王立昆，張盛巖，陳小平

（哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046）

0 概 述

核電換熱器管子管板的脹接，主要是采用機(jī)械脹接或液壓脹接的方式。例如AP1000核電高壓加熱器采用了機(jī)械脹接。倒置立式1 060MW核電高加熱器采用了液壓液袋式的脹接工藝。在AP1000非能動余熱排出熱交換器制造中，采用了橡膠脹接＋液壓脹接＋機(jī)械脹接等方式。

1 脹接作用及原理

脹接廣泛應(yīng)用于換熱器的管子管板連接，是靠管子和管板變形達(dá)到密封和緊固的一種機(jī)械連接。通過擴(kuò)脹管子直徑，使管子發(fā)生塑性變形，管板孔發(fā)生彈性變形，利用管板孔的回彈，對管子施加徑向壓力。常用的管子管板連接形式有三類：強(qiáng)度焊＋貼脹、強(qiáng)度脹、密封焊＋強(qiáng)脹［1］。

2 常見的脹接方法

2.1 機(jī)械脹接［1］

機(jī)械脹接是通過脹管器的旋轉(zhuǎn)，將扭矩或功率傳遞給機(jī)械脹管器，利用脹管器滾柱對管子壁進(jìn)行碾壓，使其逐漸發(fā)生變形，管徑擴(kuò)大，最終產(chǎn)生塑性變形，而管板主要發(fā)生彈性變形，以此使管板和管子間產(chǎn)生一定的擠壓力，進(jìn)而使管子和管板緊密地貼合在一起，從而達(dá)到管子與管板緊固定位的作用。

根據(jù)機(jī)械脹接動力的不同，機(jī)械脹接可分為：手動脹接、風(fēng)動脹接、液壓驅(qū)動脹接、電動脹接。根據(jù)脹接時(shí)的控制形式，又可分為扭矩控制、電流控制、功率控制等。

2.2 液壓脹接［1］

液壓脹接是利用液體壓力作用在換熱管上，使管壁發(fā)生變形的過程。一般分為液袋式脹接、O型密封圈液壓脹接（簡稱液壓脹接）。液壓脹管裝置由兩部分組成，一部分是液壓槍（包括脹頭和增壓油缸），另一部分是移動式泵站（包括電機(jī)，泵，水箱，油箱等）。液壓脹管的脹頭采用密封圈進(jìn)行密封，脹頭密封的結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。液袋式脹接的密封結(jié)構(gòu)為金屬錐形環(huán)結(jié)構(gòu)，脹頭密封的結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。在我國，液袋式脹接技術(shù)已被廣泛應(yīng)用，例如對火電類換熱器的脹接，采用液袋式脹接技術(shù)較多。

圖2 液袋式脹管器

2.3 橡膠脹接

橡膠脹接和液壓脹接都屬于均勻脹接。橡膠脹接是通過氣壓和水增壓泵，通過壓力水加載在脹接拉桿上，使拉力與壓力達(dá)到平衡，組成了一個(gè)內(nèi)力系統(tǒng)。橡膠圈在受到軸向壓縮時(shí)膨脹變形、徑向擴(kuò)張，進(jìn)而形成一個(gè)很高的脹管壓力，從而使管子、管板孔發(fā)生變形，達(dá)到管子管板緊固定位的作用。為防止橡膠在高壓下的軸向移動，在脹頭一端裝有特殊的金屬裂口圈，拉桿用高強(qiáng)度鋼制成，橡膠則采用彈性大，強(qiáng)度高的材料制成。

3 核電換熱器的脹接結(jié)構(gòu)

幾種常見的核電換熱器的管子管板的連接方式，如表1所示。

表1 管子管板的連接方式

3.1 管子管板的三段機(jī)械脹接［2］

AP1000核電高加采用了壁薄、彈性好的不銹鋼換熱管（SA688TP304L?15.88×1.3），管子管板的連接為連續(xù)三段25mm機(jī)械脹接，如圖3所示，脹后的管子拉脫力不小于19 640N。為此，按技術(shù)要求進(jìn)行了三輥機(jī)械脹接工藝技術(shù)的研究，繪制了扭矩與管壁減薄量的相關(guān)曲線、扭矩與拉脫力的曲線，最終確定合適的脹接扭矩為8.5～9N·m，并制定了脹接工藝規(guī)程。

