鐘建偉，盛國(guó)福，蔡權(quán)，高明月，馮亮

（中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司，廣東 陽(yáng)江529500）

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)用螺紋套管材料為AISI 316L 不銹鋼管材，導(dǎo)向管采用國(guó)產(chǎn)的Zr4 鋯合金材料。對(duì)螺紋套管管材原材料采用津上精密數(shù)控縱切車(chē)床BO206-III 進(jìn)行加工，加工后的螺紋套管與100mm 長(zhǎng)的導(dǎo)向管進(jìn)行脹接，脹接尺寸要求在（14.5±0.2）mm。脹接時(shí)，采用直拉桿和錐形拉桿脹接到相應(yīng)尺寸。試驗(yàn)中的脹接設(shè)備為國(guó)產(chǎn)后退式脹接設(shè)備，由液壓缸、拉桿、脹套等組成。試驗(yàn)中，采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)脹接試樣進(jìn)行拉伸。金相試樣采用線切割制備金相試樣，經(jīng)熱鑲嵌后依次用400#、800#、1200#金相砂紙拋光，再經(jīng)過(guò)絨布拋光。使用金相腐蝕液觀察金相組織，腐蝕液配比鹽酸、丙三醇、硝酸與過(guò)氧化氫，各組分的體積百分含量為：40%鹽酸、30%硝酸、20%丙三醇和30%過(guò)氧化氫。

2 結(jié)果與分析

2.1 螺紋套管與導(dǎo)向管的脹接原理

螺紋套管與導(dǎo)向管脹接機(jī)理與鍋爐、換熱器管子與管板的脹接原理相類(lèi)似，即拉桿向后退，撐開(kāi)脹套，脹套的鼓包對(duì)導(dǎo)向管內(nèi)徑進(jìn)行壓延，管內(nèi)壁受到均勻內(nèi)壓后產(chǎn)生塑性變形，管徑不斷增加，導(dǎo)向管外徑脹滿間隙，導(dǎo)向管外徑在脹套作用下徑向擴(kuò)大的同時(shí)，金屬沿著軸向產(chǎn)生流動(dòng)，隨著脹接的增大，內(nèi)徑接觸面四瓣先塑性變形，形成塑性變形深凹區(qū)，當(dāng)管外徑受脹套脹包擠壓，其接觸應(yīng)力使管壁中間接觸區(qū)的局部也開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形，金屬產(chǎn)生徑向擴(kuò)大和軸向流動(dòng)，導(dǎo)向管鋯合金晶粒破碎和金屬流動(dòng)產(chǎn)生的晶格畸變，使導(dǎo)向管脹接部分硬度增加，導(dǎo)向管外徑壁面處于彈性變形與塑性變形階段，之后螺紋套管受到不斷增大的導(dǎo)向管管外徑擠壓，發(fā)生彈性變形，或也存在少量的塑性變形，脹接完成后，螺紋套管的彈性變形回彈，由于其回彈量大于導(dǎo)向管外壁面的回彈量，因此，與導(dǎo)向管間產(chǎn)生徑向殘余壓應(yīng)力。脹接后的拉脫緊固力，由螺紋套管與導(dǎo)向管外壁相互間的殘余壓應(yīng)力、脹管軸向長(zhǎng)度、摩擦系數(shù)等保證，而提高管之間殘余接觸應(yīng)力是關(guān)鍵。

2.2 螺紋套管機(jī)械加工對(duì)拉脫力的影響

國(guó)產(chǎn)的含少量高鎳耐蝕AISI 316L 不銹鋼基體組織為奧氏體，在機(jī)械加工中存在硬度高導(dǎo)致難以車(chē)削而發(fā)生振動(dòng)，韌性高導(dǎo)致斷屑難而纏屑等現(xiàn)象。螺紋套管需進(jìn)行內(nèi)孔加工、外徑加工、螺紋加工等3 個(gè)主要加工工步。本試驗(yàn)采用了2 種不同的加工工藝方案。加工方案a 螺紋套管薄壁處的外徑一次車(chē)削成型，而加工方案b 螺紋套管的薄壁處內(nèi)外徑采取多次車(chē)削成型的方法加工，每次車(chē)削的進(jìn)刀量較小。

分析不同螺紋套管加工工藝對(duì)脹接拉脫力的影響。在脹接后脹包尺寸為14.60mm 的條件下，螺紋套管采用加工方案a 比加工方案b 脹接后拉脫力平均值增大了1 092N，采用方案a 的螺紋套管脹接拉脫力平均值為3 443N，采用方案b 的螺紋套管脹接拉脫力平均值為4 535N。這是由于316L 不銹鋼材料機(jī)械加工時(shí)，采用大進(jìn)給量形變過(guò)程中發(fā)生的組織結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生的強(qiáng)化效應(yīng)引起316L 奧氏體不銹鋼這種低層錯(cuò)能面心立方結(jié)構(gòu)合金加工硬化，其加工硬化系數(shù)高，而且316L奧氏體不銹鋼為亞穩(wěn)態(tài)的不銹鋼，對(duì)彈性應(yīng)力和塑性應(yīng)變非常敏感，在室溫下冷加工時(shí)，部分奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，形變誘發(fā)的馬氏體可增加材料的硬度。螺紋套管加工硬化后，材料進(jìn)行脹接時(shí)，更不易進(jìn)入塑性變形階段。劉福仁等研究認(rèn)為脹接時(shí)管孔板發(fā)生了塑性變形，則得不到殘余壓應(yīng)力，主要是由于材料達(dá)到塑性變形后失去回彈能力，但從不銹鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線來(lái)看，達(dá)到微塑性變形階段時(shí)，塑性區(qū)的回彈量要大于彈性區(qū)的回彈量，意味著螺紋套管達(dá)到微塑性變形時(shí)的回彈能力最大，當(dāng)采用多次變形小進(jìn)給量加工螺紋套管薄壁處時(shí)，其加工硬化和馬氏體轉(zhuǎn)變較小，脹接時(shí)螺紋套管薄壁段處于微塑性階段，回彈能力隨之增加，導(dǎo)致導(dǎo)向管與螺紋套管的殘余接觸應(yīng)力增加，相應(yīng)的拉脫緊固力也隨之增大。因此，316L 螺紋套管進(jìn)入部分塑性狀態(tài)，可增加脹接接頭的拉脫緊固力，但不宜過(guò)度變形，過(guò)度處于塑性變形階段，回彈力消失將因此脹接接頭的強(qiáng)度失效。

