高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器蒸汽出口連接管制造及難點(diǎn)分析

王 強(qiáng)

(哈電集團(tuán)(秦皇島) 重型裝備有限公司，河北秦皇島 066206)

0 引言

200 MW高溫氣冷堆示范電站(HTR-PM)是在我國(guó)10 MW高溫氣冷堆實(shí)驗(yàn)堆成功運(yùn)行的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并計(jì)劃制造的第一座氣冷堆示范電站。HTR-PM屬球床模塊式高溫氣冷堆，具有固有安全性、發(fā)電效率高和市場(chǎng)適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最先投入工業(yè)應(yīng)用的第四代先進(jìn)的核能發(fā)電系統(tǒng)[1]。

HTR-PM蒸汽出口連接管是連接并隔離一回路和二回路的換熱部件，主要功能是將堆芯核能產(chǎn)生的熱量由一回路傳給傳熱單元至二回路，產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，傳熱單元作為一道屏障，保證一回路壓力邊界的完整性，同時(shí)防止二回路的水進(jìn)入一回路，執(zhí)行核安全的功能。連接管為核一級(jí)安全部件，其制造及彎制成形嚴(yán)格按照核一級(jí)部件標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

1 結(jié)構(gòu)介紹

HTR-PM蒸汽發(fā)生器內(nèi)件由承重筒組件、換熱單元、蒸汽出口連接管、給水連接管、內(nèi)部構(gòu)件外法蘭組件、頂部腔室固定筒組件等組成，蒸汽出口連接管材料為Incoloy 800H，布置在直徑2.6 m、高度2.8 m的空間內(nèi)。蒸汽出口端連接管最長(zhǎng)約6 m，每根連接管平均有9個(gè)彎頭。管子彎曲成形后，引入蒸汽管板并與之連接，蒸汽出口連接管外形見(jiàn)圖1。

圖1 HTR-PM蒸汽出口連接管示意 Fig.1 Schematic diagram of HTR-PM steam exit connect piping

2 設(shè)計(jì)及制造技術(shù)要求

2.1 設(shè)計(jì)要求

(1)蒸汽出口連接管計(jì)算：滿足熱應(yīng)力及流致振動(dòng)的要求。

(2)空間結(jié)構(gòu)：布置在固定空間。

(3)蒸汽出口連接管布局：成束蛇形布置，留出足夠空間用于換熱管捆扎和支撐。

(4)連接管長(zhǎng)度：連接管長(zhǎng)度無(wú)要求，但是連接管之間長(zhǎng)度差值需小于1.5 m，保證換熱的均勻性。

(5)彎曲半徑：按照ASME NH分卷，不考慮使用溫度，由制作引起的局部最大應(yīng)變不大于5%可免除熱處理。根據(jù)ASME NB分卷，應(yīng)變百分率公式按式(1)計(jì)算。

對(duì)于管道：

(1)

式中,r為管道的名義半徑，mm；R為到管道中心線的名義彎曲半徑，mm。

經(jīng)計(jì)算，連接管的彎曲半徑>190 mm即可免除彎曲后熱處理。

2.2 制造要求

(1)最小直段要求：為滿足連接管彎制要求，任意彎管兩端部應(yīng)留有最小夾持余量，夾持余量為2倍的直徑。

(2)裝配：連接管在布置時(shí)，應(yīng)充分考慮其裝配空間及管-管之間裝配干涉。

(3)焊接空間：裝配完成后，應(yīng)確保足夠的空間進(jìn)行連接管與換熱單元的管-管焊接。

(4)彎曲半徑：為避免由于彎曲模具的更換產(chǎn)生過(guò)大的累積誤差，應(yīng)統(tǒng)一彎曲半徑。

使用UG軟件進(jìn)行連接管的方案布局設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行模擬裝配并驗(yàn)證，設(shè)計(jì)方案具有可行性，滿足各方面要求。

3 原材料技術(shù)要求

為滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制造要求質(zhì)量，其管材的材料為Incoloy 800H，屬于高溫鎳基合金，國(guó)內(nèi)800H合金管材制造質(zhì)量不穩(wěn)定，其原材料的制造質(zhì)量也是研制的難點(diǎn)之一。

