王仕航，鄭東宏，范安全，譚遠(yuǎn)紅

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200030)

0 引言

蒸汽發(fā)生器(Steam Generator，簡(jiǎn)稱(chēng)SG)是核電站蒸汽動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的核心設(shè)備，將一次側(cè)堆芯產(chǎn)生的熱量通過(guò)U形管束傳至二次側(cè)，將二回路的水汽分離干燥后，傳至汽輪機(jī)發(fā)電，其一次側(cè)是RCS系統(tǒng)壓力邊界的一部分[1-3]。傳熱管是壓水堆一回路壓力邊界的重要組成部分，是防止放射性裂變產(chǎn)物外泄的重要屏障，也是一回路系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)之一。傳熱管長(zhǎng)期在高溫高壓環(huán)境及高輻射劑量介質(zhì)的沖刷下，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械或化學(xué)損傷，當(dāng)傳熱管損傷達(dá)到破損維修標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，就需要對(duì)其進(jìn)行維修，以防止放射性冷卻劑材料外泄。堵管是在破損傳熱管兩端分別增加堵頭，從而有效地將破損傳熱管隔離于一回路介質(zhì)外。目前各國(guó)在核電站維修實(shí)踐中，主要采用爆炸堵管、焊接堵管和機(jī)械堵管三類(lèi)堵管方式。堵管方式不同，所采用的堵頭結(jié)構(gòu)也不同。

(1)爆炸堵管。 爆炸堵管是利用炸藥爆炸產(chǎn)生的能量做功，將特殊的堵頭固定在破損管的端部，利用金屬熔合時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力達(dá)到堵管效果。根據(jù)泄漏管的規(guī)格，選擇合適的堵頭(堵頭內(nèi)已預(yù)先裝好經(jīng)試驗(yàn)確定的炸藥)，裝入需修堵管內(nèi)，引爆炸藥，通過(guò)炸藥在堵頭內(nèi)爆炸產(chǎn)生高溫高壓的沖擊能量，經(jīng)過(guò)一定傳導(dǎo)介質(zhì)改善，成為穩(wěn)定、均勻的壓力作用在堵頭內(nèi)壁，使得堵頭瞬間在徑向產(chǎn)生膨脹，與母材壁發(fā)生高速碰撞，從而使堵頭與母材緊密結(jié)合在一起。

(2)焊接堵管。 焊接堵管是利用焊接方法將堵頭材料與破損管的母材局部熔合在一起，利用金屬熔合達(dá)到一定的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度和密封性能。對(duì)大多數(shù)管子、管板材料可焊性較好的換熱器可采用該種維修方式，并且焊接方法容易掌握，其堵管的質(zhì)量也較可靠且能夠控制。

(3)機(jī)械堵管。 機(jī)械堵管是采用簡(jiǎn)單的機(jī)械方法，將特制的堵頭裝進(jìn) (通常是壓擠)管子里，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，靠堵頭外壁與管子內(nèi)壁的緊密接觸來(lái)堵管。機(jī)械堵管應(yīng)選擇合適材料，一般以塑性大的材料為好，強(qiáng)度不應(yīng)高于管子，但要考慮堵頭材料對(duì)容器材料的適用性，將材料加工成錐形堵頭，用外力將堵頭向管子內(nèi)擠壓，在擠入過(guò)程中堵頭與管子接觸，因塑性差異，堵頭發(fā)生變形，最后使二者結(jié)合部位貼緊達(dá)到密封聯(lián)結(jié)，從而保證機(jī)械堵管的密封性能。機(jī)械堵管實(shí)質(zhì)是依靠殘余應(yīng)力將堵頭與管子緊密結(jié)合，一旦應(yīng)力松弛或消失將導(dǎo)致堵管失效。

爆炸堵管和焊接堵管是永久性堵管，采用這兩種方法一旦堵管后堵頭將無(wú)法取出。機(jī)械堵管的優(yōu)點(diǎn)是能夠快速安裝、易于取出而不損壞管子，具有良好的密封和耐腐蝕性能，更適合預(yù)防性堵管[4]。因此，本文對(duì)機(jī)械堵管工藝評(píng)定進(jìn)行研究。

