倪 鵬，惠 虎，＊，王曉東，林紹萱，張麗艷，陳清琦

（1.華東理工大學(xué)承壓系統(tǒng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237；2.上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233）

蒸汽發(fā)生器液壓脹接保壓時(shí)間及拉脫力的研究

倪 鵬1，惠 虎1，＊，王曉東1，林紹萱2，張麗艷2，陳清琦2

（1.華東理工大學(xué)承壓系統(tǒng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237；2.上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233）

蒸汽發(fā)生器是核電站的核心設(shè)備，若在正常工作中發(fā)生泄漏，將影響整個(gè)核動力裝置的穩(wěn)定性和安全性。蒸汽發(fā)生器中管板和換熱管的連接主要靠液壓脹接來完成，液壓脹接處最容易發(fā)生泄漏，針對蒸汽發(fā)生器液壓脹接的研究變得至關(guān)重要。本文進(jìn)行了脹接試驗(yàn)及拉脫力試驗(yàn)，確定了合理的保壓時(shí)間。對脹接過程進(jìn)行有限元分析，研究了不同厚度管板的殘余接觸壓力，并給出蒸汽發(fā)生器拉脫力的理論計(jì)算公式。結(jié)果表明，保壓時(shí)間應(yīng)控制在6～8 s，蒸汽發(fā)生器拉脫力的計(jì)算應(yīng)使用修正后的公式。

蒸汽發(fā)生器；保壓時(shí)間；脹接試驗(yàn)；拉脫力

液壓脹接作為傳熱管和管板的連接方式，已廣泛應(yīng)用于各種換熱器中。蒸汽發(fā)生器中多采用全長度的液壓脹接，相較傳統(tǒng)的機(jī)械滾壓脹接方法，不僅提高了脹接接頭抗震動松脫的能力，還能增加脹接接頭的密封性能以及補(bǔ)償脹接不足或不均勻等問題。目前，一些學(xué)者在保壓時(shí)間和拉脫力方面進(jìn)行了相關(guān)研究。鄒小清［1］通過有限元分析方法研究了蒸汽發(fā)生器傳熱管與管板液壓脹接保壓時(shí)間對殘余接觸壓力的影響。然而僅以有限元分析方法研究保壓時(shí)間對殘余接觸壓力的影響是不夠的，脹接技術(shù)畢竟是一工程性的問題，必須通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。顏惠庚等［2］通過理論研究，得出了拉脫力的理論計(jì)算公式，當(dāng)管板厚度較薄時(shí)，不會產(chǎn)生太大的誤差，但對于較厚管板，須采用修正后的公式進(jìn)行計(jì)算。胡玉紅等［3］通過試驗(yàn)研究了液壓脹接接頭在高溫條件下的拉脫力變化規(guī)律。

本文通過試驗(yàn)的方法研究保壓時(shí)間對拉脫力的影響，確定適合的保壓時(shí)間，通過有限元分析和理論公式研究適用于蒸汽發(fā)生器拉脫力計(jì)算的公式。

1 試樣的設(shè)計(jì)與加工

蒸汽發(fā)生器的傳熱管材料為Inconel690，內(nèi)徑為15.46 mm，壁厚為1.01 mm，管板材料為SA508 Gr.3－Cl.2，管板孔徑為17.73 mm，管間距為24.892 mm，管板厚度為860 mm。由于采用實(shí)際尺寸進(jìn)行脹接及拉脫力試驗(yàn)難度較大，將管板厚度縮小為50 mm和100 mm，其他尺寸保持不變，進(jìn)行脹接試驗(yàn)的研究。通過對不同脹接壓力的有限元計(jì)算及理論公式的計(jì)算，脹接壓力在241～259 MPa時(shí)能夠滿足脹接要求。在實(shí)際脹接工藝評定時(shí)采用（248±14）MPa的壓力進(jìn)行脹接，為參考脹接工藝評定得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文脹接壓力選取為248 MPa。脹接接頭是一個(gè)復(fù)雜的多孔模型，為簡化計(jì)算，基于等效套筒模型，Kohlpaintner［4］根據(jù)彈塑性計(jì)算方法，綜合考慮材料和管板彈塑性應(yīng)變的影響，基于平面應(yīng)力建立了等效套筒外徑公式：

