核級管殼式換熱器的典型質(zhì)量問題及監(jiān)督措施

周新華，劉世輝，張軍懷

（1.三門核電有限公司，浙江臺州317112；2.中廣核工程有限公司，廣東深圳518124）

核級管殼式換熱器的典型質(zhì)量問題及監(jiān)督措施

周新華1，劉世輝1，張軍懷2

（1.三門核電有限公司，浙江臺州317112；2.中廣核工程有限公司，廣東深圳518124）

核二、三級管殼式換熱器在核電站得到廣泛的應用，其制造質(zhì)量的好壞關系著核電站的安全運行。重點分析了核電站管殼式換熱器的結構特點和制造工藝，結合監(jiān)造人員多年的工作經(jīng)驗，對核二、三級管殼式換熱器制造過程中出現(xiàn)的典型質(zhì)量問題，以處理過程為主線，闡述了質(zhì)量改進和監(jiān)督措施，為后續(xù)核二、三級管殼式換熱器的監(jiān)造工作，提供經(jīng)驗反饋和參考。

核電；核級換熱器；管殼式；監(jiān)造；質(zhì)量；控制；處理；措施

0 概 述

管殼式換熱器的主要優(yōu)點是單位體積所具有的傳熱面積較大，換熱效果好。此外，換熱器的結構簡單，制造材料的選用范圍較廣。因此，換熱器作為不可缺少的換熱設備，被廣泛應用于各個領域，尤其在核電廠中，作為主要單元設備的換熱器，數(shù)量眾多，型號各異，如蒸汽發(fā)生器、低壓加熱器、高壓加熱器、冷凝器、冷卻器等。在核電站各種輔助系統(tǒng)中，均由管殼式換熱器對料液進行加熱或冷卻。

目前，壓水堆核電站的核二、三級管殼式換熱器主要有余熱排出熱交換器、安全殼噴淋熱交換器、再生熱交換器和下泄熱交換器，在AP1000堆型中，還有非能動余排熱交換器等。這些熱交換器分布于核電站多個系統(tǒng)內(nèi)，如：余熱排出系統(tǒng)RRA、安全殼噴淋系統(tǒng)EAS、化學和容積控制系統(tǒng)RCV、冷卻水系統(tǒng)RRI、核島冷凍水系統(tǒng)DEG、蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)APG、硼回收系統(tǒng)TEP、輔助給水系統(tǒng)ASG等，擔負著涉及正常工況、失水事故工況和停堆檢修期間核電站多個系統(tǒng)介質(zhì)的壓力、溫度調(diào)控作用，保障核電站的安全運行。管殼式熱交換器典型結構，如圖1所示。

圖1 管殼式熱交換器典型結構

現(xiàn)結合多年監(jiān)造工作的實踐經(jīng)驗，對壓水堆的核二、三級管殼式熱交換器制造工藝的特點進行對照剖析，并針對幾類典型質(zhì)量問題產(chǎn)生的原因、處理過程及監(jiān)督改進措施等進行了分析和總結，為后續(xù)管殼式熱交換器的監(jiān)造工作，提供借鑒或參考。

1 核級管殼式熱交換器結構和制造流程

核二、三級管殼式熱交換器由管箱、殼體、管板、管子等零部件組成，其結構較緊湊，排管較多，在相同殼體直徑下的換熱面積較大，制造較簡單。以安全殼噴淋熱交換器和非能動余排熱交換器為例，其設備結構，如圖2、圖3所示。

圖2 安全殼噴淋熱交換器的結構圖

圖3 非能動余排熱交換器的結構圖

殼體的材料為碳鋼，由2個筒體和1個膨脹節(jié)連接形成殼體組件，殼體組件的兩端分別與2塊管板焊接，殼側(cè)入口設置了防沖擋板，避免進口流體沖擊管束引起換熱管的振動。

