浅析核电换热器的管子管板胀接工艺

王立昆，张盛岩，陈小平

（哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150046）

0 概 述

核电换热器管子管板的胀接，主要是采用机械胀接或液压胀接的方式。例如AP1000核电高压加热器采用了机械胀接。倒置立式1 060MW核电高加热器采用了液压液袋式的胀接工艺。在AP1000非能动余热排出热交换器制造中，采用了橡胶胀接＋液压胀接＋机械胀接等方式。

1 胀接作用及原理

胀接广泛应用于换热器的管子管板连接，是靠管子和管板变形达到密封和紧固的一种机械连接。通过扩胀管子直径，使管子发生塑性变形，管板孔发生弹性变形，利用管板孔的回弹，对管子施加径向压力。常用的管子管板连接形式有三类：强度焊＋贴胀、强度胀、密封焊＋强胀［1］。

2 常见的胀接方法

2.1 机械胀接［1］

机械胀接是通过胀管器的旋转，将扭矩或功率传递给机械胀管器，利用胀管器滚柱对管子壁进行碾压，使其逐渐发生变形，管径扩大，最终产生塑性变形，而管板主要发生弹性变形，以此使管板和管子间产生一定的挤压力，进而使管子和管板紧密地贴合在一起，从而达到管子与管板紧固定位的作用。

根据机械胀接动力的不同，机械胀接可分为：手动胀接、风动胀接、液压驱动胀接、电动胀接。根据胀接时的控制形式，又可分为扭矩控制、电流控制、功率控制等。

2.2 液压胀接［1］

液压胀接是利用液体压力作用在换热管上，使管壁发生变形的过程。一般分为液袋式胀接、O型密封圈液压胀接（简称液压胀接）。液压胀管装置由两部分组成，一部分是液压枪（包括胀头和增压油缸），另一部分是移动式泵站（包括电机，泵，水箱，油箱等）。液压胀管的胀头采用密封圈进行密封，胀头密封的结构形式，如图1所示。液袋式胀接的密封结构为金属锥形环结构，胀头密封的结构形式，如图2所示。在我国，液袋式胀接技术已被广泛应用，例如对火电类换热器的胀接，采用液袋式胀接技术较多。

图2 液袋式胀管器

2.3 橡胶胀接

橡胶胀接和液压胀接都属于均匀胀接。橡胶胀接是通过气压和水增压泵，通过压力水加载在胀接拉杆上，使拉力与压力达到平衡，组成了一个内力系统。橡胶圈在受到轴向压缩时膨胀变形、径向扩张，进而形成一个很高的胀管压力，从而使管子、管板孔发生变形，达到管子管板紧固定位的作用。为防止橡胶在高压下的轴向移动，在胀头一端装有特殊的金属裂口圈，拉杆用高强度钢制成，橡胶则采用弹性大，强度高的材料制成。

3 核电换热器的胀接结构

几种常见的核电换热器的管子管板的连接方式，如表1所示。

表1 管子管板的连接方式

3.1 管子管板的三段机械胀接［2］

AP1000核电高加采用了壁薄、弹性好的不锈钢换热管（SA688TP304LØ15.88×1.3），管子管板的连接为连续三段25mm机械胀接，如图3所示，胀后的管子拉脱力不小于19 640N。为此，按技术要求进行了三辊机械胀接工艺技术的研究，绘制了扭矩与管壁减薄量的相关曲线、扭矩与拉脱力的曲线，最终确定合适的胀接扭矩为8.5～9N·m，并制定了胀接工艺规程。

图3 机械胀接结构

3.2 管子管板的液袋式胀接［3］

倒置立式1 060MW核电高加采用不锈钢SA213－TP321薄壁换热管，管子规格为Ø15.88×1.3mm，管子管板连接为液袋式胀接。与常规火电卧式高加不同，该高加在换热管U形部位设有尾部防震支架。换热管装配就位后，需对伸出管板换热管及管板端坡口进行切削加工，并采取特制的管端加工刀具，对换热管及管板坡口进行加工［2］。在加工前，首先对管端进行定位胀，然后再进行管子管板焊接和全程液压胀接（液袋式）。液压胀接的结构形式，如图4所示。由于液袋胀管压力与管子的直径、壁厚、材质以及管板的材质有关，根据相关文献提供的公式，计算胀接的理论压力范围，通过试验，最终确定胀接压力为260～280MPa，控制胀管率小于0.5%（内径控制法）。

