陳 權(quán) 李 雷 余祖愛

(武漢海王新能源工程技術(shù)有限公司)

下泄熱交換器是核電站化學(xué)和容積控制系統(tǒng)中的重要組成部分，其主要功能是將下泄流的溫度冷卻到合適的工作溫度，以便下游工藝設(shè)備對(duì)其進(jìn)行過濾凈化處理，該設(shè)備的安全狀態(tài)和返修進(jìn)度直接關(guān)系到整個(gè)電站能否如期投入商運(yùn)。接頭連接是下泄熱交換器設(shè)計(jì)、制造中最關(guān)鍵的技術(shù)之一，也是事故率最高的部位。

某新建核電站系統(tǒng)冷試前，運(yùn)行人員在進(jìn)行役前檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)下泄熱交換器管子、管板連接接頭存在一處焊縫未填滿的焊接缺陷。由于該類缺陷可能導(dǎo)致連接接頭泄漏和設(shè)備功能失效，從而影響系統(tǒng)安全運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)急需制定一種合理的返修方案，確保設(shè)備質(zhì)量安全可靠、保障項(xiàng)目進(jìn)度又減小經(jīng)濟(jì)損失。

1 下泄熱交換器結(jié)構(gòu)

下泄熱交換器屬于核安全二級(jí)設(shè)備，為臥式U形管熱交換器，由水室入口組件、水室出口組件、換熱管、管板-拉桿-折流板組件、上部筒體組件、下部筒體組件、支承框架以及三角形支架組件等組成[1]。

管板連接形式如圖1所示，管側(cè)設(shè)計(jì)壓力為4.9MPa，設(shè)計(jì)溫度為204℃，材料為核級(jí)材料00Cr19Ni10；殼側(cè)設(shè)計(jì)壓力為1.2MPa，設(shè)計(jì)溫度為93℃，材料為核級(jí)材料20HR-B。其流程布置為下泄流走管內(nèi)，冷卻水走管外，二者流向相反，因此下泄熱交換器為逆流熱交換器。

圖1 傳熱管與管板的連接形式

熱交換器的換熱管與管板通常采用脹接、焊接或脹焊結(jié)合的連接形式。文獻(xiàn)[2，3]表明，脹焊結(jié)合在接頭處的抗拉強(qiáng)度和密封性能要明顯優(yōu)于單獨(dú)脹接或焊接。文獻(xiàn)[4]建議密封性能要求較高的場(chǎng)合宜采用脹焊結(jié)合的形式，脹焊結(jié)合接頭既可采用先焊后脹，也可以采用先脹后焊，但文獻(xiàn)[2，5]表明先焊后脹具有焊接出現(xiàn)氣孔率小、焊縫應(yīng)力平穩(wěn)的優(yōu)勢(shì)。因此，下泄熱交換器采用脹焊結(jié)合的連接方式，先采用鈰鎢極自動(dòng)脈沖旋轉(zhuǎn)氬弧焊進(jìn)行焊接，然后進(jìn)行全深度液壓脹。

2 焊接缺陷及處理方法分析

焊接缺陷是熱交換器管子與管板脹焊連接中常見和亟待解決的問題。下泄熱交換器在水室入口處換熱管與管板焊縫存在一處未填滿現(xiàn)象，焊接缺陷位于水室(管側(cè))入口組件的管板上，焊縫未填滿的形貌特征包括焊縫填充高度不夠和表面有連續(xù)或斷續(xù)的溝槽。

焊縫未焊滿將削弱焊縫的承載能力，并容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。由于管板與換熱管的連接處屬于幾何形狀突變區(qū)，焊接缺陷將導(dǎo)致管板與換熱管連接處可能存在較大的殘余應(yīng)力，設(shè)備運(yùn)行期間，在流體的腐蝕和誘導(dǎo)振動(dòng)的雙重作用下，容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂、縫隙腐蝕和振動(dòng)疲勞破壞，它們之間的相互影響又將加劇連接處的破壞速度。

針對(duì)以上狀況，處理的可選方案有兩種：

a. 換熱管雙端堵管處理。由設(shè)備的傳熱性能計(jì)算知其堵管裕量在10%以上，可進(jìn)行堵管處理。鑒于對(duì)焊縫內(nèi)在質(zhì)量的不確定性，通過對(duì)換熱管兩端堵管處理，避免了因焊縫內(nèi)部潛在缺陷擴(kuò)展而導(dǎo)致泄漏的可能。但在返修工藝的實(shí)施上，需要同時(shí)將水室入口組件和水室出口組件的筒體與法蘭切割開，并對(duì)換熱管兩端與管板的連接處進(jìn)行機(jī)加工處理，以便于與堵頭的裝配焊接。返修工作量大，工藝實(shí)施難度高，且所需的加工設(shè)備(如大型立式機(jī)床等)要求苛刻，堵管的實(shí)施又實(shí)際減弱了設(shè)備在傳熱設(shè)計(jì)方面的預(yù)留裕量，對(duì)保證其運(yùn)行壽命期間的性能產(chǎn)生不利影響。