圖3 機(jī)械脹接結(jié)構(gòu)

3.2 管子管板的液袋式脹接［3］

倒置立式1 060MW核電高加采用不銹鋼SA213－TP321薄壁換熱管，管子規(guī)格為?15.88×1.3mm，管子管板連接為液袋式脹接。與常規(guī)火電臥式高加不同，該高加在換熱管U形部位設(shè)有尾部防震支架。換熱管裝配就位后，需對伸出管板換熱管及管板端坡口進(jìn)行切削加工，并采取特制的管端加工刀具，對換熱管及管板坡口進(jìn)行加工［2］。在加工前，首先對管端進(jìn)行定位脹，然后再進(jìn)行管子管板焊接和全程液壓脹接（液袋式）。液壓脹接的結(jié)構(gòu)形式，如圖4所示。由于液袋脹管壓力與管子的直徑、壁厚、材質(zhì)以及管板的材質(zhì)有關(guān)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)提供的公式，計(jì)算脹接的理論壓力范圍，通過試驗(yàn)，最終確定脹接壓力為260～280MPa，控制脹管率小于0.5%（內(nèi)徑控制法）。

圖4 液壓脹接結(jié)構(gòu)

3.3 余熱排出熱交換器

在AP1000非能動余熱排出熱交換器的管子管板連接中，采用了定位脹接＋全程液壓脹＋局部機(jī)械脹接的連接方式［4］。定位脹從管板一次側(cè)表面開始，脹管長度為20mm，如圖5所示。管子管板焊后進(jìn)行全深度液壓脹接，完成后，再對管子管板進(jìn)行局部的機(jī)械脹接，以加強(qiáng)二次側(cè)管束與管孔之間的密封效果，管壁減薄率為4%～6%［5］。通過前期的試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)摸索，獲得到了較佳的脹接效果。

圖5 AP1000余排熱交換器的脹接結(jié)構(gòu)

3.3.1 對于全程液壓脹接，換熱管的壁厚減薄率應(yīng)控制在1.47%～2.35%，脹接壓力為3 000bar（約300MPa）。液壓脹接壓力及壁厚減薄率的變化曲線，如圖6所示。

圖6 液壓脹接壓力及壁厚減薄率的變化曲線

3.3.2 在局部機(jī)械脹接中，當(dāng)功率為310～330W時(shí)，壁厚減薄率為4.13%～5.88%，如圖7所示。當(dāng)功率為285W時(shí)，管子壁厚減薄率也達(dá)到4.42%，這說明機(jī)械脹接有一定的跳躍性，這種跳躍性是機(jī)械脹接的特點(diǎn)所決定的。所以，壁厚減薄率應(yīng)控制在規(guī)定范圍的中等偏下，因?yàn)檫^脹比欠脹的結(jié)果更嚴(yán)重，將功率控制在310～330W比較恰當(dāng)，雖然壁厚減薄率無明顯的遞增趨勢，但可以滿足產(chǎn)品的脹接要求。另外，對于薄壁和小直徑換熱管的脹接，宜采用高轉(zhuǎn)速、小功率進(jìn)行脹接，使脹接力均勻，脹后換熱管的內(nèi)徑碾薄尺寸將趨于一致。因此，選擇脹接轉(zhuǎn)速為680r／min。

圖7 局部機(jī)械脹接功率／壁厚減薄率曲線圖

4 脹接過程及步驟

脹接工藝主要包括了脹接工藝試驗(yàn)和產(chǎn)品脹接，工藝試驗(yàn)前期的技術(shù)準(zhǔn)備工作是否充分，直接決定了產(chǎn)品的脹接質(zhì)量。相關(guān)脹接的技術(shù)準(zhǔn)備和脹接要求，如圖8所示。最后依據(jù)產(chǎn)品的具體脹接要求，編制相關(guān)文件并指導(dǎo)生產(chǎn)。

