核電站汽水分離再熱器用的翅片管介紹

任一峰

(上海電氣電站設(shè)備有限公司 上海電站輔機(jī)廠， 上海 200090)

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核電站汽水分離再熱器用的翅片管介紹

任一峰

(上海電氣電站設(shè)備有限公司 上海電站輔機(jī)廠， 上海 200090)

介紹了用于核電站汽水分離再熱器管束中翅片管的特性，指出了在翅片管制造和質(zhì)量控制中需要注意的問題，供相關(guān)制造廠參考。

核電站； 汽水分離再熱器； 翅片管

汽水分離再熱器(MSR)是核電站常規(guī)島重要設(shè)備之一，位于汽輪機(jī)高壓缸與低壓缸之間，其功能是去除循環(huán)蒸汽中夾帶的液體，以保護(hù)汽輪機(jī)低壓缸葉片；同時(shí)通過加熱再熱器管束對(duì)循環(huán)蒸汽進(jìn)行加熱，以提高效率。而高壓和低壓再熱器管束中大量采用的鐵素體不銹鋼U形TP439翅片管，至今還是依賴進(jìn)口解決。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)一些企業(yè)開始涉足翅片管的制造領(lǐng)域，而國(guó)內(nèi)生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)、TP439原材料采購(gòu)、翅片管的制造、生產(chǎn)過程清潔度、外觀上熱處理顏色均勻性、檢驗(yàn)設(shè)備及方式方法、樣管制作的精致性等，距離世界先進(jìn)水平還有很大的差距。筆者針對(duì)MSR翅片管制造特性和質(zhì)保要求作一分析介紹。

1 翅片管的特性

用于制造MSR翅片管可分作兩個(gè)步驟：不銹鋼TP439焊管的制造[1]和翅片管的軋制。MSR選用翅片管是通過有效地增加管子外表面并合為一體的翅片來優(yōu)化換熱過程，其最大換熱效率可達(dá)到光管的2倍以上，一種常用的比較典型翅片管可提供高效和高性價(jià)比換熱面積，大大減少M(fèi)SR的外形直徑和總體價(jià)格。此類整體翅片管采用軋片機(jī)在TP439焊管的光滑外表面上直接軋制而成的，該翅片管無接觸熱阻，強(qiáng)度高、耐熱震和機(jī)械振動(dòng)，傳熱、機(jī)械及熱膨脹性能均較好，但制造成本高。

焊管和翅片管的材料牌號(hào)為SA-268 TP439、SA-803 TP439。鋼帶的熔煉分析和成品分析的化學(xué)成分見表1[2-3]。

表1 化學(xué)成分 %

焊管的力學(xué)性能應(yīng)符合表2要求。

表2 力學(xué)性能

國(guó)內(nèi)常用的MSR翅片管外徑為19.05 mm，平均壁厚為1.65 mm,翅片部分管子壁厚為1.06 mm，平均高度為1.27 mm，每25.4 mm長(zhǎng)度方向有27翅，管子最長(zhǎng)不超過42 m，翅片部分的直徑應(yīng)不超過光管部分的直徑，見圖 1。MSR高、低壓再熱器管束用翅片U形管的展開示意圖見圖2，圖3為國(guó)外樣管剖面圖、圖4為國(guó)外的樣管截面圖。

圖1 翅片管截面圖

圖2 MSR再熱器翅片管展開示意圖

圖3 翅片管外形及剖面圖

圖4 翅片管外形和截面圖

2 翅片管的制作工藝流程

翅片管軋片流程主要是軋片、除應(yīng)力和渦流檢查三個(gè)工序。

國(guó)外成熟的制造經(jīng)驗(yàn)一般有2種方式：

(1) 前端TP439焊管制造完畢經(jīng)檢驗(yàn)合格后，將成品焊管繞在類似于繞電纜的圓盤上，裝運(yùn)至另一個(gè)場(chǎng)地進(jìn)行軋片。在生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中，管子表面需要進(jìn)行防護(hù)，在管層之間避免表面劃痕。當(dāng)然也有短途運(yùn)輸，將焊管截成有效長(zhǎng)度，加上水壓試驗(yàn)后的截管余量，整個(gè)過程保持管子免受傷害。

(2) 焊管制成后，經(jīng)過著色、渦流和超聲檢查后，直接進(jìn)入下一個(gè)軋片流程，減少了運(yùn)輸及次生的風(fēng)險(xiǎn)。

3 翅片管制造過程質(zhì)量控制

為盡快提升制造能力和質(zhì)量控制，需要關(guān)注以下幾點(diǎn)：

(1) 清潔度。對(duì)于核電產(chǎn)品及部件在整個(gè)生命周期中是最重要的指標(biāo)之一。保證生產(chǎn)車間、制造鏈過程的清潔，異物、夾雜物和受其他元素影響都是不允許的。

