某新型蒸汽發生器全深度液壓脹的質量風險及預防

朱明軍

（海軍裝備部駐上海地區某代表室，上海 200129）

0 引言

新型核動力蒸汽發生器在設計和制造中，管子與管板的脹接采用液壓脹接[1]，為了保證管子與管板的脹接質量，必須正確了解脹接工藝，并掌握評價脹管質量的關鍵指標。

新型核動力蒸汽發生器的脹管液體為A級水，要求在脹管過程中控制壓力在一定范圍內，通過一定時間的保壓，使管子與管板之間的間隙消除，管子與管板孔貼緊。管子直段全深度脹管在管板孔中的長度應不超過管板二次側表面，平均未脹縫隙深度應不小于2.3 mm，且最大縫隙深度應小于6.4 mm。管子脹接后在任何橫截面深度上脹后管子直徑的局部變化，或沿短的軸向長度的某直徑方向上，管子擴脹半徑變化量ΔR≤0.13 mm。液壓脹工藝采用的材料不應損害管子或管板堆焊層并且不能造成劃痕或與管子表面表面咬合。

1 工藝過程分析

液壓脹管的方法[2]是利用液壓系統產生的超高壓液體，通過液壓脹管器的控制回路注入預先置入被脹管子指定部位的芯軸（見圖1）與管子內壁被脹部位形成的密封環形空腔，使管子內壁產生很大的徑向壓力，使管子產生屈服和塑性變形，這樣使管子與管板之間的間隙消除，管子與管板貼緊。

圖1 液壓脹接芯軸工作示意圖

液壓脹接的優勢包括：脹接接頭質量高、脹接長度不受限制、拉脫力及脹接強度高和脹管效率高等[3]。

液壓脹接實現管子與管孔全深度的貼合，并保證適當的殘余接觸壓力，管子和管板脹接完成后，在深度方向上形成3個區域，即脹接區、過渡區和未脹區[4]，具體見圖2。

圖2 管子管板脹接區域示意

2 主要質量風險

根據以往核動力蒸汽發生器制造經驗，液壓脹接過程中會發生管內壁劃傷、局部凸起和脹接長度超過管板二次側面造成管子隆起等，而這些也是制造過程中的主要質量風險。

新型核動力蒸發器采用SA508管板母材和INCONEL690合金管，對產品脹后管內的缺陷進行檢測和分析發現，脹接區、過渡區及未脹區中出現的缺陷有所區別。

在脹接區，主要的缺陷類型為一定深度的軸向劃痕，并且在圓周方向和數量上沒有明顯的分布規律。

在脹接過渡區，主要的缺陷類型為整個圓周方向的軸向壓痕。

在未脹區，主要的缺陷類型為內徑突然增加或周向的不規則變形，管徑在超出管板厚度的軸向位置先增加，而后減小至管子初始內徑。當變形嚴重時，從外側目視檢查，可見明顯的管外凸起甚至撕裂。

3 預防措施和試驗論證

3.1 脹接區的軸向劃痕

對進行脹接的芯軸進行檢查，在膨脹止環及導向頭表面出現毛刺，同時在膨脹支撐圈表面有金屬顆粒，毛刺或金屬顆粒與劃痕出現的周向位置基本一致。

此類脹接區劃痕的產生主要有2個原因：1）脹接芯軸插入過程中與管子管板焊縫或其它金屬類零部件磕碰，在膨脹止環位置產生的毛刺之后與管子發生相對運動；2）前道工序在管內殘留的金屬顆粒被脹接芯軸帶入脹接區域并與管子發生相對運動。

一般為了避免此類缺陷的產生，應進行以下2個方面的工藝改進：

1）對脹接芯軸接觸管子的金屬部件進行倒角設計，并在芯軸設計時要求導向頭采用尼龍材料，且導向頭與膨脹止環的外徑略大于金屬擋環部件，以在進入管子過程中起到保護作用。

2）在液壓脹接前，使用無油壓縮空氣或無紡白布對管子進行清理，并對管子和管口進行清潔度檢查，避免管子內異物的殘留。

3.2 脹接過渡區的壓痕

液壓脹接過程中，管子壁厚會減薄[5-9]，由于直徑的擴大，管子長度會減小。當管端一側與管板焊接形成剛性連接，另一端過渡區域，止環與管壁發生接觸后，管子繼續向固定側移動，則會產生劃傷缺陷。

