核電蒸汽發(fā)生器管板液壓脹接壓痕問題的分析

□ 王保滿 □ 張志強(qiáng) □ 岑龍濤 □ 王偉波

中廣核工程有限公司 廣東深圳 518124

1 分析背景

核電蒸汽發(fā)生器屬于核電廠一、二回路之間的換熱設(shè)備,既起到將帶核輻射的一回路循環(huán)水隔離在一回路中的作用,又傳導(dǎo)熱量至二回路由汽輪機(jī)做功進(jìn)行發(fā)電。傳熱管與管板的接頭為一、二回路的壓力邊界,也是最脆弱的環(huán)節(jié)。根據(jù)以往核電蒸汽發(fā)生器制造經(jīng)驗(yàn),液壓脹接過程中會(huì)發(fā)生管內(nèi)壁劃傷、局部凸起及變形等缺陷,在過渡區(qū)最為嚴(yán)重。在核電蒸汽發(fā)生器運(yùn)行條件下,由于管板二次側(cè)位置易沉積泥渣,傳熱管在拉應(yīng)力和腐蝕環(huán)境下易產(chǎn)生裂紋,裂紋處易產(chǎn)生晶間腐蝕,加之過渡區(qū)的缺陷將加速裂紋和腐蝕的產(chǎn)生,由此縮短核電機(jī)組的整體壽命。

2 核電蒸汽發(fā)生器管板接頭制造工藝

核電蒸汽發(fā)生器傳熱管管板接頭的制造工藝為焊接和脹接結(jié)合的方式,主要工藝路線如下。

(1) 在核電蒸汽發(fā)生器管板的一次側(cè)母材表面堆焊6～10 mm的Inconel600或Inconel690鎳基合金材料,管板總厚度最大為800 mm。再在管板上進(jìn)行管孔加工,管孔直徑為17.73 mm,管孔數(shù)量達(dá)2萬多個(gè)。

(2) 傳熱管穿管。傳熱管為U形結(jié)構(gòu),所用材料為NC30Fe合金無縫管,將傳熱管插入管孔中。

(3) 定位脹接。傳熱管端面與管板一次側(cè)堆焊面平齊,采用機(jī)械脹接或橡膠脹接方式進(jìn)行定位,脹管長(zhǎng)度為距管板一次側(cè)18～32 mm,以達(dá)到固定傳熱管的目的。

(4) 傳熱管管板封口焊。采用不填加焊絲的鎢極惰性氣體保護(hù)自動(dòng)脈沖氬弧焊。

(5) 傳熱管管板焊縫無損檢測(cè)。對(duì)焊縫進(jìn)行6%射線檢測(cè)、氦氣檢漏、滲透檢測(cè),確保焊縫不泄漏。

(6) 液壓脹接。脹接始于距管板一次側(cè)一定距離,與定位脹接段相重疊,止于距管板二次側(cè),平均深度需小于2.3 mm,最大縫隙深度不大于6 mm,幾乎達(dá)到整個(gè)管板的厚度,又稱為全深度液壓脹接。

(7) 渦流檢測(cè)。通過渦流檢測(cè)可以分析確定液壓脹接管板二次側(cè)未脹長(zhǎng)度及脹管段缺陷,如腫脹、漏脹、過脹、欠脹。

3 液壓脹接原理

液壓脹接將直徑略小的脹接芯軸塞入傳熱管,脹接芯軸兩端各有一個(gè)O形密封圈與傳熱管密封。液壓脹接時(shí),瞬間的高壓液體通過脹接芯軸內(nèi)部孔進(jìn)入脹接芯軸和傳熱管內(nèi)壁間的環(huán)形區(qū)域,高壓液體在傳熱管內(nèi)壁上施加壓力,使傳熱管直徑不斷擴(kuò)展產(chǎn)生塑性變形,從而與管板內(nèi)壁進(jìn)行緊密貼合。全深度液壓脹接如圖1所示,這一脹接方法對(duì)傳熱管內(nèi)外徑尺寸精度及表面粗糙度要求較為嚴(yán)格。

在液壓脹接前,需要根據(jù)傳熱管管孔尺寸定制專用的脹管器,通過脹管器對(duì)傳熱管管板進(jìn)行液壓脹接,實(shí)現(xiàn)傳熱管與管板的貼合。由于核電蒸汽發(fā)生器制造對(duì)脹后表面質(zhì)量要求高,因此對(duì)液壓用脹管器的結(jié)構(gòu)要求、尺寸精度要求較為嚴(yán)格。

