核電站蒸汽發生器傳熱管機械堵管工藝評定

王仕航，鄭東宏，范安全，譚遠紅

(上海核工程研究設計院有限公司，上海 200030)

0 引言

蒸汽發生器(Steam Generator，簡稱SG)是核電站蒸汽動力轉換系統的核心設備，將一次側堆芯產生的熱量通過U形管束傳至二次側，將二回路的水汽分離干燥后，傳至汽輪機發電，其一次側是RCS系統壓力邊界的一部分[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物外泄的重要屏障，也是一回路系統最薄弱的環節之一。傳熱管長期在高溫高壓環境及高輻射劑量介質的沖刷下，會產生機械或化學損傷，當傳熱管損傷達到破損維修標準時，就需要對其進行維修，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外。目前各國在核電站維修實踐中，主要采用爆炸堵管、焊接堵管和機械堵管三類堵管方式。堵管方式不同，所采用的堵頭結構也不同。

(1)爆炸堵管。 爆炸堵管是利用炸藥爆炸產生的能量做功，將特殊的堵頭固定在破損管的端部，利用金屬熔合時產生的殘余應力達到堵管效果。根據泄漏管的規格，選擇合適的堵頭(堵頭內已預先裝好經試驗確定的炸藥)，裝入需修堵管內，引爆炸藥，通過炸藥在堵頭內爆炸產生高溫高壓的沖擊能量，經過一定傳導介質改善，成為穩定、均勻的壓力作用在堵頭內壁，使得堵頭瞬間在徑向產生膨脹，與母材壁發生高速碰撞，從而使堵頭與母材緊密結合在一起。

(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，利用金屬熔合達到一定的聯結強度和密封性能。對大多數管子、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，其堵管的質量也較可靠且能夠控制。

(3)機械堵管。 機械堵管是采用簡單的機械方法，將特制的堵頭裝進 (通常是壓擠)管子里，產生殘余應力，靠堵頭外壁與管子內壁的緊密接觸來堵管。機械堵管應選擇合適材料，一般以塑性大的材料為好，強度不應高于管子，但要考慮堵頭材料對容器材料的適用性，將材料加工成錐形堵頭，用外力將堵頭向管子內擠壓，在擠入過程中堵頭與管子接觸，因塑性差異，堵頭發生變形，最后使二者結合部位貼緊達到密封聯結，從而保證機械堵管的密封性能。機械堵管實質是依靠殘余應力將堵頭與管子緊密結合，一旦應力松弛或消失將導致堵管失效。

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法取出。機械堵管的優點是能夠快速安裝、易于取出而不損壞管子，具有良好的密封和耐腐蝕性能，更適合預防性堵管[4]。因此，本文對機械堵管工藝評定進行研究。

1 ASME規范的要求

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要求，僅對堵頭密封齒以上部分要求進行結構評估，評估內容包括：最大設計余量、缺陷、應急狀態以及壓力變化；正常狀態、非正常狀態、應力循環下的疲勞強度。堵頭材料評估按照AEME B&PV Code Section Ⅲ NB分卷中的1級部件結構標準進行評估。另外，Case N-836HeatExchangerTubeMechanicalPlugging,Class 1 Section Ⅲ,Division 1 對熱交換器機械堵管的相關要求應被執行，要求條款如下:(1)Section Ⅺ,2007版本、2008增補和2013版本中IWA-4713章節除了IWA-4713.1(a)和 IWA-4713.5的內容外都需要滿足，Section Ⅺ中其他條款不適用;(2)機械堵頭的壓力保持材料應符合NB分卷的要求，具體滿足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行堵管》對機械堵管作了相關規定。如用機械滾壓或機械擴管器擴管方法將管塞擴張到管板中的1級熱交換器傳熱管，管塞永久變形，在接合面依靠摩擦或過盈連接，應滿足IWA-4713.1到IWA-4713.5的要求。

IWA-4713.1 通用要求：(1)管塞滿足IWA-4200要求；(2)安裝前，管塞材料應依據材料試驗合格報告可追溯；(3)經擴張的管塞與傳熱管連接的代表性試樣應作腐蝕試驗或分析，以評價管塞的預期壽命。

IWA-4713.3 管塞及工藝評定如下。

(1)管塞設計和堵管工藝規程應按下列要求試驗。

①通用試驗要求。

a.用于評定管塞設計和堵管工藝規程的試驗應按IWA-4713.3(b)規定的重要變素進行；b.試驗計劃包括:試驗溫度和壓力、驗收準則、基本變素、試件數、外載荷(例如由傳熱管定位裝置引起的載荷)、試驗布置、表面狀態(包括驗收準則)；c.對于每種要求的試驗，應試驗5個試件；每個試件應滿足IWA-4713.3(a)(2)和IWA-4713.3(a)(3)的驗收準則；d.安裝每個試件后，應評定相鄰鏜孔的狀態，以核查孔橋變形不會妨礙無損檢測、修理或更換等工序；e.試件要模擬涉及IWA-4713.3(b)中重要變素的產品情況，最小試件管板的厚度應為管塞連接接頭長度加0.5 inch(13 mm)或產品管板厚度兩者中的較小者。