图4 液压胀接结构

3.3 余热排出热交换器

在AP1000非能动余热排出热交换器的管子管板连接中，采用了定位胀接＋全程液压胀＋局部机械胀接的连接方式［4］。定位胀从管板一次侧表面开始，胀管长度为20mm，如图5所示。管子管板焊后进行全深度液压胀接，完成后，再对管子管板进行局部的机械胀接，以加强二次侧管束与管孔之间的密封效果，管壁减薄率为4%～6%［5］。通过前期的试验和经验摸索，获得到了较佳的胀接效果。

图5 AP1000余排热交换器的胀接结构

3.3.1 对于全程液压胀接，换热管的壁厚减薄率应控制在1.47%～2.35%，胀接压力为3 000bar（约300MPa）。液压胀接压力及壁厚减薄率的变化曲线，如图6所示。

图6 液压胀接压力及壁厚减薄率的变化曲线

3.3.2 在局部机械胀接中，当功率为310～330W时，壁厚减薄率为4.13%～5.88%，如图7所示。当功率为285W时，管子壁厚减薄率也达到4.42%，这说明机械胀接有一定的跳跃性，这种跳跃性是机械胀接的特点所决定的。所以，壁厚减薄率应控制在规定范围的中等偏下，因为过胀比欠胀的结果更严重，将功率控制在310～330W比较恰当，虽然壁厚减薄率无明显的递增趋势，但可以满足产品的胀接要求。另外，对于薄壁和小直径换热管的胀接，宜采用高转速、小功率进行胀接，使胀接力均匀，胀后换热管的内径碾薄尺寸将趋于一致。因此，选择胀接转速为680r／min。

图7 局部机械胀接功率／壁厚减薄率曲线图

4 胀接过程及步骤

胀接工艺主要包括了胀接工艺试验和产品胀接，工艺试验前期的技术准备工作是否充分，直接决定了产品的胀接质量。相关胀接的技术准备和胀接要求，如图8所示。最后依据产品的具体胀接要求，编制相关文件并指导生产。

图8 AP1000余热排出热交换器

4.1 胀接工具及工装

胀管前，需检查胀管器是否完好。备好内径百分表、千分尺、深度尺、外径千分表等测量工具，并准备好内窥镜、放大镜、丙酮及干净的白棉布。胀接后，需对试样进行拉脱力试验。若能进行涡流检测或残余应力检测则更完善。

4.2 胀接试验［6］

选取与产品相同材质和厚度的管板试样、换热管试样。胀接前，测量并记录管板孔径以及换热管内外径，设定胀接参数。对管子管板进行胀接，记录胀接参数，并计算胀紧率。

根据具体文件的技术要求，确定试验项目，例如密封试验、拉脱力、残余应力、解剖等。根据胀接试验结果及技术要求，编写相关文件指导实际生产。

4.3 产品胀接

试样胀接后，经检测合格，才能按胀接工艺文件的要求，对产品进行胀接。胀接后，需检查胀接面的表面质量、尺寸以及密封状态等。

5 胀接时需要注意的问题

5.1 未胀合部位的测量［7］

换热器管子与管板在机组运行启停过程中，均要承受温度和压力的变化。换热器运行时，二次侧管子与管板之间缝隙中的有害离子会浓缩、堆集，产生应力腐蚀。所以，必须严格控制二次侧未胀合尺寸的范围。目前，对设备质量的要求越来越高，但对于未胀合尺寸的测量存在一定困难，因此，在某些要求较高的核级换热器制造中，已需采用涡流检测的方法，测量二次侧的未胀合尺寸。目前，还是采用了较常规的4种测量方法。