1 ASME規(guī)范的要求

1.1 ASME B&PV Code Section Ⅲ 要求

ASME B&PV Code Section Ⅲ并未明確描述堵管相關(guān)要求，僅對(duì)堵頭密封齒以上部分要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)評(píng)估，評(píng)估內(nèi)容包括：最大設(shè)計(jì)余量、缺陷、應(yīng)急狀態(tài)以及壓力變化；正常狀態(tài)、非正常狀態(tài)、應(yīng)力循環(huán)下的疲勞強(qiáng)度。堵頭材料評(píng)估按照AEME B&PV Code Section Ⅲ NB分卷中的1級(jí)部件結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估。另外，Case N-836HeatExchangerTubeMechanicalPlugging,Class 1 Section Ⅲ,Division 1 對(duì)熱交換器機(jī)械堵管的相關(guān)要求應(yīng)被執(zhí)行，要求條款如下:(1)Section Ⅺ,2007版本、2008增補(bǔ)和2013版本中IWA-4713章節(jié)除了IWA-4713.1(a)和 IWA-4713.5的內(nèi)容外都需要滿(mǎn)足，Section Ⅺ中其他條款不適用;(2)機(jī)械堵頭的壓力保持材料應(yīng)符合NB分卷的要求，具體滿(mǎn)足SB-166,UNS N06690要求。

1.2 ASME B&PV Code Section Ⅺ 要求

ASME B&PV Code Section Ⅺ中IWA分卷IWA-4713《熱交換器傳熱管用脹管進(jìn)行堵管》對(duì)機(jī)械堵管作了相關(guān)規(guī)定。如用機(jī)械滾壓或機(jī)械擴(kuò)管器擴(kuò)管方法將管塞擴(kuò)張到管板中的1級(jí)熱交換器傳熱管，管塞永久變形，在接合面依靠摩擦或過(guò)盈連接，應(yīng)滿(mǎn)足IWA-4713.1到IWA-4713.5的要求。

IWA-4713.1 通用要求：(1)管塞滿(mǎn)足IWA-4200要求；(2)安裝前，管塞材料應(yīng)依據(jù)材料試驗(yàn)合格報(bào)告可追溯；(3)經(jīng)擴(kuò)張的管塞與傳熱管連接的代表性試樣應(yīng)作腐蝕試驗(yàn)或分析，以評(píng)價(jià)管塞的預(yù)期壽命。

IWA-4713.3 管塞及工藝評(píng)定如下。

(1)管塞設(shè)計(jì)和堵管工藝規(guī)程應(yīng)按下列要求試驗(yàn)。

①通用試驗(yàn)要求。

a.用于評(píng)定管塞設(shè)計(jì)和堵管工藝規(guī)程的試驗(yàn)應(yīng)按IWA-4713.3(b)規(guī)定的重要變素進(jìn)行；b.試驗(yàn)計(jì)劃包括:試驗(yàn)溫度和壓力、驗(yàn)收準(zhǔn)則、基本變素、試件數(shù)、外載荷(例如由傳熱管定位裝置引起的載荷)、試驗(yàn)布置、表面狀態(tài)(包括驗(yàn)收準(zhǔn)則)；c.對(duì)于每種要求的試驗(yàn)，應(yīng)試驗(yàn)5個(gè)試件；每個(gè)試件應(yīng)滿(mǎn)足IWA-4713.3(a)(2)和IWA-4713.3(a)(3)的驗(yàn)收準(zhǔn)則；d.安裝每個(gè)試件后，應(yīng)評(píng)定相鄰鏜孔的狀態(tài)，以核查孔橋變形不會(huì)妨礙無(wú)損檢測(cè)、修理或更換等工序；e.試件要模擬涉及IWA-4713.3(b)中重要變素的產(chǎn)品情況，最小試件管板的厚度應(yīng)為管塞連接接頭長(zhǎng)度加0.5 inch(13 mm)或產(chǎn)品管板厚度兩者中的較小者。

