某新型蒸汽發(fā)生器全深度液壓脹的質(zhì)量風(fēng)險及預(yù)防

朱明軍

（海軍裝備部駐上海地區(qū)某代表室，上海 200129）

0 引言

新型核動力蒸汽發(fā)生器在設(shè)計和制造中，管子與管板的脹接采用液壓脹接[1]，為了保證管子與管板的脹接質(zhì)量，必須正確了解脹接工藝，并掌握評價脹管質(zhì)量的關(guān)鍵指標。

新型核動力蒸汽發(fā)生器的脹管液體為A級水，要求在脹管過程中控制壓力在一定范圍內(nèi)，通過一定時間的保壓，使管子與管板之間的間隙消除，管子與管板孔貼緊。管子直段全深度脹管在管板孔中的長度應(yīng)不超過管板二次側(cè)表面，平均未脹縫隙深度應(yīng)不小于2.3 mm，且最大縫隙深度應(yīng)小于6.4 mm。管子脹接后在任何橫截面深度上脹后管子直徑的局部變化，或沿短的軸向長度的某直徑方向上，管子擴脹半徑變化量ΔR≤0.13 mm。液壓脹工藝采用的材料不應(yīng)損害管子或管板堆焊層并且不能造成劃痕或與管子表面表面咬合。

1 工藝過程分析

液壓脹管的方法[2]是利用液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的超高壓液體，通過液壓脹管器的控制回路注入預(yù)先置入被脹管子指定部位的芯軸（見圖1）與管子內(nèi)壁被脹部位形成的密封環(huán)形空腔，使管子內(nèi)壁產(chǎn)生很大的徑向壓力，使管子產(chǎn)生屈服和塑性變形，這樣使管子與管板之間的間隙消除，管子與管板貼緊。

圖1 液壓脹接芯軸工作示意圖

液壓脹接的優(yōu)勢包括：脹接接頭質(zhì)量高、脹接長度不受限制、拉脫力及脹接強度高和脹管效率高等[3]。

液壓脹接實現(xiàn)管子與管孔全深度的貼合，并保證適當?shù)臍堄嘟佑|壓力，管子和管板脹接完成后，在深度方向上形成3個區(qū)域，即脹接區(qū)、過渡區(qū)和未脹區(qū)[4]，具體見圖2。

圖2 管子管板脹接區(qū)域示意

2 主要質(zhì)量風(fēng)險

根據(jù)以往核動力蒸汽發(fā)生器制造經(jīng)驗，液壓脹接過程中會發(fā)生管內(nèi)壁劃傷、局部凸起和脹接長度超過管板二次側(cè)面造成管子隆起等，而這些也是制造過程中的主要質(zhì)量風(fēng)險。

新型核動力蒸發(fā)器采用SA508管板母材和INCONEL690合金管，對產(chǎn)品脹后管內(nèi)的缺陷進行檢測和分析發(fā)現(xiàn)，脹接區(qū)、過渡區(qū)及未脹區(qū)中出現(xiàn)的缺陷有所區(qū)別。

在脹接區(qū)，主要的缺陷類型為一定深度的軸向劃痕，并且在圓周方向和數(shù)量上沒有明顯的分布規(guī)律。

在脹接過渡區(qū)，主要的缺陷類型為整個圓周方向的軸向壓痕。

在未脹區(qū)，主要的缺陷類型為內(nèi)徑突然增加或周向的不規(guī)則變形，管徑在超出管板厚度的軸向位置先增加，而后減小至管子初始內(nèi)徑。當變形嚴重時，從外側(cè)目視檢查，可見明顯的管外凸起甚至撕裂。

3 預(yù)防措施和試驗論證

3.1 脹接區(qū)的軸向劃痕

對進行脹接的芯軸進行檢查，在膨脹止環(huán)及導(dǎo)向頭表面出現(xiàn)毛刺，同時在膨脹支撐圈表面有金屬顆粒，毛刺或金屬顆粒與劃痕出現(xiàn)的周向位置基本一致。

此類脹接區(qū)劃痕的產(chǎn)生主要有2個原因：1）脹接芯軸插入過程中與管子管板焊縫或其它金屬類零部件磕碰，在膨脹止環(huán)位置產(chǎn)生的毛刺之后與管子發(fā)生相對運動；2）前道工序在管內(nèi)殘留的金屬顆粒被脹接芯軸帶入脹接區(qū)域并與管子發(fā)生相對運動。

一般為了避免此類缺陷的產(chǎn)生，應(yīng)進行以下2個方面的工藝改進：

1）對脹接芯軸接觸管子的金屬部件進行倒角設(shè)計，并在芯軸設(shè)計時要求導(dǎo)向頭采用尼龍材料，且導(dǎo)向頭與膨脹止環(huán)的外徑略大于金屬擋環(huán)部件，以在進入管子過程中起到保護作用。

