張振華

（上海核工程研究設(shè)計院，上海200233）

通過對國內(nèi)外生產(chǎn)實踐經(jīng)驗的總結(jié)以及對各種研究資料數(shù)據(jù)的統(tǒng)計[1-3]，結(jié)果表明，大多數(shù)換熱器的失效均發(fā)生在換熱管與管板的連接部位?？梢哉J為，換熱器的質(zhì)量在很大程度上取決于管子與管板的脹接質(zhì)量及其可靠性。為了保證管子與管板的脹接質(zhì)量，必須正確了解脹接工藝，并掌握評價脹管質(zhì)量的關(guān)鍵指標。

目前，常用的脹接方式有機械脹接[4]、液壓脹接[5]、橡膠脹接[6]和爆炸脹接[7]等，在核級熱交換器設(shè)計和制造中，前三種脹接方式較為常見。其中，機械脹接由于成本低，設(shè)備簡單而被廣泛采用，但機械脹接存在著管子被脹部分內(nèi)部粗糙、殘余應(yīng)力大、生產(chǎn)效率低等缺點。從20世紀七八十年代開始，為了進一步提高脹接強度和結(jié)構(gòu)的可靠性，液壓脹接方法逐漸受到更多關(guān)注，液壓脹接的生產(chǎn)效率高、定位精確、殘余應(yīng)力小，同時腐蝕傾向比機械脹接小很多，這些優(yōu)勢都進一步推動了液壓脹接技術(shù)的發(fā)展。

1 液壓脹管的方法和優(yōu)點

液壓脹管的方法[8]是利用液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的超高壓液體（油或水），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脹軸與管子內(nèi)壁被脹部位形成的密封環(huán)形空腔，使管子內(nèi)壁產(chǎn)生很大的徑向壓力，迫使管子產(chǎn)生屈服和塑性變形，這樣使管子與管板之間的間隙消除，管子與管板孔貼緊。當超高壓液體使管板孔沿著徑向部分產(chǎn)生塑性變形，而部分仍處于彈性狀態(tài)時，將超高壓液體卸載。這時，處于彈性變形部分的管板力圖恢復原狀，但是又受到了已經(jīng)產(chǎn)生塑性變形的管子的反作用力。于是便在管板和管子的結(jié)合面上產(chǎn)生了很大的抱緊力，這種抱緊力，又稱為徑向殘余壓應(yīng)力，以保證管子與管板之間的連接強度和密封性能。

以圖1和圖2為例，液壓脹管芯軸一般是由特定（硬度和尺寸）的O形環(huán)、密封橡膠和金屬環(huán)組成密封系統(tǒng)，芯軸的長度隨著管板厚度進行調(diào)整，這也是液壓脹接相對于機械脹接的優(yōu)勢之一。其中，液壓脹芯軸具有一定的脹管循環(huán)次數(shù)壽命，應(yīng)嚴格控制。

相對于其他脹管方式，液壓脹接具有如下優(yōu)勢：

（1）脹接接頭質(zhì)量高

圖1 液壓脹接工作示意圖Fig.1 Schematic of hydraulic expansion

圖2 液壓脹接工作原理詳圖Fig.2 Hydraulic expansion principle

液壓脹管具有使管壁受力均勻、換熱管軸向伸長量少、加工硬化均勻等優(yōu)點，同時脹接區(qū)與未脹接區(qū)的交界不明顯，過渡比較光滑，殘余應(yīng)力小，抗疲勞和抗應(yīng)力腐蝕性能好。

（2）脹接長度不受限制

機械脹接的脹接長度受到了管徑和脹管器長度的限制，脹管總長度與脹接深度難以滿足現(xiàn)階段需求，而液壓脹接法不受其限制，可實現(xiàn)整個管板厚度上的全深度脹接，從而大大提高了換熱管與管板的脹接質(zhì)量。

（3）拉脫力及脹接強度高

一般來說，在脹管率相同的情況下，單位長度的脹接強度機械脹管是大于液壓脹管的，但是液壓脹接能實現(xiàn)管板全長度的脹接，因為脹接長度的提高，能大大提高脹接接頭拉脫力。因此，在大部分情況下，液壓脹接的拉脫力都是大于機械脹接的。