②循環試驗。

a.試件應作壓力試驗和熱循環試驗，以模擬管塞預期壽命內熱交換器升溫和降溫的影響，試驗溫度和壓力要包括使用工況；此外，如循環試驗數據有效，則應評定堵管工藝規程(PPS)，以證明所考慮設計的可接受性；b.試驗結果應滿足業主要求的泄漏和管塞移動驗收準則。

③驗證性壓力試驗。

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

④通用設計的一些考慮。

a.試驗或評定應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)和滿足驗收準則；b.評定應對被堵傳熱管中靜態流體受熱引起壓力增加的可能性及其后果進行評估。

(2)如果下列重要變素發生變化，應重新評定堵管工藝規程。

①規定的管塞材料和熱處理條件；②管塞、傳熱管或管板材料變化造成材料熱膨脹系數10%或更大的變化；③在有效連接接頭長度上預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規定的有效連接接頭長度；⑨在管塞脹管區，傳熱管是否已經脹入與管板接觸；⑩管塞和傳熱管之間脹管界面的設計變更；對于機械滾壓脹管:a.接頭滾壓扭矩超出評定時使用的最小和最大值；b.評定試驗時使用的滾壓脹管器幾何尺寸、材料或設計的變化；c.滾壓潤滑劑變化；對于機械脹管器脹管：a.最小拔出載荷減小或脹管器移動；b.脹管器或管塞內錐度的變化；c.脹管器材料或硬度的變化；d.脹管器潤滑劑的變化。

(3)當按IWA-4713.3完成評定后重要變素變化時，可用下列要求代替 IWA-4713.3(a)(2)和IWA-4713.3(a)(3)中的要求重新試驗和評定。

若滿足下列要求，則對其進行評定，以表明堵管工藝規程對所考慮的設計變更的可接受性。

①脫離重要變素和滿足IWA-4713.3(a)(1)b)2)驗收準則的試驗數據是可用的。

②循環試驗和驗證性壓力試驗數據論證分別與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依據所有其他重要變素給予評定，以確保仍滿足原IWA-4713.3(a)(1)b)2)驗收準則。

2 評定項目

2.1 水壓試驗

試驗壓力要求是事故工況下最大壓差的1.43倍或在正常運行工況下作用于管板最大壓差的3.0倍。水壓試驗時，試驗壓力最少維持5 min，在試驗樣本一次側監控檢查堵頭是否泄漏或者移動，記錄試驗結果。

水壓試驗后，可進行超壓試驗。對于超壓試驗，試驗壓力最少維持2 min，并在試驗樣本一次側監控檢查堵頭是否泄漏或者移動，記錄試驗結果。超壓試驗僅為獲取和正常水壓試驗堵頭評定試驗的關聯信息。AEME IWA-4713 未對超壓試驗作要求，試驗結果不作為工藝評定內容。

2.2 熱態循環試驗

對進行常溫狀態水壓試驗的樣本繼續進行熱態循環試驗，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 ℃)。溫度范圍設置是基于按照設計要求，為獲得至少500 ℉(278 ℃)的溫差。溫度范圍的下限溫度是由試驗容器的冷卻條件決定的，達到起始溫度的必要時間不會引起過長的循環次數。熱態循環試驗采用兩組試驗裝置。對于熱態循環試驗，最大溫度需維持1 h，要求在最少400次循環下監控試驗樣本二次側是否有泄漏。

2.3 其他分析項目

2.3.1 堵頭滯留

考慮在蒸汽發生器正常運行、熱備用、非正常瞬態、緊急狀態、缺陷狀態及試驗條件時，堵頭滯留的整體限制條件是基于在一回路水壓試驗時，堵頭的摩擦系數或者是機械接觸壓力和流體壓力之間的比率。由于設計計算的蒸汽發生器管板的彎曲變形，安裝在最外側管中的堵頭將面臨最大的初始預緊力(堵頭安裝時，在密封齒處的徑向接觸壓力)減少，在一回路水壓試驗時，應核實堵頭密封齒處的摩擦系數是否高于理論計算的堵頭滯留的最大摩擦系數。

2.3.2 主要應力分析

在整體的最大設計裕度、緊急狀態(二回路失壓)、最大缺陷狀態(主蒸汽管線破口)、最大試驗條件(一回路水壓試驗)下，需分別計算堵頭密封齒以上部分殼體區域的應力。在各種情形下，計算的應力強度應低于ASME規范的許用應力強度，從而說明堵頭殼體從密封齒頂部至端部的主要應力極限是滿足要求的。