其中：Ds為等效套筒外徑；η為管橋系數(shù)，0.11≤η≤0.63；P為管孔間距。

由式（1）計(jì)算得出等效套筒的外徑為37.63 mm。表1列出管板試樣的加工尺寸，其中管板孔內(nèi)表面的粗糙度為6.3μm。管板加工試樣如圖1所示。

表1 管板試樣的尺寸Table 1 Size of tube sheet sample

圖1 管板試樣Fig.1 Tube sheet sample

2 脹接試驗(yàn)和拉脫力試驗(yàn)

2.1 脹接試驗(yàn)

為了研究保壓時(shí)間對脹接性能的影響，采用厚度為50 mm的管板，在脹接壓力為248 MPa下進(jìn)行脹接，保壓時(shí)間分別設(shè)置為0、4、6、8、10和15 s，每種情況分別脹接兩個(gè)試樣。選用常州蒙特蘭金程機(jī)械有限公司生產(chǎn)的YZJ－300A型超高壓氣液脹管機(jī)進(jìn)行脹接［5］。

2.2 拉脫力試驗(yàn)

拉脫力是檢驗(yàn)脹接接頭好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)，目前，測量拉脫力最廣泛的方法就是拉脫力試驗(yàn)。通過自主設(shè)計(jì)的夾具，對脹接接頭進(jìn)行拉脫力試驗(yàn)，測得不同保壓時(shí)間下的拉脫力。圖2為夾具示意圖。通過INSTRON萬能拉伸機(jī)進(jìn)行拉脫力試驗(yàn)，測得不同保壓時(shí)間下的拉脫力。由于管板與傳熱管發(fā)生滑動即可說明脹接接頭出現(xiàn)安全隱患，所測的拉脫力為拉脫力達(dá)到最大值后，繼續(xù)滑動0.5 mm時(shí)的平均值。圖3為拉脫后拉脫力與保壓時(shí)間的關(guān)系［6］。

圖2 夾具示意圖Fig.2 Schematic of fixture

從圖3可看出：在拉脫過程中，由于需要克服靜摩擦力，拉脫力會先達(dá)到一最大值，當(dāng)傳熱管和管板開始滑動后，主要克服滑動摩擦，拉脫力自然會下降；隨著保壓時(shí)間的增加，拉脫力不斷增加，當(dāng)保壓時(shí)間超過8 s后，拉脫力會有輕微的下降趨勢。而文獻(xiàn)［1］中通過有限元模擬得出保壓時(shí)間為6 s較合適，與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。過短的保壓時(shí)間會導(dǎo)致拉脫力的不足，過長的保壓時(shí)間會降低工作效率，因此保壓時(shí)間為6～8 s較為合理。

3 拉脫力計(jì)算

在拉脫力的計(jì)算中，需要的殘余接觸壓力并不能通過試驗(yàn)直接測得，只能通過有限元方法計(jì)算得出。然后通過已有的理論公式計(jì)算出拉脫力，并與試驗(yàn)測量的結(jié)果進(jìn)行對比，分析理論公式的適用性。

圖3 拉脫力與保壓時(shí)間的關(guān)系Fig.3 Pulling out force vs.pressure holding time

3.1 材料力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)GB／T 228—2010《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》對管板材料SA508 Gr.3－Cl.2進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為0.45 mm／min，測得管板的真應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖4a所示。傳熱管在脹接中，主要沿徑向發(fā)生變形，環(huán)向應(yīng)力要大于軸向應(yīng)力，率先進(jìn)入屈服狀態(tài)。鑒于脹接過程中環(huán)向應(yīng)力較大，因此，本文開展了傳熱管環(huán)向應(yīng)力－應(yīng)變曲線的測試，測得其環(huán)向真應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖4b所示。

3.2 有限元計(jì)算

建立管板厚度為50、100、150、250、350、450、550、650、750和860 mm的三維有限元模型，選取Solid95實(shí)體單元，傳熱管外壁作為接觸面，管板孔內(nèi)表面作為目標(biāo)面建立接觸對。860 mm厚度脹接接頭的有限元模型如圖5所示，表2列出有限元方法計(jì)算出的殘余接觸壓力。