（1）使用内窥镜对内孔进行观察，并辅助千分尺进行测量。内窥镜设备，如图9所示。

图9 内窥镜检测设备

（2）使用内径千分尺，配合专用工装进行测量。

（3）试样的解剖检查，解剖后能直观地反应胀接情况，包括胀接区域长度、未胀合长度等。解剖后的试样，如图10所示。

（4）涡流轮廓曲线法，通过高频通道与低频通道的信号配合，对未胀合长度进行测量。

图10 试样的解剖检查

5.2 选择合适的胀紧率公式

胀紧率计算公式可分为内径控制法、壁厚减薄率、外径控制法等计算公式。较常用的是内径控制法或控制壁厚减薄率的计算公式。

内径控制法

减薄率ε＝［（d1＋2t）／d－1］×100%

式（1）中：

H—内径控制法胀管率，%；

ε－胀减薄率，%；

d1—胀完后的管子实测内径，mm；

d′—未胀时的管子实测内径，mm；

t—未胀时的管子实测壁厚，mm；

d—未胀时的管孔实测直径，mm；

dW—管子实测外径，mm。

根据采取的不同公式，需要选取不同参数进行测量，各公式之间也可互相转化。在实际操作中，应根据实际情况，选取容易测量的数值及公式进行计算。有的法规中规定：采用内径控制法时，胀管率一般应当控制在1%～2.1%［8］范围内；采用管子壁厚减薄率公式时，一般应当控制减薄率在10%～12%［8］。一般锅炉产品的胀管率偏大一些，而在核电换热器中，壁厚减薄率可根据胀接方法、材质及具体要求进行选择。例如AP1000核电高加三段机械胀接ε为6%～9%，而倒置立式1 060MW核电高加的液压胀接，ε可以选择为1%～4%。所以，针对不同的产品，不同的胀接方法，选择不同的胀管率。从理论和实际情况分析，选取产品对应的最合适的胀管数值，但无论是贴胀还是强度胀接，胀管率都不易过大。

5.3 定位胀接的选择

对AP1000非能动余热排出热交换器的管子管板胀接，采用了机械及橡胶定位的胀接试验，如图11所示。在管子拉脱力相当的条件下，机械胀接的壁厚减薄率为1.47%～3.53%，而橡胶胀接的壁厚减薄率为0.2%～1.2%，如图12所示。从数值可以看出橡胶胀接的优点，首先受力均匀，壁厚减薄率较小，进而产生的应力小，其次相比机械胀接来说，橡胶胀接无压延效应，胀接时管子不产生轴向伸长，只产生轴向缩短，其缩短量很小。另外，若进行二次补胀，内径变化微小，可以较稳定的保证胀后尺寸，但需要注意以下两点：第一选择合适的胀接压力。由于橡胶胀接是胀接压力通过加压杆挤压橡胶而产生胀紧力，因此加压杆上将承受巨大的拉力，当胀接压力过大时，压杆容易拉断［9］，胀接场地的四周应有安全措施；第二确定橡胶圈的使用寿命。由于橡胶圈边缘被挤压变形，容易磨损，出现毛边，长度缩短，直径变大，胀头无法进入新的换热管，需使用工具进行修整。确定像胶圈的使用寿命，避免影响胀接精度。经综合考虑，若制造厂具备条件，优先选择橡胶定位胀接。

图11 橡胶定位胀接

图12 橡胶胀接的壁厚减薄率

5.4 液压胀接及橡胶胀接对管径的要求

液压胀头的两端设置O型环作为密封胀接介质［10］，胀接压力直接通过芯轴的中心孔施加到换热管的内表面，因此，对管径及焊后管子缩口的要求比较严格，换热管尺寸过大造成密封圈与管子内壁间隙过大，密封不严，无法完成胀接，管子内径尺寸小或焊后管子缩口的尺寸过小，液压胀头就不能放入，橡胶胀接时也会遇到类似问题，一般需要2～3种不同尺寸的胀头。目前，较重要的核级产品的管子管板连接，采用液压胀接的方式较为广泛。当使用不同的胀管设备进行胀接时，需在压力选取、保压时间、循环次数等方面进行摸索和试验。

6 结 语

无论是机械胀接，还是液压胀接，均已广泛地应用到了各类核电产品制造中。全程液压胀接具有应力均匀、胀接长度大、工作效率高、过渡区残余应力小［5］等优点，并且液压胀管不受胀接长度的限制，可以实现整个管板厚度的全程胀接，使管子与管板形成一体，提高了换热管的抗振能力。另外，在胀接过程中，需要注意二次侧未胀合长度的测量，控制胀管率的大小，确定定位胀接的胀接方式等。