2.3.3 外部壓力分析

在二次側水壓試驗過程中，需計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定性。

2.3.4 疲勞分析

核實堵頭是否滿足ASME規范中的疲勞限制，如滿足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

通過有限元分析，確認齒狀的機械堵頭安裝在蒸汽發生器管板中引起的鄰近帶狀變形是否會對堵管鄰近孔中的無損檢測、維修替換等產生重要影響。

3 評定步驟

以國外某核電技術服務公司蒸汽發生器肋條式Inconel 690合金機械拉拔式堵頭為例，介紹整體工藝評定步驟。

3.1 堵頭設計

SG傳熱管用690合金肋條式機械拉拔式堵頭由2部分組成，是一個圓柱體形狀的內部有一定錐度的空心殼體，一端開口，另一端封閉。堵頭外部由多個密封齒組成，位于堵頭外表面的齒用于與傳熱管內表面形成過盈配合，從而形成流體泄漏的高阻力[5]。堵頭內部設計了一個錐形的膨脹塊，用于擴充堵頭使密封齒與傳熱管內壁緊密接觸。在現場，特殊設計的安裝工具將堵頭擴充至傳熱管，以使密封齒與傳熱管內表面之間形成高的接觸預緊力。由于安裝裝置及堵頭外表面密封齒的機械屬性，將堵頭稱為肋條式機械拉拔式堵頭，堵頭名義外徑為0.592 inch(15.0 mm)，名義壁厚為0.040 inch(1.02 mm)。其設計結構見圖1。

圖1 肋條式機械拉拔式堵頭結構示意

3.2 試驗樣本組裝

為執行機械堵頭評定試驗，將堵頭安裝至模擬SG管板的試驗樣本內，將12個試驗堵頭分別安裝至對應的試驗樣本內。每個試驗樣本包含長度3.00 inch(76.20 mm)，外徑1.587 inch(40.3 mm)的AISI 1018 碳鋼柱，然后將長度為5.90 inch(149.86 mm)的合金690 SB-163材料的蒸發器傳熱管通過液壓膨脹方法安裝至碳鋼柱內，將機械堵頭安裝至傳熱管內，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證的材料試驗報告。

圖2 試驗樣本組件

3.3 堵頭安裝

12個肋條式機械堵頭安裝至12個試驗樣本中，按照現場程序，使用可控制的、并具備堵管參數記錄功能的堵管系統將堵頭膨脹安裝至試驗樣本中[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，其由堵管系統設備以每秒10次甚至更高的取樣頻率提供。

3.4 水壓試驗

(1)采用8個堵頭樣本進行堵頭內外側壓差為1 950 psi(34.1MPa)的水壓試驗，此壓差超過一、二回路正常壓差的3倍。水壓試驗時，試驗壓力最少維持5 min，在試驗樣本一次側監控檢查堵頭是否泄漏或者移動，記錄試驗結果。

(2)另外采用4個樣本進一步進行堵頭內外側壓差為8 000 psi(55.16MPa)的水壓試驗，對于超壓試驗，試驗壓力最少維持2 min，并在試驗樣本一次側監控檢查堵頭是否泄漏或者移動，記錄試驗結果。此超壓試驗僅為獲取相關信息。

4個樣本進行壓差為10 000 psi(68.95 MPa)的超壓試驗，為進一步嘗試高壓試驗，將壓力提升至10 018 psi(69.07 MPa)時，第1個樣本出現爆裂，經過評估，堵頭的爆裂壓力應為9 900 psi(68.26 MPa)，因此，剩余3個樣本的試驗超壓壓力為8 000 psi(55.16 MPa)。

(3)在剩余11個試驗樣本中，未觀察到泄漏。

(4)在水壓試驗及超壓試驗中，使用百分表測量堵頭中心移動量，發現正常水壓試驗時，移動量極小，低于0.000 2 inch(5.1 μm)，超壓試驗時，移動量不大于0.000 25 inch(6.4 μm)。

3.5 熱態循環試驗

在常溫狀態下進行水壓試驗的8個樣本，分別進行了熱態循環試驗。所有的樣本均保留在各自的壓力試驗的容器中，壓力容器采用7.8 L的316不銹鋼壓力容器，內徑5 inch(127 mm),長度24 inch (609.6 mm),其布置如圖3所示。

圖3 熱態循環試驗裝置示意

(1)第一組試驗。

①4個樣本在目標溫度范圍116.8～623 ℉(47.1～328.3 ℃)內進行了至少419次溫度循環(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，達到起始溫度的必要時間不會引起過長的循環次數。