②循環(huán)試驗(yàn)。

a.試件應(yīng)作壓力試驗(yàn)和熱循環(huán)試驗(yàn)，以模擬管塞預(yù)期壽命內(nèi)熱交換器升溫和降溫的影響，試驗(yàn)溫度和壓力要包括使用工況；此外，如循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效，則應(yīng)評(píng)定堵管工藝規(guī)程(PPS)，以證明所考慮設(shè)計(jì)的可接受性；b.試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿(mǎn)足業(yè)主要求的泄漏和管塞移動(dòng)驗(yàn)收準(zhǔn)則。

③驗(yàn)證性壓力試驗(yàn)。

a.試件應(yīng)在下列較高的壓力下作驗(yàn)證性壓力試驗(yàn):在事故工況下最大壓差的1.43倍；在正常運(yùn)行工況下作用于管板最大壓差的3.0倍；b.試驗(yàn)可在任意溫度下進(jìn)行；c.不應(yīng)有管塞彈出。

④通用設(shè)計(jì)的一些考慮。

a.試驗(yàn)或評(píng)定應(yīng)論證管塞能否承受外載荷(例如：傳熱管定位裝置引起的載荷)和滿(mǎn)足驗(yàn)收準(zhǔn)則；b.評(píng)定應(yīng)對(duì)被堵傳熱管中靜態(tài)流體受熱引起壓力增加的可能性及其后果進(jìn)行評(píng)估。

(2)如果下列重要變素發(fā)生變化，應(yīng)重新評(píng)定堵管工藝規(guī)程。

①規(guī)定的管塞材料和熱處理?xiàng)l件；②管塞、傳熱管或管板材料變化造成材料熱膨脹系數(shù)10%或更大的變化；③在有效連接接頭長(zhǎng)度上預(yù)脹管塞名義直徑和名義壁厚；④傳熱管名義直徑；⑤傳熱管名義壁厚變化大于5%；⑥管塞插入前的清洗方法；⑦脹管方法(例如滾壓或脹管器)；⑧規(guī)定的有效連接接頭長(zhǎng)度；⑨在管塞脹管區(qū)，傳熱管是否已經(jīng)脹入與管板接觸；⑩管塞和傳熱管之間脹管界面的設(shè)計(jì)變更；對(duì)于機(jī)械滾壓脹管:a.接頭滾壓扭矩超出評(píng)定時(shí)使用的最小和最大值；b.評(píng)定試驗(yàn)時(shí)使用的滾壓脹管器幾何尺寸、材料或設(shè)計(jì)的變化；c.滾壓潤(rùn)滑劑變化；對(duì)于機(jī)械脹管器脹管：a.最小拔出載荷減小或脹管器移動(dòng)；b.脹管器或管塞內(nèi)錐度的變化；c.脹管器材料或硬度的變化；d.脹管器潤(rùn)滑劑的變化。

(3)當(dāng)按IWA-4713.3完成評(píng)定后重要變素變化時(shí)，可用下列要求代替 IWA-4713.3(a)(2)和IWA-4713.3(a)(3)中的要求重新試驗(yàn)和評(píng)定。

若滿(mǎn)足下列要求，則對(duì)其進(jìn)行評(píng)定，以表明堵管工藝規(guī)程對(duì)所考慮的設(shè)計(jì)變更的可接受性。

①脫離重要變素和滿(mǎn)足IWA-4713.3(a)(1)b)2)驗(yàn)收準(zhǔn)則的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是可用的。

②循環(huán)試驗(yàn)和驗(yàn)證性壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)論證分別與IWA-4713.3(a)(2)和IWA-4713.3(a)(3)一致，也與修改的重要變素一致。

③已更改的重要變素應(yīng)依據(jù)所有其他重要變素給予評(píng)定，以確保仍滿(mǎn)足原IWA-4713.3(a)(1)b)2)驗(yàn)收準(zhǔn)則。

2 評(píng)定項(xiàng)目

2.1 水壓試驗(yàn)

試驗(yàn)壓力要求是事故工況下最大壓差的1.43倍或在正常運(yùn)行工況下作用于管板最大壓差的3.0倍。水壓試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)壓力最少維持5 min，在試驗(yàn)樣本一次側(cè)監(jiān)控檢查堵頭是否泄漏或者移動(dòng)，記錄試驗(yàn)結(jié)果。

