壓水堆燃料組件螺紋套管與導向管脹接影響因素研究

鐘建偉，盛國福，蔡權，高明月，馮亮

（中廣核鈾業發展有限公司，廣東 陽江529500）

1 試驗

試驗用螺紋套管材料為AISI 316L 不銹鋼管材，導向管采用國產的Zr4 鋯合金材料。對螺紋套管管材原材料采用津上精密數控縱切車床BO206-III 進行加工，加工后的螺紋套管與100mm 長的導向管進行脹接，脹接尺寸要求在（14.5±0.2）mm。脹接時，采用直拉桿和錐形拉桿脹接到相應尺寸。試驗中的脹接設備為國產后退式脹接設備，由液壓缸、拉桿、脹套等組成。試驗中，采用萬能試驗機對脹接試樣進行拉伸。金相試樣采用線切割制備金相試樣，經熱鑲嵌后依次用400#、800#、1200#金相砂紙拋光，再經過絨布拋光。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%過氧化氫。

2 結果與分析

2.1 螺紋套管與導向管的脹接原理

螺紋套管與導向管脹接機理與鍋爐、換熱器管子與管板的脹接原理相類似，即拉桿向后退，撐開脹套，脹套的鼓包對導向管內徑進行壓延，管內壁受到均勻內壓后產生塑性變形，管徑不斷增加，導向管外徑脹滿間隙，導向管外徑在脹套作用下徑向擴大的同時，金屬沿著軸向產生流動，隨著脹接的增大，內徑接觸面四瓣先塑性變形，形成塑性變形深凹區，當管外徑受脹套脹包擠壓，其接觸應力使管壁中間接觸區的局部也開始產生塑性變形，金屬產生徑向擴大和軸向流動，導向管鋯合金晶粒破碎和金屬流動產生的晶格畸變，使導向管脹接部分硬度增加，導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向管管外徑擠壓，發生彈性變形，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向管外壁面的回彈量，因此，與導向管間產生徑向殘余壓應力。脹接后的拉脫緊固力，由螺紋套管與導向管外壁相互間的殘余壓應力、脹管軸向長度、摩擦系數等保證，而提高管之間殘余接觸應力是關鍵。

2.2 螺紋套管機械加工對拉脫力的影響

國產的含少量高鎳耐蝕AISI 316L 不銹鋼基體組織為奧氏體，在機械加工中存在硬度高導致難以車削而發生振動，韌性高導致斷屑難而纏屑等現象。螺紋套管需進行內孔加工、外徑加工、螺紋加工等3 個主要加工工步。本試驗采用了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削成型，而加工方案b 螺紋套管的薄壁處內外徑采取多次車削成型的方法加工，每次車削的進刀量較小。

分析不同螺紋套管加工工藝對脹接拉脫力的影響。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 不銹鋼材料機械加工時，采用大進給量形變過程中發生的組織結構變化產生的強化效應引起316L 奧氏體不銹鋼這種低層錯能面心立方結構合金加工硬化，其加工硬化系數高，而且316L奧氏體不銹鋼為亞穩態的不銹鋼，對彈性應力和塑性應變非常敏感，在室溫下冷加工時，部分奧氏體組織轉變為馬氏體組織，形變誘發的馬氏體可增加材料的硬度。螺紋套管加工硬化后，材料進行脹接時，更不易進入塑性變形階段。劉福仁等研究認為脹接時管孔板發生了塑性變形，則得不到殘余壓應力，主要是由于材料達到塑性變形后失去回彈能力，但從不銹鋼的應力-應變曲線來看，達到微塑性變形階段時，塑性區的回彈量要大于彈性區的回彈量，意味著螺紋套管達到微塑性變形時的回彈能力最大，當采用多次變形小進給量加工螺紋套管薄壁處時，其加工硬化和馬氏體轉變較小，脹接時螺紋套管薄壁段處于微塑性階段，回彈能力隨之增加，導致導向管與螺紋套管的殘余接觸應力增加，相應的拉脫緊固力也隨之增大。因此，316L 螺紋套管進入部分塑性狀態，可增加脹接接頭的拉脫緊固力，但不宜過度變形，過度處于塑性變形階段，回彈力消失將因此脹接接頭的強度失效。

2.3 脹套形狀大小對拉脫力的影響

螺紋套管與導向管的脹接工裝由拉桿和脹套組成，脹接時通過拉桿后移，撐開脹套對試樣施加力，脹套的形狀決定了脹包的形狀，在得到較優的螺紋套管加工工藝的基礎上，研究了脹套大小對拉脫力的影響。圖1 為不同脹套過渡段示意圖，原先脹套過渡段尺寸為5.90mm，增大至6.13mm 后得知，當螺紋套管采用加工方案b 加工后脹接，脹套剖開成4 瓣，當每一瓣過渡段增大時，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，而較小過渡段大小后拉脫力平均值為3 461.1N。這是由于當脹接區域和長度增加時，拉脫力隨之增大，且導向管內壁金屬塑性狀態下的晶格畸變增多以及導向管外壁與螺紋套管內壁接觸面積的增大，都將增加螺紋套管與導向管脹接后拉脫緊固力。脹套脹瓣也不宜過大，避免尺寸過大，脹接時對導向管擠壓力不足。

圖1 不同脹套過渡段大小示意圖

2.4 脹接成型速度對拉脫力的影響

為研究脹接成型速度對脹接拉脫力大小的影響，增大了脹接設備的液壓油缸壓力，壓力值到達壓力閥設定值后，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 略問提高，這是因為當脹接成型速度增大時，導向管內壁發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力增大，可提高脹后拉脫力。

綜上所述，國產316L 螺紋套管和Zr4 合金導向管脹接，螺紋套管采用較小進給量加工方案b，增大脹套過渡段尺寸至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到了5 300N，解決了脹接拉脫力低于4 500N 的技術問題。由上分析可知，對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渡段尺寸大小對拉脫力的影響較大，而脹接成型的速度影響因素次之。

2.5 金相和滲透

為了驗證新的工藝方案，還需對最大尺寸的脹接試樣進行金相和滲透檢測，采用錐形拉桿調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行脹接的金相顯微組織。得知，脹接至最大尺寸，試樣無裂紋，經滲透檢查，縱向切割后脹接區域內外表面無裂紋，從而驗證新的加工方案可行。

3 結論

通過上述試驗過程，得到以下結論：

1）螺紋套管加工工藝、脹接成型速度、脹套過渡段尺寸對燃料組件國產原材料的螺紋套管與導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渡段最明顯，其次為脹接成型速度；

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