蒸汽發(fā)生器換熱管襯管液壓脹接工藝研究

張夢(mèng)金，劉曉陽(yáng)，茹 靜

(1.中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000；2.常州陽(yáng)發(fā)機(jī)械有限公司，江蘇 常州 213144)

0 引言

蒸汽發(fā)生器是核電廠(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的重要裝置,它作為將反應(yīng)堆的熱量傳遞至二回路介質(zhì)以產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)做功的中間傳熱裝置,可以有效避免核電廠(chǎng)的放射性泄漏,而其中的傳熱管是其不可缺少的重要組成部分[1]。但傳熱管在長(zhǎng)期的高溫、高壓等環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生化學(xué)或機(jī)械損傷,當(dāng)損傷程度達(dá)到傳熱管破損的維修標(biāo)準(zhǔn)時(shí),就需要對(duì)其進(jìn)行維修,以控制放射物冷卻劑不被外泄到汽輪機(jī)、冷凝器乃至周邊環(huán)境中。

國(guó)內(nèi)對(duì)于傳熱管的維修主要有堵管和襯管兩種方式。其中,堵管是在破損傳熱管的兩端分別增加堵頭,達(dá)到有效將破損傳熱管與一回路介質(zhì)相隔離的目的。但堵管對(duì)于傳熱管的使用壽命有不可逆轉(zhuǎn)的損耗,當(dāng)一段傳熱管的20%被堵管時(shí),蒸汽發(fā)生器發(fā)電能力的裕量就會(huì)喪失。因此,自20世紀(jì)70年代以來(lái),襯管技術(shù)的使用更為廣泛,它既能延長(zhǎng)蒸汽發(fā)生器的使用壽命,又能減少功率損失,大大提高了維修的經(jīng)濟(jì)效益。襯管技術(shù)是指將一段外徑稍小于傳熱管內(nèi)徑的金屬管插入傳熱管內(nèi),襯在有缺陷的部位,然后用脹接或是焊接的方法將襯管兩端與傳熱管形成密封,而脹接襯管技術(shù)又可以根據(jù)施加到襯管內(nèi)壁作用力的不同形式劃分為液壓脹接和機(jī)械脹接。本文主要的研究方向?yàn)閷?duì)襯管進(jìn)行液壓脹接。液壓脹接是指將襯管放入有缺陷的傳熱管內(nèi),覆蓋住缺陷處后,在襯管內(nèi)放入液壓脹管器具,液壓流體經(jīng)過(guò)增壓裝置增壓后通過(guò)芯軸的出水孔注入兩端與芯軸密封的彈性體內(nèi)部的柱形空腔,通過(guò)給液體加壓使液體在柱形空腔中產(chǎn)生足夠的徑向推力,使得套管發(fā)生塑性變形、換熱管發(fā)生彈性變形,從而使兩管緊密貼合[2]。

1 脹接試驗(yàn)用材料

本次試驗(yàn)以Inconel 690襯管為試驗(yàn)對(duì)象,Inconel 690是一種高鉻鎳合金,耐腐蝕和耐高溫能力優(yōu)異,并且還具有高強(qiáng)度、良好的冶金穩(wěn)定性等特點(diǎn)[3],因此被廣泛運(yùn)用于核能發(fā)電中的蒸汽發(fā)生器管等處。試驗(yàn)通過(guò)采用液壓脹接工藝測(cè)試不同壓力程度時(shí)內(nèi)、外管的壁厚與復(fù)合程度,結(jié)合換熱管外徑變化情況分析其最佳脹接壓力區(qū)間,為液壓脹接工藝中Inconel 690合金管的最佳脹接壓力參數(shù)及復(fù)合管材料和尺寸選擇上提供理論依據(jù),論證復(fù)合管液壓脹接技術(shù)在蒸汽發(fā)生器維修方面的可靠性。

脹接試驗(yàn)用材料均為Inconel 690,傳熱管規(guī)格為Φ19.05 mm×1.09 mm,襯管規(guī)格為Φ16.5 mm×1 mm,其機(jī)械性能參數(shù)如表1所示。

表1 Inconel 690機(jī)械性能參數(shù)

2 脹接前處理

脹接前的處理主要是為了保證試驗(yàn)中的作業(yè)環(huán)境相同,排除無(wú)關(guān)因子的干擾,保證試驗(yàn)只有單一變量,以確保試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性。

2.1 管子安裝前的檢查

管子表面經(jīng)檢查無(wú)裂紋、嚴(yán)重銹蝕等缺陷,無(wú)刻痕,無(wú)邊緣毛刺,無(wú)超過(guò)0.3 mm的麻點(diǎn),表面粗糙度Ra≤12.5 μm。兩根管材均固定平整牢固,通過(guò)試裝檢查,局部管段與開(kāi)始時(shí)設(shè)計(jì)的安裝位置偏差為3 mm以?xún)?nèi)。

2.2 脹管器工作前的檢查

脹管器的注水孔通暢,周身無(wú)毛刺、無(wú)尖銳棱角,增加液壓后徑向明顯膨脹且無(wú)漏液現(xiàn)象,卸壓后能順利收縮,徑向尺寸無(wú)增大,從而可保證增壓后脹管器能從傳熱管內(nèi)順利拔出。

2.3 清洗

在脹接前,需要對(duì)襯管與傳熱管進(jìn)行管內(nèi)氧化物與沉積物的清除工作,以滿(mǎn)足脹管過(guò)程中襯管與傳熱管內(nèi)壁無(wú)雜質(zhì)干擾[4]、緊密貼合的規(guī)范狀態(tài)。清潔時(shí)建議使用干刷法。

