热处理温度对蒸汽发生器管子管板连接接头性能影响

(东方电气〈广州〉重型机器有限公司设计部,广东 广州 511455)

蒸汽发生器是核电站的关键设备，是一、二回路的压力边界，也是一、二回路热交换的场所，其对核电站的安全稳定运行有着至关重要的作用。蒸汽发生器为U型换热管管壳式换热器，其换热管通过胀焊连接接头与管板进行连接，实践表明，胀焊连接能够改善连接处的抗疲劳性能，消除应力腐蚀和缝隙腐蚀，提高使用寿命。对蒸汽发生器管子管板连接接头，国内外在接头形式、胀接参数、数值模拟等方面均进行过较为全面的研究，然而，在高温热处理对管子管板连接接头的性能影响研究上，国内外鲜有相关的试验研究工作，在三代蒸汽发生器的管板—封头环缝局部热处理时，热处理温度究竟对管子管板连接接头的性能有怎样的影响，接头可接受的温度范围决定了管板—封头环缝的结构型式、位置及热处理工艺方案的设计。

本文将通过试验研究CAP1400蒸汽发生器(SG)管板—水室封头环缝焊后热处理对管子管板连接接头的性能影响，掌握不同热处理温度影响下连接接头密封性能和拉脱性能的变化情况，确定管板—水室封头环缝焊后热处理过程中应控制的管孔连接接头温度上限，为CAP1400 SG产品管板—水室封头环缝焊后热处理工艺方案的优化提供指导。

1 试验研究方案

本试验包含3个子试验内容：封口焊性能影响研究试验、拉脱力性能影响研究试验和密封性能影响研究试验。试验使用的管板、换热管材料与CAP1400蒸汽发生器一致，即管板材料为SA-508 Gr.3 Cl.2，换热管材料为SB-163 N06690。管孔排列方式、孔间距等与产品一致。

1.1 焊缝接头性能影响试验

本试验共设6块试验件，用于考察不同热处理温度对焊接接头性能的影响，试验热处理温度覆盖400～700 ℃，分别对各块试验件的焊接接头进行渗透检测(PT)、射线检测(RT)、氦检漏(HT)、金相试验及晶间腐蚀试验，以研究不同热处理温度对焊接接头的宏观和微观性能的影响。

1.2 拉脱力性能影响试验

本试验共设7块试验件，用于考察不同热处理温度对胀接接头拉脱力的影响，试验件仅有液压胀无封口焊，试验热处理温度覆盖350～700 ℃，每块试验件分参考区和热处理区，分别对所有接头进行拉脱力试验，以研究不同热处理温度对胀接接头拉脱强度的影响。如图1所示。

图1 拉脱力试验件实物Fig.1 The test piece of pull-off strength

1.3 密封性能影响试验

本试验共设4块试验件，用于考察不同热处理温度对胀接接头密封性能的影响，试验热处理温度覆盖400～500 ℃，分别在各块试验件热处理后进行5.5 MPa去离子水的渗漏试验，以评价热处理后胀接接头是否仍能满足产品的密封设计要求(漏率≤40 mm/min)。

2 试验研究结果

2.1 焊缝接头性能

经试验，发现在工程产品热处理温度范围(400～650 ℃)内，焊接接头的PT、RT检查均无不可接受缺陷显示，HT漏率均可满足设计要求，无明显降低。金相及晶间腐蚀试验结果均未有明显的改变。典型的晶间腐蚀和金相照片如图2和图3所示。

图2 650 ℃热处理后接头晶间腐蚀照片Fig.2 Intergranular corrosion of joint after heat treatment at 650℃

2.2 拉脱力性能

经试验，得到了7块试验件在不同热处理温度前后的平均拉脱力值，绘制拉脱力强度随热处理温度的变化趋势如图4所示。

图4 拉脱力随热处理温度变化曲线Fig.4 The curve of pull-off strength versus heat treatment temperature

可以看到，胀接接头在经受了热处理后，拉脱强度可得到一定程度的提高，接头的拉脱力随热处理温度的变化呈现先迅速增加到稳定维持再到快速衰减的规律，热处理温度在400～600 ℃时拉脱力值达到高峰且较为稳定，而热处理温度高于650 ℃后接头的拉脱力快速下降。

2.3 密封性能

经试验，试验件在经受400～500 ℃的热处理温度范围后，按产品对胀接接头的评定要求进行渗漏试验，漏率均仍可满足评定要求(≤40 mm/min)，即该热处理温度范围不会造成接头密封性的显著下降。如图5所示。

图5 渗漏试验现场图Fig.5 Leakage test site

3 结果分析

690镍基合金的换热管是一种非常优良的耐高温和耐腐蚀材料，试验结果表明，该焊接接头在经受650 ℃以下的热处理温度时，其各方面性能不会发生明显的改变，敏化效应也并不明显。

胀接接头的拉脱强度，与换热管和管板的残余接触压力和摩擦力有关，换热管经液压胀后，会在过渡区形成较高接触压力的压力环，如图6所示。当胀接接头经历热处理过程后，残余接触压力进行了重分配更趋于均匀，残余接触压力环的区域变大，环数量可能变多，从而使得接头的拉脱强度得到较大的提高，然而当温度过高时，由于温度对材料抗拉强度的影响，拉脱强度将出现急剧下降的趋势。

图6 换热管过渡区压力环Fig.6 The pressure ring in the transition zone of the heat exchanger tube

而对于密封性而言，则正好相反，胀接接头的密封性主要靠峰值压力环起作用，当经受高温热处理时，残余接触压力的重新分配，使得压力环的最高接触压力峰值降低，从而将导致密封性有一定程度的下降。

4 结 论

通过本试验研究，可以得到以下结论：

1)热处理温度范围在650 ℃以下时不会对接头焊缝的宏观性能和耐腐蚀能力造成影响；

2)胀接接头的拉脱强度随热处理温度的增加呈现先迅速增加到稳定维持再到快速衰减的规律，热处理温度在400～600 ℃时拉脱力值达到高峰且较为稳定，而热处理温度高于650 ℃后接头的拉脱力将快速下降；

3)胀接接头在经受400～500 ℃热处理后，密封性能无显著降低，仍可满足接头渗漏试验的设计评定要求；

4)综合以上3点结论，表明CAP1400SG管子管板连接接头上承受400～500 ℃热处理温度时，不会造成明显的耐腐蚀和密封性能的降低，同时拉脱强度还可得到一定的强化，这些研究结果将为该示范工程产品的环缝热处理工艺方案设计提供重要依据和参考。