熱處理溫度對(duì)蒸汽發(fā)生器管子管板連接接頭性能影響

(東方電氣〈廣州〉重型機(jī)器有限公司設(shè)計(jì)部,廣東 廣州 511455)

蒸汽發(fā)生器是核電站的關(guān)鍵設(shè)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(duì)核電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。蒸汽發(fā)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(jìn)行連接，實(shí)踐表明，脹焊連接能夠改善連接處的抗疲勞性能，消除應(yīng)力腐蝕和縫隙腐蝕，提高使用壽命。對(duì)蒸汽發(fā)生器管子管板連接接頭，國內(nèi)外在接頭形式、脹接參數(shù)、數(shù)值模擬等方面均進(jìn)行過較為全面的研究，然而，在高溫?zé)崽幚韺?duì)管子管板連接接頭的性能影響研究上，國內(nèi)外鮮有相關(guān)的試驗(yàn)研究工作，在三代蒸汽發(fā)生器的管板—封頭環(huán)縫局部熱處理時(shí)，熱處理溫度究竟對(duì)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(huán)縫的結(jié)構(gòu)型式、位置及熱處理工藝方案的設(shè)計(jì)。

本文將通過試驗(yàn)研究CAP1400蒸汽發(fā)生器(SG)管板—水室封頭環(huán)縫焊后熱處理對(duì)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(huán)縫焊后熱處理過程中應(yīng)控制的管孔連接接頭溫度上限，為CAP1400 SG產(chǎn)品管板—水室封頭環(huán)縫焊后熱處理工藝方案的優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)研究方案

本試驗(yàn)包含3個(gè)子試驗(yàn)內(nèi)容：封口焊性能影響研究試驗(yàn)、拉脫力性能影響研究試驗(yàn)和密封性能影響研究試驗(yàn)。試驗(yàn)使用的管板、換熱管材料與CAP1400蒸汽發(fā)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(chǎn)品一致。

1.1 焊縫接頭性能影響試驗(yàn)

本試驗(yàn)共設(shè)6塊試驗(yàn)件，用于考察不同熱處理溫度對(duì)焊接接頭性能的影響，試驗(yàn)熱處理溫度覆蓋400～700 ℃，分別對(duì)各塊試驗(yàn)件的焊接接頭進(jìn)行滲透檢測(PT)、射線檢測(RT)、氦檢漏(HT)、金相試驗(yàn)及晶間腐蝕試驗(yàn)，以研究不同熱處理溫度對(duì)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(yàn)

本試驗(yàn)共設(shè)7塊試驗(yàn)件，用于考察不同熱處理溫度對(duì)脹接接頭拉脫力的影響，試驗(yàn)件僅有液壓脹無封口焊，試驗(yàn)熱處理溫度覆蓋350～700 ℃，每塊試驗(yàn)件分參考區(qū)和熱處理區(qū)，分別對(duì)所有接頭進(jìn)行拉脫力試驗(yàn)，以研究不同熱處理溫度對(duì)脹接接頭拉脫強(qiáng)度的影響。如圖1所示。

圖1 拉脫力試驗(yàn)件實(shí)物Fig.1 The test piece of pull-off strength

1.3 密封性能影響試驗(yàn)

本試驗(yàn)共設(shè)4塊試驗(yàn)件，用于考察不同熱處理溫度對(duì)脹接接頭密封性能的影響，試驗(yàn)熱處理溫度覆蓋400～500 ℃，分別在各塊試驗(yàn)件熱處理后進(jìn)行5.5 MPa去離子水的滲漏試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)熱處理后脹接接頭是否仍能滿足產(chǎn)品的密封設(shè)計(jì)要求(漏率≤40 mm/min)。

2 試驗(yàn)研究結(jié)果

2.1 焊縫接頭性能

經(jīng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在工程產(chǎn)品熱處理溫度范圍(400～650 ℃)內(nèi)，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(shè)計(jì)要求，無明顯降低。金相及晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)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F(xiàn)ig.2 Intergranular corrosion of joint after heat treatment at 650℃

2.2 拉脫力性能

經(jīng)試驗(yàn)，得到了7塊試驗(yàn)件在不同熱處理溫度前后的平均拉脫力值，繪制拉脫力強(qiáng)度隨熱處理溫度的變化趨勢(shì)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(jīng)受了熱處理后，拉脫強(qiáng)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(xiàn)先迅速增加到穩(wěn)定維持再到快速衰減的規(guī)律，熱處理溫度在400～600 ℃時(shí)拉脫力值達(dá)到高峰且較為穩(wěn)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(jīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)件在經(jīng)受400～500 ℃的熱處理溫度范圍后，按產(chǎn)品對(duì)脹接接頭的評(píng)定要求進(jìn)行滲漏試驗(yàn)，漏率均仍可滿足評(píng)定要求(≤40 mm/min)，即該熱處理溫度范圍不會(huì)造成接頭密封性的顯著下降。如圖5所示。

圖5 滲漏試驗(yàn)現(xiàn)場圖Fig.5 Leakage test site

3 結(jié)果分析

690鎳基合金的換熱管是一種非常優(yōu)良的耐高溫和耐腐蝕材料，試驗(yàn)結(jié)果表明，該焊接接頭在經(jīng)受650 ℃以下的熱處理溫度時(shí)，其各方面性能不會(huì)發(fā)生明顯的改變，敏化效應(yīng)也并不明顯。

脹接接頭的拉脫強(qiáng)度，與換熱管和管板的殘余接觸壓力和摩擦力有關(guān)，換熱管經(jīng)液壓脹后，會(huì)在過渡區(qū)形成較高接觸壓力的壓力環(huán)，如圖6所示。當(dāng)脹接接頭經(jīng)歷熱處理過程后，殘余接觸壓力進(jìn)行了重分配更趨于均勻，殘余接觸壓力環(huán)的區(qū)域變大，環(huán)數(shù)量可能變多，從而使得接頭的拉脫強(qiáng)度得到較大的提高，然而當(dāng)溫度過高時(shí)，由于溫度對(duì)材料抗拉強(qiáng)度的影響，拉脫強(qiáng)度將出現(xiàn)急劇下降的趨勢(shì)。

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

而對(duì)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(huán)起作用，當(dāng)經(jīng)受高溫?zé)崽幚頃r(shí)，殘余接觸壓力的重新分配，使得壓力環(huán)的最高接觸壓力峰值降低，從而將導(dǎo)致密封性有一定程度的下降。

4 結(jié) 論

通過本試驗(yàn)研究，可以得到以下結(jié)論：

1)熱處理溫度范圍在650 ℃以下時(shí)不會(huì)對(duì)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(qiáng)度隨熱處理溫度的增加呈現(xiàn)先迅速增加到穩(wěn)定維持再到快速衰減的規(guī)律，熱處理溫度在400～600 ℃時(shí)拉脫力值達(dá)到高峰且較為穩(wěn)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(jīng)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(yàn)的設(shè)計(jì)評(píng)定要求；

4)綜合以上3點(diǎn)結(jié)論，表明CAP1400SG管子管板連接接頭上承受400～500 ℃熱處理溫度時(shí)，不會(huì)造成明顯的耐腐蝕和密封性能的降低，同時(shí)拉脫強(qiáng)度還可得到一定的強(qiáng)化，這些研究結(jié)果將為該示范工程產(chǎn)品的環(huán)縫熱處理工藝方案設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)和參考。