熱處理溫度對蒸汽發生器管子管板連接接頭性能影響

(東方電氣〈廣州〉重型機器有限公司設計部,廣東 廣州 511455)

蒸汽發生器是核電站的關鍵設備，是一、二回路的壓力邊界，也是一、二回路熱交換的場所，其對核電站的安全穩定運行有著至關重要的作用。蒸汽發生器為U型換熱管管殼式換熱器，其換熱管通過脹焊連接接頭與管板進行連接，實踐表明，脹焊連接能夠改善連接處的抗疲勞性能，消除應力腐蝕和縫隙腐蝕，提高使用壽命。對蒸汽發生器管子管板連接接頭，國內外在接頭形式、脹接參數、數值模擬等方面均進行過較為全面的研究，然而，在高溫熱處理對管子管板連接接頭的性能影響研究上，國內外鮮有相關的試驗研究工作，在三代蒸汽發生器的管板—封頭環縫局部熱處理時，熱處理溫度究竟對管子管板連接接頭的性能有怎樣的影響，接頭可接受的溫度范圍決定了管板—封頭環縫的結構型式、位置及熱處理工藝方案的設計。

本文將通過試驗研究CAP1400蒸汽發生器(SG)管板—水室封頭環縫焊后熱處理對管子管板連接接頭的性能影響，掌握不同熱處理溫度影響下連接接頭密封性能和拉脫性能的變化情況，確定管板—水室封頭環縫焊后熱處理過程中應控制的管孔連接接頭溫度上限，為CAP1400 SG產品管板—水室封頭環縫焊后熱處理工藝方案的優化提供指導。

1 試驗研究方案

本試驗包含3個子試驗內容：封口焊性能影響研究試驗、拉脫力性能影響研究試驗和密封性能影響研究試驗。試驗使用的管板、換熱管材料與CAP1400蒸汽發生器一致，即管板材料為SA-508 Gr.3 Cl.2，換熱管材料為SB-163 N06690。管孔排列方式、孔間距等與產品一致。

1.1 焊縫接頭性能影響試驗

本試驗共設6塊試驗件，用于考察不同熱處理溫度對焊接接頭性能的影響，試驗熱處理溫度覆蓋400～700 ℃，分別對各塊試驗件的焊接接頭進行滲透檢測(PT)、射線檢測(RT)、氦檢漏(HT)、金相試驗及晶間腐蝕試驗，以研究不同熱處理溫度對焊接接頭的宏觀和微觀性能的影響。

1.2 拉脫力性能影響試驗

本試驗共設7塊試驗件，用于考察不同熱處理溫度對脹接接頭拉脫力的影響，試驗件僅有液壓脹無封口焊，試驗熱處理溫度覆蓋350～700 ℃，每塊試驗件分參考區和熱處理區，分別對所有接頭進行拉脫力試驗，以研究不同熱處理溫度對脹接接頭拉脫強度的影響。如圖1所示。

圖1 拉脫力試驗件實物Fig.1 The test piece of pull-off strength

1.3 密封性能影響試驗

本試驗共設4塊試驗件，用于考察不同熱處理溫度對脹接接頭密封性能的影響，試驗熱處理溫度覆蓋400～500 ℃，分別在各塊試驗件熱處理后進行5.5 MPa去離子水的滲漏試驗，以評價熱處理后脹接接頭是否仍能滿足產品的密封設計要求(漏率≤40 mm/min)。

2 試驗研究結果

2.1 焊縫接頭性能

經試驗，發現在工程產品熱處理溫度范圍(400～650 ℃)內，焊接接頭的PT、RT檢查均無不可接受缺陷顯示，HT漏率均可滿足設計要求，無明顯降低。金相及晶間腐蝕試驗結果均未有明顯的改變。典型的晶間腐蝕和金相照片如圖2和圖3所示。

圖2 650 ℃熱處理后接頭晶間腐蝕照片Fig.2 Intergranular corrosion of joint after heat treatment at 650℃

2.2 拉脫力性能

經試驗，得到了7塊試驗件在不同熱處理溫度前后的平均拉脫力值，繪制拉脫力強度隨熱處理溫度的變化趨勢如圖4所示。

圖4 拉脫力隨熱處理溫度變化曲線Fig.4 The curve of pull-off strength versus heat treatment temperature

可以看到，脹接接頭在經受了熱處理后，拉脫強度可得到一定程度的提高，接頭的拉脫力隨熱處理溫度的變化呈現先迅速增加到穩定維持再到快速衰減的規律，熱處理溫度在400～600 ℃時拉脫力值達到高峰且較為穩定，而熱處理溫度高于650 ℃后接頭的拉脫力快速下降。

2.3 密封性能

經試驗，試驗件在經受400～500 ℃的熱處理溫度范圍后，按產品對脹接接頭的評定要求進行滲漏試驗，漏率均仍可滿足評定要求(≤40 mm/min)，即該熱處理溫度范圍不會造成接頭密封性的顯著下降。如圖5所示。

圖5 滲漏試驗現場圖Fig.5 Leakage test site

3 結果分析

690鎳基合金的換熱管是一種非常優良的耐高溫和耐腐蝕材料，試驗結果表明，該焊接接頭在經受650 ℃以下的熱處理溫度時，其各方面性能不會發生明顯的改變，敏化效應也并不明顯。

脹接接頭的拉脫強度，與換熱管和管板的殘余接觸壓力和摩擦力有關，換熱管經液壓脹后，會在過渡區形成較高接觸壓力的壓力環，如圖6所示。當脹接接頭經歷熱處理過程后，殘余接觸壓力進行了重分配更趨于均勻，殘余接觸壓力環的區域變大，環數量可能變多，從而使得接頭的拉脫強度得到較大的提高，然而當溫度過高時，由于溫度對材料抗拉強度的影響，拉脫強度將出現急劇下降的趨勢。

圖6 換熱管過渡區壓力環Fig.6 The pressure ring in the transition zone of the heat exchanger tube

而對于密封性而言，則正好相反，脹接接頭的密封性主要靠峰值壓力環起作用，當經受高溫熱處理時，殘余接觸壓力的重新分配，使得壓力環的最高接觸壓力峰值降低，從而將導致密封性有一定程度的下降。

4 結 論

通過本試驗研究，可以得到以下結論：

1)熱處理溫度范圍在650 ℃以下時不會對接頭焊縫的宏觀性能和耐腐蝕能力造成影響；

2)脹接接頭的拉脫強度隨熱處理溫度的增加呈現先迅速增加到穩定維持再到快速衰減的規律，熱處理溫度在400～600 ℃時拉脫力值達到高峰且較為穩定，而熱處理溫度高于650 ℃后接頭的拉脫力將快速下降；

3)脹接接頭在經受400～500 ℃熱處理后，密封性能無顯著降低，仍可滿足接頭滲漏試驗的設計評定要求；

4)綜合以上3點結論，表明CAP1400SG管子管板連接接頭上承受400～500 ℃熱處理溫度時，不會造成明顯的耐腐蝕和密封性能的降低，同時拉脫強度還可得到一定的強化，這些研究結果將為該示范工程產品的環縫熱處理工藝方案設計提供重要依據和參考。