張夢金，劉曉陽，茹 靜

(1.中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000；2.常州陽發(fā)機械有限公司，江蘇 常州 213144)

0 引言

蒸汽發(fā)生器是核電廠運轉過程中的重要裝置,它作為將反應堆的熱量傳遞至二回路介質以產生蒸汽推動汽輪機做功的中間傳熱裝置,可以有效避免核電廠的放射性泄漏,而其中的傳熱管是其不可缺少的重要組成部分[1]。但傳熱管在長期的高溫、高壓等環(huán)境下會產生化學或機械損傷,當損傷程度達到傳熱管破損的維修標準時,就需要對其進行維修,以控制放射物冷卻劑不被外泄到汽輪機、冷凝器乃至周邊環(huán)境中。

國內對于傳熱管的維修主要有堵管和襯管兩種方式。其中,堵管是在破損傳熱管的兩端分別增加堵頭,達到有效將破損傳熱管與一回路介質相隔離的目的。但堵管對于傳熱管的使用壽命有不可逆轉的損耗,當一段傳熱管的20%被堵管時,蒸汽發(fā)生器發(fā)電能力的裕量就會喪失。因此,自20世紀70年代以來,襯管技術的使用更為廣泛,它既能延長蒸汽發(fā)生器的使用壽命,又能減少功率損失,大大提高了維修的經濟效益。襯管技術是指將一段外徑稍小于傳熱管內徑的金屬管插入傳熱管內,襯在有缺陷的部位,然后用脹接或是焊接的方法將襯管兩端與傳熱管形成密封,而脹接襯管技術又可以根據施加到襯管內壁作用力的不同形式劃分為液壓脹接和機械脹接。本文主要的研究方向為對襯管進行液壓脹接。液壓脹接是指將襯管放入有缺陷的傳熱管內,覆蓋住缺陷處后,在襯管內放入液壓脹管器具,液壓流體經過增壓裝置增壓后通過芯軸的出水孔注入兩端與芯軸密封的彈性體內部的柱形空腔,通過給液體加壓使液體在柱形空腔中產生足夠的徑向推力,使得套管發(fā)生塑性變形、換熱管發(fā)生彈性變形,從而使兩管緊密貼合[2]。

1 脹接試驗用材料

本次試驗以Inconel 690襯管為試驗對象,Inconel 690是一種高鉻鎳合金,耐腐蝕和耐高溫能力優(yōu)異,并且還具有高強度、良好的冶金穩(wěn)定性等特點[3],因此被廣泛運用于核能發(fā)電中的蒸汽發(fā)生器管等處。試驗通過采用液壓脹接工藝測試不同壓力程度時內、外管的壁厚與復合程度,結合換熱管外徑變化情況分析其最佳脹接壓力區(qū)間,為液壓脹接工藝中Inconel 690合金管的最佳脹接壓力參數及復合管材料和尺寸選擇上提供理論依據,論證復合管液壓脹接技術在蒸汽發(fā)生器維修方面的可靠性。

脹接試驗用材料均為Inconel 690,傳熱管規(guī)格為Φ19.05 mm×1.09 mm,襯管規(guī)格為Φ16.5 mm×1 mm,其機械性能參數如表1所示。

表1 Inconel 690機械性能參數

2 脹接前處理

脹接前的處理主要是為了保證試驗中的作業(yè)環(huán)境相同,排除無關因子的干擾,保證試驗只有單一變量,以確保試驗結果的真實性。

2.1 管子安裝前的檢查

管子表面經檢查無裂紋、嚴重銹蝕等缺陷,無刻痕,無邊緣毛刺,無超過0.3 mm的麻點,表面粗糙度Ra≤12.5 μm。兩根管材均固定平整牢固,通過試裝檢查,局部管段與開始時設計的安裝位置偏差為3 mm以內。

2.2 脹管器工作前的檢查

脹管器的注水孔通暢,周身無毛刺、無尖銳棱角,增加液壓后徑向明顯膨脹且無漏液現象,卸壓后能順利收縮,徑向尺寸無增大,從而可保證增壓后脹管器能從傳熱管內順利拔出。

2.3 清洗

在脹接前,需要對襯管與傳熱管進行管內氧化物與沉積物的清除工作,以滿足脹管過程中襯管與傳熱管內壁無雜質干擾[4]、緊密貼合的規(guī)范狀態(tài)。清潔時建議使用干刷法。

