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探讨钠-水蒸汽发生器热补偿装置制造过程及方法

2020-02-27 183 上传者：管理员

摘要：钠-水蒸汽发生器的热补偿装置的制造方法和过程是快堆蒸汽发生器国产化上的关键点。文章对于蒸汽发生器膨胀节的制造关键，如：波纹成型、焊接、热处理、校形、无损检验、试验进行的探究和分析，并针对过程中存在的问题提出有效的解决策略。

关键词：
制造过程
热补偿装置
膨胀节
蒸汽发生器
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蒸汽发生器是快堆主热传输系统的关键设备之一，其功能是将热量从反应堆的二回路主冷却系统传输给三回路的系统,同时三回路的水在设备内完成预热、蒸发和过热，使之成为汽轮机所需的蒸汽。快堆蒸汽发生器为固定管板式换热器，管程内介质为去离子水,壳程内介质为液态钠，由于管、壳程介质温差较大，二者在运行时存在较大热膨胀差,为简化蒸汽发生器结构设计,降低制造难度，快堆蒸汽发生器在国产化的过程中采用了换热管为直管、壳体设置补偿器的方案，壳体与换热管的材料均为2.25CrlMo钢。2.25CrlMo的延展性相对较差，再加上国内尚无制造该种材料的直径波纹管的经验，因此快堆蒸汽发生器热补偿装置工艺是快堆蒸汽发生器国产化过程中需重点研究的内容。

一、制造工艺对性能的影响分析

（一）标准对工艺验证的规定。膨胀节设计规范采用《膨胀节制造商协会标准》（EJMA）（第10版）和ASME（2015版）第DI卷NC分卷的要求。根据ASMEIDNC-3649的要求：“对于波纹管此类承压制品在没有成功使用经验时，除了根据本卷的一般设计原理进行分析，并至少用下列一种方法进行核实:（a）ASMEB16.9叙述的验证试验，（b）实验应力分析（附录口）。”方法（a）只适用对焊管件,不适用波纹管，方法（b）适用波纹管，具体是采用完全相同的波纹管通过试验方法来证明满足设计要求。快堆蒸汽发生器膨胀节是首次设计、制造，没有成功的使用经验可借鉴，因此，根据标准要求，需对设计进行验证试验，以确定波纹管是否满足设计要求。

（二）制造工艺对性能的影响。从EJMA第4.13节中疲劳寿命、刚度、稳定性的理论计算公式可知，波纹管的波高、厚度和波距是三大影响因素。波高、厚度影响疲劳寿命，波髙越高、厚度越小，寿命越长,反之寿命短;波高、厚度同时影响刚度，波高越高、厚度越小，刚度越低,反之刚度高;波距影响稳定性，波距越小，稳定性越好，反之稳定性差。因此，首先应根据性能要求确定合理的波形尺寸，然后在标准规定的波形尺寸公差范围内选取对性能有劣势影响趋势的公差，制造验证试验件，使验证试验具有代表性;此外通过验证试验还可以对后续产品设计提出合理公差要求。本项目的波纹管直径较大,无成熟的制造经验可借鉴,同时制造过程中胎具尺寸、成形工艺、焊接工艺等诸多因素都将影响波纹管最终的尺寸及公差，进而影响膨胀节的性能，因此，有必要在验证试验件的制造过程中，摸索成形、焊接、检验等制造工艺经验，并加以固化，为膨胀节设计、制造、提岀奠定基础。

二、制造关键工艺

（一）加工成型

1. 成形方法的碟定。快堆蒸汽发生器波纹管采用半波整波成形。由于波纹管材料2.25CHMo的延展性相对较差，单层波纹管也允许板料分瓣拼焊,半波整体冲压冷压法，然后采用两个半波零件焊接而成。不同的成型工艺可能导致波纹管的性能有较大的差异。试验选用的材料为2.25CrlMo（SA-387MGr.22CL2板材）低合金钢，该材料的延伸率小,整波成型理论上不可能实现，因此半波瓣片成型方式采用环板冲压的方法成型，为了保证成型后质量，半波瓣片不允许有纵缝。

