SA-268TP439鐵素體不銹鋼有縫焊管脹接試驗(yàn)及其應(yīng)用

歐凡強(qiáng) 王 健

哈電集團(tuán)(秦皇島)重型裝備有限公司 河北 秦皇島 066206

0 前言

我公司承制的某項(xiàng)目核電廠12#機(jī)組AP1000常規(guī)島設(shè)備—汽水分離再熱器(MSR),系引進(jìn)日本三菱公司設(shè)計(jì)及制造技術(shù),其中換熱器為具有核心技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備,呈臥式布置在MSR 殼體內(nèi)部。前三臺(tái)機(jī)組的換熱器從日本采購(gòu)成品,第四個(gè)機(jī)組2#MSR 的換熱器由我公司制造,按三菱技術(shù)制造屬國(guó)內(nèi)首次。有縫焊管的脹接在我公司尚屬首次,為保證脹接接頭的安全可靠性,我公司進(jìn)了脹接工藝試驗(yàn),并成功應(yīng)用于產(chǎn)品制造,實(shí)現(xiàn)了MSR 制造技術(shù)100%國(guó)產(chǎn)化目標(biāo)。

1 試驗(yàn)前提

1.1 試樣的母材 試驗(yàn)用材料與產(chǎn)品相同,且取自產(chǎn)品同爐批材料,以具有一定的代表性。

(1)為節(jié)約材料,管板試樣厚度取130mm 而非產(chǎn)品厚度,覆蓋產(chǎn)品的脹接長(zhǎng)度即可。管板試樣表面堆焊,模擬產(chǎn)品管板進(jìn)行了一次熱處理。

管板試樣的孔徑及公差、表面粗糙度、管孔布局、節(jié)距及公差與產(chǎn)品一致。管孔加工的所用設(shè)備、刀具及切削參數(shù)與產(chǎn)品管板相同。管孔布局呈正三角形排列,見(jiàn)圖1。

圖1 試樣布孔圖

圖2 分段脹接工藝

(2)產(chǎn)品的換熱管為U 形鰭片管,伸入管板的部分為光管。成品管子直管階段為光管,光管由平軋鋼帶采用不填充金屬的自動(dòng)焊接工藝制造,焊后進(jìn)行去應(yīng)力退火,經(jīng)渦流、超聲波及氣密性檢驗(yàn),再進(jìn)行鰭片制作及彎管等。

管子試樣在產(chǎn)品直管階段隨機(jī)切取,覆蓋產(chǎn)品的每個(gè)批次。試驗(yàn)用管子的直徑、壁厚及公差與產(chǎn)品光管部分一致,即Φ19.05±0.13mm×1.65±0.165mm(一級(jí)再熱器)、Φ19.05±0.13mm×1.75±0.175mm(二級(jí)再熱器)。試驗(yàn)用管子每種規(guī)格各取25根,單根長(zhǎng)度245mm。

脹接前,管子與管板堆焊層表面對(duì)稱點(diǎn)焊3 點(diǎn)固定,一是模擬產(chǎn)品管子管板焊接后再脹接的實(shí)際情況,二是防止管子在脹接過(guò)程中的轉(zhuǎn)動(dòng)。拔脫力試驗(yàn)前采用機(jī)加工方式去凈焊縫。

1.2 脹接工藝 為避免對(duì)管端焊縫脹裂或產(chǎn)生其它不利的影響,距離管板表面13mm(約1/2英寸)開(kāi)始脹接,根據(jù)設(shè)計(jì)要求的脹管總長(zhǎng)度(見(jiàn)圖2)：一級(jí)再熱器脹接總長(zhǎng)度50mm,二級(jí)再熱器脹接總長(zhǎng)度75mm),確定分段脹接工藝：一級(jí)再熱器的每根管子分成兩段脹接完成；二級(jí)再熱器的每根管子分成三段脹接完成。脹珠長(zhǎng)度選擇27mm,每段之間重疊脹接3mm。每根管分段脹接次序：由管板焊縫側(cè)向管子側(cè)分步進(jìn)行,脹完第一段后,進(jìn)行下一段的脹接,使脹接過(guò)程金屬流動(dòng)朝管子側(cè)一個(gè)方向走,應(yīng)力分布合理。

