核級熱交換器管子管板脹接及質量控制

石曾偉，高俊根，劉世輝

（中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124）

0 概 述

CPR1000項目中的核級換熱器主要有余熱排出熱交換器、安全殼噴淋熱交換器、再生和下泄熱交換器等，這些換熱器設備的可靠性對核電廠的正常運行和安全很重要。在這類換熱器制造過程中，管子管板的脹接工序是重要的質量控制環節。脹接不僅可以起到保證一次側和二次側隔離密封的作用，還可以起到吸收二次側帶來的振動載荷等作用。

1 核級換熱器

余熱排出熱交換器是典型的核2級換熱器。該熱交換器的主要功能是在電廠停堆期間，從堆芯和反應堆冷卻劑系統RCP排出熱量，使反應堆冷卻劑溫度降至冷停堆值，以便進行維修和換料操作。余熱排出熱交換器為立式U型管式熱交換器，管側為雙程，殼側為單程，設備的整體制造和驗收，需符合RCCM2000＋2002標準的要求?，F以余熱排出熱交換器為例，介紹管子管板脹接工藝及其質量控制要素。

2 管子管板的液壓脹接

余熱排出熱交換器的管子管板連接，采用了焊接加脹接的工藝形式。脹接和焊接的先后順序對管子管板的焊接質量影響較大，如果先脹后焊，則在脹接過程中殘留在間隙中的空氣、濕氣或油等雜質，不易被清理干凈。在焊接時，這些雜質會發生膨脹，因已脹接，雜質氣體不能從管板反面逸出，只能從管子管板的焊接熔池中沖出，容易造成熔池內流體金屬翻騰，從而形成氣孔等焊接缺陷，且焊縫處的高溫使已脹接管子管板的局部區域發生松馳現象，影響了脹接效果。采用先焊后脹的工藝順序，可明顯降低管板焊接接頭的焊接缺陷，并保證了焊口處于良好的應力狀態［1］。

目前，管子管板連接采用的脹管工藝主要有機械滾脹、液壓脹接、爆炸脹管、橡膠脹管等，由于液壓脹接是在管子內表面施以靜壓，使管子產生塑性變形，脹接效果較好，脹接狀態也較易控制，現已被眾多制造商廣泛采用。余熱排出熱交換器的管子管板脹接，采用O形環法液壓脹接，將2個O形環作為密封介質，分別設置在脹管器芯軸兩端，脹管壓力直接通過芯軸的中心孔施加到換熱管的內表面，使換熱管發生塑性變形，達到與管板緊密貼合的目的。

管子管板的液壓脹接可分幾個階段，開始加壓后，管子的管壁受力發生屈服，產生塑性變形，消除管子與管板的間隙。繼續加壓后，管板孔壁部分或全部進入塑性狀態。再加壓至脹接工藝要求的最大脹管壓力。當脹接壓力達到預定值后，卸去脹接壓力，管板產生彈性恢復力施加在脹后的管子外壁上形成接觸壓力，從而達到脹接密封的目的。

3 管子管板液壓脹接影響因素

影響管子管板液壓脹接質量的因素，主要存在于幾個方面。

（1）脹接清潔度的控制

如果管子表面有硬質異物或劃傷等問題，在脹接過程中就可能會損傷換熱管，而一旦發生損傷，在后續工序中幾乎不可能被發現，當核級設備運行一段時間后，在應力、腐蝕及高溫作用下，換熱管的缺陷會逐漸發生擴展造成設備停用，降低了設備運行的可靠性。

（2）管子與管板之間的間隙控制

余熱排出熱交換器的管板孔徑與換熱管的間隙，一般控制在0.0625～0.225mm，如果此間隙過小，管子未完全發生塑性變形及管板未充分發生彈性變形時就己完成脹接，在脹接區域產生的殘余接觸壓力不夠，達不到脹接密封的效果。如果間隙過大，就需要更大的脹接力，會引起脹接過渡區較大的殘余應力及管子壁厚減薄率，降低了管子過渡區抗應力腐蝕的能力，過大的脹接力還可能造成管子與管板接觸之前就被脹裂。因此，管子管板間隙應控制在一個合理的范圍內。

