核電站高壓加熱器用TP439焊管的評估

任一峰

（上海電氣電站設(shè)備有限公司 上海電站輔機廠，上海200090）

核電高壓加熱器的傳熱管和汽水分離器的傳熱光管大量選用鐵素體不銹鋼TP439焊管，目前國內(nèi)核電機組加熱器所使用的TP439管子均由國外進口。以下對TP439的力學和工藝性能作一分析介紹。

1 TP439焊管的特性

SA803TP439鐵素體不銹鋼換熱管的抗腐蝕特性優(yōu)于碳鋼，特別在高溫下有良好的力學性能，熱膨脹系數(shù)與碳鋼相當，與奧氏體不銹鋼相比，具有良好的傳熱性和耐蝕性（耐氯化物應力腐蝕、耐點蝕、耐縫隙腐蝕等局部腐蝕），高溫抗氧化性更高，膨脹系數(shù)小，抗熱應力能力大，在運行條件下應力腐蝕開裂敏感性小，硬度高，具有優(yōu)良的耐磨和耐沖蝕性能，又在停機期間不需要氣相保護，且價格便宜。因此，國際上核電機組的高壓加熱器已大量采用這種換熱管，國內(nèi)嶺澳、紅沿河、寧德等核電機組的換熱管也采用了該材質(zhì)。

但鐵素體不銹鋼可焊性差，在焊接過程中容易產(chǎn)生微裂紋；在冷變形的過程中，存在脆性開裂；使用受到限制；室溫及低溫韌性差，缺口敏感性高，對晶間腐蝕比較敏感。因此在生產(chǎn)過程中必須采取相關(guān)措施，如焊接時預熱可以減少熱影響區(qū)的淬硬傾向，減緩冷卻速度，防止冷裂紋的產(chǎn)生；也可通過調(diào)整鋼中C、N和Ti的含量，以改善該鋼的可焊性和脆性。

由于鐵素體不銹鋼存在脆性轉(zhuǎn)變溫度較高的特性，對換熱管脹接工藝性有很大影響。根據(jù)SA803TP439鋼化學成分，含鈦質(zhì)量分數(shù)越高，脆變溫度越高，反之脆變溫度越低。試驗表明：鈦質(zhì)量分數(shù)控制應在0．5%以下比較合適。另外管子的晶粒度對脆變溫度也有很大影響。對于核電項目的用管來說，對TP439材料的這些要求是確保管子質(zhì)量以減少熱開裂風險所必需的。

2 焊管的兩種焊接工藝比較

生產(chǎn)TP439的焊接工藝有兩種：不添加焊絲的惰性氣體保護焊（下稱TIG）和激光焊接。

目前國外有的廠家完全采用激光焊接生產(chǎn)TP439管，也有的制造廠采用TIG焊制TP439焊管，并在焊后采用微量縮緊拉伸。而國內(nèi)的幾家廠商均采用TIG焊制造工藝。

兩種焊接工藝各有利弊，激光焊接是一種先進的技術(shù)，但是其對整條生產(chǎn)線的精度要求和可靠性要求更高，包括焊接坡口的加工，焊縫直線度的激光控制，外圓橢圓度在線連續(xù)檢測等，對其焊接成形質(zhì)量控制十分重要。

TP439焊管的整條焊縫是換熱管的薄弱環(huán)節(jié)，是控制質(zhì)量的關(guān)鍵，特別是在換熱管脹接時焊縫區(qū)域泄漏現(xiàn)象時有發(fā)生。在金相顯微鏡下可以明顯看到焊縫組織中存在粗晶區(qū)，使材料低溫脆性大大提高。根據(jù)焊接工藝的不同，TP439焊管的焊縫形狀有明顯不同（見圖1和圖2）。

圖1 激光焊接管接頭金相照片

圖2 TIG焊接管接頭金相照片

圖1中激光焊接線能量高，焊接速度快，焊接接頭較窄，粗晶區(qū)也相應較小；但是由于焊接速度較快，對焊接成形控制要求較高，容易出現(xiàn)類似錯邊的現(xiàn)象。

