核级热交换器液压胀管方法及性能要求

张振华

（上海核工程研究设计院，上海200233）

通过对国内外生产实践经验的总结以及对各种研究资料数据的统计[1-3]，结果表明，大多数换热器的失效均发生在换热管与管板的连接部位。可以认为，换热器的质量在很大程度上取决于管子与管板的胀接质量及其可靠性。为了保证管子与管板的胀接质量，必须正确了解胀接工艺，并掌握评价胀管质量的关键指标。

目前，常用的胀接方式有机械胀接[4]、液压胀接[5]、橡胶胀接[6]和爆炸胀接[7]等，在核级热交换器设计和制造中，前三种胀接方式较为常见。其中，机械胀接由于成本低，设备简单而被广泛采用，但机械胀接存在着管子被胀部分内部粗糙、残余应力大、生产效率低等缺点。从20世纪七八十年代开始，为了进一步提高胀接强度和结构的可靠性，液压胀接方法逐渐受到更多关注，液压胀接的生产效率高、定位精确、残余应力小，同时腐蚀倾向比机械胀接小很多，这些优势都进一步推动了液压胀接技术的发展。

1 液压胀管的方法和优点

液压胀管的方法[8]是利用液压系统产生的超高压液体（油或水），通过液压胀管器的控制回路注入预先置入被胀管子指定部位的胀轴与管子内壁被胀部位形成的密封环形空腔，使管子内壁产生很大的径向压力，迫使管子产生屈服和塑性变形，这样使管子与管板之间的间隙消除，管子与管板孔贴紧。当超高压液体使管板孔沿着径向部分产生塑性变形，而部分仍处于弹性状态时，将超高压液体卸载。这时，处于弹性变形部分的管板力图恢复原状，但是又受到了已经产生塑性变形的管子的反作用力。于是便在管板和管子的结合面上产生了很大的抱紧力，这种抱紧力，又称为径向残余压应力，以保证管子与管板之间的连接强度和密封性能。

以图1和图2为例，液压胀管芯轴一般是由特定（硬度和尺寸）的O形环、密封橡胶和金属环组成密封系统，芯轴的长度随着管板厚度进行调整，这也是液压胀接相对于机械胀接的优势之一。其中，液压胀芯轴具有一定的胀管循环次数寿命，应严格控制。

相对于其他胀管方式，液压胀接具有如下优势：

（1）胀接接头质量高

图1 液压胀接工作示意图Fig.1 Schematic of hydraulic expansion

图2 液压胀接工作原理详图Fig.2 Hydraulic expansion principle

液压胀管具有使管壁受力均匀、换热管轴向伸长量少、加工硬化均匀等优点，同时胀接区与未胀接区的交界不明显，过渡比较光滑，残余应力小，抗疲劳和抗应力腐蚀性能好。

（2）胀接长度不受限制

机械胀接的胀接长度受到了管径和胀管器长度的限制，胀管总长度与胀接深度难以满足现阶段需求，而液压胀接法不受其限制，可实现整个管板厚度上的全深度胀接，从而大大提高了换热管与管板的胀接质量。

（3）拉脱力及胀接强度高

一般来说，在胀管率相同的情况下，单位长度的胀接强度机械胀管是大于液压胀管的，但是液压胀接能实现管板全长度的胀接，因为胀接长度的提高，能大大提高胀接接头拉脱力。因此，在大部分情况下，液压胀接的拉脱力都是大于机械胀接的。

（4）胀管效率高

制定胀管工艺时，不仅要保证胀接质量，还要保证生产效率。一般来说，每个胀接接头，液压胀管要比机械胀管少用1 min左右。因此，液压胀比机械胀在使用上具有明显的优势，工作效率能得到显著提高。

同时，液压胀管也能达到机械胀管的密封效果，甚至通过不同环境下具体使用情况分析[9]，液压胀管的整体密封性可能还优于机械胀管。

2 液压胀管的机理分析

换热管和管板的胀接最终要达到一定的连接强度和紧密性，即接头具有一定的拉脱力和密封性能。而拉脱力是由换热管和管板胀接后产生的径向残余压应力形成的，也就是说胀接的机理就是了解换热管与管板之间的径向残余压应力是如何获得的。液压胀管的过程通常可分为三个主要阶段，分别如图3和图4所示。

1）第一阶段：对换热管内表面施加均匀内压，使换热管发生弹塑性变形，直到换热管外壁与管板孔内壁接触。这一阶段管板不受力，也称为换热管的变形阶段，对应图3中o-a-b-c过程；对图4来说就是换热管外壁从R1膨胀到管板孔初始内壁R2位置处，也就是图4中1（1′)处。

2）第二阶段：随着胀接压力的继续增加，换热管与管板孔内壁接触后继续膨胀，直至管板孔壁部分或者全部进入塑性状态，这一阶段称为对管板的加载阶段。当管板不发生塑性变形时对应图3中c-d过程，当管板发生塑性变形时，对应图中c-d-e-f过程；对图4来说，就是换热管和管板孔内壁一起膨胀到2(2′)点处，也就是液压胀接的最高点。