有资料表明，波纹管使用材料2.25CrlMo低合金钢，该材料的延伸率最小为10%的厚度公差就会产生18%的压力弯曲应力的变化，进而影响寿命。波峰、波谷的曲率加大或减小均会改变设计应力水平。虽然无法对在用膨胀节的成形偏差进行实测,判断在制造过程中如果没有很好的控制偏差是否会改变设计应力水平，但是作为可能出现的导致产品寿命缩短的因素,应当多加考虑，在设计时应按照国家标准确定材料的成形减薄量,在制造加工时也需对厂家提出控制成形偏差的要求，尽量减小这一因素对产品寿命产生的影响。波纹管冷压中要注意表面有凹陷、划痕将影响产品使用寿命。膨胀节在制造加工、运输及安装过程中，都有可能造成波纹管表面品质的损害（如划痕、凹坑及凹凸不平），而这些损害会产生附加的应力集中，在应力集中处会加速破坏，导致膨胀节的使用寿命终结。由于现场在用膨胀节裸露在外,环境中大量的粉尘覆盖其上，无法观察到膨胀节的表面品质，但是这个因素不容忽视，在制造加工、运输及安装等各个环节都应注意避免损害波纹管。由于热压稳定性差，膨胀节的主要元件波纹管都在高应力下工作，波纹管材料在高温下容易产生蠕变、疲劳寿命大大降低，会造成瓣片不同心、不同轴，且热压过程中材料的减薄量不易控制、不易操作、安全性差，因此半波瓣片成型采用冷压成型法。

2. 模具的选择和成型工作压力的确定。对出波瓣片的冷压成型，应根据瓣片压制的回弹量、壁厚减薄量及瓣片成型几何尺寸等因素。通过理论计算和成型试验相结合的方法确定压制模具及成型工作压力，使波纹管出波瓣片成型尺寸满足要求,且采取有效措施避免缺陷的产生。

3. 下料尺才的确定。根据制造工艺确定合适的波纹管出波瓣片下料尺寸,以避免由于:下料尺寸太小，岀波瓣片成形后，产生边缘起皱鼓饱和端边斜翻的缺陷;下料尺寸太大，材料的利用率降低，产生局部曲面减薄，甚至坯料被撕裂。半波瓣片压制成型后，其厚度不得小于波纹管图样标注的最小厚度。

4. 切割方法。半波瓣片下料应采用机械法或热切割法。若采用热切割法的，必须留有足够的余量，以保证在后续机加工至最终尺寸时能将热影响区去除。

5. 焊接坡口加工。焊接坡口应采用机械加工。采用火焰切割方法制备的焊接坡口，其表画的热影响区应采用机械加工方法去除。

6. 半波瓣片表面目视检查。半波瓣片表画如有局部伤痕、刻槽等影响耐腐蚀性能的缺陷存在,则应予以修磨,修磨斜度最大为1：3,修磨深度不大于该部位钢材厚度的5%，修磨缺陷的，应不致引起局部过热。由于疲劳裂纹多发生在焊缝或焊缝附近，如果品质控制不好，会严重影响产品的使用寿命。通过观察,现用膨胀节泄漏部分发生在焊缝及焊缝附近，因此，焊缝品质是影响膨胀节寿命的重要因素之一。波纹管的材料为2.25CrlMo,国内波纹管制造厂无制造该种材料波纹管的经验,且该材料的延展性差，成型性能较差。根据波纹管压制的回弹量、壁厚减薄量及波纹管成型几何尺寸，通过成型试验确定压制模具及成型工作压力，使波纹管成型尺寸满足要求，以保证焊接及热处理后波纹管的外形尺寸及同轴度。

