核電站高溫取樣冷卻器蛇管彎管工藝研究

張發(fā)云，王　巖，鄧　冬

核電站高溫取樣冷卻器蛇管彎管工藝研究

張發(fā)云，王巖*，鄧冬

（生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 102401）

分析了高溫取樣冷卻器蛇管的驗收要求，通過合理設計彎曲和消應力熱處理工藝，有效控制蛇管彎曲和消應力產(chǎn)生的回彈現(xiàn)象，評定件的各項檢驗試驗指標合格，獲得滿足尺寸精度要求的蛇管，消應力熱處理能有效消除冷彎變成產(chǎn)生的殘余應力，對材料性能及組織基本無影響。

蛇管；彎制；消應力熱處理；殘余應力

高溫取樣冷卻器是高能樣品水進入試驗分析前降溫和減壓的第一級冷卻設備，蛇管是高溫取樣冷卻器的核心換熱部件，在核電事故診斷和控制方面起著重要作用[1, 2]，蛇管采用了小口徑薄壁不銹鋼管，尺寸精度要求較高，對其成形工藝提出了較高的要求，因市場需求量有限，制造難度大，對蛇管成形工藝的研究報道相對較少，本文通過對蛇管成形工藝及其性能進行試驗研究，得到尺寸和性能合格的蛇管。

1　蛇管材料及結(jié)構(gòu)

根據(jù)設計要求，高溫取樣冷卻器蛇管的材質(zhì)為022Cr19Ni10，規(guī)格為10.2×1.8 mm，采用冷彎成形工藝制作蛇管，蛇管材料的力學性能要求、結(jié)構(gòu)如表1、圖1所示，蛇管螺旋直徑130 mm，節(jié)距15 mm，最小彎曲半徑R30 mm，展開長度約26.6 m。

表1　022Cr19Ni10蛇管材料的力學性能

圖1　蛇管結(jié)構(gòu)圖

2　蛇管的驗收要求

技術(shù)規(guī)格書規(guī)定，蛇管應按RCC-M F4160進行成形工藝評定，通過試驗證明采用的工藝方法能滿足所要求的尺寸允差，允許公差如表2所示，還應證明彎管產(chǎn)生的應力水平是否需要進行消除應力處理。成形后表面不得不得有劃痕、凹陷、碰傷、或其他有害缺陷，經(jīng)消應力熱處理后不應存在晶粒長大現(xiàn)象（晶粒變粗不超過1級），且晶粒邊界不存在析出物、晶粒度為2級或更細，對材料性能沒有影響，應滿足表1的要求[3-5]。

表2　蛇管尺寸要求

3　蛇管成形工藝

3.1　蛇管成形工藝分析

蛇管采用了小口徑薄壁不銹鋼管，蛇管的彎曲半徑小，尺寸精度要求高，其彎制難度較大，而不銹鋼管道在冷變形時會產(chǎn)生加工硬化，卸載工裝夾具后會產(chǎn)生管道回彈，冷彎后會在材料中留下殘余應力，殘余應力會使材料的SCC敏感性大增，對材料抗應力腐蝕開裂（SCC）極為不利[6,7]。如經(jīng)過冷彎成形后產(chǎn)生的殘余應力需要進行消應力處理時，熱處理后也會產(chǎn)生回彈和粗晶現(xiàn)象，如果彎曲成形工藝制定不合理或控制不當，易出現(xiàn)管子的橢圓度超標、圓弧外側(cè)管壁減薄量過大、圓弧外側(cè)彎裂、內(nèi)側(cè)起皺及彎曲回彈等，且最外側(cè)管壁易產(chǎn)生裂紋，內(nèi)側(cè)管壁易出現(xiàn)失穩(wěn)而起皺等缺陷[8]。

3.2　蛇管彎管工藝與熱處理工藝

為了保證蛇管成形后的尺寸精度，根據(jù)前期摸索試驗經(jīng)驗，使用側(cè)面帶有助推裝置的液態(tài)彎管機，配合設計的專用成形磨具（卷繞芯棒）和控制工裝進行彎管評定試驗。在彎制過程中，將蛇管彎制過程分為進口端、盤管端、出口端三步彎制成形，其中，進口端和出口端的彎制工藝和常規(guī)彎管工藝基本一致，在盤管彎制過程中，利用專用磨具（卷繞芯棒）的尺寸和工裝控制蛇管軸向、徑向回彈量，并合理控制彎管進給速度。

按RCC-M F4163的要求，對冷彎成形后的蛇管進行了沸騰氯化鎂應力腐蝕試驗，發(fā)現(xiàn)采用不用尺寸的專用磨具、不同進給速度下彎制成形的蛇管，未經(jīng)消應力熱處理的試樣均出現(xiàn)裂紋，說明冷彎后蛇管內(nèi)產(chǎn)生的殘余應力超出合格的應力水平，需對蛇管進行消應力熱處理。