采用奧氏體不銹鋼換熱管穿過支撐板后組成管束，并將換熱管脹接在兩端的管板上。

進出口水室的材料為碳鋼，由三部分構成：與管板焊接的水室筒體、與水室筒體焊接的封頭和帶有蓋板的手孔組件。

支座的材料為碳鋼，殼體支撐是兩個焊接在設備殼體上的鞍式支座。

安全殼噴淋熱交換器工藝流程，如圖4所示。熱交換器的制造工藝涉及到鋼板卷制、校形、管板堆焊、筒體對接焊、熱處理、鉆孔、管子管板脹接封口焊、無損檢驗等多道關鍵工序。在駐廠監(jiān)造過程中，需對重點工藝流程進行質(zhì)量控制，設置質(zhì)量控制見證點，從工藝文件的檢查、人員資質(zhì)、設備檢驗、流程控制、最終結果的驗證等幾方面把住關口，與制造廠的質(zhì)量管理工作相互促進，最大限度地確保設備的制造質(zhì)量。

圖4 安全殼噴淋熱交換器的制造工藝流程

2 制造過程中的典型質(zhì)量問題和監(jiān)督措施

結合設備監(jiān)造人員多年的工作經(jīng)驗，現(xiàn)就以管板加工、管子管板脹接、管子管板焊接、清潔度控制、水壓試驗等方面出現(xiàn)的典型質(zhì)量問題，簡要介紹對質(zhì)量問題的跟蹤及處理措施。

2.1管板加工質(zhì)量的控制

核級管殼式換熱器的管子管板接頭是管程與殼程兩個回路的結合部，其重要性極高，所以，對管板管孔的機加工要求較高。

由于核級管殼式換熱器管孔的長徑比（孔深與孔徑之比）較大，孔徑的公差范圍要求控制在0～0.05 mm，管孔粗糙度≤Ra3.2，孔間距15±0.1 mm，管孔與管板平面垂直度公差≤0.1 mm。［3］對管板的加工要求較高。

某日，在檢查換熱器管板機加工后尺寸時，目視發(fā)現(xiàn)管板殼側(cè)中間區(qū)域的部分管孔內(nèi)壁，有3條劃痕，為環(huán)向封閉形狀，深度為5～40μm，數(shù)量為70多只管孔。經(jīng)過細致分析，認為因管板鉆孔時的排屑方式為內(nèi)排屑，加工時，將大量高壓切削液壓入鉆桿和工件孔壁之間的空隙，再流入切削區(qū)，然后與切屑一起從鉆桿的內(nèi)孔排出。在鉸鉆過程中，產(chǎn)生了大量的切削熱，使切削刃處形成了積屑瘤，導致排屑存在問題。切屑被堵在鉸刀排屑槽內(nèi)，此時，轉(zhuǎn)動的鉆桿就會把管孔內(nèi)壁碰傷，使部分管孔存在環(huán)向劃痕。

為此，需對管板材料及機加工進行質(zhì)量控制，監(jiān)控的重點包括了幾個方面。

（1）對管板材料進行入廠復驗，尤其要注意材料力學性能的復驗，需重點關注管板的鍛造比。在管板入廠的無損檢測中，重點關注超聲波檢查，注意管板材料是否有分層現(xiàn)象。

（2）檢查管板鉆孔的工藝評定件，確保機床設備滿足工藝加工的要求。

（3）注意管板鉆孔時的裝夾工步，采用千分表檢查管板平面的高度差，確保管孔加工的垂直度。

（4）嚴格執(zhí)行鉆孔的工藝操作規(guī)程，注意觀察鉆孔時槍鉆的轉(zhuǎn)速、進給量；防止因長時間鉆孔及冷卻液失效導致鉆頭過熱；修磨鉆頭刃口后，檢查鉆頭是否偏心；鉸孔前，仔細檢查鉸刀槽內(nèi)的情況，及時對鉸刀進行清理，合格后再進行后續(xù)工序，確保鉸孔質(zhì)量；改進鉸刀排屑槽，選擇適當?shù)那邢鬓D(zhuǎn)速和切削量，認真檢查加工后管孔的表面粗糙度，以及對管孔的間距進行復查，確保符合圖紙要求。