Incoloy 800H合金采用電爐加真空電弧重熔(VAR)的方法冶煉。連接管應(yīng)滿足ASME SB-163對(duì)Ni-Fe-Cr UNS N08810合金管的要求。拉伸性能要求抗拉強(qiáng)度Rm≥377 MPa(675 ℃)。原材料生產(chǎn)廠家需進(jìn)行高溫持久強(qiáng)度試驗(yàn)，高溫持久試驗(yàn)需滿足設(shè)計(jì)方要求。合金管為無(wú)縫管，采用冷拔或冷軋的冷精整方法制造。對(duì)于直管，連接管尺寸及外形偏差：內(nèi)外徑允許偏差±0.05 mm,壁厚允許偏差±0.10 mm,橢圓度為外徑允許偏差的80%，壁厚不均勻度為壁厚允許偏差的80%，彎曲度≤1.5 mm/m。

4 制造難點(diǎn)分析及控制

4.1 連接管成形

4.1.1 制造難點(diǎn)

連接管空間尺寸復(fù)雜，未成形前，長(zhǎng)度約6 m，成形后，高度約3 m，寬度約2.5 m。彎制完成后的連接管一端與管板進(jìn)行裝配，之后進(jìn)行管子管板脹焊；另一端與換熱單元進(jìn)行管管對(duì)接焊接。同時(shí)，每組連接管要捆扎成一束，成形后的精度直接影響上述裝配要求，更有一些小角度彎頭，大大增加了彎制難度。

連接管在彎制過(guò)程中最小壁厚為2.7 mm，橢圓度不應(yīng)超過(guò)4%，連接管表面質(zhì)量，不允許因彎管造成影響管子使用的劃痕、碰撞傷痕存在，劃痕深度≤0.01 mm。

綜上，連接管在彎制的過(guò)程中，既要保證本身表面質(zhì)量及彎頭處成形橢圓度，又要保證本身尺寸滿足上端穿出管板及下端與換熱單元對(duì)接的精度要求。

4.1.2 控制措施

連接管主要的彎制工藝為：劃線→下料→冷彎成形→整形→通球檢驗(yàn)→尺寸及表面檢測(cè)。其中冷彎成形及整形是整個(gè)連接管制造的難點(diǎn)，通過(guò)進(jìn)行大量彎制試驗(yàn)，摸索Incoloy 800H連接管回彈量及尺寸控制措施，最終保證產(chǎn)品成形質(zhì)量。

采用高精度數(shù)控彎管機(jī)，進(jìn)行連接管的彎制。由于每一根連接管的尺寸都不相同，因此針對(duì)每一根連接管需要設(shè)計(jì)一種立體模具，通過(guò)立體模具進(jìn)行連接管的精整，并通過(guò)模具放樣對(duì)連接管的成形尺寸進(jìn)行測(cè)量。彎制設(shè)備及精整模具如圖2所示。

(a)

4.2 連接管裂紋分析

Incoloy 800H材料首次用于核電蒸汽發(fā)生器換熱管，連接管在彎制過(guò)程中彎頭處發(fā)現(xiàn)微裂紋。為了分析裂紋產(chǎn)生的原因，評(píng)估產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行失效分析，找到問(wèn)題的根源，提出并實(shí)施控制和改進(jìn)措施。

4.2.1 失效分析

針對(duì)PT顯示的檢測(cè)，采用的檢測(cè)方法為SEM表面形貌觀察分析和能譜分析SEM銹斑表面局部化學(xué)成分，分析結(jié)果表明：凹坑(氧化物脫落、腐蝕坑、氫鼓泡等)內(nèi)嵌入的Al,Ti,Ca的氧化物。

對(duì)于表面銹斑，SEM銹斑表面局部化學(xué)成分和SEM銹斑表面形貌(見(jiàn)圖3)，觀察銹斑處有疏松的銹蝕產(chǎn)物及腐蝕坑，銹蝕坑下存在晶間腐蝕裂紋，銹斑中檢測(cè)出S,Cl等元素。