1.3 脹接設(shè)備及工具 采用新機(jī)電式脹管機(jī)(俗稱“象鼻式脹管機(jī)”),最大輸出功率1000瓦,轉(zhuǎn)速范圍120～680r/min,四檔可調(diào)。動(dòng)力頭懸掛在曲臂上可三個(gè)方向自由移動(dòng),框架和曲臂承擔(dān)動(dòng)力頭的重量及平衡脹接過(guò)程中的扭矩,人工只需將脹管器引入管內(nèi)保證同軸及定位即可,減輕工作強(qiáng)度,避免了傳統(tǒng)的懸掛平衡器+人工手持脹管機(jī)操作引起偏脹等缺陷,經(jīng)實(shí)際產(chǎn)品脹接檢驗(yàn),證明比日本引進(jìn)技術(shù)先進(jìn)合理。

設(shè)備具有信號(hào)反饋系統(tǒng),可預(yù)先設(shè)定功率值及轉(zhuǎn)速。隨著脹緊程度的加深,脹接扭矩變大,脹管機(jī)電流亦增大,最終效果是脹管功率的增加。當(dāng)脹緊程度達(dá)到設(shè)定功率后,脹管機(jī)自動(dòng)停止脹管,一段時(shí)間后反轉(zhuǎn)退出,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)脹管,所以管子與管板的脹緊程度,最終是通過(guò)脹管機(jī)使用功率來(lái)控制的。設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)特性(預(yù)熱特性)：連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)10～15分鐘/中功率條件下,輸出功率穩(wěn)定在1%以內(nèi)。見(jiàn)圖3。

機(jī)械脹管器為脹殼、脹桿及脹珠(三珠)式結(jié)構(gòu),脹管范圍為：14.8～16.8(1級(jí))；14.6～16.6(2級(jí))。脹管器的冷卻及潤(rùn)滑使用丙酮。

圖3 機(jī)電式脹管機(jī)與脹管器

圖4 管孔及管子尺寸測(cè)量

2 脹接試驗(yàn)及結(jié)果

2.1 尺寸測(cè)量 按照標(biāo)準(zhǔn)管子所允許的尺寸偏差波動(dòng)較大,為減小測(cè)量誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,管板試樣和管子試樣脹管段的結(jié)合部分,按下述要求測(cè)量數(shù)據(jù)。

(1)管孔孔徑測(cè)量三個(gè)截面A、B、C,每個(gè)截面測(cè)量互相垂直的兩個(gè)方向,同時(shí)記錄測(cè)量截面在孔深度的位置,見(jiàn)圖4。

(2)管子外徑,對(duì)應(yīng)于管孔測(cè)量截面的深度的位置,測(cè)量相對(duì)應(yīng)的管子外徑,每個(gè)截面4個(gè)數(shù)據(jù),取算術(shù)平均值。

管子穿入管孔時(shí),使管子測(cè)量截面與管孔測(cè)量截面對(duì)應(yīng)一致。脹后管子內(nèi)徑測(cè)量采取相同原則。

(3)管段壁厚,取自管子兩端,每端測(cè)量互成90°,每根管共四個(gè)讀數(shù),取算數(shù)平均值,用壁厚千分尺直接測(cè)量。考慮誤差,管子壁厚不宜用管子外徑減去管內(nèi)徑計(jì)算的方法。

2.2 脹管試驗(yàn)及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn) 脹接后的接頭,按下列順序進(jìn)行試驗(yàn)(檢驗(yàn))與驗(yàn)收。