3）第三阶段：当胀接压力达到预定值时，卸去胀接压力，管板产生弹性恢复力，施加在胀后的管子外壁上形成接触压力，从而达到胀接的目的。当管板不发生塑性变形时对应图3中d-d′过程，当管板发生塑性变形时，对应图3中f-f′过程。以管板发生塑性变形为例，卸压后管板孔内壁从f点处应回弹到h′处，换热管外壁从i点处回弹到i′处，但实际因二者相互挤压，最终管孔管壁的回弹路线为f-f′；因为不管管板是否发生塑性变形，在其卸载时的回弹行为仍为弹性，对图4来说，管板孔本应从2点弹性回复到3点，换热管外壁本应从2′点弹性回复到3′点，同样因为二者相互挤压，最终平衡在4（4′)的位置处。

图3 液压胀接原理示意图Fig.3 Schematic of hydraulic expanding principle

图4 液压胀接机理简图Fig.4 Mechanism of hydraulic expansion

从以上三个阶段可以发现，液压胀接卸压后，换热管外壁和管板孔内壁会产生相互挤压的现象，这种现象产生了径向的残余接触压应力，正是这种接触压应力让管子与管板孔达到了紧密贴合的胀接效果。

3 液压胀管的性能考核要求

一般来说，对管子管板胀接接头最关心的两个性能指标分别是胀接接头的拉脱力和密封性能，而这两个指标都和胀接后管子与管板之间的残余接触压力有关。同时，对安全性要求十分严格的设备，比如用于核电站的热交换器，尤其是安全相关的，工作环境和介质复杂的设备，还应特别关注胀接后管子管板的残余应力的大小，因为能够减低管子管板胀接后的残余应力，对防治应力腐蚀开裂具有非常重要的意义[10-11]。以下分别对这三个考核指标进行分析。

（1）胀接接头拉脱力要求

无论是用于化工行业还是用于核电行业的热交换器的胀接接头都会有接头拉脱力的要求。如GB151—1999《管壳式换热器》中就要求管子管板胀接接头设计时，应考虑接头拉脱力的最低值要求，一般该最低值是指接头拉脱力应大于换热管内外压差导致的轴向拉力。也有标准，如法国核电标准RCC-M《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》就规定在满足最低值要求之外，还应使换热管按名义横截面积确定的应力大于换热管在20 ℃的规定最小屈服强度的一半。

（2）胀接接头密封性要求

一般胀管之后都需要对胀接接头进行水压试验以验证胀接接头的密封性。如法国核电标准RCC-M《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》就规定用5%有机红的除盐水针对不同的密封要求做不同压力下的水压试验，如对没有进行焊接密封的胀接接头，水压试验压力为：最高工作压力不大于1.0 MPa时：2 MPa；最高工作压力大于1.0 MPa时：2倍最高工作压力。

（3）接头残余应力要求

胀接接头的残余应力是核级热交换器胀接接头必须重视的问题，特别是对核安全一级热交换器而言，必须严格控制残余应力的大小。目前，对残余应力的测量方法主要有：用全释放法来测量换热管的残余应力，特别应注意胀接过渡区的残余应力；用X射线衍射法来测量管板的残余应力。但是对残余应力的评定工作还比较困难，很多时候只能通过经验来判断。

最终影响液压胀管性能的因素有很多，包括管子与管板的材质（力学性能、硬度差值等）、管桥的宽度、管孔的椭圆度、管子与管板的配合间隙等[12]，但对胀接接头的主要考核指标或者说达到性能的要求依然是胀接强度、密封性和管子管板残余应力的大小这3个指标。

4 典型核级热交换器胀接接头结构工艺介绍

某核安全级热交换器中的换热管与管板的连接采用：全深度液压胀并在一次侧焊接和二次侧端机械胀的方法。具体工艺过程为前端橡胶定位胀、换热管与管板焊接、焊缝氦气检漏试验、全深度液压胀、末端机械密封胀，胀接范围如图5所示。

其中，定位胀为橡胶胀，长度为20 mm；全深度液压胀在整个管板厚度上进行，末端未胀接最大缝隙深度小于4 mm，不允许超胀，整个换热管应均匀地胀接；全深度胀之后，为保证末端的密封性，防止壳侧水进入管板孔和管子之间可能存在的缝隙，从而腐蚀管板（此例中管板材料为碳钢，易腐蚀），还需进行机械胀，胀接长度为25 mm，末端未胀接缝隙深度应为1～3 mm，同时应保证换热管的壁厚减薄量控制在4%～6%之间。

在该管子管板接头中用到了3种胀接方式，分别为橡胶胀、液压胀和机械胀。橡胶胀定位；全深度液压胀保证胀接强度和接头可靠性；机械胀保证密封性，多种胀接方式的混合使用，很好地保证了整个胀接接头的性能，其中，橡胶胀和机械胀都是因特殊需要而进行的，主要的胀接方式仍然为液压胀接。这是一个较为典型的、充分利用各种胀接方式优势的管子—管板接头工艺，具有一定的参考价值。

5 结论

液压胀管相较于其他胀管方式有其固有的优势，特别是在核级热交换器的设计和制造中，由于高温高压的介质特性，往往导致管板厚度大，对管子管板的胀接质量要求高。因此，液压胀接在核级热交换器中得到了广泛的应用。当然，目前仍然有许多工作需要开展，比如胀接接头残余应力的验收指标，比如不同因素对最终胀接接头性能的影响等。相信通过越来越多的研究和技术的不断进步，液压胀接将发挥越来越大的作用。

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