4 壓痕情況

通過傳熱管管板脹接試驗(yàn)、理論分析及脹接工藝評(píng)定,選擇合適的液壓脹接壓力,能夠確保產(chǎn)品在全深度液壓脹接后的尺寸滿足技術(shù)要求。但脹管器大部分均為金屬結(jié)構(gòu),脹管器與傳熱管內(nèi)壁間隙小,脹接過程控制稍有不慎,可能導(dǎo)致在傳熱管內(nèi)壁上出現(xiàn)劃痕、磕碰等質(zhì)量問題,嚴(yán)重時(shí)造成管孔損傷,甚至堵管,堵管數(shù)量較多時(shí),會(huì)影響蒸汽發(fā)生器的換熱功率。

某核電蒸汽發(fā)生器制造過程中,在傳熱管管板液壓脹接全部完成后,通過內(nèi)窺鏡檢查,發(fā)現(xiàn)大量的傳熱管內(nèi)壁存在壓痕,如圖2所示。

▲圖2 壓痕情況

經(jīng)分析,壓痕特征如下:

(1) 大多為傳熱管內(nèi)壁單側(cè)弧形輕微壓痕,方向?yàn)橹芟?與傳熱管軸向垂直;

(2) 缺陷至管板一次側(cè)約635 mm,即在管板二次側(cè)以外約25 mm處。

(3) 壓痕所在位置在非脹接區(qū),傳熱管內(nèi)壁不會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

5 原因分析

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),脹接過程控制不當(dāng)造成的劃痕主要位于脹接區(qū)和脹接過渡區(qū)。脹接區(qū)劃痕為深度0.01 mm的軸向劃痕,在圓周方向和數(shù)量上沒有明顯的分布規(guī)律。在脹接過渡區(qū),劃痕為整個(gè)圓周方向的軸向劃痕,劃痕深度最大值大于0.5 mm。劃痕的產(chǎn)生,一是脹接芯軸插入過程中與傳熱管管板焊縫或其它金屬類零部件意外磕碰,在脹接止環(huán)位置產(chǎn)生的毛刺與傳熱管發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),二是前道工序在管內(nèi)殘留的金屬顆?；蜩F屑被脹接芯軸帶入脹接區(qū)時(shí),與傳熱管發(fā)生運(yùn)動(dòng)。另一方面,核電蒸汽發(fā)生器采用的Inconel690合金硬度小于脹接止環(huán)的材料硬度,相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦也會(huì)在傳熱管表面留下軸向劃痕。典型軸向劃痕如圖3所示。

▲圖3 典型軸向劃痕

某核電蒸汽發(fā)生器液壓脹接所發(fā)現(xiàn)的壓痕特征與以往經(jīng)歷的劃痕完全不一樣,為避免問題再次發(fā)生,開展了原因分析。在液壓脹接之前的工序有穿管、定位脹接、管板焊接、管板焊縫無損檢測(cè)、管孔內(nèi)壁清理等,這些工序的操作無法到達(dá)壓痕所處的位置,從而確定是液壓脹接過程產(chǎn)生的壓痕,為此對(duì)液壓脹接過程進(jìn)行了詳細(xì)分析。

液壓脹接脹管器的部分結(jié)構(gòu)如圖4所示。實(shí)施液壓脹接時(shí),在高壓介質(zhì)的作用下,O形密封圈擠壓支撐圈。支撐圈靠向脹接止環(huán),在極大的脹接壓力下,支撐圈變形擠入脹接止環(huán)與傳熱管的間隙內(nèi),實(shí)現(xiàn)密封。

▲圖4 液壓脹接脹管器部分結(jié)構(gòu)

經(jīng)過測(cè)量,壓痕位置對(duì)應(yīng)于脹管器上脹接止環(huán)的前端。經(jīng)過理論分析,如果支撐圈變形后,周向擠入量不同或止環(huán)端面不平齊,則會(huì)導(dǎo)致脹接止環(huán)傾斜,使脹接止環(huán)與管子內(nèi)壁接觸,在內(nèi)壁上留下弧形微小壓痕,如圖5所示。卸壓后,脹接止環(huán)恢復(fù)原狀。

▲圖5 脹接止環(huán)導(dǎo)致壓痕

脹接止環(huán)前端設(shè)有倒角,該倒角有兩個(gè)作用。一是插入脹管器時(shí),避免尖銳的邊沿劃傷管子。二是脹接時(shí),避免脹接止環(huán)外沿壓迫管子。

根據(jù)上述分析,對(duì)某核電蒸汽發(fā)生器所使用的脹管器及脹接止環(huán)進(jìn)行缺陷再現(xiàn)驗(yàn)證。經(jīng)內(nèi)窺鏡檢查,缺陷再現(xiàn)驗(yàn)證傳熱管脹接區(qū)外與產(chǎn)品相同的位置也發(fā)現(xiàn)了類似的環(huán)向痕跡,說明環(huán)向痕跡為因脹接止環(huán)受力不均傾斜后對(duì)傳熱管內(nèi)表面形成的壓痕,并非脹管器與傳熱管內(nèi)表面之間滑動(dòng)產(chǎn)生的劃痕。