水壓試驗(yàn)后，可進(jìn)行超壓試驗(yàn)。對(duì)于超壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力最少維持2 min，并在試驗(yàn)樣本一次側(cè)監(jiān)控檢查堵頭是否泄漏或者移動(dòng)，記錄試驗(yàn)結(jié)果。超壓試驗(yàn)僅為獲取和正常水壓試驗(yàn)堵頭評(píng)定試驗(yàn)的關(guān)聯(lián)信息。AEME IWA-4713 未對(duì)超壓試驗(yàn)作要求，試驗(yàn)結(jié)果不作為工藝評(píng)定內(nèi)容。

2.2 熱態(tài)循環(huán)試驗(yàn)

對(duì)進(jìn)行常溫狀態(tài)水壓試驗(yàn)的樣本繼續(xù)進(jìn)行熱態(tài)循環(huán)試驗(yàn)，壓力范圍為2 100～2 300 psi(14.48～15.06 MPa)，溫度范圍為115～625 ℉(46.1～329.4 ℃)。溫度范圍設(shè)置是基于按照設(shè)計(jì)要求，為獲得至少500 ℉(278 ℃)的溫差。溫度范圍的下限溫度是由試驗(yàn)容器的冷卻條件決定的，達(dá)到起始溫度的必要時(shí)間不會(huì)引起過(guò)長(zhǎng)的循環(huán)次數(shù)。熱態(tài)循環(huán)試驗(yàn)采用兩組試驗(yàn)裝置。對(duì)于熱態(tài)循環(huán)試驗(yàn)，最大溫度需維持1 h，要求在最少400次循環(huán)下監(jiān)控試驗(yàn)樣本二次側(cè)是否有泄漏。

2.3 其他分析項(xiàng)目

2.3.1 堵頭滯留

考慮在蒸汽發(fā)生器正常運(yùn)行、熱備用、非正常瞬態(tài)、緊急狀態(tài)、缺陷狀態(tài)及試驗(yàn)條件時(shí)，堵頭滯留的整體限制條件是基于在一回路水壓試驗(yàn)時(shí)，堵頭的摩擦系數(shù)或者是機(jī)械接觸壓力和流體壓力之間的比率。由于設(shè)計(jì)計(jì)算的蒸汽發(fā)生器管板的彎曲變形，安裝在最外側(cè)管中的堵頭將面臨最大的初始預(yù)緊力(堵頭安裝時(shí)，在密封齒處的徑向接觸壓力)減少，在一回路水壓試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)核實(shí)堵頭密封齒處的摩擦系數(shù)是否高于理論計(jì)算的堵頭滯留的最大摩擦系數(shù)。

2.3.2 主要應(yīng)力分析

在整體的最大設(shè)計(jì)裕度、緊急狀態(tài)(二回路失壓)、最大缺陷狀態(tài)(主蒸汽管線破口)、最大試驗(yàn)條件(一回路水壓試驗(yàn))下，需分別計(jì)算堵頭密封齒以上部分殼體區(qū)域的應(yīng)力。在各種情形下，計(jì)算的應(yīng)力強(qiáng)度應(yīng)低于ASME規(guī)范的許用應(yīng)力強(qiáng)度，從而說(shuō)明堵頭殼體從密封齒頂部至端部的主要應(yīng)力極限是滿(mǎn)足要求的。

2.3.3 外部壓力分析

在二次側(cè)水壓試驗(yàn)過(guò)程中，需計(jì)算堵頭殼體整體的最大外部壓力，檢查其是否高于堵頭材料的許用破壞壓力，從而判斷堵頭殼體在最大的外部載荷下的穩(wěn)定性。

2.3.4 疲勞分析

核實(shí)堵頭是否滿(mǎn)足ASME規(guī)范中的疲勞限制，如滿(mǎn)足NB-3222.4(d)of Section Ⅲ免除具體疲勞分析的條件，則可免除分析。