圖3 SEM銹斑表面形貌圖 Fig.3 SEM surface morphology of rust spots

對(duì)于彎管段裂紋，SEM管材、裂紋、斷口形貌觀察分析SEM裂紋截面、裂尖能譜局部化學(xué)成分截面顯微硬度測(cè)試、SEM-EBSD(晶粒周邊殘余應(yīng)變)分析晶界局部氫含量測(cè)試所有裂紋屬于沿晶開(kāi)裂，如圖4所示。裂紋擴(kuò)展與腐蝕無(wú)關(guān)，整個(gè)截面硬度均勻，殘余應(yīng)力與直管段、消應(yīng)力狀態(tài)管段沒(méi)有明顯區(qū)別，裂紋和尖端部位未發(fā)現(xiàn)明顯的H聚集，管材表面無(wú)腐蝕物質(zhì)，說(shuō)明腐蝕物質(zhì)可能是在管材表面拋磨前接觸的管材。關(guān)聯(lián)管材氫含量測(cè)量結(jié)果顯示，經(jīng)消應(yīng)力處理的管材H含量不超過(guò)2×10-6，固溶態(tài)管材H含量為6×10-6～10×10-6。

圖4 SEM裂紋斷口形貌圖

4.2.2 產(chǎn)生裂紋的原因

裂紋為沿晶開(kāi)裂，裂紋的擴(kuò)展與腐蝕無(wú)關(guān)，根據(jù)導(dǎo)致沿晶開(kāi)裂的一般因素(應(yīng)力腐蝕和氫致開(kāi)裂)分析，是局部組織與氫共同作用的結(jié)果。

微觀組織正常，材料的組織狀態(tài)、晶粒尺寸、境界析出不是導(dǎo)致材料開(kāi)裂的因素；表面有銹斑的管材，其表面有腐蝕產(chǎn)物、腐蝕坑和表面晶間腐蝕裂紋；管材硬度均勻，變形后硬度沒(méi)有明顯變化；彎管后晶界應(yīng)變沒(méi)有明顯增大；成品管中H含量極高,為9.2×10-6～9.4×10-6。經(jīng)過(guò)真空爐中消應(yīng)力處理的管材(螺旋盤(pán)管)，其H含量較低(0.4×10-6～0.55×10-6)。

通過(guò)裂紋表面及斷口觀察、裂紋截面及裂尖分析，以及材料微觀結(jié)構(gòu)分析、顯微硬度測(cè)量、SEM-EBSD分析、H含量分析等，目前給出階段性結(jié)論：裂紋萌生不排除腐蝕的影響，但裂紋擴(kuò)張與腐蝕無(wú)關(guān)；基體H含量高，懷疑H在其他因素共同作用下造成氫致裂紋。

PT顯示產(chǎn)生原因?yàn)楸砻娲植?，有磨粒侵入管材表面；管材表面銹斑原因?yàn)榻佑|了含有S,Cl等腐蝕介質(zhì)；連接管彎曲開(kāi)裂為沿晶開(kāi)裂，排除由于腐蝕物質(zhì)導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，綜上所述，證據(jù)指向氫導(dǎo)致了連接管沿晶開(kāi)裂。

4.2.3 控制措施

提高表面質(zhì)量，改進(jìn)表面磨光工藝；排查制管過(guò)程可能帶來(lái)的污染或介質(zhì)，避免再次接觸帶有腐蝕性的污染物，確保每道工序后，管材以外的物質(zhì)被徹底清除；采用試驗(yàn)批次的管材，查明H的來(lái)源，保證新制管材的H含量不高于2×10-6；消應(yīng)力狀態(tài)的管材氫含量不高于2.0×10-6(實(shí)測(cè)結(jié)果0.4×10-6～1.0×10-6)，因此不會(huì)產(chǎn)生氫致開(kāi)裂；正常情況下，800H換熱管制管過(guò)程中的氫氣保護(hù)，不是導(dǎo)致800H管材中H含量高的主要原因。

4.3 連接管裝配

為了驗(yàn)證蒸汽出口連接管設(shè)計(jì)能否實(shí)現(xiàn)裝配，經(jīng)實(shí)際的1∶1模型(見(jiàn)圖5)，完全按照產(chǎn)品進(jìn)行相關(guān)操作，驗(yàn)證其可行性，并積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。

