SA-268TP439鐵素體不銹鋼有縫焊管脹接試驗及其應用

歐凡強 王 健

哈電集團(秦皇島)重型裝備有限公司 河北 秦皇島 066206

0 前言

我公司承制的某項目核電廠12#機組AP1000常規島設備—汽水分離再熱器(MSR),系引進日本三菱公司設計及制造技術,其中換熱器為具有核心技術的關鍵設備,呈臥式布置在MSR 殼體內部。前三臺機組的換熱器從日本采購成品,第四個機組2#MSR 的換熱器由我公司制造,按三菱技術制造屬國內首次。有縫焊管的脹接在我公司尚屬首次,為保證脹接接頭的安全可靠性,我公司進了脹接工藝試驗,并成功應用于產品制造,實現了MSR 制造技術100%國產化目標。

1 試驗前提

1.1 試樣的母材 試驗用材料與產品相同,且取自產品同爐批材料,以具有一定的代表性。

(1)為節約材料,管板試樣厚度取130mm 而非產品厚度,覆蓋產品的脹接長度即可。管板試樣表面堆焊,模擬產品管板進行了一次熱處理。

管板試樣的孔徑及公差、表面粗糙度、管孔布局、節距及公差與產品一致。管孔加工的所用設備、刀具及切削參數與產品管板相同。管孔布局呈正三角形排列,見圖1。

圖1 試樣布孔圖

圖2 分段脹接工藝

(2)產品的換熱管為U 形鰭片管,伸入管板的部分為光管。成品管子直管階段為光管,光管由平軋鋼帶采用不填充金屬的自動焊接工藝制造,焊后進行去應力退火,經渦流、超聲波及氣密性檢驗,再進行鰭片制作及彎管等。

管子試樣在產品直管階段隨機切取,覆蓋產品的每個批次。試驗用管子的直徑、壁厚及公差與產品光管部分一致,即Φ19.05±0.13mm×1.65±0.165mm(一級再熱器)、Φ19.05±0.13mm×1.75±0.175mm(二級再熱器)。試驗用管子每種規格各取25根,單根長度245mm。

脹接前,管子與管板堆焊層表面對稱點焊3 點固定,一是模擬產品管子管板焊接后再脹接的實際情況,二是防止管子在脹接過程中的轉動。拔脫力試驗前采用機加工方式去凈焊縫。

1.2 脹接工藝 為避免對管端焊縫脹裂或產生其它不利的影響,距離管板表面13mm(約1/2英寸)開始脹接,根據設計要求的脹管總長度(見圖2)：一級再熱器脹接總長度50mm,二級再熱器脹接總長度75mm),確定分段脹接工藝：一級再熱器的每根管子分成兩段脹接完成；二級再熱器的每根管子分成三段脹接完成。脹珠長度選擇27mm,每段之間重疊脹接3mm。每根管分段脹接次序：由管板焊縫側向管子側分步進行,脹完第一段后,進行下一段的脹接,使脹接過程金屬流動朝管子側一個方向走,應力分布合理。

1.3 脹接設備及工具 采用新機電式脹管機(俗稱“象鼻式脹管機”),最大輸出功率1000瓦,轉速范圍120～680r/min,四檔可調。動力頭懸掛在曲臂上可三個方向自由移動,框架和曲臂承擔動力頭的重量及平衡脹接過程中的扭矩,人工只需將脹管器引入管內保證同軸及定位即可,減輕工作強度,避免了傳統的懸掛平衡器+人工手持脹管機操作引起偏脹等缺陷,經實際產品脹接檢驗,證明比日本引進技術先進合理。

設備具有信號反饋系統,可預先設定功率值及轉速。隨著脹緊程度的加深,脹接扭矩變大,脹管機電流亦增大,最終效果是脹管功率的增加。當脹緊程度達到設定功率后,脹管機自動停止脹管,一段時間后反轉退出,實現自動脹管,所以管子與管板的脹緊程度,最終是通過脹管機使用功率來控制的。設備運轉特性(預熱特性)：連續運轉10～15分鐘/中功率條件下,輸出功率穩定在1%以內。見圖3。

機械脹管器為脹殼、脹桿及脹珠(三珠)式結構,脹管范圍為：14.8～16.8(1級)；14.6～16.6(2級)。脹管器的冷卻及潤滑使用丙酮。

圖3 機電式脹管機與脹管器

圖4 管孔及管子尺寸測量

2 脹接試驗及結果

2.1 尺寸測量 按照標準管子所允許的尺寸偏差波動較大,為減小測量誤差對試驗結果的影響,管板試樣和管子試樣脹管段的結合部分,按下述要求測量數據。

(1)管孔孔徑測量三個截面A、B、C,每個截面測量互相垂直的兩個方向,同時記錄測量截面在孔深度的位置,見圖4。

(2)管子外徑,對應于管孔測量截面的深度的位置,測量相對應的管子外徑,每個截面4個數據,取算術平均值。

管子穿入管孔時,使管子測量截面與管孔測量截面對應一致。脹后管子內徑測量采取相同原則。

(3)管段壁厚,取自管子兩端,每端測量互成90°,每根管共四個讀數,取算數平均值,用壁厚千分尺直接測量。考慮誤差,管子壁厚不宜用管子外徑減去管內徑計算的方法。

2.2 脹管試驗及驗收標準 脹接后的接頭,按下列順序進行試驗(檢驗)與驗收。

(1)宏觀及表面檢驗 設置不同脹緊程度進行試樣脹接,檢查管子脹接部份的表面應光滑,不允許存在劃痕、凹槽、凸起、過渡區銳角、母材或焊縫的裂紋。脹管的終止點,不允許存在不規則現象,如條紋、刮傷、凹槽等。分段脹接重疊區表面均勻光滑,不允許有大于0.08mm的凸起。使用內窺鏡檢查,均為合格,解剖后脹接區經PT 檢驗無任何線性顯示。