2.3.5 鄰近帶狀變形分析

通過(guò)有限元分析，確認(rèn)齒狀的機(jī)械堵頭安裝在蒸汽發(fā)生器管板中引起的鄰近帶狀變形是否會(huì)對(duì)堵管鄰近孔中的無(wú)損檢測(cè)、維修替換等產(chǎn)生重要影響。

3 評(píng)定步驟

以國(guó)外某核電技術(shù)服務(wù)公司蒸汽發(fā)生器肋條式Inconel 690合金機(jī)械拉拔式堵頭為例，介紹整體工藝評(píng)定步驟。

3.1 堵頭設(shè)計(jì)

SG傳熱管用690合金肋條式機(jī)械拉拔式堵頭由2部分組成，是一個(gè)圓柱體形狀的內(nèi)部有一定錐度的空心殼體，一端開(kāi)口，另一端封閉。堵頭外部由多個(gè)密封齒組成，位于堵頭外表面的齒用于與傳熱管內(nèi)表面形成過(guò)盈配合，從而形成流體泄漏的高阻力[5]。堵頭內(nèi)部設(shè)計(jì)了一個(gè)錐形的膨脹塊，用于擴(kuò)充堵頭使密封齒與傳熱管內(nèi)壁緊密接觸。在現(xiàn)場(chǎng)，特殊設(shè)計(jì)的安裝工具將堵頭擴(kuò)充至傳熱管，以使密封齒與傳熱管內(nèi)表面之間形成高的接觸預(yù)緊力。由于安裝裝置及堵頭外表面密封齒的機(jī)械屬性，將堵頭稱(chēng)為肋條式機(jī)械拉拔式堵頭，堵頭名義外徑為0.592 inch(15.0 mm)，名義壁厚為0.040 inch(1.02 mm)。其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 肋條式機(jī)械拉拔式堵頭結(jié)構(gòu)示意

3.2 試驗(yàn)樣本組裝

為執(zhí)行機(jī)械堵頭評(píng)定試驗(yàn)，將堵頭安裝至模擬SG管板的試驗(yàn)樣本內(nèi)，將12個(gè)試驗(yàn)堵頭分別安裝至對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)樣本內(nèi)。每個(gè)試驗(yàn)樣本包含長(zhǎng)度3.00 inch(76.20 mm)，外徑1.587 inch(40.3 mm)的AISI 1018 碳鋼柱，然后將長(zhǎng)度為5.90 inch(149.86 mm)的合金690 SB-163材料的蒸發(fā)器傳熱管通過(guò)液壓膨脹方法安裝至碳鋼柱內(nèi)，將機(jī)械堵頭安裝至傳熱管內(nèi)，傳熱管名義外徑為0.688 inch(17.48 mm)，名義壁厚為0.040 inch(1.02 mm)。試驗(yàn)樣本組件如圖2所示。其中AISI 1018 碳鋼柱材料和合金690 SB-163 傳熱管材料需提供認(rèn)證的材料試驗(yàn)報(bào)告。

圖2 試驗(yàn)樣本組件

3.3 堵頭安裝

12個(gè)肋條式機(jī)械堵頭安裝至12個(gè)試驗(yàn)樣本中，按照現(xiàn)場(chǎng)程序，使用可控制的、并具備堵管參數(shù)記錄功能的堵管系統(tǒng)將堵頭膨脹安裝至試驗(yàn)樣本中[6]。安裝拉力范圍12.0～13.5 kips(53.4～60.1 kN)，膨脹塊行程范圍0.375～0.975 inch(9.5～24.8mm)。安裝過(guò)程中需記錄堵頭拉力，膨脹塊行程及安裝壓力，其由堵管系統(tǒng)設(shè)備以每秒10次甚至更高的取樣頻率提供。

3.4 水壓試驗(yàn)

(1)采用8個(gè)堵頭樣本進(jìn)行堵頭內(nèi)外側(cè)壓差為1 950 psi(34.1MPa)的水壓試驗(yàn)，此壓差超過(guò)一、二回路正常壓差的3倍。水壓試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)壓力最少維持5 min，在試驗(yàn)樣本一次側(cè)監(jiān)控檢查堵頭是否泄漏或者移動(dòng)，記錄試驗(yàn)結(jié)果。