(1)宏觀及表面檢驗(yàn) 設(shè)置不同脹緊程度進(jìn)行試樣脹接,檢查管子脹接部份的表面應(yīng)光滑,不允許存在劃痕、凹槽、凸起、過(guò)渡區(qū)銳角、母材或焊縫的裂紋。脹管的終止點(diǎn),不允許存在不規(guī)則現(xiàn)象,如條紋、刮傷、凹槽等。分段脹接重疊區(qū)表面均勻光滑,不允許有大于0.08mm的凸起。使用內(nèi)窺鏡檢查,均為合格,解剖后脹接區(qū)經(jīng)PT 檢驗(yàn)無(wú)任何線性顯示。

(2)尺寸檢驗(yàn)及管壁減薄率 脹完后測(cè)量管子的內(nèi)徑,其位置對(duì)應(yīng)管板試樣及管子試樣測(cè)量的截面,每個(gè)截面測(cè)量互相垂直的兩個(gè)方向,按公式(1)計(jì)算管壁減薄率：

式中：

Rp——管壁減薄率%

D——管孔直徑mm

d——脹后換熱管內(nèi)徑mm

t——脹前管子壁厚mm

脹接技術(shù)條件要求的管壁減薄率控制在3～6%之間。

(3)拔脫力試驗(yàn)

按照技術(shù)條件的要求,單個(gè)接頭的拔脫強(qiáng)度≥25.4KN(一級(jí)再熱器)；29.5KN(二級(jí)再熱器)。考慮脹接均勻一致性,控制拔脫力上限均≤40KN。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果 據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,綜合考慮脹管后管壁減薄率及拔脫力因素,整定后的脹接工藝參數(shù)匹配之一(見(jiàn)表1),用于產(chǎn)品的脹接。

表1 整定的脹接工藝參數(shù)匹配

考慮脹管過(guò)程金屬在軸向的膨脹方向,后段脹管參數(shù)較前段要適當(dāng)減小,以消除后段脹接對(duì)前段已脹完部分的影響,后段也能滿足管壁減薄率的規(guī)定。

二級(jí)再熱器的管子壁厚雖然比一級(jí)再熱器管子壁厚度大,由于使用了較低的脹接轉(zhuǎn)速,扭矩大,脹接功率仍然低于一級(jí)再熱器。

3 產(chǎn)品應(yīng)用及生產(chǎn)中的控制

3.1 脹接順序 由于機(jī)械脹管會(huì)使管壁碾薄而導(dǎo)致管子軸向產(chǎn)生伸長(zhǎng),產(chǎn)品管子的脹接是在密封焊之后進(jìn)行的,伸長(zhǎng)趨勢(shì)朝向管子尾部R,考慮鰭片結(jié)構(gòu)的特殊性以及管子所受到的支撐結(jié)構(gòu)約束情況,脹接順序選擇：先從管板的中部開(kāi)始進(jìn)行脹接,依次呈放射狀向周?chē)浗?這樣管束變形及應(yīng)力分布最為合理。不允許對(duì)同一根U 形管的兩個(gè)管端同時(shí)進(jìn)行脹接操作。

3.2 試樣檢查 定位深度檢查合格后,將脹管器調(diào)節(jié)環(huán)上的定位螺釘再次旋緊,并點(diǎn)焊3點(diǎn)均布固定。

每個(gè)班結(jié)束后,使用相同脹接功率脹接2個(gè)頭檢查。每次更換脹管器當(dāng)班操作者也要脹接2個(gè)頭檢查。更換設(shè)備或修理設(shè)備也要重復(fù)脹接2個(gè)頭檢查。試樣檢查是綜合檢驗(yàn)設(shè)備、工具、工藝及操作的有效手段。

3.3 管壁減薄率檢查 對(duì)已經(jīng)脹接好的成品管子進(jìn)行管壁減薄率抽查,方法是：穿管前先測(cè)量好管孔實(shí)際尺寸及管子實(shí)際尺寸。根據(jù)要求的管壁減薄率3～6%,按公式(2)反算好管子脹后內(nèi)徑應(yīng)達(dá)到的尺寸范圍,用內(nèi)徑百分表直接測(cè)出脹后管子內(nèi)徑是否符合要求。管子脹后內(nèi)徑：