b. 對(duì)焊接缺陷處進(jìn)行補(bǔ)焊。該方案的實(shí)施應(yīng)首先對(duì)原焊縫的質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)定，確保其焊接質(zhì)量良好、無(wú)泄漏通道，在此基礎(chǔ)上將該連接接頭焊滿。采用氬弧焊的焊接工藝，其焊縫熱影響區(qū)的范圍一般在5.0～6.5mm[6]，遠(yuǎn)小于全深度液壓脹所取的12.0～15.0mm不脹區(qū)的范圍要求，因此，理論上補(bǔ)焊時(shí)產(chǎn)生的焊接熱能量不會(huì)對(duì)脹管區(qū)的材料組織和性能造成不利影響。此外，先脹后焊影響連接接頭脹接強(qiáng)度的主要原因在于焊接殘余變形引起焊縫處換熱管的收縮[7]，而采用補(bǔ)焊工藝時(shí)原有焊縫的存在不僅可以避免先脹后焊容易出現(xiàn)的收弧難的問題，同時(shí)也對(duì)焊接后換熱管的收縮變形起到了良好的限制作用，減弱了焊接對(duì)脹接強(qiáng)度的影響。該返修工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，僅需將水室入口組件的筒體與法蘭切割開。

3 返修工藝與結(jié)果

通過上述對(duì)設(shè)備質(zhì)量的影響分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的施工條件和工藝實(shí)施可行性，最終采用補(bǔ)焊方案進(jìn)行返修，制定的處理工藝流程為：拆除水室入口組件上的連接緊固件、密封墊片和法蘭蓋；采取合適的保護(hù)措施將水室入口組件和管子管板組件進(jìn)行遮蓋保護(hù)，用砂輪切割法蘭與水室筒體間的焊縫；打磨法蘭和水室筒體側(cè)的坡口，并對(duì)坡口PT檢驗(yàn)；對(duì)管子管板焊縫缺陷處進(jìn)行清理，并進(jìn)行氦檢漏和PT檢驗(yàn)，以確保原有焊縫表面質(zhì)量且內(nèi)部無(wú)貫穿性缺陷；PT檢驗(yàn)合格后，采用經(jīng)評(píng)定合格的焊接工藝進(jìn)行補(bǔ)焊；對(duì)補(bǔ)焊焊縫進(jìn)行焊后PT檢驗(yàn)，并按照原設(shè)計(jì)要求進(jìn)行氦檢漏；將切割開的水室入口組件的筒體與法蘭進(jìn)行焊接，并按原設(shè)計(jì)要求進(jìn)行100%PT檢驗(yàn)和100%RT檢驗(yàn)；局部酸洗鈍化；按照原設(shè)計(jì)圖紙要求對(duì)設(shè)備進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后清潔處理。

在制定了詳細(xì)的工藝方案和質(zhì)量計(jì)劃后，現(xiàn)場(chǎng)返修人員嚴(yán)格按照程序和質(zhì)量要求對(duì)設(shè)備進(jìn)行返修，設(shè)備經(jīng)無(wú)損檢測(cè)檢驗(yàn)合格，并順利通過了設(shè)備水壓試驗(yàn)和系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試試驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)下泄熱交換器管子、管板脹焊工藝中焊縫未填滿的焊接缺陷，提出了一種可保證設(shè)備性能、工藝可行、返修方便的工藝方案，設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)返修后，檢驗(yàn)、試驗(yàn)和系統(tǒng)調(diào)試均滿足設(shè)計(jì)要求。

[1] 張世偉.化學(xué)和容積控制系統(tǒng)下泄熱交換器抗震分析[J].原子能科學(xué)技術(shù),2008, 42(z2): 431～433.

[2] 孫祥升.換熱器管子與管板接頭連接方法的試驗(yàn)研究[J].石油化工設(shè)備，1996，(6): 38～40.

[3] 蔡業(yè)彬,陳再良.換熱器管子與管板脹焊接頭制造工藝分析[J].機(jī)械開發(fā), 2000, (1): 47～48.

[4] GB 151-1999，管殼式換熱器[S].北京：國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，1999.

[5] 毛國(guó)東.管殼式換熱器脹焊并用時(shí)脹焊順序探討[J].化工裝備技術(shù),2005, 26(2): 45～46.

[6] 高廣安.關(guān)于氬弧焊焊接熱影響區(qū)寬度的實(shí)驗(yàn)研究[J].工業(yè)鍋爐,1989, (4): 6～8.

[7] 王海峰,馬鳳麗,桑芝富.先脹后焊連接中焊接對(duì)脹接連接強(qiáng)度的影響[J].壓力容器,2010,27(12): 13～ 20.