2.4 試脹

脹接前應進行試脹,以檢查脹管的質量和管材的脹接性能。在試脹工序中,應對試樣進行比較性檢查,檢查脹口部分是否有裂紋,脹接過渡部分是否有劇烈變化,喇叭根部與管孔壁的結合狀態(tài)是否良好,然后檢查管孔壁與管子外壁接觸表面的印痕和嚙合狀況。根據檢查結果,確定合理的脹管率。

3 試樣脹接

3.1 第一次試驗——襯管破裂極限試驗

在進行液壓脹接的過程中,襯管靠近頂端的部分必須脹管,以達到能與蒸汽發(fā)生器的管子緊密貼合。如果發(fā)生過脹,會使管子對應力腐蝕裂紋更加敏感;反之則會導致襯管與傳熱管之間出現空隙,使脹管質量變差,不利于后續(xù)焊接工藝的實施。因此,得到脹管設計尺寸所需的壓力值、極限壓力值是關鍵。

通過本次襯管破裂極限試驗,確定當Φ16.5 mm×1 mm inconel 690管材的外徑脹大至Φ21.5 mm時,根據圖1可看出管子并未發(fā)生破裂現象,說明在將來兩管復合試驗中,外管未發(fā)生明顯變形時內管不會因管壁減薄而破裂。此時脹接壓力值為50 MPa,保壓時長為1 s。

圖1 襯管極限脹接示意圖

3.2 第二次試驗——襯管與傳熱管的復合

本次使用常州陽發(fā)機械有限公司制造的YZ-200T型液壓脹管機進行液壓脹接試驗,每個深孔脹接采用預制的液壓脹管器來完成徑向施壓,接桿帶有軸向調節(jié)定位套,便于控制脹接深度位置。有效脹接長度40 mm,伸入長度600 mm,脹管器結構示意圖如圖2所示。

圖2 非標脹管器結構示意圖

襯管長度1 000 mm,傳熱管長度700 mm,襯管比傳熱管更長一點便于在完成脹接試驗后使兩管拉動或扭動,檢查抗拉脫力的存在,從其他角度檢驗兩管貼合情況。脹接前分別測量襯管、傳熱管的內外徑尺寸,襯管外徑與傳熱管內徑之間單邊初始間隙約0.18 mm。

試驗中,襯管與傳熱管復合后傳熱管外徑發(fā)生塑性變形時的內部壓力值為115 MPa,保壓時長1 s。實際取值110 MPa時,保壓時長1 s,傳熱管外徑尺寸未發(fā)生明顯變化,經過線切割側切可明顯看出脹接區(qū)域經過液壓脹接,襯管變形顯著,襯管外壁與外管內壁貼合致密,如圖3所示,試驗符合預期。

圖3 脹管前、后線切割側切圖

試驗數據記錄如表2所示。

表2 試驗數據記錄

3.3 襯管壁厚在脹接前后變化的比較和認識

在換熱管兩端無固定時,管子長度的變化通常是:機械脹接會使管子變長,液壓脹接會使管子變短。液壓脹接使兩端無固定的管子在軸向的尺寸收縮,支撐了在徑向的膨脹,收縮的量隨脹接長度的增加而增加。在脹接長度為40 mm時,軸向收縮量約為1.5 mm。多個試驗樣本支持此現象的結論。

4 結論

本文通過對核電站常用的管材——Inconel 690合金進行液壓脹接技術研究,確定了脹管過程中的重要參數,然后在YZ-200T型液壓脹管機上進行復合管液壓脹接的試驗,可以推導出材質為Inconel 690、規(guī)格Φ19.05 mm×1.09 mm的傳熱管與Φ16.5 mm×1 mm的襯管脹接壓力區(qū)間位于105 MPa～110 MPa時,脹接后兩管貼合的恰到好處,且在此過程中預制的脹管器的高壓密封性、使用壽命、操作難度、所使用介質等均符合預期或相關要求,為我國核電設備制造、維修提供了可供參考的理論依據與數據積累,以期更好地提高核電廠運行安全性與維修經濟效益。