(2) 軋片。翅片管最重要制造過程工序，不得有絲毫馬虎。國(guó)外用靠輪方式軋制翅片，管子邊旋轉(zhuǎn)邊慢慢向前經(jīng)過靠輪后翅片就形成，這是一個(gè)專利技術(shù)，更是制造翅片管的核心技術(shù)。若采用軋制螺栓的螺紋方式，用上下二個(gè)模具夾住旋轉(zhuǎn)向前的管子(內(nèi)襯芯棒)，成型的翅片管外形像螺栓的螺紋。

(3) 光亮退火。翅片加工完成后應(yīng)在保護(hù)氣氛中進(jìn)行光亮退火熱處理，其溫度應(yīng)足夠高，以消除翅片加工過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，恢復(fù)管子的機(jī)械性能和抗腐蝕特性，避免氧化物進(jìn)入核電站常規(guī)島回路。在退火過程中如果管子不直，應(yīng)進(jìn)行校直或直接報(bào)廢處理。翅片管成型后必須在4 h內(nèi)及時(shí)進(jìn)行退火處理，以消除冷成型過程中的冷脆風(fēng)險(xiǎn)(焊管成型焊接過程中需要消除熱脆風(fēng)險(xiǎn))。必須清理在軋制過程中在翅片管表面和翅片間隔所留有的金屬細(xì)屑、油膩、雜質(zhì)及殘余物，由于碳在鐵素體中的溶解度低，碳污染可以導(dǎo)致局部馬氏體的形成(導(dǎo)致脆性)和鉻碳化物(導(dǎo)致殘余腐蝕)；脫脂，除去管內(nèi)外油脂，因?yàn)楣茏颖容^長(zhǎng)，內(nèi)表面脫脂比較難。這個(gè)工序須重視光亮退火后翅片管表面應(yīng)該是光亮的，而不是有暗有亮，使得外觀色差嚴(yán)重。

(4) U形管彎管處理。U形管彎管熱處理區(qū)域是彎頭部分和距彎頭切點(diǎn)50 mm的直段部分，這個(gè)工序就要確保翅片管表面不得有任何外擊損傷，U形彎頭應(yīng)有過彎反彈措施，保證U形彎頭尺寸到位，在穿管現(xiàn)場(chǎng)不再出現(xiàn)損傷管子的狀況。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有這樣自動(dòng)彎管的設(shè)備，彎管過程受力均勻，不得有人為的額外附加力出現(xiàn)；彎頭部分應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力處理，必須有風(fēng)扇助冷的效果。

(5) 檢查與防護(hù)。最后檢查除常規(guī)項(xiàng)目檢查外，應(yīng)進(jìn)行尺寸、外表面檢查，去毛刺，翅片管應(yīng)用環(huán)規(guī)檢查外徑公差。一旦發(fā)現(xiàn)翅片的缺陷，必須全部清除，不允許對(duì)缺陷管進(jìn)行修補(bǔ)。在運(yùn)輸過程中避免損壞箱子，在儲(chǔ)存階段保持氣相防護(hù)，以防生銹。

4 可能存在的問題

4.1 軋片形式與試驗(yàn)數(shù)據(jù)

翅片管的整體和焊接翅型及結(jié)構(gòu)與MSR的傳熱效果是不盡相同的，再熱器翅片管管內(nèi)熱交換率高，管內(nèi)蒸汽有凝結(jié)，流動(dòng)呈汽液兩相流，最后成為凝結(jié)水排出；管外熱交換率低，干蒸汽流過一、二兩級(jí)再熱器，提升了蒸汽的溫度進(jìn)入汽輪機(jī)做功。一般來說，一種翅片管的結(jié)構(gòu)必須要做管外的傳熱特性試驗(yàn)，對(duì)于這樣一個(gè)試驗(yàn)，需花費(fèi)數(shù)百萬元。

翅片管的翅型對(duì)傳熱效果關(guān)聯(lián)度十分密切，用靠輪和制螺栓方法制造的翅片管的翅型當(dāng)然是不同的。一般翅片管供應(yīng)商必須提供管子外徑及壁厚的傳熱特性試驗(yàn)曲線供MSR制造商使用；一旦外徑和壁厚改變，就必須根據(jù)新的試驗(yàn)提供相應(yīng)的特性曲線，查看外商的樣本中的數(shù)據(jù)曲線推薦給使用者。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的提供必須有資金的支撐。

翅片管供應(yīng)商需要提供一些特性參數(shù)：U形管展開長(zhǎng)度、直段長(zhǎng)度(見圖2)、直管長(zhǎng)度、導(dǎo)熱及機(jī)械特性、NDT達(dá)到的要求、參考標(biāo)準(zhǔn)、傳熱計(jì)算公式、管外傳熱系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線等。