2.2 換熱管管子管板焊接前穿管和清潔度的檢查

焊接換熱器的管子管板前，對穿管和清潔度的檢查是十分重要的。在管板和隔板組裝的焊接過程中，如果沒有采取保護措施，將導致焊接時的飛濺物殘留在管板孔內(nèi)，如在穿管前的清潔度檢查中沒被發(fā)現(xiàn)，穿管后會造成換熱管的外壁劃傷，導致大量換熱管的報廢，現(xiàn)場檢查中發(fā)現(xiàn)有問題的換熱管實物，如圖5所示。

為此，在管子管板穿管前，需對管束裝配的清潔度進行檢查。

圖5 管板清潔度差造成管子劃傷

（1）換熱管的質(zhì)量檢查

在換熱管制造過程中，要注意換熱管的化學成分，材料的Co≤0.20%；P≤0.0018%；傳熱管不允許拼接，在有效長度內(nèi)只允許采用機械方法切割；不得采用局部退火以降低傳熱管兩管端的硬度；每根鋼管進行渦流或超聲波探傷的無損檢測，并逐根進行水壓試驗檢查。［3］在使用換熱管前，要完成管子的入廠復驗工作，重點關注表面粗糙度（Ra≤3.2），每根換熱管表面不應有劃痕、碰傷和其他有害缺陷。［3］

（2）管板孔徑尺寸的檢查

在穿管前，需對管板鉆孔尺寸檢查。檢查管孔尺寸是否超差，管孔尺寸和管子外徑尺寸決定了脹接時的間隙尺寸。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。

（3）關鍵性表面的檢查要求

應對換熱管表面及管板表面進行檢查，被檢表面不應有劃傷，氧化色等情況。穿管前，對管板孔使用丙酮與酒精進行清洗，通過目視檢查或內(nèi)窺鏡等設備加以檢查，確保管板與隔板孔無油污、無銹蝕、無毛刺及貫穿性劃痕；檢查換熱管端部除銹或去除鈍化層，管端打磨長度小于2倍管板厚度。

（4）穿管前，對管板孔與隔板孔的同軸度進行檢查，確認管束拉桿無變形；穿管前核實鋼管的規(guī)格。設置專用的穿管空間，確保工裝的同軸度；檢查定距拉桿的間距不能超過圖紙的標定值。

2.3 管子管板焊接質(zhì)量的控制

制造過程中，換熱管與管板的焊接接頭的數(shù)量最多，也是換熱器在使用過程中失效最為頻繁的地方，其連接質(zhì)量直接關系到換熱器質(zhì)量。所以，應設置見證點進行重點檢查。

換熱管與管板的連接方式有脹接、焊接、脹接+焊接等型式，由于核電站管殼式熱交換器運行在密封性能要求較高的工作環(huán)境，同時承受振動或疲勞載荷，并有間隙腐蝕；［1］所以，核級管殼式熱交換器的管子與管板的連接，常采用先焊接后脹接的工藝方式。管子管板焊接+脹接的示意圖，如圖6所示。

圖6 管子管板焊接+脹接示意圖

在管子管板封口焊中，如果沒有控制好電流、起弧點、保護氣流量等焊接參數(shù)，同時，管孔的清潔度不佳，就易產(chǎn)生焊接缺陷，如圖7所示。

圖7換熱器管子管板封口焊的缺陷

為此，需在設備監(jiān)造過程中，重點對某些操作過程進行控制。

（1）焊接前的清潔度檢查。管口附近必須清理干凈，尤其要注意管板孔橋內(nèi)側(cè)有無銹蝕和油污，使用白布浸潤丙酮等清潔劑后，逐孔進行擦洗，保證“白布進，白布出”。

（2）檢查管口的平齊度。管口的伸出量要符合圖紙要求，超出管板堆焊平面的管口部分，需要進行刮頭處理。

（3）檢查管子管板焊接見證件。管子與管板焊接見證件母材的制取、數(shù)量、尺寸必須滿足技術文件要求，注意檢查見證件焊接參數(shù)是否滿足技術文件要求，見證件試驗時間是否滿足RCC-M規(guī)定的2個月的時間限制，只有檢查見證件合格后才允許在設備上焊接。［5］