3.3 拉脫力測量

對管板厚度為50 mm和100 mm的試樣進(jìn)行脹接試驗(yàn)，脹接壓力為248 MPa，保壓時(shí)間為8 s，通過試驗(yàn)測得拉脫力，結(jié)果列于表3。

圖4 管板（a）和傳熱管（b）的真應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.4 True stress－strain curves of tube sheet（a）and heat transfer tube（b）

圖5 有限元模型Fig.5 Finite element model

表2 殘余接觸壓力Table 2 Residual contact pressure

表3 拉脫力的測量結(jié)果Table 3 Measurement results of pulling out force

3.4 理論公式的驗(yàn)證

根據(jù)文獻(xiàn)［2］，當(dāng)管板較薄時(shí)，拉脫力可按式（2）進(jìn)行計(jì)算：

當(dāng)管板較厚時(shí)，拉脫力可按式（3）進(jìn)行計(jì)算：

其中：Ri為管板孔內(nèi)半徑；Ro為管板外半徑；ri為傳熱管內(nèi)半徑；ro為傳熱管外半徑；Et和Es分別為傳熱管和管板的彈性模量；μt和μs分別為傳熱管和管板的泊松比。

根據(jù)表2中殘余接觸壓力，管板厚度為50 mm時(shí)，由式（2）計(jì)算出摩擦系數(shù)為0.125。代入式（3）可得F＝41 326×（1－e－0.0035L）。分別根據(jù)式（2）、（3）計(jì)算管板厚度為50 mm和100 mm時(shí)的拉脫力，結(jié)果列于表4。

表4 不同公式計(jì)算的拉脫力Table 4 Calculation results of pulling out force using different formulas

從表4可知：當(dāng)管板厚度為50 mm時(shí)，兩個(gè)公式計(jì)算出的拉脫力差距并不大，并且與試驗(yàn)值相符，當(dāng)管板厚度為100 mm時(shí)，式（3）計(jì)算出的拉脫力與試驗(yàn)值較接近，而式（2）計(jì)算出的拉脫力與試驗(yàn)值差距較大。用兩個(gè)公式分別計(jì)算管板厚度為150、250、350、450、550、650、750和860 mm時(shí)的拉脫力，拉脫力與脹接長度之間的關(guān)系如圖6所示。

圖6 拉脫力的理論計(jì)算結(jié)果Fig.6 Theoretical calculation results of pulling out force

從圖6可看出，當(dāng)管板厚度超過100 mm后，兩個(gè)公式計(jì)算出的拉脫力差值越來越大。式（2）計(jì)算出的拉脫力隨著脹接長度的增加呈直線增加，當(dāng)管板厚度為860 mm時(shí)，拉脫力達(dá)到130 k N，這顯然與實(shí)際情況不符。而式（3）計(jì)算出的拉脫力隨著脹接長度的增加其增大速率不斷減慢，當(dāng)管板厚度為860 mm時(shí)，拉脫力為39 200 N，并基本維持穩(wěn)定狀態(tài)。

參考某單位的脹接技術(shù)評定結(jié)果，針對800 mm厚度的管板進(jìn)行脹接，其管板孔內(nèi)壁粗糙度為3.2μm，在248 MPa脹接壓力下，測得的拉脫力的最大值為18 542 N。本文研究的管板孔內(nèi)表面粗糙度為6.3，在其他條件相同的前提下，粗糙度變大，摩擦系數(shù)會增大，測得的拉脫力必大于18 542 N。這一結(jié)果與式（3）計(jì)算的結(jié)果更接近，與式（2）的計(jì)算結(jié)果偏差更大。因此，式（2）不適用于管板厚度超過100 mm的拉脫力計(jì)算，而式（3）比較適合蒸汽發(fā)生器這種管板很厚的脹接接頭拉脫力的理論計(jì)算。

4 結(jié)論

1）通過脹接試驗(yàn)研究表明，過短的保壓時(shí)間導(dǎo)致拉脫力較小，過長的保壓時(shí)間會降低脹接的效率，合理的保壓時(shí)間為6～8 s，該保壓時(shí)間為工程實(shí)際應(yīng)用提供了可靠的試驗(yàn)參數(shù)。