圖5 蒸汽出口連接管1∶1模型 Fig.5 1∶1 model of steam exit connect piping

4.3.1 難點(diǎn)分析

通過(guò)出口連接管1∶1模型試驗(yàn)，驗(yàn)證出口連接管裝配方法及順序，主要內(nèi)容包括逐根穿管順序、出口端梯度布置、劃傷情況分析、清潔度控制等研究工作。并分析驗(yàn)證其可行性，最終達(dá)到優(yōu)化連接管組裝方案和指導(dǎo)實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)的目的。在試驗(yàn)過(guò)程中，重點(diǎn)針對(duì)以下幾項(xiàng)進(jìn)行摸索、分析和驗(yàn)證。

(1)驗(yàn)證在設(shè)計(jì)階段確定的裝配順序是否可行。

(2)分析連接管彎制后尺寸精度對(duì)裝配的影響。

(3)分析摸索因管端位置偏移而影響裝配的調(diào)整方法。

(4)驗(yàn)證工具工裝是否合理可用。

(5)驗(yàn)證管子支承柱裝配空間。

(6)驗(yàn)證并確定管端水壓試驗(yàn)可行性和確定管端預(yù)留余量。

(7)裝配過(guò)程中劃傷情況分析，清潔度控制。

(8)連接管尺寸檢測(cè)方法，誤差分析。

(9)裝配干涉調(diào)整，優(yōu)化整體裝配方案。

(10)較小管間距情況下，使用內(nèi)切斷方法去除管端余量。

4.3.2 裝配工藝流程

每根連接管均按照下述流程進(jìn)行裝配，裝配完成的連接管如圖6所示。

圖6 連接管裝配示意 Fig.6 Schematic assembly diagram of connecting pipe

(1)按照既定的裝配順序選取正確編號(hào)的連接管。

(2)確定與之對(duì)應(yīng)的管板孔、底板孔的位置、編號(hào)，并做標(biāo)識(shí)。

(3)拾取連接管，先穿入管板孔。

(4)通過(guò)調(diào)整連接管穿入管板孔的深度，調(diào)整連接管的水平、垂直。

(5)與底板上的孔配對(duì)裝配。

(6)焊接操作空間的驗(yàn)證。

(7)對(duì)連接管實(shí)施固定。

(8)蒸汽出口連接管裝配過(guò)程：首先插入對(duì)應(yīng)的管板孔，經(jīng)相應(yīng)旋轉(zhuǎn)及裝配找到對(duì)應(yīng)的換熱單元管口號(hào)，操作者需帶白手套，對(duì)管端坡口應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)防護(hù)，避免安裝過(guò)程與周?chē)ぱb發(fā)生刮蹭。

4.4 連接管與管板脹接

4.4.1 難點(diǎn)分析

管子管板脹接后，兩者之間的殘余接觸壓力是影響脹接強(qiáng)度的主要因素，但是該壓力值無(wú)法直接測(cè)量。目前，衡量管子管板脹接強(qiáng)度的主要指標(biāo)是拉脫力[2-6]。對(duì)于HTR-PM蒸汽發(fā)生器連接管與管板間的脹接，結(jié)合換熱管的具體尺寸以及RCC-M相關(guān)要求及以往的加工經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)考慮換熱管發(fā)生屈服時(shí)的載荷，規(guī)定單個(gè)接頭的拉脫力為25～40 kN。

脹接拉脫力隨脹接壓力的變化關(guān)系見(jiàn)圖7?？梢钥闯?，隨著脹接壓力的增加，接頭的拉脫力是一直增加的，且基本呈線性關(guān)系。

圖7 拉脫力隨脹接壓力變化示意 Fig.7 Schematic diagram of pull-off force changes with expanding pressure

4.4.2 控制措施

通過(guò)脹接試驗(yàn)，掌握了高溫鎳基合金連接管與鎳基管板的脹接特性，獲得了脹接參數(shù)與脹接強(qiáng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過(guò)拉脫力試驗(yàn)、間隙密封試驗(yàn)、沸騰氯化鎂試驗(yàn)，優(yōu)化了脹接參數(shù)，獲得了超高的脹接強(qiáng)度、高強(qiáng)的間隙密封性能、優(yōu)異的抗腐蝕性能的脹接接頭，完全滿足高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)要求。