為了徹底消除冷成形對管子性能的影響，防止熱處理導致蛇管變形及大幅度回彈，將蛇管裝配在特定的工裝內(nèi)隨爐進行消應力熱處理，熱處理工藝為（1 000±10）℃/15 min，冷卻方式為水冷。同時，在消應力熱處理時，隨爐裝入熱處理試管，利用隨爐試管研究消應力熱處理對材料力學性能的影響。

4　試驗結(jié)果分析

4.1　尺寸及表面檢驗

分別對彎曲成形后、熱處理后經(jīng)酸洗鈍化的蛇管進行了表面檢查和尺寸測量，蛇管表面無劃痕、凹陷、碰傷、或其他有害缺陷，尺寸檢驗結(jié)果如表3所示，由表中信息可知采用上述工藝彎制和消應力熱處理工藝可獲得合適的蛇管尺寸和表面質(zhì)量。

表3　尺寸檢驗結(jié)果

注：橢圓度和壁厚分別在蛇管的直管段、不同彎曲半徑上沿圓周方向進行測量，各彎曲段的起始點作為測量0°，每隔45°一次。

4.2　性能檢驗

消除應力熱處理后，對隨爐熱處理試管進行室溫拉伸、350 ℃拉伸、壓扁、擴口、晶粒度、晶間腐蝕及開環(huán)試驗，在評定蛇管上進行了殘余應力和金相試驗，殘余應力和金相試樣取樣位置見圖2所示，性能測試結(jié)果如表4所示，可知，經(jīng)過消應力熱處理后管材的力學性能滿足要求，消應力熱處理后的晶粒度為5級，不應存在晶粒長大現(xiàn)象（晶粒變粗不超過1級），在晶粒邊界不存在析出物（見圖3），氯化鎂應力腐蝕和C型環(huán)殘余應力試驗結(jié)果均合格，說明消應力熱處理基本消除了冷成形對管子性能的影響，滿足技術(shù)規(guī)格書Q/CNPE.J 104.12—2009要求。

圖2　取樣示意圖

表4　隨爐試樣的性能測試結(jié)果

圖3　金相組織

5　結(jié)論

通過合理的磨具和控制工裝，設計合理的冷彎工藝和消應力熱處理工藝能獲得滿足尺寸精度要求的蛇管，消應力熱處理能有效消除冷彎成形產(chǎn)生的殘余應力，對管子的力學性能及微觀組織無明顯影響。

［1］ 中國核電工程有限公司．高溫取樣冷卻器設計說明書：XRNS071-073RF 2015［R］．北京：中國核電工程有限公司，2013．

［2］ 孫永亮，李成濤，崔智勇，等．核電站高溫取樣冷卻器失效機理［J］．腐蝕與防護，2012，33（8）：719-723．

［3］ 中核核電工程有限公司．核 2、3級設備用奧氏體不銹鋼熱交換器傳熱管技術(shù)條件：Q/CNPE．J104．12—2009［R］．北京：中國核電工程有限公司，2009．

［4］ 中國核電工程有限公司．核 2、3 級管殼式熱交換器制造、檢驗和驗收技術(shù)條件：Q/CNPE．J105．2—2009［R］．北京：中國核電工程有限公司，2009．

［5］ 法國核島設備設計、監(jiān)造及在役檢查規(guī)則協(xié)會． RCC-M壓水堆核島機械設備設計和建造規(guī)則（2002版+2002補遺）［S］．上海：上?？萍技夹g(shù)出版社，2010．

［6］ 朱建平．冷加工對不銹鋼鋼管耐蝕性的損害和控制探討［J］．石化技術(shù)，2019，26（10）：246-247．

［7］ 何德孚，王晶瀅．冷加工對不銹鋼鋼管耐蝕性的損害及其控制［J］．鋼管，2015，44（1）：1-9．

［8］ 劉賢文．壓彎成形工藝［EB/OL］．https：//wenku. baidu.com/view/9ad290bba55177232f60ddccda38376bae1fe09d.html,2020.5.17,2021.

Study on the Coiler Bending Process of the High Temperature Sampling Cooler in Nuclear Power Plant

ZHANG Fayun，WANG Yan*，DENG Dong

（Nuclear and Radiation Safety Center，MEE，Beijing 102401，China）

This paper analyzes the acceptance requirements for coiler bending of the high temperature sampling cooler, The rebound phenomenon is controlled as far as possible by reasonable design bending and stress relief heat treatment process. All inspection and test indexes of the evaluated parts are qualified, and the snake tube meeting the requirements of dimensional accuracy is obtained. Stress relief heat treatment can effectively eliminate the residual stress caused by cold bending. It has no effect on material properties and microstructure.

Coiler; Bending; Stress relieving heat treatment; Residual stress

TG161

A

0258-0918（2022）06-1367-05

2021-11-25

張發(fā)云（1978—），男，青海互助人碩士，高級工程師?，F(xiàn)主要從事核電廠核級機械設備安全審評、焊接和無損檢驗相關研究

王 巖，E-mail：269171603@qq.com