2）拉脫力并不隨著脹接長度的增加而呈直線增加，通過試驗(yàn)和理論的計(jì)算表明，隨著脹接長度的增加，拉脫力的增加速率不斷減小。

3）對于管板厚度小于100 mm時(shí)的拉脫力計(jì)算，式（2）和式（3）計(jì)算出的結(jié)果差距不大，當(dāng)管板厚度超過100 mm后，利用式（3）計(jì)算出的拉脫力與實(shí)際值較接近，具有更大的參考價(jià)值。蒸汽發(fā)生器管板傳熱管脹接后拉脫力的理論計(jì)算，應(yīng)采用式（3）進(jìn)行計(jì)算。

［1］鄒小清.蒸汽發(fā)生器管子管板液壓脹保壓時(shí)間數(shù)值模擬［J］.壓力容器，2010，27（9）：26－30. ZOU Xiaoqing.Numerical simulation of pressure maintain of hydraulically expanded tube－to－tube sheet joints in steam generator［J］.Pressure Vessel，2010，27（9）：26－30（in Chinese）.

［2］顏惠庚，李培寧.換熱器的液壓脹管研究（四）——脹接接頭的拉脫力和壓脫力［J］.壓力容器，1998，15（5）：25－28.YAN Huigeng，LI Peining.Research on hydraulic expanding of heat exchangers（4）：The pulling and pushing out force of expanded joints［J］.Pressure Vessel，1998，15（5）：25－28（in Chinese）.

［3］胡玉紅，陳龍，張強(qiáng)，等.換熱器管板脹接接頭高溫下拉脫實(shí)驗(yàn)研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2009，9（15）：4 534－4 538.HU Yuhong，CHEN Long，ZHANG Qiang，et al.The experiment research of expansion joint of heat exchanger under high temperature［J］.Science Technology and Engineering，2009，9（15）：4 534－4 538（in Chinese）.

［4］KOHLPAINTNER W R.Calculation of hydraulically expanded tube－to－tube sheet joints［J］.ASME Journal of Pressure Vessel Technology，1995，117（1）：24－30.

［5］宋祥春，王福春.Inconel 690管子脹接工藝試驗(yàn)［J］.壓力容器，2006，23（10）：34－36.SONG Xiangchun，WANG Fuchun.Testing about hydraulic expanding of Inconel 690 tube［J］.Pressure Vessel，2006，23（10）：34－36（in Chinese）.

［6］段成紅，錢才富.換熱器管子與管板接頭拉脫力的研究［J］.北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，24（3）：308－312.DUAN Chenghong，QIAN Caifu.Research on expansion joints of heart exchanger tube－to－tube sheet［J］.Journal of Beijing University of Chemical Technology，2007，24（3）：308－312（in Chinese）.

Research of Pressure Holding Time and Pulling out Force of Hydraulic Expansion in Steam Generator

NI Peng1，HUI Hu1，＊，WANG Xiao－dong1，LIN Shao－xuan2，ZHANG Li－yan2，CHEN Qing－qi2
（1.Key Laboratory of Pressure Systems and Safety，Ministry of Education，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China；2.Shanghai Nuclear Engineering Research ＆Design Institute，Shanghai 200233，China）

The steam generator is the key equipment of nuclear power plant.The stability and safety of the whole nuclear power plant will be affected by the leakage of steam generator during the normal work.The tube and tube sheet are connected by hydraulic expansion in steam generator.This expansion joint is the location liable to leak.It’s of vital importance to study the hydraulic expansion of steam generator.According to expansion test and pulling out force test，the reasonable pressure holding time was determined.On the basis of the finite element analysis，the residual contact pressures of different thick tube sheets were researched.The theoretical calculation formula of pulling out force was also presented.The results show that pressure holding time should be controlled in 6－8 s and the pulling out force in steam generator could be calcu－lated with revised formula.

steam generator；pressure holding time；expansion test；pulling out force

TK223.1；TK222

：A

：1000－6931（2015）12－2234－05

10.7538／yzk.2015.49.12.2234

2014－11－12；

：2015－03－19

國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目（ZB02K02）

倪 鵬（1990—），男，山東滕州人，碩士研究生，化工過程機(jī)械專業(yè)

＊通信作者：惠虎，E－mail：huihu＠ecust.edu.cn