(1.中核集團(tuán)中國中原對(duì)外工程有限公司，北京 100191；2.上海電氣核電設(shè)備有限公司，上海 201306)

0 引言

壓水堆核電廠運(yùn)行中，蒸汽發(fā)生器換熱管的破損是核電廠較為普遍和嚴(yán)重的事故之一。蒸汽發(fā)生器將一回路的冷卻劑和二回路的水或蒸汽進(jìn)行隔離，但同時(shí)蒸汽發(fā)生器換熱管是一回路中壓力邊界最為薄弱的部分，換熱管的破損將導(dǎo)致放射性物質(zhì)釋放，嚴(yán)重時(shí)將引起反應(yīng)堆的停堆。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，1991年法國壓水堆核電站中102臺(tái)900 MWe機(jī)組的蒸汽發(fā)生器平均運(yùn)行時(shí)間為8.5年，60臺(tái)1300 MWe機(jī)組的蒸汽發(fā)生器平均運(yùn)行時(shí)間為3.5年。在這樣短的時(shí)間內(nèi),致使在役的換熱管越來越多地出現(xiàn)降質(zhì)現(xiàn)象[1]。

核電蒸汽發(fā)生器接頭設(shè)計(jì)中一般采用脹接結(jié)構(gòu)，脹接產(chǎn)生的機(jī)械強(qiáng)度吸收管束組件的機(jī)械載荷，同時(shí)封閉管子與管孔間的間隙以實(shí)現(xiàn)一二回路間的密封[2]。其中，脹接區(qū)域、過渡區(qū)是產(chǎn)生腐蝕的主要部位，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)需要解決的問題。管子管板二次側(cè)脹接間隙深度控制不均勻或過大，間隙過大為換熱管雜質(zhì)沉積和濃縮，為換熱管點(diǎn)腐蝕提供環(huán)境條件[3]；脹管區(qū)域超過管板二次側(cè)表面，會(huì)引起嚴(yán)重過脹事故，將使換熱管輪廓隆起，造成殘余應(yīng)力過大或者局部開裂[4-6]。

本文通過梳理國內(nèi)外蒸汽發(fā)生器制造廠NCR(不合格品處理單)，由于脹接芯軸長度設(shè)置不合理、人為操作失誤或者管板材質(zhì)缺陷等因素帶來的風(fēng)險(xiǎn)，在依托項(xiàng)目蒸汽發(fā)生器制造過程中主要出現(xiàn)的未脹合縫隙長度過大(欠脹)、過脹、漏脹、重復(fù)脹接以及造成換熱管劃痕等問題,結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)提出反饋及應(yīng)對(duì)糾正措施，為核電蒸汽發(fā)生器管子管板接頭脹接質(zhì)量提供指導(dǎo)。

1 液壓脹接原理

液壓脹接通過對(duì)管子內(nèi)表面施加高壓介質(zhì)，使管板發(fā)生彈性變形，管子發(fā)生塑性變形而緊貼于管板孔內(nèi)表面。O型圈液壓脹接是將直徑略小的芯軸塞入換熱管，芯軸兩端各有1個(gè) O型密封圈與換熱管密封。瞬間的高壓流體通過芯軸內(nèi)部的進(jìn)液孔進(jìn)入芯軸和換熱管內(nèi)壁間的環(huán)形區(qū)域，高壓液體在換熱管內(nèi)壁上施加壓力使得換熱管膨脹而與管板脹緊，這種脹接方法對(duì)換熱管內(nèi)外徑尺寸精度及表面粗糙度要求較為嚴(yán)格。

上述O型圈液壓脹接對(duì)脹管過程的密封提出很高要求，AP1000蒸汽發(fā)生器液壓脹接壓力要達(dá)到300 MPa[4]，芯軸A,B兩點(diǎn)密封過程期間，換熱管發(fā)生彈性和塑性變形而徑向膨脹，直至外壁與管板孔貼合，完成一個(gè)脹接循環(huán)，如圖1所示。

(a)

(b)

(c)