2.3 脹套形狀大小對(duì)拉脫力的影響

螺紋套管與導(dǎo)向管的脹接工裝由拉桿和脹套組成，脹接時(shí)通過(guò)拉桿后移，撐開(kāi)脹套對(duì)試樣施加力，脹套的形狀決定了脹包的形狀，在得到較優(yōu)的螺紋套管加工工藝的基礎(chǔ)上，研究了脹套大小對(duì)拉脫力的影響。圖1 為不同脹套過(guò)渡段示意圖，原先脹套過(guò)渡段尺寸為5.90mm，增大至6.13mm 后得知，當(dāng)螺紋套管采用加工方案b 加工后脹接，脹套剖開(kāi)成4 瓣，當(dāng)每一瓣過(guò)渡段增大時(shí)，脹接的拉脫緊固力隨之增加，6.13mm 脹套拉脫力平均值為5 113.2N，而較小過(guò)渡段大小后拉脫力平均值為3 461.1N。這是由于當(dāng)脹接區(qū)域和長(zhǎng)度增加時(shí)，拉脫力隨之增大，且導(dǎo)向管內(nèi)壁金屬塑性狀態(tài)下的晶格畸變?cè)龆嘁约皩?dǎo)向管外壁與螺紋套管內(nèi)壁接觸面積的增大，都將增加螺紋套管與導(dǎo)向管脹接后拉脫緊固力。脹套脹瓣也不宜過(guò)大，避免尺寸過(guò)大，脹接時(shí)對(duì)導(dǎo)向管擠壓力不足。

圖1 不同脹套過(guò)渡段大小示意圖

2.4 脹接成型速度對(duì)拉脫力的影響

為研究脹接成型速度對(duì)脹接拉脫力大小的影響，增大了脹接設(shè)備的液壓油缸壓力，壓力值到達(dá)壓力閥設(shè)定值后，以最大的速度脹接，加快了脹包的成型速度，將脹包尺寸至中值14.50mm，脹包尺寸平均值14.54mm。得知，增大脹接成型速度，脹包的拉脫力平均值5 335.8N，比正常脹接速度拉脫力平均值為5 113.2N 略問(wèn)提高，這是因?yàn)楫?dāng)脹接成型速度增大時(shí)，導(dǎo)向管內(nèi)壁發(fā)生塑性變形的速度加快，晶格畸變能增加，晶粒相互之間的黏結(jié)力增大，可提高脹后拉脫力。

綜上所述，國(guó)產(chǎn)316L 螺紋套管和Zr4 合金導(dǎo)向管脹接，螺紋套管采用較小進(jìn)給量加工方案b，增大脹套過(guò)渡段尺寸至6.13mm 和采用較快的脹接成型速度條件下，脹接試樣拉脫力可達(dá)到了5 300N，解決了脹接拉脫力低于4 500N 的技術(shù)問(wèn)題。由上分析可知，對(duì)脹接拉脫力的影響因素，螺紋套管不同加工方案和增大脹套過(guò)渡段尺寸大小對(duì)拉脫力的影響較大，而脹接成型的速度影響因素次之。

2.5 金相和滲透

為了驗(yàn)證新的工藝方案，還需對(duì)最大尺寸的脹接試樣進(jìn)行金相和滲透檢測(cè)，采用錐形拉桿調(diào)整脹包尺寸至最大值14.70mm，采用較大的脹接液壓油缸壓力進(jìn)行脹接的金相顯微組織。得知，脹接至最大尺寸，試樣無(wú)裂紋，經(jīng)滲透檢查，縱向切割后脹接區(qū)域內(nèi)外表面無(wú)裂紋，從而驗(yàn)證新的加工方案可行。

3 結(jié)論

通過(guò)上述試驗(yàn)過(guò)程，得到以下結(jié)論：

1）螺紋套管加工工藝、脹接成型速度、脹套過(guò)渡段尺寸對(duì)燃料組件國(guó)產(chǎn)原材料的螺紋套管與導(dǎo)向管外管脹接拉脫力有較大影響，且螺紋套管加工工藝和脹套過(guò)渡段最明顯，其次為脹接成型速度；

2）脹接時(shí)螺紋套管處于微塑性階段，回彈能力隨之增加，導(dǎo)致導(dǎo)向管與螺紋套管的殘余接觸應(yīng)力增加，相應(yīng)的拉脫緊固力也隨之增大。