圖8 AP1000余熱排出熱交換器

4.1 脹接工具及工裝

脹管前，需檢查脹管器是否完好。備好內(nèi)徑百分表、千分尺、深度尺、外徑千分表等測量工具，并準(zhǔn)備好內(nèi)窺鏡、放大鏡、丙酮及干凈的白棉布。脹接后，需對試樣進(jìn)行拉脫力試驗(yàn)。若能進(jìn)行渦流檢測或殘余應(yīng)力檢測則更完善。

4.2 脹接試驗(yàn)［6］

選取與產(chǎn)品相同材質(zhì)和厚度的管板試樣、換熱管試樣。脹接前，測量并記錄管板孔徑以及換熱管內(nèi)外徑，設(shè)定脹接參數(shù)。對管子管板進(jìn)行脹接，記錄脹接參數(shù)，并計(jì)算脹緊率。

根據(jù)具體文件的技術(shù)要求，確定試驗(yàn)項(xiàng)目，例如密封試驗(yàn)、拉脫力、殘余應(yīng)力、解剖等。根據(jù)脹接試驗(yàn)結(jié)果及技術(shù)要求，編寫相關(guān)文件指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

4.3 產(chǎn)品脹接

試樣脹接后，經(jīng)檢測合格，才能按脹接工藝文件的要求，對產(chǎn)品進(jìn)行脹接。脹接后，需檢查脹接面的表面質(zhì)量、尺寸以及密封狀態(tài)等。

5 脹接時(shí)需要注意的問題

5.1 未脹合部位的測量［7］

換熱器管子與管板在機(jī)組運(yùn)行啟停過程中，均要承受溫度和壓力的變化。換熱器運(yùn)行時(shí)，二次側(cè)管子與管板之間縫隙中的有害離子會濃縮、堆集，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。所以，必須嚴(yán)格控制二次側(cè)未脹合尺寸的范圍。目前，對設(shè)備質(zhì)量的要求越來越高，但對于未脹合尺寸的測量存在一定困難，因此，在某些要求較高的核級換熱器制造中，已需采用渦流檢測的方法，測量二次側(cè)的未脹合尺寸。目前，還是采用了較常規(guī)的4種測量方法。

