核級熱交換器液壓脹管方法及性能要求

張振華

（上海核工程研究設(shè)計院，上海200233）

通過對國內(nèi)外生產(chǎn)實踐經(jīng)驗的總結(jié)以及對各種研究資料數(shù)據(jù)的統(tǒng)計[1-3]，結(jié)果表明，大多數(shù)換熱器的失效均發(fā)生在換熱管與管板的連接部位?？梢哉J(rèn)為，換熱器的質(zhì)量在很大程度上取決于管子與管板的脹接質(zhì)量及其可靠性。為了保證管子與管板的脹接質(zhì)量，必須正確了解脹接工藝，并掌握評價脹管質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。

目前，常用的脹接方式有機(jī)械脹接[4]、液壓脹接[5]、橡膠脹接[6]和爆炸脹接[7]等，在核級熱交換器設(shè)計和制造中，前三種脹接方式較為常見。其中，機(jī)械脹接由于成本低，設(shè)備簡單而被廣泛采用，但機(jī)械脹接存在著管子被脹部分內(nèi)部粗糙、殘余應(yīng)力大、生產(chǎn)效率低等缺點。從20世紀(jì)七八十年代開始，為了進(jìn)一步提高脹接強度和結(jié)構(gòu)的可靠性，液壓脹接方法逐漸受到更多關(guān)注，液壓脹接的生產(chǎn)效率高、定位精確、殘余應(yīng)力小，同時腐蝕傾向比機(jī)械脹接小很多，這些優(yōu)勢都進(jìn)一步推動了液壓脹接技術(shù)的發(fā)展。

1 液壓脹管的方法和優(yōu)點

液壓脹管的方法[8]是利用液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的超高壓液體（油或水），通過液壓脹管器的控制回路注入預(yù)先置入被脹管子指定部位的脹軸與管子內(nèi)壁被脹部位形成的密封環(huán)形空腔，使管子內(nèi)壁產(chǎn)生很大的徑向壓力，迫使管子產(chǎn)生屈服和塑性變形，這樣使管子與管板之間的間隙消除，管子與管板孔貼緊。當(dāng)超高壓液體使管板孔沿著徑向部分產(chǎn)生塑性變形，而部分仍處于彈性狀態(tài)時，將超高壓液體卸載。這時，處于彈性變形部分的管板力圖恢復(fù)原狀，但是又受到了已經(jīng)產(chǎn)生塑性變形的管子的反作用力。于是便在管板和管子的結(jié)合面上產(chǎn)生了很大的抱緊力，這種抱緊力，又稱為徑向殘余壓應(yīng)力，以保證管子與管板之間的連接強度和密封性能。

以圖1和圖2為例，液壓脹管芯軸一般是由特定（硬度和尺寸）的O形環(huán)、密封橡膠和金屬環(huán)組成密封系統(tǒng)，芯軸的長度隨著管板厚度進(jìn)行調(diào)整，這也是液壓脹接相對于機(jī)械脹接的優(yōu)勢之一。其中，液壓脹芯軸具有一定的脹管循環(huán)次數(shù)壽命，應(yīng)嚴(yán)格控制。

相對于其他脹管方式，液壓脹接具有如下優(yōu)勢：

（1）脹接接頭質(zhì)量高

圖1 液壓脹接工作示意圖Fig.1 Schematic of hydraulic expansion

圖2 液壓脹接工作原理詳圖Fig.2 Hydraulic expansion principle

液壓脹管具有使管壁受力均勻、換熱管軸向伸長量少、加工硬化均勻等優(yōu)點，同時脹接區(qū)與未脹接區(qū)的交界不明顯，過渡比較光滑，殘余應(yīng)力小，抗疲勞和抗應(yīng)力腐蝕性能好。

（2）脹接長度不受限制

機(jī)械脹接的脹接長度受到了管徑和脹管器長度的限制，脹管總長度與脹接深度難以滿足現(xiàn)階段需求，而液壓脹接法不受其限制，可實現(xiàn)整個管板厚度上的全深度脹接，從而大大提高了換熱管與管板的脹接質(zhì)量。

（3）拉脫力及脹接強度高

一般來說，在脹管率相同的情況下，單位長度的脹接強度機(jī)械脹管是大于液壓脹管的，但是液壓脹接能實現(xiàn)管板全長度的脹接，因為脹接長度的提高，能大大提高脹接接頭拉脫力。因此，在大部分情況下，液壓脹接的拉脫力都是大于機(jī)械脹接的。