（4）對管子與換熱管焊接過程的檢查。重點是檢查影響管子管板焊接質(zhì)量的各項因素（焊材、設備、工藝參數(shù)、環(huán)境、人員資質(zhì)）是否滿足焊接工藝的要求。檢查焊縫成形是否均勻一致，無表面裂紋、表面氣孔等缺陷；焊縫及熱影響區(qū)內(nèi)不得有裂紋、未焊透和咬邊等缺陷存在。焊接后，應對焊縫進行無損檢測（主要是PT檢查）、氣密性試驗、氦檢漏和水壓試驗，對焊接質(zhì)量的驗證需重點關注。

2.4 管子管板脹接的質(zhì)量控制

管殼式換熱器管子管板的脹接是靠管子和管板變形達到密封和緊固的一種機械連接，是對管壁施以一定的載荷，使伸入管板孔內(nèi)的換熱管直徑擴張，產(chǎn)生塑性變形，而管板仍處于彈性變形范圍內(nèi)，當載荷移除后，管子與管板孔形成了過盈配合，依靠兩者間的殘余壓應力，達到緊固和密封的連接作用。當管板材料的屈服強度大于管子材料的屈服強度時，管子處于塑性變形狀態(tài)，管板處于彈性變形狀態(tài)，管板的彈性力保證了管子管板的殘余壓應力和密封性［4］，使脹口達到一定的脹接強度，同時也起到了定位作用。

對脹接器械的檢查是十分重要的，例如，在脹接過程中，脹桿在熱交換器管板孔內(nèi)斷裂，使30 mm長的脹桿頭堵在管內(nèi)，深度約650 mm，如圖8所示。該脹桿還在使用限制次數(shù)內(nèi)，導致斷裂是因脹桿的強度不足，最終只能采取堵管措施。

圖8 脹接過程中脹桿在熱交換器管板內(nèi)斷裂

有鑒于脹接工序?qū)罄m(xù)管子管板的焊接工序起著極其重要的作用，所以尤其要重視該工序的檢查工作。

（1）在脹接前，應核查脹接工藝評定報告，驗證脹接工藝參數(shù)的合理性。進行脹接工藝評定時，需檢測管子脹后壁厚的減薄量，一般控制在0.05～0.1 mm。［3］注意檢查脹接評定的有效期，一般為3年。

（2）對脹接環(huán)境的檢查。穿管和脹管工作都應在專用的清潔棚中進行，環(huán)境溫度需在5℃以上，脹接場地必須保持清潔，無鐵屑、油污等雜物。

（3）脹接操作人員和檢查人員須持證上崗，操作人員應經(jīng)過培訓和考核合格后，才能進行相關的脹接操作。

（4）產(chǎn)品見證件的脹接，應隨換熱器的脹接操作同時進行，應盡快進行見證件的檢驗和試驗，其結果記錄在試驗報告中，確保見證件與產(chǎn)品的“同生”關系。［2］

（5）開始脹接時，注意檢查每班次開始脹接時的脹管壓力、保壓時間；脹接后，注意檢查脹桿的O型圈是否被破壞；每次脹接后，須檢查脹桿是否發(fā)生彎曲或出現(xiàn)折痕；注意檢查每根脹桿的使用次數(shù)，如果達到使用次數(shù)限值必須更換。［2］

（6）脹接操作過程中，必須對已脹管孔和未脹管孔及需補脹管孔做好標記，以防止漏脹和重復脹接。脹接后，檢查人員需100%檢查管子的脹緊率，檢查是否存在漏脹等情況。

（7）脹接后的尺寸檢查，是對脹接質(zhì)量進行驗證的必要工序，主要檢查壁厚減薄量和脹接過渡段的尺寸，將脹接長度控制在管板殼側(cè)的表面內(nèi)。

（8）脹接后的密封性檢查，一般是采用氣密性試驗，驗證是否有漏脹，檢查人員應該全程跟蹤見證。

2.5 水壓試驗的質(zhì)量控制

換熱器水壓試驗分為殼程水壓試驗和管程水壓試驗，是測試設備整體結構和嚴密性的強度試驗，是檢驗設備能否滿足性能要求的重要手段，經(jīng)過水壓試驗后，標志著設備制造的初步成功。所以，在水壓試驗過程中設置了停工待檢點，其中包括水壓試驗前檢查及試驗過程中的檢查。