（4）脹管效率高

制定脹管工藝時，不僅要保證脹接質(zhì)量，還要保證生產(chǎn)效率。一般來說，每個脹接接頭，液壓脹管要比機械脹管少用1 min左右。因此，液壓脹比機械脹在使用上具有明顯的優(yōu)勢，工作效率能得到顯著提高。

同時，液壓脹管也能達到機械脹管的密封效果，甚至通過不同環(huán)境下具體使用情況分析[9]，液壓脹管的整體密封性可能還優(yōu)于機械脹管。

2 液壓脹管的機理分析

換熱管和管板的脹接最終要達到一定的連接強度和緊密性，即接頭具有一定的拉脫力和密封性能。而拉脫力是由換熱管和管板脹接后產(chǎn)生的徑向殘余壓應(yīng)力形成的，也就是說脹接的機理就是了解換熱管與管板之間的徑向殘余壓應(yīng)力是如何獲得的。液壓脹管的過程通常可分為三個主要階段，分別如圖3和圖4所示。

1）第一階段：對換熱管內(nèi)表面施加均勻內(nèi)壓，使換熱管發(fā)生彈塑性變形，直到換熱管外壁與管板孔內(nèi)壁接觸。這一階段管板不受力，也稱為換熱管的變形階段，對應(yīng)圖3中o-a-b-c過程；對圖4來說就是換熱管外壁從R1膨脹到管板孔初始內(nèi)壁R2位置處，也就是圖4中1（1′)處。

2）第二階段：隨著脹接壓力的繼續(xù)增加，換熱管與管板孔內(nèi)壁接觸后繼續(xù)膨脹，直至管板孔壁部分或者全部進入塑性狀態(tài)，這一階段稱為對管板的加載階段。當管板不發(fā)生塑性變形時對應(yīng)圖3中c-d過程，當管板發(fā)生塑性變形時，對應(yīng)圖中c-d-e-f過程；對圖4來說，就是換熱管和管板孔內(nèi)壁一起膨脹到2(2′)點處，也就是液壓脹接的最高點。

3）第三階段：當脹接壓力達到預定值時，卸去脹接壓力，管板產(chǎn)生彈性恢復力，施加在脹后的管子外壁上形成接觸壓力，從而達到脹接的目的。當管板不發(fā)生塑性變形時對應(yīng)圖3中d-d′過程，當管板發(fā)生塑性變形時，對應(yīng)圖3中f-f′過程。以管板發(fā)生塑性變形為例，卸壓后管板孔內(nèi)壁從f點處應(yīng)回彈到h′處，換熱管外壁從i點處回彈到i′處，但實際因二者相互擠壓，最終管孔管壁的回彈路線為f-f′；因為不管管板是否發(fā)生塑性變形，在其卸載時的回彈行為仍為彈性，對圖4來說，管板孔本應(yīng)從2點彈性回復到3點，換熱管外壁本應(yīng)從2′點彈性回復到3′點，同樣因為二者相互擠壓，最終平衡在4（4′)的位置處。

圖3 液壓脹接原理示意圖Fig.3 Schematic of hydraulic expanding principle

圖4 液壓脹接機理簡圖Fig.4 Mechanism of hydraulic expansion

從以上三個階段可以發(fā)現(xiàn)，液壓脹接卸壓后，換熱管外壁和管板孔內(nèi)壁會產(chǎn)生相互擠壓的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象產(chǎn)生了徑向的殘余接觸壓應(yīng)力，正是這種接觸壓應(yīng)力讓管子與管板孔達到了緊密貼合的脹接效果。

3 液壓脹管的性能考核要求

一般來說，對管子管板脹接接頭最關(guān)心的兩個性能指標分別是脹接接頭的拉脫力和密封性能，而這兩個指標都和脹接后管子與管板之間的殘余接觸壓力有關(guān)。同時，對安全性要求十分嚴格的設(shè)備，比如用于核電站的熱交換器，尤其是安全相關(guān)的，工作環(huán)境和介質(zhì)復雜的設(shè)備，還應(yīng)特別關(guān)注脹接后管子管板的殘余應(yīng)力的大小，因為能夠減低管子管板脹接后的殘余應(yīng)力，對防治應(yīng)力腐蝕開裂具有非常重要的意義[10-11]。以下分別對這三個考核指標進行分析。