4.5 連接管與管板焊接

管子-管板焊縫質(zhì)量是影響蒸汽發(fā)生器換熱效率及承壓邊界安全性的重要考核指標(biāo)[7-8]。常見(jiàn)的管子-管板焊縫質(zhì)量問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)通過(guò)目視檢查和滲透檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的焊縫表面缺陷，如表面成形不良(咬邊、凹陷)、表面氣孔等。

(2)通過(guò)射線檢測(cè)、氦檢漏及水壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的焊縫內(nèi)部缺陷，如焊縫內(nèi)部的氣孔、夾渣、夾鎢、裂紋、未熔透等。

(3)通過(guò)數(shù)據(jù)測(cè)量及見(jiàn)證試件解剖金相測(cè)量發(fā)現(xiàn)的焊縫成形不滿足設(shè)計(jì)要求的缺陷，如焊喉尺寸不足、焊縫內(nèi)徑偏小等。

4.5.1 難點(diǎn)分析

核電蒸汽發(fā)生器的管子-管板接頭形式均采用脹焊結(jié)合的工藝方式，高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器管子-管板接頭采用機(jī)械定位脹-強(qiáng)度密封焊-全程液壓脹的連接方式，為保證運(yùn)行安全，最小泄漏通道(最小焊喉)尺寸要求大于2 mm，同時(shí)為滿足氦檢漏的要求，焊縫之間的剩余孔橋大于等于2 mm[9]。

管子-管板焊縫坡口形式及尺寸，將直接影響到管子-管板焊縫外觀成形質(zhì)量及最小泄漏通道尺寸、管板剩余孔橋等數(shù)據(jù)；還影響到后續(xù)氦檢漏等工序的實(shí)施。常見(jiàn)管子-管板焊接坡口主要有伸出式、平齊式和內(nèi)縮式。

根據(jù)產(chǎn)品對(duì)管子-管板焊縫的焊喉要求，以及換熱管和管孔橋尺寸分析，借鑒壓水堆蒸汽發(fā)生器的成功制造經(jīng)驗(yàn)，管子-管板焊接優(yōu)選內(nèi)縮式的接頭形式，如圖8所示。

圖8 管子-管板焊槍及焊后管孔 Fig.8 Welding gun for tube-tubesheet and pipe hole after welding

4.5.2 控制措施

(1)通過(guò)試驗(yàn)確定合適的坡口角度及坡口深度，根據(jù)已有研究經(jīng)驗(yàn)確定焊接電流、焊接速度以及送絲速度等焊接工藝參數(shù)，最終使焊接后管子-管板焊縫的焊喉尺寸滿足產(chǎn)品要求，同時(shí)外觀成形美觀且能夠滿足后續(xù)的氦檢漏檢測(cè)。

(2)管子-管板焊前采用機(jī)械脹接方式對(duì)換熱管與管板管孔進(jìn)行貼合定位，脹接參數(shù)將直接影響焊縫根部質(zhì)量。定位脹接功率過(guò)小會(huì)引起焊縫根部出現(xiàn)裂紋或氣孔等焊接缺陷，通過(guò)試驗(yàn)確定定位脹接的參數(shù)，并確定了脹接后管子內(nèi)徑尺寸為13.25～13.35 mm，可以滿足后續(xù)焊接要求。

(3)為避免焊縫出現(xiàn)裂紋或氣孔等缺陷，管子-管板脹接及焊接前，對(duì)管板孔內(nèi)壁、換熱管內(nèi)外壁及焊接坡口周邊均要求清理，保證無(wú)銹、油和氧化物等雜質(zhì)。

(4)通過(guò)確定管子-管板接頭及坡口形式，嚴(yán)格控制焊接過(guò)程的清潔度，合理優(yōu)化工藝參數(shù)和過(guò)程控制是控制管子-管板焊縫質(zhì)量的必要措施。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器蒸汽連接管研制，多項(xiàng)關(guān)鍵工藝技術(shù)得以攻克，包括復(fù)雜形狀連接管成形、裝配、厚壁鎳基合金管子-管板脹接以及焊接，并通過(guò)大量試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證、優(yōu)化，開(kāi)發(fā)并形成了一套完整的工藝和專(zhuān)用裝備，解決了高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器蒸汽出口連接管制造工藝難題，成功應(yīng)用于我國(guó)高溫氣冷堆示范工程蒸汽發(fā)生器的制造，為保證示范工程的建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn)。