（1）試驗前的文件檢查。檢查試驗的適用文件是否為有效版本。

（2）試驗前對設備實物的檢查。檢查試驗場地的準備情況，是否有安全保護措施；是否按技術要求規(guī)定的力矩，對待檢設備的密封螺栓進行了緊固。

（3）對試驗工藝裝備的檢查。檢查試驗設備及儀表是否在校驗有效期內(nèi)，檢查儀表的設置位置及儀表的最大量程是否適當；需安裝不少于2塊經(jīng)校驗合格的壓力表；檢查試驗溫度是否滿足要求（檢測設備壁溫和試壓水的溫度），檢查試壓水水質(zhì)檢測報告的有效性。

（4）在試壓過程中，要注意升、降壓過程中的規(guī)范性，嚴格按照試驗適用文件控制升、降壓速率，核查保壓時間是否滿足要求，試驗壓力是否超過試驗規(guī)程要求的范圍。

（5）試壓過程中，要注意檢查泄漏、壓降、變形和異常響動等情況；重點關注角焊縫及規(guī)格較大的法蘭密封面是否存在滲漏或者滴水。

（6）水壓試驗后，注意檢查是否及時排水、清潔、干燥（注意干燥露點及濕度）；注意水壓試驗后密封面是否出現(xiàn)損傷；是否及時更換密封墊片等密封部件。

3 結 語

核二、三級管殼式熱交換器的制造周期雖然短，但該類設備的性能關系著核電站的安全運行。通過對制造過程中發(fā)生的質(zhì)量問題進行分析，提出了在質(zhì)量監(jiān)造中需重點關注的工藝流程及控制方法，對后續(xù)該類設備的質(zhì)量監(jiān)造工作，提供借鑒和參考。

參考資料：

［1］GB151-1999.管殼式換熱器［S］.

［2］石曾偉，高俊根，劉世輝.核級熱交換器管子管板脹接及質(zhì)量控制［J］.電站輔機2013，34（2）：5-8.

［3］核工業(yè)第二設計研究院.2、3級設備用熱交換器傳熱管技術條件［S］.2004（A版）.

［4］陳春雄，朱建偉.淺析機械脹管評定［J］.電站輔機，2000，21（3）：6-9.

［5］RCC-M2000+2002補遺.壓水堆核島機械設備設計和建造規(guī)則［S］.

簡訊

俄羅斯將幫助埃及建設首座核電站

據(jù)埃及國家電視臺報道，埃及將與俄羅斯在埃及北部的馬特魯省，合作建設該國首座核電站。

兩國已就合作建設核電站事宜，簽署了諒解備忘錄。雙方還同意建設埃俄自由貿(mào)易區(qū)，在蘇伊士運河走廊經(jīng)濟帶上，建設俄羅斯工業(yè)城，并加強雙方在軍事領域的合作。

摘自上海電氣電站設備有限公司電站輔機廠技術部《信息簡訊》第196期

Typical Quality Problems and Supervision Measures for Nuclear Shell and Tube Heat Exchangers

ZHOU Xin-hua1，LIU Shi-hui1，ZHANGJun-huai2
（1.Sanmen Nuclear Power Co.，Ltd.，Taizhuo 317112，zhejiang，China；2.China Nuclear Power Engineer Co.，Ltd.，Shenzhen 518124，Guangdong，China）

Shell and tube heat exchanger is widely used in nuclear power plant.The safe operation of the nuclear power plant depends on manufacturing quality.This paper focuses on the analysis of shell and tube heat exchanger of nuclear power plant structure characteristics and key manufacturing technology，combining the mill supervision personnel experience.By describing of the treatment process of several typical quality problems in the manufacturing process，the paper discusses the quality improvement and supervision measures，in order to provide the experience feedback and reference for the follow-up of nuclear power plant of shell and tube heat exchanger the supervision work.

nuclear power；nuclear heat exchanger；shell and tube type；supervision；quality；control；treatment；measures

TL353

：B

1672-0210（2015）01-0005-05

2014-11-27

周新華（1975-），男，工程師，大學本科，在三門核電有限公司從事設備采購及設備監(jiān)造工作。