（3）脹接力大小的選取

從脹接殘余接觸壓力的分布來看，脹接會在管板兩端形成兩個峰值壓力環帶，峰值壓力環帶提高了液壓脹接接頭的密封性，而在管子與管板軸向中間區域，殘余接觸壓力分布較均勻，為較穩定的壓應力，隨著脹接壓力的增加，殘余接觸壓力的峰值也會增加［2］，脹接力的提高，會提高管子管板的拉脫力，增加密封效果。在管子脹接過渡區，應力腐蝕裂紋的萌生和擴展與脹接時所形成的殘余應力密切相關。隨著脹接力的增加，會造成管子過渡區內殘余應力的增加。殘余應力的存在，會使靠近管板的管子發生應力腐蝕開裂，造成管子與管板接頭失效［3］。同時，隨著脹接力的增加，管子壁厚減薄率也會增加，實際脹接中，并不希望過脹使管壁變得太薄而使接頭性能下降。

因此要綜合考慮管子管板材料特性、管子管板拉脫力、界面殘余接觸壓力、過渡區殘余應力及管子減薄率等因素，經計算和驗證才能確定脹接力的大小。余熱排出熱交換器管子管板脹接壓力經脹接評定和計算，一般控制在約240MPa。

（4）管子相對管板屈服強度的大小

如果管子材料的屈服強度小于管板材料的屈服強度，需要的脹接壓力較小。脹接完成時管板能夠保持較好的彈性，管板材料的回彈能力較好，便于達到脹接效果。如果管子比管板的屈服強度大，管子與管板接觸后增加管子的屈服會更難，而管板的屈服變得相對較容易，這樣管板回彈能力比管子弱，殘余接觸壓力會減?。?］。余熱排出熱交換器管子管板均采用同種材料00Cr19Ni10，材料塑性較好，對屈服強度要求也一樣，即Rp0.2≧175MPa，兩者實際情況下屈服強度相差很小，對脹接效果影響較小。

（5）其它影響因素

其它影響因素如脹接長度等。一般來講，脹接長度越小，脹接兩端殘余接觸壓力受影響越大，相反，脹接長度越大，脹接兩端殘余接觸壓力受影響越小，而中間段殘余接觸壓力受影響很小，脹接拉脫力主要受脹接中間段影響。核2、3級換熱器管板厚度一般不超過200mm，如余熱排出熱交換器脹接長度為194mm，由于均采用了全深度脹接，故脹接長度對脹接影響很小。

4 管子管板液壓脹接質量控制

4.1 脹接前檢查

管子管板焊接后及脹接前均需進行氣密性試驗，試驗壓力為0.3MPa，一定要在氣密性檢查無泄漏后再進行脹接。

管板鉆孔尺寸檢查。檢查管孔尺寸是否超差，管孔尺寸和管子外徑尺寸直接決定了脹接時的間隙尺寸，間隙尺寸偏小，可能造成穿管困難，間隙尺寸偏大，不能確保脹接質量。還需重點檢查管板的孔橋尺寸，如果尺寸超差，可能給后續穿管工序造成困難，超差大了，還可能造成管子之間發生干涉。檢查管孔表面及內壁表面質量，包括清潔度，如果有劃傷等，要及時處理，避免在后續穿管及脹接過程中發生質量問題。

換熱管的質量檢查。在使用換熱管前要完成管子的入廠復驗工作，在管子制造過程中要注意管子無損檢測情況，如果超聲波或渦流檢測有超標缺陷，甚至發生有漏檢現象，在后續脹接過程中隨著缺陷擴展，可能造成的質量隱患是比較嚴重的，而且不易及時發現。穿管前須檢查管子外觀質量，余熱排出熱交換器清潔度等級為A22，根據RCCM F6331關鍵性表面的檢查要求，如換熱管表面及管板表面應做A檢查，同時表面不應有劃傷，氧化色等，穿管后注意檢查管端與管板表面的平齊度。

在脹接前，應進行脹接工藝評定，以驗證脹接工藝參數的合理性。脹接工藝評定時，需檢測管子脹后壁厚的減薄量，一般控制在0.05～0.1mm，假定脹接時管子發生塑性變形，管板發生彈性變形，脹接前后管子收縮忽略不計，其計算公示為：

e＝0.5（e0－（D0－D1）），其中e0為脹接前管子壁厚，D0為管板實際孔徑，D1為脹接后管子內徑。

在管子脹接的過渡段應保證無幾何不連續區域，控制好過渡段長度。在泄漏試驗驗證時，通過二次側施加5%有機紅除鹽水并在一定壓力下（至少為二次側最高工作壓力的1.5倍，但不超過5 MPa），用指示器對試樣一次側進行檢驗。在拉脫力試驗驗證中，按照RCCM F4423要求，分別為：