2 脹接典型質(zhì)量事故

2.1 欠脹、漏脹

某國外蒸汽制造廠承接某機(jī)組AP1000堆型蒸汽發(fā)生器，完成20 050根換熱管脹接后，渦流檢測(cè)換熱管直段部分輪廓時(shí)，發(fā)現(xiàn)A側(cè)(R18，C46)、(R65，C21)，B側(cè)(R128，C60)漏脹；A側(cè)(R63，C115)、(R65，C115)、(R67，C115)、(R69，C31)、(R108，C30)渦流檢測(cè)未脹合縫隙深度分別為7.69,6.46,8.03,7.33,6.35 mm，遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)方平均間隙2.3 mm的要求。調(diào)查分析，核電蒸汽管板堆焊屬于大型管板堆焊，埋弧帶極堆焊3層，堆焊變形造成管板厚度存在差異[7-8]，而液壓脹接芯軸設(shè)定時(shí)沒有考慮整塊管板區(qū)域厚度的差異，從而造成部分換熱管未脹間隙過大(見圖2)。

圖2 管子管板脹接輪廓圖

2.2 過脹

按規(guī)程要求更換支撐圈(見圖3中件2)時(shí)，將脹接止環(huán)(見圖3中件3)倒角方向裝反(見圖4)，脹接過程介質(zhì)水升壓時(shí)，由于脹接止環(huán)方向錯(cuò)誤，支撐圈、O型圈在高壓水作用下迅速被擠壓變形越過管板管子二次側(cè)表面，換熱管發(fā)生隆起，從而造成換熱管過脹事故，最終脹接區(qū)渦流檢查發(fā)現(xiàn)管子鼓包信號(hào)(見圖5)。

圖3 全程液壓脹芯軸(脹接止環(huán)正確狀態(tài))

圖4 換熱管過脹示意(脹接止環(huán)錯(cuò)誤狀態(tài))

圖5 蒸汽發(fā)生器換熱管過脹后渦流檢測(cè)(ECT)輪廓鼓包信號(hào)

2.3 腫脹

對(duì)某機(jī)組蒸汽發(fā)生器發(fā)生腫脹的管孔追溯、調(diào)查發(fā)現(xiàn)。管板深孔加工過程時(shí)，由于BTA鉆頭非正常切削導(dǎo)致管孔內(nèi)壁螺旋槽，后經(jīng)拋磨出來，最終形成的凹槽如圖6所示。

圖6 蒸汽發(fā)生器管板孔螺旋凹槽示意

液壓脹接時(shí)，將薄壁換熱管壓入凹槽，最終渦流檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)脹管的腫脹信號(hào)。

3 原因分析

從以上分析可以看出，出現(xiàn)脹接NCR(不合格品處理單)的項(xiàng)目均為蒸汽發(fā)生器制造廠承制的首臺(tái)AP1000項(xiàng)目，對(duì)AP1000蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)、材料及換熱管脹接要求認(rèn)識(shí)不足，薄壁換熱液壓脹接經(jīng)驗(yàn)積累不夠，在產(chǎn)品開始前，脹接試驗(yàn)和工藝評(píng)定考慮因素還不周全，沒有對(duì)脹接過程出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)完全識(shí)別出來，這些原因從根本上造成了供應(yīng)商首臺(tái)蒸汽發(fā)生器換熱管脹接過程會(huì)出現(xiàn)一些不可預(yù)料的問題。

另外，蒸汽發(fā)生器管板孔脹接數(shù)量較多，以AP1000為例，接頭數(shù)量為20 050個(gè)，如何保證每個(gè)接頭都100%一次脹接合格，且全部接頭完成后未脹合縫隙長度的平均值不能超過2.3 mm[8]，是對(duì)制造上工廠管理能力的考驗(yàn)，事件一體現(xiàn)出該廠對(duì)脹接人員安排、脹接記錄、檢查記錄的管理還是混亂的，導(dǎo)致管孔漏接。

3.1 脹接設(shè)備原因

目前，國內(nèi)蒸汽發(fā)生器制造廠采用的脹接設(shè)備主要為美國HASKEL與法國TCEM公司提供，該類設(shè)備僅完成出廠設(shè)計(jì)，需與蒸汽發(fā)生器制造廠的使用經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，規(guī)避出現(xiàn)脹接缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 前道工序影響

蒸汽發(fā)生器管板堆焊完成、機(jī)加后，不同區(qū)域厚度存在差異，管孔二次側(cè)倒角深度也會(huì)不同，對(duì)管板有效厚度需測(cè)量數(shù)據(jù)不足，脹區(qū)芯軸脹接長度不合理等都會(huì)引起后道脹接工序的質(zhì)量問題；AP1000蒸汽發(fā)生器管板深孔加工屬于群孔加工，孔徑比達(dá)45，且孔數(shù)量多、加工周期長，管孔加工質(zhì)量的好壞，直接影響后道工序換熱管的脹接質(zhì)量[10]。如換熱管腫脹的NCR(不合格品處理單)雖然是脹接工序造成的，實(shí)際上是上道工序管板深孔加工帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 清潔/清理重視不夠