4.2 車間環(huán)境及流程優(yōu)化布局

核電MSR翅片管制造是集技術(shù)和設(shè)備為一體的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，制造車間的周邊環(huán)境(包括運(yùn)輸)和布局要經(jīng)過精心勘察與反復(fù)比較才能取得良好效果。選擇遠(yuǎn)離海邊化工區(qū)，可以臨近公路或江湖邊。

TP439焊管制造流程分為在線焊接和無損檢測(cè)兩個(gè)流程，翅片管就軋片一個(gè)流程，U形彎管和完工包裝是收尾流程。在每個(gè)流程中，包括一些簡(jiǎn)單工序是必不可少的。為了有效利用廠房面積，將U形彎管工序放在不同層，占空間不占地。車間每個(gè)區(qū)域安排流程要考慮物流的走向，退火設(shè)備和探傷檢測(cè)設(shè)備要單獨(dú)隔離。

4.3 按核電質(zhì)保要求編制規(guī)程和文件

雖然MSR屬于核電站常規(guī)島汽輪發(fā)電機(jī)的配套輔機(jī)，但其重要性不亞于汽輪機(jī)。MSR中的高壓或低壓再熱器翅片管一旦發(fā)生泄漏，發(fā)現(xiàn)一有帶水滴的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)葉片就必須強(qiáng)行停機(jī)，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致非正常核反應(yīng)堆緊急停堆。因此僅焊管軋片及U形管彎制兩個(gè)流程就要編制大量的質(zhì)量控制文件和操作規(guī)程，包括：采購(gòu)規(guī)范書、盤管作業(yè)指導(dǎo)書、盤管校直和接受盤管操作規(guī)程、軋片機(jī)械控制和軋片過程檢查操作規(guī)程、退火前清理操作規(guī)程和水質(zhì)要求、渦流試驗(yàn)規(guī)程、退火熱處理操作規(guī)程、管子彎管操作規(guī)程、U形管應(yīng)力釋放操作規(guī)程、水壓試驗(yàn)規(guī)程、翅片管壓差泄漏試驗(yàn)規(guī)程、U形管最后切割和檢查規(guī)程、U形管包裝規(guī)程等。而這些文件需要進(jìn)行不斷更新和升版。

質(zhì)量計(jì)劃是控制制造過程最重要的文件之一，按照翅片管制造工序，列出質(zhì)量控制點(diǎn)及控制要求，分為現(xiàn)場(chǎng)見證(停工待檢H點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)見證W點(diǎn))及文件見證(R點(diǎn))三類，經(jīng)用戶或第三方監(jiān)理見證簽字認(rèn)可方可執(zhí)行下一個(gè)工序，這些見證點(diǎn)的設(shè)置有其科學(xué)性、可控性和操作性，保證了翅片管制造全過程的質(zhì)量控制。

5 結(jié)語

核電站常規(guī)島重要設(shè)備MSR在機(jī)組運(yùn)行中十分重要，其中再熱器管束所使用的鐵素體不銹鋼U形TP439翅片管的制造過程分步進(jìn)行，其管材用料講究、控制微量元素要求高、制造過程復(fù)雜、精準(zhǔn)性強(qiáng)、檢驗(yàn)工序嚴(yán)格、制造過程質(zhì)?？刂茋?yán)密且質(zhì)保文件編制難度高、升版快。應(yīng)按需要對(duì)不同規(guī)格翅片管進(jìn)行試驗(yàn)研究給出傳熱特性，并提供特性曲線，方便用戶。

[1] 任一峰. 核電站高壓加熱器用TP439焊管的評(píng)估[J]. 發(fā)電設(shè)備, 2013, 27(1): 37-39.

[2] Standard specification for seamless and welded ferritic and martensitic stainless steel tubing for general service: A 268/A 268M[S]. ASME BPVC. II. A-2015.

[3] Welded ferritic stainless steel feedwater heater tubes: SA-803/SA-803M[S]. ASME BPVC. II. A-2015.

An Introduction to the Finned Tubes for MSR of Nuclear Power Stations

Ren Yifeng

(Shanghai Power Station Auxiliary Equipment Works, Shanghai Electric Power Generation Equipment Co., Ltd., Shanghai 200090, China)

An introduction is presented to the features of finned tube banks for moisture separator reheater (MSR) of nuclear power stations, together with a discussion on problems needing to be cared in manufacture and quality control of the finned tubes, which may serve as a reference for relevant manufacturers of finned tubes.

nuclear power station; moisture separator reheater; finned tube

2016-06-16；

2016-08-05

任一峰(1959—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事電站輔機(jī)的技術(shù)開發(fā)和質(zhì)量管理工作。E-mail: renyf@shanghai-electric.com

TM623.4

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1671-086X(2017)03-0185-03