（二）焊接

1. 焊接工艺评定。试制件焊接前应按照NB/T47014《承压设备焊接工艺评定》的规定进行焊接工艺评定,快堆蒸汽发生器膨胀节的材料为2.25CrlMo,焊接一般采用手工电弧焊、熔化极气体保护电弧焊和埋弧焊等焊接方法，焊接材料应严格按照波纹管的化学成分及性能进行控制，同样应具有髙的纯净度（杂质与残余有害元素含量低）。

2. 预热和层间温度。该钢种推荐的预热温度为：工件厚度三12mm,预热温度为150;工件厚度＞12nun,预热温度为200；当管子壁厚＜4mm且用氟弧焊封底时，可不预热。当采用局部预热时，为防止局部应力过大，预热范围应为焊缝两侧各不小于焊件厚度的3倍，且不小于100mm,在整个焊接过程中，在此范围内的温度均应不低于预热温度。焊接时的层间温度应不低于170t，但不高于350^。

3. 焊缝返修。当发现焊缝存在不允许的缺陷时,应返修予以清除。焊缝同一部位的返修次数不得超过两次,返修情况应记入质量证明书中。焊缝返修应在最终焊后热处理前进行，否则应重新进行热处理。

4. 焊接注意实施。国内波纹管制造厂无制造该种材料波纹管的经验，且该材料的延展性差，成形性能较差。在焊接过程中，由于结构内部冷热不均，各个位置的膨胀量不同，产生内部应力。为了平衡内部的热应力，波纹管本身也在发生变形以保持结构内部的平衡,否则很容易导致波纹管整体焊接后的同轴度不能满足要求。另外,焊缝品质会影响膨胀节的使用寿命，因此要限制焊缝的余高，不应超过母材厚度10%，并且要面要打磨，焊接应用完整的焊接工艺规程，焊缝要求表面不得有裂纹、气孔、夹渣等缺陷，焊接过程中应采取有效保护措施,防止烧穿或焊渣飞溅到波纹管上。

（三）热处理

冷形的低合金钢波纹管需进行消除冷作、焊接等残余应力的热处理。应进行消应力热处理，以消除冷作成型件中的残余应力，防止变形和开裂。

1. 焊后热处理的温度和保温时间。按ASME规范中NC-4622规定，2.25CrlMo合金钢推焊后热处理温度为700±15℃。

2. 焊后热处理加热和冷却速率。按ASME规范NC-4623的规定要求。在425t以上，加热速率和冷却速率不超过220t/小时处以热处理材料厚度的25mm的倍数，但不超过220t/小时，亦不低于55t/小时。最终，以工艺评定结果为准。

（四）校形。制作配套的波纹管校形工装，对整段波纹管进行校形，以满足对整体波纹管外形尺寸、同轴度的要求。

（五）无损检验。波纹管对接环缝压制成型并热处理后，进行100%超声波检测和100%磁粉检测，确保半波瓣片无裂纹、划伤等缺陷。试制件环焊缝应按照JB/T4730相关章节进行100%射线、100%超声波、100%磁粉检测，验收标准如下:射线检测：按照JB/T4730.2第5.1条评定，I级合格；超声波检测:按照JB/T4730.3第6.1条评定，I级合格;磁粉检测:按照JB/T4730.4第9条评定,I级合格。

（六）试验。热补偿装置制造完成后，除进行常规的水压、气密性等岀厂试验外,同时进行刚度、疲劳寿命和稳定性试验等型式试验。

三、结语

蒸汽发生器膨胀节的制造关键是波纹成型、焊接、热处理、校形、无损检验、试验。通过采用焊接与板料结合成形技术、合理选择焊材、采用合格的焊接工艺、合理的试验检验等制造工艺的解决,为膨胀节制造国产化提供了坚实的基础。

参考文献：

[1]美国金属学会主编.金属手册——焊接与钎焊（第八版）[M].北京：北京机械工业出版社,1984.

[2]中国机械工业学会焊接学会.焊接手册——材料的焊接（第二卷）[M],北京：北京机械工业出版社,1992.

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杨永昌,武志广.钠-水蒸汽发生器热补偿装置制造工艺研究[J].产业与科技论坛,2019,18(6):42-43.