圖2中TIG焊縫寬度較寬，焊接速度相對慢，焊接區(qū)域的晶粒可以生長得很大，受到重力的影響，若焊接參數(shù)匹配不好，焊縫金屬容易出現(xiàn)下垂現(xiàn)象，或造成內(nèi)表面焊縫余高超標。

3 脹管區(qū)域出現(xiàn)的問題

TP439管子在與管板脹接后，水壓試驗過程中曾出現(xiàn)過泄漏現(xiàn)象，經(jīng)查泄漏發(fā)生在脹接區(qū)域，且位于管子的焊縫或及熱影響區(qū)。

通常高壓加熱器管子與管板連接采用液壓脹接和機械脹接兩種方式：液壓脹接屬于一種柔性脹接，是一種對換熱管內(nèi)表面施加均勻的靜態(tài)內(nèi)壓的脹接技術(shù)，脹接后管子內(nèi)表面光滑，在脹接厚壁管子時需要在管板的管孔內(nèi)壁開槽線以增加脹緊力；機械脹接是一種應用較為普遍的方法，利用轆子對管子內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)脹壓，一般將壁厚減少5%～12%，達到管子外壁與管板孔內(nèi)壁緊密貼合。在加熱器實際制造過程中，為防止少數(shù)換熱管因脆性轉(zhuǎn)變溫度過高而發(fā)生開裂的情況，有必要在脹接前對管子管板進行適當?shù)念A熱，并在脹接過程中保證管子維持一定的溫熱［1］。至于管子溫度控制的區(qū)間，需要由脹接工藝試驗而定，不能一味強調(diào)只能用某種脹接方法，排斥另一種脹接方法，關(guān)鍵是脹接時的管子溫度應維持在一定的范圍之內(nèi)。由于這幾年核電建設(shè)發(fā)展速度較快，高壓加熱器的制造廠家需要積累相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)和成熟經(jīng)驗，以掌握TP439管子的脹接特性。

4 焊管質(zhì)量控制關(guān)鍵點

控制管子的質(zhì)量應從源頭開始，選擇使用特制的TP439鋼帶，不能帶有微裂紋等缺陷，確保管子的完整性；卷筒鋼帶開片后，不允許卷邊彎曲，以防止脆性開裂；不允許在焊管的焊縫上進行彎曲冷作作業(yè)，以避免焊縫脆性開裂。卷板焊接工藝的關(guān)鍵是保證焊管內(nèi)部沒有卷邊彎曲，具有非常光滑的焊縫，這個過程比較苛刻，在線生產(chǎn)時必須跟隨超聲波檢測（UT），檢查到焊縫存在卷邊彎曲，應立即處理。

為了檢查焊管的殘余缺陷，可以采用渦流檢測（ET）來探測所有潛在的熱裂紋和脆性裂紋，所進行的渦流檢測要比ASTM規(guī)定數(shù)值相對要嚴一些。管材渦流探傷的特點就是對橫向或點狀缺陷靈敏度較高，但對母材縱向和縱向焊縫類似錯邊或熔接不足的缺陷，檢測靈敏度不高，達不到檢測效果，此時使用超聲波檢測（UT）效果好。

建議采購TP439焊管的技術(shù)協(xié)議明確規(guī)定生產(chǎn)廠家必須離線進行渦流探傷，焊接管在線探傷可作為管子制造商控制焊接工藝的手段，不能作為成品管驗收的標準。對于驗收管子的無損探傷（NDT）應由渦流檢測（ET）和超聲波檢測（UT）兩部分組成。渦流檢測樣管的通孔數(shù)值和超聲波檢測樣管槽深數(shù)值應在技術(shù)協(xié)議中明確，以保證管子的質(zhì)量得到可靠控制，促使管子制造商提供質(zhì)量合格的換熱管。

5 結(jié)語

通過對核電站高壓加熱器換熱管用鐵素體不銹鋼TP439焊管特性描述，指出了管子在制造、脹接和質(zhì)量控制過程中的問題和處理方法，以正確評估和使用TP439換熱管。

［1］阮云峰，趙敏凱，史曉瑋．核電高加換熱管的脹接工藝性探討［J］．電站輔機，2012，33（2）：6－8，28．