非能動(dòng)余熱排出熱交換器制造階段脹管區(qū)質(zhì)量檢測

師紹猛，王 哲，曹 剛，郭 韻（國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233）

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非能動(dòng)余熱排出熱交換器制造階段脹管區(qū)質(zhì)量檢測

師紹猛，王 哲，曹 剛，郭 韻
（國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233）

摘 要：非能動(dòng)余熱排出熱交換器是AP1000核電技術(shù)特有的設(shè)計(jì)，其管板內(nèi)傳熱管脹接工藝應(yīng)用了定位脹、全長度液壓脹和換料水箱二次側(cè)局部機(jī)械脹等多種脹接工藝，為保證脹接后傳熱管形變滿足技術(shù)要求，應(yīng)對脹管區(qū)脹接情況進(jìn)行檢測評估?；谠摍z測需求，介紹了非能動(dòng)余熱排出熱交換器脹接工藝、脹管評估要求、脹管輪廓渦流檢測在檢測實(shí)際中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：非能動(dòng)余熱排出熱交換器；渦流；脹管；脹管輪廓

0　引言

非能動(dòng)余熱排出熱交換器（Passive Residual Heat Removal Heat Exchanger，簡稱PRHR HX）是AP1000非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)（PXS）的關(guān)鍵設(shè)備之一，是AP1000第三代核電技術(shù)特有的設(shè)計(jì)。PXS在假想的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件下提供應(yīng)急堆芯冷卻，是在正常余熱排出系統(tǒng)不可用的情況下為反應(yīng)堆排出其產(chǎn)生的余熱。而PRHR HX的運(yùn)行同蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的可用水裝量一起，在喪失主給水或者主給水管線破裂時(shí)為反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)提供冷卻［1］。

在AP1000第三代核電技術(shù)之外的核電設(shè)計(jì)中，僅存在正常余熱排出系統(tǒng)，是在電站正常停運(yùn)過程中，或者用于除了冷卻劑喪失事故（LOCA）之外其他事故引起的停堆過程中，排出堆芯余熱［2］。

因此，PRHR HX與其他正常余熱排出熱交換器具有不同的安全級別要求［3］。其設(shè)計(jì)制造、質(zhì)量控制、無損檢測等存在較大區(qū)別。

針對PRHR HX管板傳熱管多重脹接工藝的特殊設(shè)計(jì)，介紹了脹管輪廓渦流檢測在管板傳熱管脹接質(zhì)量控制中的應(yīng)用。

1　熱交換器設(shè)備

1.1 PRHR HX結(jié)構(gòu)

非能動(dòng)余熱排出熱交換器（PRHR HX）由入口和出口封頭及與其相連的C型立式傳熱管束組成［4－6］，如圖1所示。

圖1　非能動(dòng)余熱排出熱交換器結(jié)構(gòu)示意

傳熱管束被支承在安全殼內(nèi)置換料水箱內(nèi)，全部浸沒在換料水箱水面之下。兩個(gè)封頭管板設(shè)有用于檢查和維修的人孔，便于檢修時(shí)人員和設(shè)備進(jìn)出。非能動(dòng)余熱排出熱交換器為安全A級，傳熱管材料為Inconel 690，規(guī)格為19.05 mm× 1.65 mm。

1.2 脹管工藝

脹管工藝是指管板和傳熱管的脹接技術(shù)。管板和傳熱管的連接處是換熱器的關(guān)鍵部位，脹接質(zhì)量對換熱器的正常運(yùn)行有著重要影響。按照脹接工藝的不同，脹管方法可以分為機(jī)械脹、爆炸脹、液壓脹、脈沖脹等［7］。

非能動(dòng)余熱排出熱交換器管板內(nèi)傳熱管的脹接主要采用了管口定位機(jī)械脹和換料水箱二次側(cè)局部機(jī)械脹，以及管板全長度液壓脹的多重脹接工藝［8－9］，如圖2所示。

圖2　非能動(dòng)余熱排出熱交換器脹管示意

2　脹管區(qū)脹接要求

2.1 脹管率

脹接的過程實(shí)際是在壓力作用下，使得傳熱管發(fā)生塑性形變，以及管板發(fā)生彈性形變，使之緊密結(jié)合，達(dá)到密封和抗拉的目的。脹接產(chǎn)生的傳熱管形變使用脹管率表示，其計(jì)算方法有多種形式，最常用的是管壁減薄率［10］：