每個(gè)脹接芯軸一般要完成2 000多次脹接循環(huán)，芯軸多次插入換熱管過程中，不可避免會(huì)引起金屬配件光潔度磨損表面變差，聚氨酯易損件發(fā)生毛邊、碎屑，這些很容易造成換熱管產(chǎn)生劃痕。另外，液壓脹前道工序的定位脹、封口焊會(huì)在管內(nèi)殘留的金屬顆?；蜩F屑，脹接芯軸插入過程會(huì)帶入脹接區(qū)，此時(shí)相對(duì)摩擦?xí)诠茏颖砻媪粝聞澓邸?/p>

4 糾正及預(yù)防措施

考慮依托項(xiàng)目蒸汽發(fā)生器制造過程中，作為國內(nèi)主設(shè)備供應(yīng)商多次出現(xiàn)脹接方面的NCR，而且此類NCR的發(fā)生，往往會(huì)進(jìn)行堵管處理，直接影響蒸汽發(fā)生器質(zhì)量和壽命，有如下糾正預(yù)防措施。

(1)針對(duì)上述出現(xiàn)的脹接問題，應(yīng)歸類總結(jié)，對(duì)脹接設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)、提高使用設(shè)備本身的固有安全性，減少人為操作失誤的發(fā)生，針對(duì)脹接、封口焊接之類重復(fù)而復(fù)雜的工序，可以考慮開發(fā)機(jī)器人操作。

(2)重視脹接試驗(yàn)和脹接工藝評(píng)定，液壓脹接作為一種特種工藝，一旦出現(xiàn)過脹缺陷，產(chǎn)品無法修復(fù)。產(chǎn)品制造前要摸索出合適的脹接工藝參數(shù)，并將工藝、設(shè)備完全固化，不可隨意更改。

(3)考慮堆焊后管板厚度的差異、管板二次側(cè)管孔倒角深度的差異，脹接前必須實(shí)際測(cè)量管板有效厚度，根據(jù)管板有效厚度調(diào)整脹接設(shè)備的長度，分區(qū)脹接。

(4)脹接過程中，應(yīng)繪制詳細(xì)的脹接圖，應(yīng)至少記錄每個(gè)管孔脹接的操作者姓名、芯軸編號(hào)等信息，避免漏脹和重復(fù)脹接。

(5)針對(duì)全程液壓脹接，除重視脹接芯軸的重要性，脹接芯軸配件也應(yīng)充分重視，如O型圈、支撐圈、裂口環(huán)會(huì)直接影響脹接區(qū)域的脹接長度、接頭拉脫力、殘余接觸壓力和過渡區(qū)的殘余應(yīng)力，其使用壽命必須嚴(yán)格控制、嚴(yán)格執(zhí)行，一次疏忽或僥幸的心理可能會(huì)造成換熱管堵管NCR的發(fā)生。

(6)為規(guī)避對(duì)換熱管造成劃痕，應(yīng)在脹接前和脹接過程加強(qiáng)清潔/清理控制，脹接過程中及時(shí)清理橡膠圈邊緣毛刺和脹接止環(huán)間隙中的橡膠屑，發(fā)現(xiàn)脹接止環(huán)上面粘附異物時(shí)，及時(shí)清理，脹接止環(huán)表面磨損嚴(yán)重或表面粗糙時(shí)要及時(shí)更換；可以考慮采用倒角設(shè)計(jì)，并對(duì)全程脹桿采用熱縮塑料套管進(jìn)行隔離。

5 結(jié)語

核電蒸汽發(fā)生器的未脹合縫隙長度最小值和平均值有著非常嚴(yán)格的要求，液壓脹接過程中，由于脹接設(shè)備長度設(shè)置不合理、人為操作原因或者管板本身制造缺陷帶來的風(fēng)險(xiǎn)等原因，在依托項(xiàng)目蒸汽發(fā)生器制造過程主要出現(xiàn)未脹合縫隙長度過大(欠脹)、過脹、漏脹、重復(fù)脹接以及造成換熱管劃痕等問題。

針對(duì)依托項(xiàng)目蒸汽發(fā)生器制造過程中發(fā)生液壓脹的質(zhì)量事件，國內(nèi)蒸汽發(fā)生器制造廠應(yīng)吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，不斷優(yōu)化脹接工藝、優(yōu)化脹接設(shè)備、細(xì)化管理，提高脹接人員操作技能和素質(zhì)。