2.4 試脹

脹接前應(yīng)進(jìn)行試脹,以檢查脹管的質(zhì)量和管材的脹接性能。在試脹工序中,應(yīng)對(duì)試樣進(jìn)行比較性檢查,檢查脹口部分是否有裂紋,脹接過(guò)渡部分是否有劇烈變化,喇叭根部與管孔壁的結(jié)合狀態(tài)是否良好,然后檢查管孔壁與管子外壁接觸表面的印痕和嚙合狀況。根據(jù)檢查結(jié)果,確定合理的脹管率。

3 試樣脹接

3.1 第一次試驗(yàn)——襯管破裂極限試驗(yàn)

在進(jìn)行液壓脹接的過(guò)程中,襯管靠近頂端的部分必須脹管,以達(dá)到能與蒸汽發(fā)生器的管子緊密貼合。如果發(fā)生過(guò)脹,會(huì)使管子對(duì)應(yīng)力腐蝕裂紋更加敏感;反之則會(huì)導(dǎo)致襯管與傳熱管之間出現(xiàn)空隙,使脹管質(zhì)量變差,不利于后續(xù)焊接工藝的實(shí)施。因此,得到脹管設(shè)計(jì)尺寸所需的壓力值、極限壓力值是關(guān)鍵。

通過(guò)本次襯管破裂極限試驗(yàn),確定當(dāng)Φ16.5 mm×1 mm inconel 690管材的外徑脹大至Φ21.5 mm時(shí),根據(jù)圖1可看出管子并未發(fā)生破裂現(xiàn)象,說(shuō)明在將來(lái)兩管復(fù)合試驗(yàn)中,外管未發(fā)生明顯變形時(shí)內(nèi)管不會(huì)因管壁減薄而破裂。此時(shí)脹接壓力值為50 MPa,保壓時(shí)長(zhǎng)為1 s。

圖1 襯管極限脹接示意圖

3.2 第二次試驗(yàn)——襯管與傳熱管的復(fù)合

本次使用常州陽(yáng)發(fā)機(jī)械有限公司制造的YZ-200T型液壓脹管機(jī)進(jìn)行液壓脹接試驗(yàn),每個(gè)深孔脹接采用預(yù)制的液壓脹管器來(lái)完成徑向施壓,接桿帶有軸向調(diào)節(jié)定位套,便于控制脹接深度位置。有效脹接長(zhǎng)度40 mm,伸入長(zhǎng)度600 mm,脹管器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 非標(biāo)脹管器結(jié)構(gòu)示意圖

襯管長(zhǎng)度1 000 mm,傳熱管長(zhǎng)度700 mm,襯管比傳熱管更長(zhǎng)一點(diǎn)便于在完成脹接試驗(yàn)后使兩管拉動(dòng)或扭動(dòng),檢查抗拉脫力的存在,從其他角度檢驗(yàn)兩管貼合情況。脹接前分別測(cè)量襯管、傳熱管的內(nèi)外徑尺寸,襯管外徑與傳熱管內(nèi)徑之間單邊初始間隙約0.18 mm。

試驗(yàn)中,襯管與傳熱管復(fù)合后傳熱管外徑發(fā)生塑性變形時(shí)的內(nèi)部壓力值為115 MPa,保壓時(shí)長(zhǎng)1 s。實(shí)際取值110 MPa時(shí),保壓時(shí)長(zhǎng)1 s,傳熱管外徑尺寸未發(fā)生明顯變化,經(jīng)過(guò)線(xiàn)切割側(cè)切可明顯看出脹接區(qū)域經(jīng)過(guò)液壓脹接,襯管變形顯著,襯管外壁與外管內(nèi)壁貼合致密,如圖3所示,試驗(yàn)符合預(yù)期。

圖3 脹管前、后線(xiàn)切割側(cè)切圖

試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表2所示。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

3.3 襯管壁厚在脹接前后變化的比較和認(rèn)識(shí)

在換熱管兩端無(wú)固定時(shí),管子長(zhǎng)度的變化通常是:機(jī)械脹接會(huì)使管子變長(zhǎng),液壓脹接會(huì)使管子變短。液壓脹接使兩端無(wú)固定的管子在軸向的尺寸收縮,支撐了在徑向的膨脹,收縮的量隨脹接長(zhǎng)度的增加而增加。在脹接長(zhǎng)度為40 mm時(shí),軸向收縮量約為1.5 mm。多個(gè)試驗(yàn)樣本支持此現(xiàn)象的結(jié)論。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)核電站常用的管材——Inconel 690合金進(jìn)行液壓脹接技術(shù)研究,確定了脹管過(guò)程中的重要參數(shù),然后在YZ-200T型液壓脹管機(jī)上進(jìn)行復(fù)合管液壓脹接的試驗(yàn),可以推導(dǎo)出材質(zhì)為Inconel 690、規(guī)格Φ19.05 mm×1.09 mm的傳熱管與Φ16.5 mm×1 mm的襯管脹接壓力區(qū)間位于105 MPa～110 MPa時(shí),脹接后兩管貼合的恰到好處,且在此過(guò)程中預(yù)制的脹管器的高壓密封性、使用壽命、操作難度、所使用介質(zhì)等均符合預(yù)期或相關(guān)要求,為我國(guó)核電設(shè)備制造、維修提供了可供參考的理論依據(jù)與數(shù)據(jù)積累,以期更好地提高核電廠(chǎng)運(yùn)行安全性與維修經(jīng)濟(jì)效益。