式中 H——管壁減薄率，%

d11，d12——換熱管脹前、脹后的內(nèi)徑，mm

b——脹前換熱管與管板孔的雙邊間隙量，mm

σ——換熱管脹前管壁厚度，mm若傳熱管未脹到位，則一次側(cè)和二次側(cè)之間密封不足，存在泄漏危險(xiǎn)；若脹接尺寸過大，則可能造成管子內(nèi)殘余應(yīng)力積聚，使用過程中易引發(fā)疲勞裂紋。因此，應(yīng)將脹管率控制在一定范圍內(nèi)，避免發(fā)生欠脹、過脹情況。

通過對脹管后內(nèi)徑變化的控制，可以最大程度地保證脹管率。在實(shí)際檢測中，一般也將脹管前和脹管后管子內(nèi)徑作為測量數(shù)據(jù)。

2.2 未脹合縫隙深度

脹管段和未脹管段管子的形變是逐漸變化的，該部分稱為脹管過渡區(qū)。在脹管段傳熱管和管板緊密貼合，與之不同，在脹管過渡區(qū)，傳熱管與管板之間存在縫隙。脹管過渡段起脹位置至管板換料水箱側(cè)的長度，稱為未脹合縫隙深度。

根據(jù)換熱器運(yùn)行工況的差異，對于未脹合縫隙深度，設(shè)計(jì)方均有一定的設(shè)計(jì)要求。比如CPR1000蒸汽發(fā)生器要求范圍為管板內(nèi)2～6 mm；AP1000蒸汽發(fā)生器要求范圍為0～6 mm；正常余熱排出熱交換器要求范圍為2～5 mm；非能動(dòng)余熱排出熱交換器要求范圍為1～3 mm。

2.3 脹接后尺寸檢查

脹接后尺寸檢查是驗(yàn)證實(shí)際脹接質(zhì)量是否符合要求的主要手段，主要檢查壁厚減薄率或脹后內(nèi)徑、未脹合縫隙深度，傳熱管脹管過渡區(qū)應(yīng)圓滑、無棱角。

對于換熱器傳熱管脹管質(zhì)量評估，經(jīng)常采用內(nèi)徑千分尺測量和渦流脹管輪廓測量兩種方法。內(nèi)徑千分尺測量利用千分尺對脹管過渡區(qū)內(nèi)徑變化的探測測量起脹點(diǎn)兒位置，從而確定未脹合間隙深度。

對于正常余熱排出熱交換器的脹接后尺寸檢查，普遍采用內(nèi)徑千分尺測量方法。但是該方法受人為因素影響較大，測量過程可重復(fù)性較差。因此，在非能動(dòng)余熱排出熱交換器設(shè)計(jì)中，提出其脹接質(zhì)量評估，同時(shí)采用內(nèi)徑千分尺測量和渦流脹管輪廓測量，并且以渦流脹管輪廓測量為最終結(jié)果。

3　脹管輪廓渦流檢測

3.1 檢測原理

脹管輪廓渦流檢測是一種電磁渦流檢測技術(shù)。渦流檢測具有趨膚效應(yīng)，當(dāng)檢測頻率增加時(shí)，導(dǎo)體表面電流密度呈指數(shù)增加，透入深度減小；當(dāng)檢測頻率減小時(shí)，透入深度則增加［11］?；跍u流趨膚效應(yīng)，脹管輪廓渦流檢測利用高頻通道檢測管子內(nèi)徑變化，確定起脹位置，利用低頻通道定位管板信號，通過兩個(gè)位置的比較測量未脹合間隙深度。?同時(shí)，使用高頻通道繪制管子內(nèi)徑變化曲線，測量內(nèi)徑變化。

3.2 檢測應(yīng)用

脹管輪廓渦流檢測通過一根脹管樣管建立管子內(nèi)徑高頻繪圖通道的基準(zhǔn)。脹管樣管一般含有一段與實(shí)際脹接工藝相同的脹管，或者使用與脹接后管壁減薄量相當(dāng)?shù)膬?nèi)環(huán)槽。

渦流檢測時(shí)，首先采集脹管樣管的渦流數(shù)據(jù)，在脹管輪廓分析軟件中調(diào)整脹管起脹信號或者內(nèi)環(huán)槽信號的相位角度，并定義其電壓幅值基準(zhǔn)。采集非能動(dòng)余熱排出熱交換器產(chǎn)品的渦流信號，以脹管樣管確定的基準(zhǔn)在高頻通道繪制傳熱管內(nèi)徑變化曲線，并測量傳熱管脹后內(nèi)徑以及未脹合間隙深度，如圖3所示。