(2)另外采用4個(gè)樣本進(jìn)一步進(jìn)行堵頭內(nèi)外側(cè)壓差為8 000 psi(55.16MPa)的水壓試驗(yàn)，對(duì)于超壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力最少維持2 min，并在試驗(yàn)樣本一次側(cè)監(jiān)控檢查堵頭是否泄漏或者移動(dòng)，記錄試驗(yàn)結(jié)果。此超壓試驗(yàn)僅為獲取相關(guān)信息。

4個(gè)樣本進(jìn)行壓差為10 000 psi(68.95 MPa)的超壓試驗(yàn)，為進(jìn)一步嘗試高壓試驗(yàn)，將壓力提升至10 018 psi(69.07 MPa)時(shí)，第1個(gè)樣本出現(xiàn)爆裂，經(jīng)過(guò)評(píng)估，堵頭的爆裂壓力應(yīng)為9 900 psi(68.26 MPa)，因此，剩余3個(gè)樣本的試驗(yàn)超壓壓力為8 000 psi(55.16 MPa)。

(3)在剩余11個(gè)試驗(yàn)樣本中，未觀察到泄漏。

(4)在水壓試驗(yàn)及超壓試驗(yàn)中，使用百分表測(cè)量堵頭中心移動(dòng)量，發(fā)現(xiàn)正常水壓試驗(yàn)時(shí)，移動(dòng)量極小，低于0.000 2 inch(5.1 μm)，超壓試驗(yàn)時(shí)，移動(dòng)量不大于0.000 25 inch(6.4 μm)。

3.5 熱態(tài)循環(huán)試驗(yàn)

在常溫狀態(tài)下進(jìn)行水壓試驗(yàn)的8個(gè)樣本，分別進(jìn)行了熱態(tài)循環(huán)試驗(yàn)。所有的樣本均保留在各自的壓力試驗(yàn)的容器中，壓力容器采用7.8 L的316不銹鋼壓力容器，內(nèi)徑5 inch(127 mm),長(zhǎng)度24 inch (609.6 mm),其布置如圖3所示。

圖3 熱態(tài)循環(huán)試驗(yàn)裝置示意

(1)第一組試驗(yàn)。

①4個(gè)樣本在目標(biāo)溫度范圍116.8～623 ℉(47.1～328.3 ℃)內(nèi)進(jìn)行了至少419次溫度循環(huán)(要求是400次)。溫度范圍的起始溫度由壓力容器的冷卻條件決定，達(dá)到起始溫度的必要時(shí)間不會(huì)引起過(guò)長(zhǎng)的循環(huán)次數(shù)。

②平均溫度范圍ΔT= 506.5 ℉(281.4 ℃)，超過(guò)要求的范圍500 ℉(278 ℃)。

③在1 h的試驗(yàn)周期內(nèi)，作用在堵頭上的平均一回路壓力為2 262 psi(15.59 MPa)，滿(mǎn)足要求的壓力范圍2 100～2 300 psi(14.48～15.86 MPa)。

(2)第二組試驗(yàn)。

①4個(gè)樣本在目標(biāo)溫度范圍112.4～623.1 ℉(44.6～328.4 ℃)內(nèi)進(jìn)行了至少438次溫度循環(huán)(要求是400次)。溫度范圍的起始溫度由壓力容器的冷卻條件決定，達(dá)到起始溫度的必要時(shí)間不會(huì)引起過(guò)長(zhǎng)的循環(huán)次數(shù)。

②平均溫度范圍ΔT=510.7 ℉(283.7 ℃)，超過(guò)要求的范圍500 ℉(278 ℃)。

③在高溫試驗(yàn)周期內(nèi)，作用在堵頭上的平均一回路壓力為2 243 psi(15.47 MPa)，滿(mǎn)足要求的壓力范圍2 100～2 300 psi(14.48～15.86 MPa)。

3.6 試驗(yàn)參數(shù)說(shuō)明

3.6.1 材料和熱處理?xiàng)l件

堵頭殼體材料按照ASME Section Ⅲ,NB-4000及Section II SB-166 N06690進(jìn)行采購(gòu)，在退火及熱處理?xiàng)l件下，最小屈服強(qiáng)度為35 ksi(241.32 MPa)。

