìn)行試脹，試脹所用管板試樣應(yīng)按與產(chǎn)品設(shè)備制造相同的方法鉆孔和清洗，管板試樣和U型管試樣要與產(chǎn)品為相同材料牌號(hào)和基本相同尺寸規(guī)格。試脹樣品經(jīng)尺寸和拉脫力檢測(cè)合格后，才能在產(chǎn)品上脹接。在試脹件上進(jìn)行試脹時(shí)，注意校對(duì)脹接壓力，控制脹接的壓力偏差在0～5MPa。

4.2 脹接過程中的質(zhì)量控制

在脹接時(shí)，所涉及到的脹接規(guī)程、質(zhì)量計(jì)劃、脹接記錄等文件應(yīng)置于脹接現(xiàn)場(chǎng)，做到有據(jù)可查。脹接規(guī)程應(yīng)規(guī)定操作流程及操作過程中的重要注意事項(xiàng)，規(guī)程編制后，工藝人員應(yīng)向檢查人員和操作人員進(jìn)行培訓(xùn)和技術(shù)交底。

脹接操作人員和檢查人員須持證上崗，操作人員應(yīng)經(jīng)過培訓(xùn)和考核合格后，才能進(jìn)行相關(guān)的脹接操作。

液壓脹管機(jī)的基本脹接順序是注水 →脹接→抽水 →復(fù)位。脹接設(shè)備應(yīng)經(jīng)過標(biāo)定合格后才能投入使用，操作者應(yīng)檢查脹桿是否符合工具尺寸的要求，不同直徑的脹桿應(yīng)標(biāo)識(shí)清楚，分類放置，尤其是補(bǔ)脹用脹桿，在補(bǔ)脹時(shí)不能用錯(cuò)。

脹接的環(huán)境溫度需在5℃以上，脹管工作應(yīng)在專用的清潔棚中進(jìn)行，脹接場(chǎng)地必須清潔，無鐵屑、油污等雜物。脹接時(shí)，應(yīng)隨時(shí)注意管子內(nèi)壁及焊縫表面等清潔情況。

操作人員應(yīng)嚴(yán)格按脹接規(guī)程要求操作，脹接工作的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，檢查人員應(yīng)注意隨時(shí)巡檢。開始脹接時(shí)，注意檢查每班次開始脹接時(shí)的脹管壓力。脹接后注意O型圈是否破壞。脹接時(shí)要固定好脹管器，防止脹接時(shí)發(fā)生振動(dòng)，某公司在蒸發(fā)器管子管板脹接時(shí)，發(fā)生過因液壓脹芯軸固定不好造成芯軸的應(yīng)力集中，引發(fā)疲勞最后造成脹桿斷裂的事件［5］。每次脹接后，須檢查脹桿是否發(fā)生彎曲或出現(xiàn)折痕，一旦發(fā)生必須更換；注意檢查每根脹桿的使用次數(shù)，如果達(dá)到使用次數(shù)限值必須更換。如發(fā)生脹桿斷裂事件，可能要采取堵管措施，這樣會(huì)降低換熱器的效率。

脹接操作過程中，必須對(duì)已脹管孔和未脹管孔及需補(bǔ)脹管孔做好標(biāo)記，以防止漏脹和重脹。有些檢驗(yàn)人員通過目視檢查管子端部?jī)?nèi)壁表面，以脹前和脹后的光澤差判斷是否完成脹接，這種檢驗(yàn)方法不可取，檢查不仔細(xì)容易造成漏檢。因此，對(duì)已脹管孔和未脹管孔做好明顯標(biāo)識(shí)才是最穩(wěn)妥的。

脹接后的尺寸檢查是對(duì)實(shí)際脹接質(zhì)量符合性驗(yàn)證的主要手段，主要檢查壁厚減薄量和脹接過渡段尺寸，針對(duì)余熱排出熱交換器等，檢查脹接長(zhǎng)度，脹接區(qū)不能超出管板殼側(cè)表面，一般將脹接長(zhǎng)度控制在管板殼側(cè)表面內(nèi)2～5mm，傳熱管脹接部分與非脹接部分應(yīng)圓滑過渡，不應(yīng)有棱角，脹接后管子的壁厚減薄量控制在0.05～0.1mm。

5 結(jié) 語

分析了管子管板的液壓脹接過程和脹接質(zhì)量的影響因素，總結(jié)了脹接前及脹接過程中的質(zhì)量控制要點(diǎn)。脹接工藝評(píng)定、原材料質(zhì)量、脹接設(shè)備可靠性、清潔度、脹接力波動(dòng)等是影響脹接質(zhì)量的重要因素，作為從事質(zhì)量控制人員，應(yīng)在脹管程序控制中進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)督和檢查。