管子的拉脫力應至少為基本力的2倍：

其中：F為拉脫力，P為第2類工況下，即只有管程設計壓力，殼程設計壓力為零時的最大壓差，D為管子內徑。

按名義橫戴面積確定的應力，應大于管子20℃最小屈服強度的0.5倍：

其中：F為拉脫力，S0為管子的名義截面積。不同換熱器的換熱管和管孔尺寸不同，檢查時應注意要求值的區別。以余熱排出熱交換器為例，管側和殼側設計壓力分別為4.65MPa和1.1MPa。設備所用換熱管和管板的力學性能，如表1所示。采用YZJ－350D型脹管機，脹接長度為200mm時，所得5組脹接測量數據，如表2所示。

表1 U型管和管板力學性能數據表

表2 5組脹接測量數據

根據公式（1）和（2），所計算拉脫力數值分別為1 432N和4 123N。根據表2數據可知，在脹接長度為200mm的情況下，脹接力設定在240MPa左右是可行的。脹接評定的有效期一般為3年，從車間最后運用該工藝之日起計算，評定的使用可延長至相同期間。

在正式脹接產品前要進行試脹，試脹所用管板試樣應按與產品設備制造相同的方法鉆孔和清洗，管板試樣和U型管試樣要與產品為相同材料牌號和基本相同尺寸規格。試脹樣品經尺寸和拉脫力檢測合格后，才能在產品上脹接。在試脹件上進行試脹時，注意校對脹接壓力，控制脹接的壓力偏差在0～5MPa。

4.2 脹接過程中的質量控制

在脹接時，所涉及到的脹接規程、質量計劃、脹接記錄等文件應置于脹接現場，做到有據可查。脹接規程應規定操作流程及操作過程中的重要注意事項，規程編制后，工藝人員應向檢查人員和操作人員進行培訓和技術交底。

脹接操作人員和檢查人員須持證上崗，操作人員應經過培訓和考核合格后，才能進行相關的脹接操作。

液壓脹管機的基本脹接順序是注水 →脹接→抽水 →復位。脹接設備應經過標定合格后才能投入使用，操作者應檢查脹桿是否符合工具尺寸的要求，不同直徑的脹桿應標識清楚，分類放置，尤其是補脹用脹桿，在補脹時不能用錯。

脹接的環境溫度需在5℃以上，脹管工作應在專用的清潔棚中進行，脹接場地必須清潔，無鐵屑、油污等雜物。脹接時，應隨時注意管子內壁及焊縫表面等清潔情況。

操作人員應嚴格按脹接規程要求操作，脹接工作的持續時間較長，檢查人員應注意隨時巡檢。開始脹接時，注意檢查每班次開始脹接時的脹管壓力。脹接后注意O型圈是否破壞。脹接時要固定好脹管器，防止脹接時發生振動，某公司在蒸發器管子管板脹接時，發生過因液壓脹芯軸固定不好造成芯軸的應力集中，引發疲勞最后造成脹桿斷裂的事件［5］。每次脹接后，須檢查脹桿是否發生彎曲或出現折痕，一旦發生必須更換；注意檢查每根脹桿的使用次數，如果達到使用次數限值必須更換。如發生脹桿斷裂事件，可能要采取堵管措施，這樣會降低換熱器的效率。

脹接操作過程中，必須對已脹管孔和未脹管孔及需補脹管孔做好標記，以防止漏脹和重脹。有些檢驗人員通過目視檢查管子端部內壁表面，以脹前和脹后的光澤差判斷是否完成脹接，這種檢驗方法不可取，檢查不仔細容易造成漏檢。因此，對已脹管孔和未脹管孔做好明顯標識才是最穩妥的。

脹接后的尺寸檢查是對實際脹接質量符合性驗證的主要手段，主要檢查壁厚減薄量和脹接過渡段尺寸，針對余熱排出熱交換器等，檢查脹接長度，脹接區不能超出管板殼側表面，一般將脹接長度控制在管板殼側表面內2～5mm，傳熱管脹接部分與非脹接部分應圓滑過渡，不應有棱角，脹接后管子的壁厚減薄量控制在0.05～0.1mm。

5 結 語

分析了管子管板的液壓脹接過程和脹接質量的影響因素，總結了脹接前及脹接過程中的質量控制要點。脹接工藝評定、原材料質量、脹接設備可靠性、清潔度、脹接力波動等是影響脹接質量的重要因素，作為從事質量控制人員，應在脹管程序控制中進行嚴格的監督和檢查。