(2)尺寸檢驗及管壁減薄率 脹完后測量管子的內徑,其位置對應管板試樣及管子試樣測量的截面,每個截面測量互相垂直的兩個方向,按公式(1)計算管壁減薄率：

式中：

Rp——管壁減薄率%

D——管孔直徑mm

d——脹后換熱管內徑mm

t——脹前管子壁厚mm

脹接技術條件要求的管壁減薄率控制在3～6%之間。

(3)拔脫力試驗

按照技術條件的要求,單個接頭的拔脫強度≥25.4KN(一級再熱器)；29.5KN(二級再熱器)。考慮脹接均勻一致性,控制拔脫力上限均≤40KN。

2.3 試驗結果 據試驗結果,綜合考慮脹管后管壁減薄率及拔脫力因素,整定后的脹接工藝參數匹配之一(見表1),用于產品的脹接。

表1 整定的脹接工藝參數匹配

考慮脹管過程金屬在軸向的膨脹方向,后段脹管參數較前段要適當減小,以消除后段脹接對前段已脹完部分的影響,后段也能滿足管壁減薄率的規定。

二級再熱器的管子壁厚雖然比一級再熱器管子壁厚度大,由于使用了較低的脹接轉速,扭矩大,脹接功率仍然低于一級再熱器。

3 產品應用及生產中的控制

3.1 脹接順序 由于機械脹管會使管壁碾薄而導致管子軸向產生伸長,產品管子的脹接是在密封焊之后進行的,伸長趨勢朝向管子尾部R,考慮鰭片結構的特殊性以及管子所受到的支撐結構約束情況,脹接順序選擇：先從管板的中部開始進行脹接,依次呈放射狀向周圍脹接,這樣管束變形及應力分布最為合理。不允許對同一根U 形管的兩個管端同時進行脹接操作。

3.2 試樣檢查 定位深度檢查合格后,將脹管器調節環上的定位螺釘再次旋緊,并點焊3點均布固定。

每個班結束后,使用相同脹接功率脹接2個頭檢查。每次更換脹管器當班操作者也要脹接2個頭檢查。更換設備或修理設備也要重復脹接2個頭檢查。試樣檢查是綜合檢驗設備、工具、工藝及操作的有效手段。

3.3 管壁減薄率檢查 對已經脹接好的成品管子進行管壁減薄率抽查,方法是：穿管前先測量好管孔實際尺寸及管子實際尺寸。根據要求的管壁減薄率3～6%,按公式(2)反算好管子脹后內徑應達到的尺寸范圍,用內徑百分表直接測出脹后管子內徑是否符合要求。管子脹后內徑：

式中符號與公式(1)相同。

檢驗頻次：每個班不低于脹接接頭數量的1%,對于管壁減薄率不夠3%者,可以按整定功率參數的上限補脹一次。補脹操作實施完整的分步脹接工藝。

3.4 設備及工具檢查 每脹接3個頭,脹管器用丙酮充分浸泡、冷卻、清洗及潤滑。每脹接10個頭,拆解脹管器,進行一次目視檢查,脹桿及脹珠表面無裂紋、凹坑、過度磨損等,脹殼開槽邊緣無擠壓產生的飛邊等。脹接過程中如有異常,隨時檢查脹管器。每套脹殼、脹桿及脹珠最多允許脹接1000個頭更換。

3.5 清潔度控制 為防止不銹鋼材料發生性能劣化以及品質降解,脹接過程進行清潔度控制,限制污染物以防止污染的發生。

及脹接操作環境在二級清潔區進行。管端部以及管子內壁脹接區域無異物,用不起毛的白布蘸丙酮進行擦拭清理,直到白布不變色。脹管器用上述相同的方法清洗。所有操作佩戴清潔的手套進行。

管子以及脹接操作可能接觸到產品的其它部位,不得直接接觸下列低熔點元素以及它們的合金,如鉛、汞、錫、銻、鋅、砷、鎘、鉍等。事先檢驗好工具及輔助資材。脹接過程中的冷卻及潤滑使用丙酮,不得使用油或油脂。

每班脹接完成后,用不起毛的白布及丙酮擦拭管端、管板表面及管子內表脹接區域。

3.6 產品檢驗結果 一臺MSR 的一、二級再熱器共計約6000個接頭,內窺鏡逐個檢查脹后管子內表面,100%合格。產品管壁減薄率抽檢部分100%一次合格,無補脹現象。換熱器經歷單獨水壓試驗及與殼體組合水壓試驗檢驗一次合格。證明了脹接工藝的可靠性以及生產中控制措施的有效性。

4 結語

(1)對于SA-268TP439鐵素體不銹鋼有縫焊管的脹接,宜使用機械脹管工藝,采用分段脹接方式來滿足總的脹接長度是可行的。

(2)SA-268TP439鐵素體不銹鋼有縫管具有良好的可脹性,脹接后解剖試樣沒有裂紋等缺陷,產品管子脹接也沒有裂紋出現。

使用新機電式脹管機及相應型號的脹管器,配以合理脹接工藝參數脹接MSR 一、二級再熱器管子與管板,可以滿足管壁減薄率、拔脫力及表面質量的要求。適宜的脹接工藝參數匹配：一級再熱器脹接功率440～520W,相配轉速680r/min；二級再熱器脹接功率220～320W,相配轉數300r/min。每步脹接遞減功率,以利于金屬合理流動,消除后段脹接對前段的影響。