3.6.2 熱膨脹系數(shù)

堵頭使用SB-166 N06690棒材進(jìn)行制造，在600 ℉(316 ℃)下，平均熱膨脹系數(shù)為8.2×10-6/℉(1.5×10-5/℃)。傳熱管使用SB-163 N06690材料進(jìn)行制造，最小屈服強(qiáng)度為40 ksi(275.79 MPa)。傳熱管在600 ℉(316 ℃)下，平均熱膨脹系數(shù)為8.2×10-6/℉(1.5×10-5/℃)。

模擬管板的碳鋼柱組件由AISI 1018碳鋼材料制造，AISI 1018非ASME規(guī)范壓力邊界等級(jí)材料。在600 ℉(316 ℃)下，平均熱膨脹系數(shù)為7.4×10-6/℉(1.3×10-5/℃)。ASME 規(guī)范Section Ⅺ,IWA-4713允許堵頭、傳熱管、管板材料熱膨脹系數(shù)在±10%范圍內(nèi)時(shí)，無(wú)需進(jìn)行重新評(píng)定。

3.6.3 堵頭名義直徑及壁厚

堵頭膨脹前的名義外徑0.592 inch(15.0 mm),堵頭殼體在膨脹前的名義壁厚0.040 inch(1.02 mm)。

3.6.4 傳熱管名義外徑及壁厚

SG傳熱管名義外徑0.688 inch(17.48 mm),名義壁厚為0.040 inch(1.02 mm)。ASME 規(guī)范 Section Ⅺ,IWA-4713允許傳熱管名義壁厚在±10%范圍內(nèi)時(shí)，無(wú)需進(jìn)行重新評(píng)定。

3.6.5 傳熱管清潔方法

試驗(yàn)過(guò)程中，有多種傳熱管試驗(yàn)狀態(tài)：干燥、1%濃度的硼酸、表面有水及磁粉。試驗(yàn)結(jié)果顯示，所有的機(jī)械堵頭在各種試驗(yàn)狀態(tài)下經(jīng)歷了滲透、水壓試驗(yàn)、熱態(tài)循環(huán)試驗(yàn)之后均無(wú)泄漏。因此，在堵頭安裝前，傳熱管內(nèi)部的清潔情況是無(wú)相關(guān)要求的。

3.6.6 脹管方法及有效貼合長(zhǎng)度

在堵頭安裝過(guò)程中，脹管方法使用機(jī)械拉拔膨脹塊的方式。堵頭內(nèi)部的膨脹塊軸向長(zhǎng)度為0.519 2 inch(13.19 mm)，當(dāng)膨脹塊被拉動(dòng)，膨脹塊與肋條完全嚙合時(shí)，至少有4個(gè)密封齒直接嚙合。每個(gè)齒的節(jié)距為0.13 inch(3.3 mm)。因此，4個(gè)密封齒的配合長(zhǎng)度為：3×0.13+0.05 (齒寬)=0.44 inch(11.2 mm)。所以在傳熱管內(nèi)部，至少4個(gè)密封齒配合，有效貼合長(zhǎng)度為0.44 inch(11.2 mm)。

3.6.7 拉力及膨脹塊行程

肋條式機(jī)械堵頭安裝要求膨脹塊行程及拉力在一定范圍內(nèi)，這些標(biāo)準(zhǔn)確保了堵頭的密封齒與傳熱管內(nèi)部有效接觸[7]。針對(duì)Model F的肋條式機(jī)械堵頭，膨脹塊行程范圍為0.375～0.975 inch(9.5～24.8 mm)，此范圍同樣適用于正式的SG傳熱管及試驗(yàn)樣本的堵頭安裝，實(shí)際的行程是拉力和傳熱管的膨脹內(nèi)徑綜合作用因素。在試驗(yàn)時(shí)堵頭安裝拉力分別為12.0 kips(53.4 kN)，13.0 kips(57.8 kN)和13.5 kips(60.1 kN)，這些試驗(yàn)覆蓋了安裝拉力范圍，拉力必要的變量從12.0～13.5 kips(53.4～60.1 kN)，膨脹塊行程必要的變量從0.375～0.975 inch(9.5～24.8 mm)。