（4）脹管效率高

制定脹管工藝時，不僅要保證脹接質(zhì)量，還要保證生產(chǎn)效率。一般來說，每個脹接接頭，液壓脹管要比機(jī)械脹管少用1 min左右。因此，液壓脹比機(jī)械脹在使用上具有明顯的優(yōu)勢，工作效率能得到顯著提高。

同時，液壓脹管也能達(dá)到機(jī)械脹管的密封效果，甚至通過不同環(huán)境下具體使用情況分析[9]，液壓脹管的整體密封性可能還優(yōu)于機(jī)械脹管。

2 液壓脹管的機(jī)理分析

換熱管和管板的脹接最終要達(dá)到一定的連接強度和緊密性，即接頭具有一定的拉脫力和密封性能。而拉脫力是由換熱管和管板脹接后產(chǎn)生的徑向殘余壓應(yīng)力形成的，也就是說脹接的機(jī)理就是了解換熱管與管板之間的徑向殘余壓應(yīng)力是如何獲得的。液壓脹管的過程通?？煞譃槿齻€主要階段，分別如圖3和圖4所示。

1）第一階段：對換熱管內(nèi)表面施加均勻內(nèi)壓，使換熱管發(fā)生彈塑性變形，直到換熱管外壁與管板孔內(nèi)壁接觸。這一階段管板不受力，也稱為換熱管的變形階段，對應(yīng)圖3中o-a-b-c過程；對圖4來說就是換熱管外壁從R1膨脹到管板孔初始內(nèi)壁R2位置處，也就是圖4中1（1′)處。

2）第二階段：隨著脹接壓力的繼續(xù)增加，換熱管與管板孔內(nèi)壁接觸后繼續(xù)膨脹，直至管板孔壁部分或者全部進(jìn)入塑性狀態(tài)，這一階段稱為對管板的加載階段。當(dāng)管板不發(fā)生塑性變形時對應(yīng)圖3中c-d過程，當(dāng)管板發(fā)生塑性變形時，對應(yīng)圖中c-d-e-f過程；對圖4來說，就是換熱管和管板孔內(nèi)壁一起膨脹到2(2′)點處，也就是液壓脹接的最高點。

3）第三階段：當(dāng)脹接壓力達(dá)到預(yù)定值時，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)到脹接的目的。當(dāng)管板不發(fā)生塑性變形時對應(yīng)圖3中d-d′過程，當(dāng)管板發(fā)生塑性變形時，對應(yīng)圖3中f-f′過程。以管板發(fā)生塑性變形為例，卸壓后管板孔內(nèi)壁從f點處應(yīng)回彈到h′處，換熱管外壁從i點處回彈到i′處，但實際因二者相互擠壓，最終管孔管壁的回彈路線為f-f′；因為不管管板是否發(fā)生塑性變形，在其卸載時的回彈行為仍為彈性，對圖4來說，管板孔本應(yīng)從2點彈性回復(fù)到3點，換熱管外壁本應(yīng)從2′點彈性回復(fù)到3′點，同樣因為二者相互擠壓，最終平衡在4（4′)的位置處。

圖3 液壓脹接原理示意圖Fig.3 Schematic of hydraulic expanding principle

圖4 液壓脹接機(jī)理簡圖Fig.4 Mechanism of hydraulic expansion

從以上三個階段可以發(fā)現(xiàn)，液壓脹接卸壓后，換熱管外壁和管板孔內(nèi)壁會產(chǎn)生相互擠壓的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象產(chǎn)生了徑向的殘余接觸壓應(yīng)力，正是這種接觸壓應(yīng)力讓管子與管板孔達(dá)到了緊密貼合的脹接效果。

3 液壓脹管的性能考核要求

一般來說，對管子管板脹接接頭最關(guān)心的兩個性能指標(biāo)分別是脹接接頭的拉脫力和密封性能，而這兩個指標(biāo)都和脹接后管子與管板之間的殘余接觸壓力有關(guān)。同時，對安全性要求十分嚴(yán)格的設(shè)備，比如用于核電站的熱交換器，尤其是安全相關(guān)的，工作環(huán)境和介質(zhì)復(fù)雜的設(shè)備，還應(yīng)特別關(guān)注脹接后管子管板的殘余應(yīng)力的大小，因為能夠減低管子管板脹接后的殘余應(yīng)力，對防治應(yīng)力腐蝕開裂具有非常重要的意義[10-11]。以下分別對這三個考核指標(biāo)進(jìn)行分析。