為確定壓痕的深度,對(duì)缺陷再現(xiàn)驗(yàn)證的傳熱管壓痕解剖后使用金相顯微鏡測(cè)量,如圖6所示,最大壓痕深度為0.006 mm。經(jīng)設(shè)計(jì)評(píng)估,這些壓痕修磨后即可使用。

▲圖6 缺陷再現(xiàn)壓痕金相測(cè)量

6 技術(shù)管理改進(jìn)措施

為控制液壓脹接后傳熱管內(nèi)壁表面質(zhì)量,降低脹接后環(huán)向壓痕出現(xiàn)的概率,分別從脹接工具改進(jìn)、脹接工具使用、脹接過程控制幾個(gè)方面進(jìn)行研究。

6.1 脹管器改進(jìn)

更改脹管器結(jié)構(gòu),縮短脹接止環(huán)與止動(dòng)螺母間的距離,減少脹接止環(huán)的移動(dòng),從而降低脹接止環(huán)在脹接過程中產(chǎn)生偏斜的可能,降低出現(xiàn)壓痕的概率。

6.2 脹接止環(huán)改進(jìn)

控制脹接止環(huán)與脹接芯軸間隙,保持脹接過程中脹接止環(huán)與傳熱管的同軸度,降低脹接過程中可能發(fā)生的脹接止環(huán)偏移的角度,從而降低脹接止環(huán)與傳熱管內(nèi)壁接觸的概率。

優(yōu)化脹接止環(huán)前端的斜角度,脹接止環(huán)前端增加10°倒角,倒角軸向長(zhǎng)度2.5 mm,并圓滑過渡,不得存在尖銳過渡。改進(jìn)后由于增加10°倒角結(jié)構(gòu),使脹接止環(huán)前端與傳熱管內(nèi)壁間隙變大,即使脹接過程中脹接止環(huán)發(fā)生微小傾斜,脹接止環(huán)與傳熱管內(nèi)壁也不會(huì)出現(xiàn)硬接觸,避免出現(xiàn)壓痕。

6.3 支撐圈使用控制

支撐圈倒角區(qū)倒角尺寸需均勻,在脹接過程中支撐圈壓緊脹接止環(huán)并擠入至傳熱管與脹接止環(huán)間隙時(shí),擠入量均勻,脹接止環(huán)受力均勻,不發(fā)生偏斜。

支撐圈若有卷邊,需要在脹接前予以去除,在修整過程中確保均勻去除支撐圈毛刺。

支撐圈有破損必須更換,支撐圈達(dá)到使用壽命必須更換。

6.4 脹接過程控制

脹接前、脹接過程中增加內(nèi)窺鏡檢查頻次和檢查范圍。每半個(gè)班次對(duì)不少于10%的脹管器脹接后的傳熱管進(jìn)行內(nèi)窺鏡抽查。每班或更換脹接芯軸或脹接止環(huán)后,對(duì)脹管器脹接后的傳熱管首孔進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查。內(nèi)窺鏡的檢查范圍包括脹接區(qū)及二次側(cè)脹區(qū)外約50 mm。如檢查發(fā)現(xiàn)問題,及時(shí)停工處理。

使用前仔細(xì)檢查脹接工具表面,不得存在焊瘤、毛刺、積屑瘤等。

操作者在進(jìn)行液壓脹接時(shí),確保脹管器水平插入。開始脹接后保證脹管器與管板表面頂緊不動(dòng),從而確保芯軸在傳熱管內(nèi)壁不產(chǎn)生滑動(dòng)。

脹接過程中,實(shí)時(shí)檢查易損脹接工具的磨損情況,及時(shí)修整或更換易損脹接工具件。

通過上述液壓脹接工具改進(jìn)、脹接工具使用及脹接過程控制,液壓脹接后再次檢查傳熱管內(nèi)壁,未出現(xiàn)類似的環(huán)向壓痕。

7 結(jié)束語

核電蒸汽發(fā)生器傳熱管全深度液壓脹接是管板接頭制造的關(guān)鍵工序,脹接質(zhì)量直接影響核電廠一、二回路之間壓力邊界的完整性。針對(duì)液壓脹接后發(fā)現(xiàn)的傳熱管壓痕問題,進(jìn)行了多方面的研究,找到了根本原因,并依此制訂了改進(jìn)措施,優(yōu)化脹接工藝,改進(jìn)脹接設(shè)備,加強(qiáng)脹接過程的監(jiān)控,及時(shí)發(fā)現(xiàn)過程中的質(zhì)量問題,及時(shí)糾偏,避免大量共性問題產(chǎn)生。在后續(xù)五臺(tái)相同類型蒸汽發(fā)生器共6萬多個(gè)管孔的液壓脹接過程中,未發(fā)現(xiàn)類似問題,取得了良好的效果。