（1）使用內(nèi)窺鏡對內(nèi)孔進(jìn)行觀察，并輔助千分尺進(jìn)行測量。內(nèi)窺鏡設(shè)備，如圖9所示。

圖9 內(nèi)窺鏡檢測設(shè)備

（2）使用內(nèi)徑千分尺，配合專用工裝進(jìn)行測量。

（3）試樣的解剖檢查，解剖后能直觀地反應(yīng)脹接情況，包括脹接區(qū)域長度、未脹合長度等。解剖后的試樣，如圖10所示。

（4）渦流輪廓曲線法，通過高頻通道與低頻通道的信號配合，對未脹合長度進(jìn)行測量。

圖10 試樣的解剖檢查

5.2 選擇合適的脹緊率公式

脹緊率計(jì)算公式可分為內(nèi)徑控制法、壁厚減薄率、外徑控制法等計(jì)算公式。較常用的是內(nèi)徑控制法或控制壁厚減薄率的計(jì)算公式。

內(nèi)徑控制法

減薄率ε＝［（d1＋2t）／d－1］×100%

式（1）中：

H—內(nèi)徑控制法脹管率，%；

ε－脹減薄率，%；

d1—脹完后的管子實(shí)測內(nèi)徑，mm；

d′—未脹時(shí)的管子實(shí)測內(nèi)徑，mm；

t—未脹時(shí)的管子實(shí)測壁厚，mm；

d—未脹時(shí)的管孔實(shí)測直徑，mm；

dW—管子實(shí)測外徑，mm。

根據(jù)采取的不同公式，需要選取不同參數(shù)進(jìn)行測量，各公式之間也可互相轉(zhuǎn)化。在實(shí)際操作中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，選取容易測量的數(shù)值及公式進(jìn)行計(jì)算。有的法規(guī)中規(guī)定：采用內(nèi)徑控制法時(shí)，脹管率一般應(yīng)當(dāng)控制在1%～2.1%［8］范圍內(nèi)；采用管子壁厚減薄率公式時(shí)，一般應(yīng)當(dāng)控制減薄率在10%～12%［8］。一般鍋爐產(chǎn)品的脹管率偏大一些，而在核電換熱器中，壁厚減薄率可根據(jù)脹接方法、材質(zhì)及具體要求進(jìn)行選擇。例如AP1000核電高加三段機(jī)械脹接ε為6%～9%，而倒置立式1 060MW核電高加的液壓脹接，ε可以選擇為1%～4%。所以，針對不同的產(chǎn)品，不同的脹接方法，選擇不同的脹管率。從理論和實(shí)際情況分析，選取產(chǎn)品對應(yīng)的最合適的脹管數(shù)值，但無論是貼脹還是強(qiáng)度脹接，脹管率都不易過大。

5.3 定位脹接的選擇

對AP1000非能動余熱排出熱交換器的管子管板脹接，采用了機(jī)械及橡膠定位的脹接試驗(yàn)，如圖11所示。在管子拉脫力相當(dāng)?shù)臈l件下，機(jī)械脹接的壁厚減薄率為1.47%～3.53%，而橡膠脹接的壁厚減薄率為0.2%～1.2%，如圖12所示。從數(shù)值可以看出橡膠脹接的優(yōu)點(diǎn)，首先受力均勻，壁厚減薄率較小，進(jìn)而產(chǎn)生的應(yīng)力小，其次相比機(jī)械脹接來說，橡膠脹接無壓延效應(yīng)，脹接時(shí)管子不產(chǎn)生軸向伸長，只產(chǎn)生軸向縮短，其縮短量很小。另外，若進(jìn)行二次補(bǔ)脹，內(nèi)徑變化微小，可以較穩(wěn)定的保證脹后尺寸，但需要注意以下兩點(diǎn)：第一選擇合適的脹接壓力。由于橡膠脹接是脹接壓力通過加壓桿擠壓橡膠而產(chǎn)生脹緊力，因此加壓桿上將承受巨大的拉力，當(dāng)脹接壓力過大時(shí)，壓桿容易拉斷［9］，脹接場地的四周應(yīng)有安全措施；第二確定橡膠圈的使用壽命。由于橡膠圈邊緣被擠壓變形，容易磨損，出現(xiàn)毛邊，長度縮短，直徑變大，脹頭無法進(jìn)入新的換熱管，需使用工具進(jìn)行修整。確定像膠圈的使用壽命，避免影響脹接精度。經(jīng)綜合考慮，若制造廠具備條件，優(yōu)先選擇橡膠定位脹接。

圖11 橡膠定位脹接

圖12 橡膠脹接的壁厚減薄率

5.4 液壓脹接及橡膠脹接對管徑的要求

液壓脹頭的兩端設(shè)置O型環(huán)作為密封脹接介質(zhì)［10］，脹接壓力直接通過芯軸的中心孔施加到換熱管的內(nèi)表面，因此，對管徑及焊后管子縮口的要求比較嚴(yán)格，換熱管尺寸過大造成密封圈與管子內(nèi)壁間隙過大，密封不嚴(yán)，無法完成脹接，管子內(nèi)徑尺寸小或焊后管子縮口的尺寸過小，液壓脹頭就不能放入，橡膠脹接時(shí)也會遇到類似問題，一般需要2～3種不同尺寸的脹頭。目前，較重要的核級產(chǎn)品的管子管板連接，采用液壓脹接的方式較為廣泛。當(dāng)使用不同的脹管設(shè)備進(jìn)行脹接時(shí)，需在壓力選取、保壓時(shí)間、循環(huán)次數(shù)等方面進(jìn)行摸索和試驗(yàn)。

6 結(jié) 語

無論是機(jī)械脹接，還是液壓脹接，均已廣泛地應(yīng)用到了各類核電產(chǎn)品制造中。全程液壓脹接具有應(yīng)力均勻、脹接長度大、工作效率高、過渡區(qū)殘余應(yīng)力小［5］等優(yōu)點(diǎn)，并且液壓脹管不受脹接長度的限制，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)管板厚度的全程脹接，使管子與管板形成一體，提高了換熱管的抗振能力。另外，在脹接過程中，需要注意二次側(cè)未脹合長度的測量，控制脹管率的大小，確定定位脹接的脹接方式等。