3.6.8 堵頭和膨脹塊內(nèi)部錐度

膨脹塊錐度為0.104，其與堵頭內(nèi)部的錐度保持一致。

3.6.9 膨脹塊材料及潤(rùn)滑劑

膨脹塊材料為ASTM A564 XM16不銹鋼，其不屬于ASME規(guī)范中的材料，但是可用于機(jī)械堵頭安裝工具材料，因膨脹塊不是一回路與二回路之間的壓力邊界。機(jī)械堵頭使用Neolube No.2核級(jí)潤(rùn)滑劑，在堵頭制造過(guò)程中，涂抹于膨脹塊和堵頭殼體之間。因此，機(jī)械堵頭測(cè)試時(shí)已涂抹潤(rùn)滑劑。

4 評(píng)定結(jié)果

通過(guò)以上評(píng)定步驟，檢查在水壓試驗(yàn)、超壓試驗(yàn)或者熱態(tài)循環(huán)試驗(yàn)后，檢查堵頭是否有可測(cè)量的位移或者可觀察的泄漏，從而確認(rèn)評(píng)定結(jié)果符合ASME規(guī)范Section Ⅺ IWA-4713的要求。在水壓試驗(yàn)及超壓試驗(yàn)中，使用百分表測(cè)量堵頭中心移動(dòng)量，發(fā)現(xiàn)正常水壓試驗(yàn)時(shí)，移動(dòng)量極小，低于0.000 2 inch(5.1 μm)，超壓試驗(yàn)時(shí)，移動(dòng)量不大于0.000 25 inch(6.4 μm)。在剩余的11個(gè)試驗(yàn)樣本中，未觀察到泄漏。在熱態(tài)循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，所有的試驗(yàn)堵頭，未發(fā)現(xiàn)可測(cè)量的泄漏。在溫度循環(huán)下，也未發(fā)現(xiàn)堵頭密封齒接觸的密封面存在開(kāi)口顯示，也未發(fā)現(xiàn)明顯的溫度循環(huán)造成的長(zhǎng)期影響。

5 其他說(shuō)明

關(guān)于堵頭的抗腐蝕性評(píng)估，由于經(jīng)過(guò)熱處理的690合金在SG肋條式機(jī)械堵管中的連續(xù)應(yīng)用，在評(píng)定試驗(yàn)中，不再對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)的抗腐蝕性評(píng)估。傳熱管堵管屬于維修工序，是為了修復(fù)SG壓力邊界達(dá)到原始狀態(tài)，未造成蒸汽發(fā)生器及其部件的設(shè)計(jì)變化，無(wú)需進(jìn)行10 CFR 50.59評(píng)估，不影響電廠取證。

6 結(jié)語(yǔ)

蒸汽發(fā)生器堵管是核電站高風(fēng)險(xiǎn)的工作，堵管操作將逐步由手動(dòng)近程操作轉(zhuǎn)為自動(dòng)遠(yuǎn)程操作。國(guó)內(nèi)運(yùn)行電站希望堵管工具的設(shè)計(jì)、制造單位對(duì)照國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，自主創(chuàng)新，綜合考慮將堵管工具與其他蒸汽發(fā)生器專(zhuān)用工具(如渦流檢查及水室目視檢查)合為一體，提高設(shè)備利用率，降低設(shè)備制造成本，從而有效減少核電站在役檢查和大修工期，進(jìn)一步提高核電站的經(jīng)濟(jì)性。

本文詳細(xì)介紹了ASME B&PVC規(guī)范對(duì)SG傳熱管機(jī)械堵管的相關(guān)條款以及需進(jìn)行評(píng)定的相關(guān)項(xiàng)目，以國(guó)外某核電技術(shù)服務(wù)公司蒸汽發(fā)生器肋條式Inconel 690機(jī)械拉拔式堵頭為例，介紹整體工藝評(píng)定步驟，其經(jīng)驗(yàn)可供國(guó)內(nèi)蒸汽發(fā)生器堵管工具的設(shè)計(jì)、制造、維修單位參考。