一般芯軸采用開口式膨脹止環，在脹接過程中開口端與管子接觸并產生徑向位移，此時膨脹止環與管子產生摩擦，因此在過渡區域產生整個圓周方向的壓痕。

對脹接芯軸的結構進行改進，將開口式膨脹止環更換為整體式金屬止環，避免了徑向的位移，經過脹接試驗和檢測，在過渡區的壓痕基本消除。

3.3 未脹區的凸起

未脹區管徑的增加或凸起缺陷主要是由于芯軸脹接長度過長引起的。影響芯軸脹接長度的因素主要有以下幾個方面：管板厚度、芯軸質量、芯軸長度的測量、芯軸上附件的固定和橡膠圈的磨損等。

針對這些影響因素，分別進行了相關工藝試驗，試驗采用與管板相同厚度的SA508材料試板及INCONEL690合金管。

1）管板厚度

脹接過程中，管板實際厚度應考慮管子管板焊余高和二次側倒角尺寸，對實際厚度的測量需要包含這2個因素，避免出現偏差。一般管子管板余高在0.3 mm左右，二次側倒角尺寸在0.3 mm～0.5 mm。

2）芯軸質量

隨機抽取了不同項目采購的芯軸，在相同脹接參數下，芯軸會有一定的彈性伸長，伸長量為1.19 mm～1.23 mm。在脹接參數固定下，反復對芯軸進行打壓循環，同一根芯軸在50次循環下伸長量最大值為1.26 mm，最小值為1.09 mm。另外增加不同的脹接壓力，壓力越大，芯軸受到的拉應力越大，彈性伸長越大，見圖3。

圖3 芯軸彈性伸長與脹接壓力的關系示意圖

3）芯軸長度的測量

芯軸長度設定后，應設計專用的測量臺架，避免使用鋼板尺或鋼卷尺，因讀取誤差太大導致設定長度存在不準確性。

4）芯軸上附件的固定

一般芯軸的前端鎖緊螺母采用緊固螺釘固定，螺釘緊固在一個小的圓柱面，脹接過程中，芯軸反復發生彈性變形，緊固螺釘松動，隨后鎖緊螺母松動，導致止環向前位移，脹接終點向管板二次側方向移動。

一般芯軸的后端有適配器連接脹槍和脹桿，由于操作不當可能發生適配器松動，適配器的松動影響芯軸的脹接長度明顯變化。

5）橡膠圈的磨損

用同一根芯軸，芯軸設定長度相同下，芯軸前端（靠近二次側）分別使用新聚氨酯橡膠圈、有翻邊情況的橡膠圈、及不同磨損情況模擬產品孔脹接過程工況，經過試驗（見表1）可以發現，橡膠圈的磨損對未脹尺寸有一定影響。

表1 橡膠圈磨損影響未脹尺寸數據

通過以上試驗分析，未脹區的凸起缺陷的原因主要是由于芯軸脹接長度的設定及芯軸上附件的固定。

針對芯軸脹接長度的設定，應充分考慮相關影響因素，包括管板厚度、管子管板焊余高、芯軸脹接過程中的后退量、管孔二次側倒角、芯軸脹接過程中的彈性伸長量及目標預留的未脹縫隙。

針對芯軸上附件的固定，應在每次脹接前及更換附件后，要求操作人員手動觸摸確認附件無松動，如有必要，應擰緊并加固。在脹接過程中應抽查脹接后的未脹間隙值的變化，當未脹間隙尺寸連續出現小于0.5 mm并逐漸趨近于0的情況，應停止脹接并分析原因。

4 結論

在新型核動力裝置蒸汽發生器的設計和制造中，由于高溫高壓的介質特性，往往導致管板厚度大，因此對管子管板的液壓脹接質量要求很高。

通過對液壓脹接的工藝和過程進行試驗和分析，總結了不同脹接區域可能產生的缺陷及原因，為了有效提高液壓脹接的質量，應注意避免相關影響因素的發生，改進脹接工藝及工具，并加強脹接過程中的管控。