2）在液壓脹接前，使用無油壓縮空氣或無紡白布對管子進行清理，并對管子和管口進行清潔度檢查，避免管子內(nèi)異物的殘留。

3.2 脹接過渡區(qū)的壓痕

液壓脹接過程中，管子壁厚會減薄[5-9]，由于直徑的擴大，管子長度會減小。當管端一側(cè)與管板焊接形成剛性連接，另一端過渡區(qū)域，止環(huán)與管壁發(fā)生接觸后，管子繼續(xù)向固定側(cè)移動，則會產(chǎn)生劃傷缺陷。

一般芯軸采用開口式膨脹止環(huán)，在脹接過程中開口端與管子接觸并產(chǎn)生徑向位移，此時膨脹止環(huán)與管子產(chǎn)生摩擦，因此在過渡區(qū)域產(chǎn)生整個圓周方向的壓痕。

對脹接芯軸的結(jié)構(gòu)進行改進，將開口式膨脹止環(huán)更換為整體式金屬止環(huán)，避免了徑向的位移，經(jīng)過脹接試驗和檢測，在過渡區(qū)的壓痕基本消除。

3.3 未脹區(qū)的凸起

未脹區(qū)管徑的增加或凸起缺陷主要是由于芯軸脹接長度過長引起的。影響芯軸脹接長度的因素主要有以下幾個方面：管板厚度、芯軸質(zhì)量、芯軸長度的測量、芯軸上附件的固定和橡膠圈的磨損等。

針對這些影響因素，分別進行了相關(guān)工藝試驗，試驗采用與管板相同厚度的SA508材料試板及INCONEL690合金管。

1）管板厚度

脹接過程中，管板實際厚度應(yīng)考慮管子管板焊余高和二次側(cè)倒角尺寸，對實際厚度的測量需要包含這2個因素，避免出現(xiàn)偏差。一般管子管板余高在0.3 mm左右，二次側(cè)倒角尺寸在0.3 mm～0.5 mm。

2）芯軸質(zhì)量

隨機抽取了不同項目采購的芯軸，在相同脹接參數(shù)下，芯軸會有一定的彈性伸長，伸長量為1.19 mm～1.23 mm。在脹接參數(shù)固定下，反復(fù)對芯軸進行打壓循環(huán)，同一根芯軸在50次循環(huán)下伸長量最大值為1.26 mm，最小值為1.09 mm。另外增加不同的脹接壓力，壓力越大，芯軸受到的拉應(yīng)力越大，彈性伸長越大，見圖3。

圖3 芯軸彈性伸長與脹接壓力的關(guān)系示意圖

3）芯軸長度的測量

芯軸長度設(shè)定后，應(yīng)設(shè)計專用的測量臺架，避免使用鋼板尺或鋼卷尺，因讀取誤差太大導(dǎo)致設(shè)定長度存在不準確性。

4）芯軸上附件的固定

一般芯軸的前端鎖緊螺母采用緊固螺釘固定，螺釘緊固在一個小的圓柱面，脹接過程中，芯軸反復(fù)發(fā)生彈性變形，緊固螺釘松動，隨后鎖緊螺母松動，導(dǎo)致止環(huán)向前位移，脹接終點向管板二次側(cè)方向移動。

一般芯軸的后端有適配器連接脹槍和脹桿，由于操作不當可能發(fā)生適配器松動，適配器的松動影響芯軸的脹接長度明顯變化。

5）橡膠圈的磨損

用同一根芯軸，芯軸設(shè)定長度相同下，芯軸前端（靠近二次側(cè)）分別使用新聚氨酯橡膠圈、有翻邊情況的橡膠圈、及不同磨損情況模擬產(chǎn)品孔脹接過程工況，經(jīng)過試驗（見表1）可以發(fā)現(xiàn)，橡膠圈的磨損對未脹尺寸有一定影響。

表1 橡膠圈磨損影響未脹尺寸數(shù)據(jù)

通過以上試驗分析，未脹區(qū)的凸起缺陷的原因主要是由于芯軸脹接長度的設(shè)定及芯軸上附件的固定。

針對芯軸脹接長度的設(shè)定，應(yīng)充分考慮相關(guān)影響因素，包括管板厚度、管子管板焊余高、芯軸脹接過程中的后退量、管孔二次側(cè)倒角、芯軸脹接過程中的彈性伸長量及目標預(yù)留的未脹縫隙。

針對芯軸上附件的固定，應(yīng)在每次脹接前及更換附件后，要求操作人員手動觸摸確認附件無松動，如有必要，應(yīng)擰緊并加固。在脹接過程中應(yīng)抽查脹接后的未脹間隙值的變化，當未脹間隙尺寸連續(xù)出現(xiàn)小于0.5 mm并逐漸趨近于0的情況，應(yīng)停止脹接并分析原因。

4 結(jié)論

在新型核動力裝置蒸汽發(fā)生器的設(shè)計和制造中，由于高溫高壓的介質(zhì)特性，往往導(dǎo)致管板厚度大，因此對管子管板的液壓脹接質(zhì)量要求很高。

通過對液壓脹接的工藝和過程進行試驗和分析，總結(jié)了不同脹接區(qū)域可能產(chǎn)生的缺陷及原因，為了有效提高液壓脹接的質(zhì)量，應(yīng)注意避免相關(guān)影響因素的發(fā)生，改進脹接工藝及工具，并加強脹接過程中的管控。