圖3　脹管輪廓渦流測量示意

在圖3中，脹管后高頻通道內(nèi)徑變化曲線非常直觀，通過測量，可以顯示未脹合間隙深度為管板二次側(cè)（TTS）內(nèi)1.47 mm，即TTS－1.47 mm，處于設(shè)計(jì)要求－1～－3 mm范圍內(nèi)；局部機(jī)械脹內(nèi)徑16.05 mm。改變測量范圍，還可以測量得到液壓脹部分的平均內(nèi)徑、未脹管子的平均內(nèi)徑、脹管后內(nèi)徑均方差等參量。通過上述數(shù)據(jù)，可以綜合評價(jià)傳熱管脹接質(zhì)量是否符合要求。

3.3 不合格脹管

對PRHR HX進(jìn)行脹管輪廓渦流檢測的目的是為了評估脹管區(qū)脹接質(zhì)量，當(dāng)發(fā)現(xiàn)不滿足脹管區(qū)脹接要求的情況時(shí)，能夠及時(shí)進(jìn)行修正操作。常見的不合格脹管情況主要包括未脹合間隙深度超出范圍、管板內(nèi)局部過脹、脹后內(nèi)徑擴(kuò)展不足、未嚴(yán)格遵守脹接工序造成無局部機(jī)械脹和液壓脹，脹管輪廓渦流檢測均能夠有效發(fā)現(xiàn)此類不符合要求的脹接情況。

通過脹管輪廓曲線圖可以直觀發(fā)現(xiàn)，該脹管缺少換料水箱二次側(cè)局部機(jī)械脹（如圖4所示）。非能動(dòng)余熱排出熱交換器管板厚度只有254 mm，如果液壓脹無法提供充分的密封性，存在二次側(cè)液體進(jìn)入的可能性，將增大管板對管子的彎曲效應(yīng)。因此，在管子與管板結(jié)合的近換料水箱二次側(cè)表面處，采用機(jī)械脹提供更大的脹接壓力以阻止液體進(jìn)入。圖4所示的脹管由于缺少了二次側(cè)局部機(jī)械脹，運(yùn)行中存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)。產(chǎn)品出廠前，應(yīng)進(jìn)行二次側(cè)局部機(jī)械補(bǔ)脹，再次渦流檢測合格后方可出廠。

圖4　局部機(jī)械脹的脹管輪廓示意

如圖5所示，管子脹接工序完成后脹管輪廓渦流測量顯示，脹管過渡區(qū)超出管板，位于換料水箱二次側(cè)，未脹合間隙深度測量值為TTS＋1.31 mm，不滿足未脹合間隙深度的要求。

圖5　脹管過渡區(qū)超出管板的脹管輪廓示意

此類脹接情況，易在管子過渡區(qū)積聚殘余應(yīng)力，運(yùn)行中管子產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)增大，應(yīng)在產(chǎn)品出廠檢測報(bào)告中特別說明，并于在役運(yùn)行中加以跟蹤。

其他幾類不合格脹管情況也可以通過脹管輪廓檢查直觀地發(fā)現(xiàn)，不再贅述。

4　結(jié)語

脹管輪廓渦流檢測通過繪制脹管區(qū)輪廓曲線，能夠直觀顯示內(nèi)徑變化，對于各類不符合脹接要求的脹管容易辨識。同時(shí)渦流信號可以電子存檔，便于檢測結(jié)果的再現(xiàn)。通常將脹管輪廓渦流測量結(jié)果作為非能動(dòng)余熱排出熱交換器脹管區(qū)脹接質(zhì)量評價(jià)的最終依據(jù)。

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修稿日期：2015－09－29

會(huì) 議 訊 息

Evaluation of Expansion during Manufacture of Passive Residual Heat Removal Heat Exchanger

SHI Shao－meng，WANG Zhe，CAO Gang，GUO Yun
（State Nuclear Power Plant Service Company，Shanghai 200233，China）

Abstract：Passive residual heat removal heat exchanger（PRHR HX）is unique for AP1000 nuclear plant.Tack rolling，mechanical rolling and hydraulic expansion are used during manufacture of passive residual heat removal heat exchanger.Expansion quality shall be evaluated to make sure the technique specifica-tion satisfied.The expansion technique and expansion requirements are introduced.Also eddy current pro-file technique is introduced to expansion evaluation.

Key words：passive residual heat removal heat exchanger（PRHR HX）；eddy current；expansion；expan-sion profile

作者簡介：師紹猛（1982－），男，工程師，主要從事無損檢測技術(shù)服務(wù)和研究工作，

通信地址：200233上海市田林路888弄6號樓國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，E－mail：18930176942＠189.cn。

收稿日期：2015－07－06

doi：10.3969/j.issn.1001－4837.2015.10.011

文章編號：1001－4837（2015）10－0067－04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

中圖分類號：TH49；TL353