式中符號(hào)與公式(1)相同。

檢驗(yàn)頻次：每個(gè)班不低于脹接接頭數(shù)量的1%,對(duì)于管壁減薄率不夠3%者,可以按整定功率參數(shù)的上限補(bǔ)脹一次。補(bǔ)脹操作實(shí)施完整的分步脹接工藝。

3.4 設(shè)備及工具檢查 每脹接3個(gè)頭,脹管器用丙酮充分浸泡、冷卻、清洗及潤(rùn)滑。每脹接10個(gè)頭,拆解脹管器,進(jìn)行一次目視檢查,脹桿及脹珠表面無(wú)裂紋、凹坑、過(guò)度磨損等,脹殼開(kāi)槽邊緣無(wú)擠壓產(chǎn)生的飛邊等。脹接過(guò)程中如有異常,隨時(shí)檢查脹管器。每套脹殼、脹桿及脹珠最多允許脹接1000個(gè)頭更換。

3.5 清潔度控制 為防止不銹鋼材料發(fā)生性能劣化以及品質(zhì)降解,脹接過(guò)程進(jìn)行清潔度控制,限制污染物以防止污染的發(fā)生。

及脹接操作環(huán)境在二級(jí)清潔區(qū)進(jìn)行。管端部以及管子內(nèi)壁脹接區(qū)域無(wú)異物,用不起毛的白布蘸丙酮進(jìn)行擦拭清理,直到白布不變色。脹管器用上述相同的方法清洗。所有操作佩戴清潔的手套進(jìn)行。

管子以及脹接操作可能接觸到產(chǎn)品的其它部位,不得直接接觸下列低熔點(diǎn)元素以及它們的合金,如鉛、汞、錫、銻、鋅、砷、鎘、鉍等。事先檢驗(yàn)好工具及輔助資材。脹接過(guò)程中的冷卻及潤(rùn)滑使用丙酮,不得使用油或油脂。

每班脹接完成后,用不起毛的白布及丙酮擦拭管端、管板表面及管子內(nèi)表脹接區(qū)域。

3.6 產(chǎn)品檢驗(yàn)結(jié)果 一臺(tái)MSR 的一、二級(jí)再熱器共計(jì)約6000個(gè)接頭,內(nèi)窺鏡逐個(gè)檢查脹后管子內(nèi)表面,100%合格。產(chǎn)品管壁減薄率抽檢部分100%一次合格,無(wú)補(bǔ)脹現(xiàn)象。換熱器經(jīng)歷單獨(dú)水壓試驗(yàn)及與殼體組合水壓試驗(yàn)檢驗(yàn)一次合格。證明了脹接工藝的可靠性以及生產(chǎn)中控制措施的有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)對(duì)于SA-268TP439鐵素體不銹鋼有縫焊管的脹接,宜使用機(jī)械脹管工藝,采用分段脹接方式來(lái)滿足總的脹接長(zhǎng)度是可行的。

(2)SA-268TP439鐵素體不銹鋼有縫管具有良好的可脹性,脹接后解剖試樣沒(méi)有裂紋等缺陷,產(chǎn)品管子脹接也沒(méi)有裂紋出現(xiàn)。

使用新機(jī)電式脹管機(jī)及相應(yīng)型號(hào)的脹管器,配以合理脹接工藝參數(shù)脹接MSR 一、二級(jí)再熱器管子與管板,可以滿足管壁減薄率、拔脫力及表面質(zhì)量的要求。適宜的脹接工藝參數(shù)匹配：一級(jí)再熱器脹接功率440～520W,相配轉(zhuǎn)速680r/min；二級(jí)再熱器脹接功率220～320W,相配轉(zhuǎn)數(shù)300r/min。每步脹接遞減功率,以利于金屬合理流動(dòng),消除后段脹接對(duì)前段的影響。