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

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

(2)第二組試驗。

①4個樣本在目標溫度范圍112.4～623.1 ℉(44.6～328.4 ℃)內進行了至少438次溫度循環(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，達到起始溫度的必要時間不會引起過長的循環次數。

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

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

3.6 試驗參數說明

3.6.1 材料和熱處理條件

堵頭殼體材料按照ASME Section Ⅲ,NB-4000及Section II SB-166 N06690進行采購，在退火及熱處理條件下，最小屈服強度為35 ksi(241.32 MPa)。

3.6.2 熱膨脹系數

堵頭使用SB-166 N06690棒材進行制造，在600 ℉(316 ℃)下，平均熱膨脹系數為8.2×10-6/℉(1.5×10-5/℃)。傳熱管使用SB-163 N06690材料進行制造，最小屈服強度為40 ksi(275.79 MPa)。傳熱管在600 ℉(316 ℃)下，平均熱膨脹系數為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規范壓力邊界等級材料。在600 ℉(316 ℃)下，平均熱膨脹系數為7.4×10-6/℉(1.3×10-5/℃)。ASME 規范Section Ⅺ,IWA-4713允許堵頭、傳熱管、管板材料熱膨脹系數在±10%范圍內時，無需進行重新評定。

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 規范 Section Ⅺ,IWA-4713允許傳熱管名義壁厚在±10%范圍內時，無需進行重新評定。

3.6.5 傳熱管清潔方法

試驗過程中，有多種傳熱管試驗狀態：干燥、1%濃度的硼酸、表面有水及磁粉。試驗結果顯示，所有的機械堵頭在各種試驗狀態下經歷了滲透、水壓試驗、熱態循環試驗之后均無泄漏。因此，在堵頭安裝前，傳熱管內部的清潔情況是無相關要求的。

3.6.6 脹管方法及有效貼合長度

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

3.6.7 拉力及膨脹塊行程

肋條式機械堵頭安裝要求膨脹塊行程及拉力在一定范圍內，這些標準確保了堵頭的密封齒與傳熱管內部有效接觸[7]。針對Model F的肋條式機械堵頭，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傳熱管及試驗樣本的堵頭安裝，實際的行程是拉力和傳熱管的膨脹內徑綜合作用因素。在試驗時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 堵頭和膨脹塊內部錐度

膨脹塊錐度為0.104，其與堵頭內部的錐度保持一致。

3.6.9 膨脹塊材料及潤滑劑

膨脹塊材料為ASTM A564 XM16不銹鋼，其不屬于ASME規范中的材料，但是可用于機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。機械堵頭使用Neolube No.2核級潤滑劑，在堵頭制造過程中，涂抹于膨脹塊和堵頭殼體之間。因此，機械堵頭測試時已涂抹潤滑劑。

4 評定結果

通過以上評定步驟，檢查在水壓試驗、超壓試驗或者熱態循環試驗后，檢查堵頭是否有可測量的位移或者可觀察的泄漏，從而確認評定結果符合ASME規范Section Ⅺ IWA-4713的要求。在水壓試驗及超壓試驗中，使用百分表測量堵頭中心移動量，發現正常水壓試驗時，移動量極小，低于0.000 2 inch(5.1 μm)，超壓試驗時，移動量不大于0.000 25 inch(6.4 μm)。在剩余的11個試驗樣本中，未觀察到泄漏。在熱態循環試驗時，所有的試驗堵頭，未發現可測量的泄漏。在溫度循環下，也未發現堵頭密封齒接觸的密封面存在開口顯示，也未發現明顯的溫度循環造成的長期影響。

5 其他說明

關于堵頭的抗腐蝕性評估，由于經過熱處理的690合金在SG肋條式機械堵管中的連續應用，在評定試驗中，不再對其進行單獨的抗腐蝕性評估。傳熱管堵管屬于維修工序，是為了修復SG壓力邊界達到原始狀態，未造成蒸汽發生器及其部件的設計變化，無需進行10 CFR 50.59評估，不影響電廠取證。

6 結語

蒸汽發生器堵管是核電站高風險的工作，堵管操作將逐步由手動近程操作轉為自動遠程操作。國內運行電站希望堵管工具的設計、制造單位對照國外先進技術，自主創新，綜合考慮將堵管工具與其他蒸汽發生器專用工具(如渦流檢查及水室目視檢查)合為一體，提高設備利用率，降低設備制造成本，從而有效減少核電站在役檢查和大修工期，進一步提高核電站的經濟性。

本文詳細介紹了ASME B&PVC規范對SG傳熱管機械堵管的相關條款以及需進行評定的相關項目，以國外某核電技術服務公司蒸汽發生器肋條式Inconel 690機械拉拔式堵頭為例，介紹整體工藝評定步驟，其經驗可供國內蒸汽發生器堵管工具的設計、制造、維修單位參考。