（1）脹接接頭拉脫力要求

無論是用于化工行業(yè)還是用于核電行業(yè)的熱交換器的脹接接頭都會有接頭拉脫力的要求。如GB151—1999《管殼式換熱器》中就要求管子管板脹接接頭設(shè)計時，應(yīng)考慮接頭拉脫力的最低值要求，一般該最低值是指接頭拉脫力應(yīng)大于換熱管內(nèi)外壓差導致的軸向拉力。也有標準，如法國核電標準RCC-M《壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》就規(guī)定在滿足最低值要求之外，還應(yīng)使換熱管按名義橫截面積確定的應(yīng)力大于換熱管在20 ℃的規(guī)定最小屈服強度的一半。

（2）脹接接頭密封性要求

一般脹管之后都需要對脹接接頭進行水壓試驗以驗證脹接接頭的密封性。如法國核電標準RCC-M《壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》就規(guī)定用5%有機紅的除鹽水針對不同的密封要求做不同壓力下的水壓試驗，如對沒有進行焊接密封的脹接接頭，水壓試驗壓力為：最高工作壓力不大于1.0 MPa時：2 MPa；最高工作壓力大于1.0 MPa時：2倍最高工作壓力。

（3）接頭殘余應(yīng)力要求

脹接接頭的殘余應(yīng)力是核級熱交換器脹接接頭必須重視的問題，特別是對核安全一級熱交換器而言，必須嚴格控制殘余應(yīng)力的大小。目前，對殘余應(yīng)力的測量方法主要有：用全釋放法來測量換熱管的殘余應(yīng)力，特別應(yīng)注意脹接過渡區(qū)的殘余應(yīng)力；用X射線衍射法來測量管板的殘余應(yīng)力。但是對殘余應(yīng)力的評定工作還比較困難，很多時候只能通過經(jīng)驗來判斷。

最終影響液壓脹管性能的因素有很多，包括管子與管板的材質(zhì)（力學性能、硬度差值等）、管橋的寬度、管孔的橢圓度、管子與管板的配合間隙等[12]，但對脹接接頭的主要考核指標或者說達到性能的要求依然是脹接強度、密封性和管子管板殘余應(yīng)力的大小這3個指標。

4 典型核級熱交換器脹接接頭結(jié)構(gòu)工藝介紹

某核安全級熱交換器中的換熱管與管板的連接采用：全深度液壓脹并在一次側(cè)焊接和二次側(cè)端機械脹的方法。具體工藝過程為前端橡膠定位脹、換熱管與管板焊接、焊縫氦氣檢漏試驗、全深度液壓脹、末端機械密封脹，脹接范圍如圖5所示。

其中，定位脹為橡膠脹，長度為20 mm；全深度液壓脹在整個管板厚度上進行，末端未脹接最大縫隙深度小于4 mm，不允許超脹，整個換熱管應(yīng)均勻地脹接；全深度脹之后，為保證末端的密封性，防止殼側(cè)水進入管板孔和管子之間可能存在的縫隙，從而腐蝕管板（此例中管板材料為碳鋼，易腐蝕），還需進行機械脹，脹接長度為25 mm，末端未脹接縫隙深度應(yīng)為1～3 mm，同時應(yīng)保證換熱管的壁厚減薄量控制在4%～6%之間。

在該管子管板接頭中用到了3種脹接方式，分別為橡膠脹、液壓脹和機械脹。橡膠脹定位；全深度液壓脹保證脹接強度和接頭可靠性；機械脹保證密封性，多種脹接方式的混合使用，很好地保證了整個脹接接頭的性能，其中，橡膠脹和機械脹都是因特殊需要而進行的，主要的脹接方式仍然為液壓脹接。這是一個較為典型的、充分利用各種脹接方式優(yōu)勢的管子—管板接頭工藝，具有一定的參考價值。

5 結(jié)論

液壓脹管相較于其他脹管方式有其固有的優(yōu)勢，特別是在核級熱交換器的設(shè)計和制造中，由于高溫高壓的介質(zhì)特性，往往導致管板厚度大，對管子管板的脹接質(zhì)量要求高。因此，液壓脹接在核級熱交換器中得到了廣泛的應(yīng)用。當然，目前仍然有許多工作需要開展，比如脹接接頭殘余應(yīng)力的驗收指標，比如不同因素對最終脹接接頭性能的影響等。相信通過越來越多的研究和技術(shù)的不斷進步，液壓脹接將發(fā)揮越來越大的作用。

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