（1）脹接接頭拉脫力要求

無論是用于化工行業(yè)還是用于核電行業(yè)的熱交換器的脹接接頭都會有接頭拉脫力的要求。如GB151—1999《管殼式換熱器》中就要求管子管板脹接接頭設(shè)計時，應(yīng)考慮接頭拉脫力的最低值要求，一般該最低值是指接頭拉脫力應(yīng)大于換熱管內(nèi)外壓差導(dǎo)致的軸向拉力。也有標(biāo)準(zhǔn)，如法國核電標(biāo)準(zhǔn)RCC-M《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》就規(guī)定在滿足最低值要求之外，還應(yīng)使換熱管按名義橫截面積確定的應(yīng)力大于換熱管在20 ℃的規(guī)定最小屈服強度的一半。

（2）脹接接頭密封性要求

一般脹管之后都需要對脹接接頭進(jìn)行水壓試驗以驗證脹接接頭的密封性。如法國核電標(biāo)準(zhǔn)RCC-M《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》就規(guī)定用5%有機(jī)紅的除鹽水針對不同的密封要求做不同壓力下的水壓試驗，如對沒有進(jìn)行焊接密封的脹接接頭，水壓試驗壓力為：最高工作壓力不大于1.0 MPa時：2 MPa；最高工作壓力大于1.0 MPa時：2倍最高工作壓力。

（3）接頭殘余應(yīng)力要求

脹接接頭的殘余應(yīng)力是核級熱交換器脹接接頭必須重視的問題，特別是對核安全一級熱交換器而言，必須嚴(yán)格控制殘余應(yīng)力的大小。目前，對殘余應(yīng)力的測量方法主要有：用全釋放法來測量換熱管的殘余應(yīng)力，特別應(yīng)注意脹接過渡區(qū)的殘余應(yīng)力；用X射線衍射法來測量管板的殘余應(yīng)力。但是對殘余應(yīng)力的評定工作還比較困難，很多時候只能通過經(jīng)驗來判斷。

最終影響液壓脹管性能的因素有很多，包括管子與管板的材質(zhì)（力學(xué)性能、硬度差值等）、管橋的寬度、管孔的橢圓度、管子與管板的配合間隙等[12]，但對脹接接頭的主要考核指標(biāo)或者說達(dá)到性能的要求依然是脹接強度、密封性和管子管板殘余應(yīng)力的大小這3個指標(biāo)。

4 典型核級熱交換器脹接接頭結(jié)構(gòu)工藝介紹

某核安全級熱交換器中的換熱管與管板的連接采用：全深度液壓脹并在一次側(cè)焊接和二次側(cè)端機(jī)械脹的方法。具體工藝過程為前端橡膠定位脹、換熱管與管板焊接、焊縫氦氣檢漏試驗、全深度液壓脹、末端機(jī)械密封脹，脹接范圍如圖5所示。

其中，定位脹為橡膠脹，長度為20 mm；全深度液壓脹在整個管板厚度上進(jìn)行，末端未脹接最大縫隙深度小于4 mm，不允許超脹，整個換熱管應(yīng)均勻地脹接；全深度脹之后，為保證末端的密封性，防止殼側(cè)水進(jìn)入管板孔和管子之間可能存在的縫隙，從而腐蝕管板（此例中管板材料為碳鋼，易腐蝕），還需進(jìn)行機(jī)械脹，脹接長度為25 mm，末端未脹接縫隙深度應(yīng)為1～3 mm，同時應(yīng)保證換熱管的壁厚減薄量控制在4%～6%之間。

在該管子管板接頭中用到了3種脹接方式，分別為橡膠脹、液壓脹和機(jī)械脹。橡膠脹定位；全深度液壓脹保證脹接強度和接頭可靠性；機(jī)械脹保證密封性，多種脹接方式的混合使用，很好地保證了整個脹接接頭的性能，其中，橡膠脹和機(jī)械脹都是因特殊需要而進(jìn)行的，主要的脹接方式仍然為液壓脹接。這是一個較為典型的、充分利用各種脹接方式優(yōu)勢的管子—管板接頭工藝，具有一定的參考價值。

5 結(jié)論

液壓脹管相較于其他脹管方式有其固有的優(yōu)勢，特別是在核級熱交換器的設(shè)計和制造中，由于高溫高壓的介質(zhì)特性，往往導(dǎo)致管板厚度大，對管子管板的脹接質(zhì)量要求高。因此，液壓脹接在核級熱交換器中得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)然，目前仍然有許多工作需要開展，比如脹接接頭殘余應(yīng)力的驗收指標(biāo)，比如不同因素對最終脹接接頭性能的影響等。相信通過越來越多的研究和技術(shù)的不斷進(jìn)步，液壓脹接將發(fā)揮越來越大的作用。

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