核电高加换热管的胀接工艺性探讨

2012-06-23阮云峰赵敏凯史晓玮

电站辅机 2012年2期

阮云峰，赵敏凯，史晓玮

（上海电气电站设备有限公司上海电站辅机厂，上海 200090）

1 概述

SA803TP439铁素体不锈钢换热管的抗腐蚀性能优于碳钢，传热性能优于奥氏体不锈钢，相对奥氏体不锈钢还具有一定的价格优势。目前国内核电机组的高压加热器采用这种换热管的比例较高。在岭澳、红沿河、宁德等核电工程中，均采用了该材质的换热管。由于铁素体不锈钢存在脆性转变温度较高的特性，该特性与换热管胀接工艺性密切相关。因此，SA803TP439铁素体不锈钢换热管的胀接质量，在很大程度上取决于管材脆性转变温度对胀管的影响。

2 SA803TP439的化学成分及力学性能

为了说明SA803TP439铁素体不锈钢的材料性能，选择了国外电厂高加采用过的SA213TP304奥氏体不锈钢材料与之进行比较。2种材料的化学成分和常温力学性能，分别见表1、表2所示。

表1 化学成分

表2 常温力学性能

通过表1、表2的数据可知，在化学成分上，SA803TP439铁素体不锈钢中镍（Ni）的含量较低。在常温力学性能方面，铁素体不锈钢SA803TP439的抗拉强度、伸长率均低于SA213TP304奥氏体不锈钢。

3 钛含量对脆性转变温度的影响

根据SA803TP439化学成分分析，影响脆性转变温度的主要因素除了晶粒度大小以外，还有对钛含量的控制。钛含量越高，脆变温度越高，反之脆变温度越低。图1是对不同钛含量试样管进行冲击试验的曲线图。

图1 钛（Ti）含量与脆变温度变化曲线

从Ti含量与脆变温度变化曲线得知，当换热管钛含量在0.33%，温度低于－20℃时，对管子进行冲击试验，有部分管子试样发生了开裂；而当温度超过－20℃时，冲击试验后管子试样均未发生开裂。因此，－20℃是钛含量为0.33%样管可能发生开裂的临界温度。同理，当管子钛含量在0.5%，温度低于0℃时，进行管子冲击试验，有部分管子试样发生了开裂；但当温度超过0℃时，管子试样均未发生开裂。说明0℃是钛含量为0.5%样管可能发生开裂的临界温度。

在高压加热器的生产过程中，换热管与管板进行胀管的极限环境温度一般为0℃，因此，换热管的脆变温度理论上控制在0℃以下即可。所以，SA803TP439换热管的钛含量控制在0.5%以下比较合适。

4 SA803TP439换热管的胀接温度

与其它铁素体不锈钢相同，SA803TP439不锈钢具有韧脆性转变温度较高的特点，因此，在管子管板胀接过程中，须对操作温度进行控制。为了进一步研究和检测SA803TP439管子脆性转变温度，对管子母材进行了不同温度的夏比冲击试验，试验的数据结果，见表3所示。

表3 脆变温度检测数据

从表3的试验数据可知，当试验温度在－10℃以上时，SA803TP439换热管的脆变风险较低。

所以，胀接时的操作温度，应控制在该试验温度以上。

5 SA803TP439换热管胀接性能

5.1 胀接试验

换热管的胀接性能也是衡量铁素体不锈钢换热管可用性的重要因素。为此，模拟了高压加热器的生产过程，进行了管子管板的胀接试验。胀后采用拉脱力试验和管子内表面的渗透检测，检验管子管板的胀接质量。

5.1.1 试件的确定

试验用管板：20MnMo锻件，管板厚度为260mm；换热管材质为SA803TP439铁素体不锈钢，名义直径为16mm。管板孔按照正三角形排列，试验用管板尺寸，如图3所示。

图3 管板试样图

5.1.2 胀接方法的选择

试验采用液压胀接和机械胀接两种方式。液压胀接属于柔性胀接，不会对管子内表面产生冷作硬化，是一种对换热管内表面施加均匀的静态内压的胀接技术。机械胀管的应用较为普遍，具有结构简单，胀接成本低，对换热管精度要求不高，操作简单等优点。

5.1.3 试验数据及分析

不同温度状态下的胀接试验数据，见表4所示。根据设计图纸，管板的钻孔尺寸为Ø16.2mm，胀接设备采用超高压液压胀管机和带扭矩测定装置的胀管机。胀接完成后，对管子管板试样进行热处理（按产品热处理要求），然后进行拉脱力试验，试验完毕后，剖开管子管板胀接试样，对管子内表面进行渗透检测，见图4所示。

表4 胀接试验数据记录

图4 管子内表面渗透检测

5.1.4 试验结论

根据管子内表面渗透检测，可以看出，胀接后管子的内表面未出现任何缺陷。通过数据分析，在不同的工况条件下，尤其在环境温度相对较低的情况下进行胀管试验，其胀接部位贴合紧密无缺陷，并通过拉脱力试验，胀接能满足工艺要求。因此，SA803TP439铁素体不锈钢换热管，还是适合采用液压和机械方式胀接的。在产品生产过程中，换热管胀管的数量要远远大于试验的胀管数量，为避免个别换热管发生脆性转变的可能性，在胀接前，有必要对管子管板进行适当的预热，提高操作温度。