浅析管子管板接头连接方式及其在AP1000热交换器中的应用

浅析管子管板接头连接方式及其在AP1000热交换器中的应用

刘玉陆大荣

中国核电工程有限公司郑州分公司河南郑州450000

摘要：本文主要介绍了常用的管子管板接头连接方式，扼要分析了各种连接方式的优缺点及适用范围。由于目前ASME标准及GB151标准没有一套的完整的关于胀接的技术要求，本文通过对胀焊并用工艺在AP1000正常余热排出热交换器中的应用做了简要分析，旨在对管壳式换热器管子管板接头连接工艺提供参考。

关键词：管子管板接头；AP1000；正常余热排出热交换器；胀焊并用；液压涨；机械胀；密封焊

管板和换热管是管壳式热交换器的主要承压元件，两者之间的连接处是热交换器的关键部位。换热管与管板之间的连接工艺技术对换热器的寿命和质量就显得尤其重要。

1.管子管板连接方式及要求

换热管与管板的连接要求有两点：良好的密封性，以防止壳侧流体向管侧泄漏；足够的紧固程度，以保证有足够的抗拉脱力。管子管板连接形式分为以下几种：焊接、胀接和胀焊并用。

1.1焊接：换热管与管板的焊接主要可分为强度焊、密封焊。

1.1.1强度焊：保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接。

1.1.2密封焊：系指保证换热管与管板链接密封性能的焊接。密封焊不保证抗拉脱强度，仅适用于阻止热交换器管侧和壳侧流体之间的相互泄漏。此焊接工艺一般和胀接配合使用，由胀接来保证管子管板接头的抗拉脱强度。

1.1.3焊接优缺点

焊接具有以下优点：

（1）高温高压下能保证连接的紧密性；

（2）对管板孔及管子端部加工要求低，对管板及管子材料要求低。

（3）允许采用较小的管板厚度。

（4）焊接工艺简单。

焊接同时具有以下缺点：要体现在存在焊接热应力，长期运行可能引起应力腐蚀和疲劳破坏；另外管板孔与管子间隙大，形成介质死区，容易产生间隙腐蚀。

1.2胀接

根据胀紧程度的不同，胀接可分为强度胀和贴胀。贴胀是消除换热管与管板孔之间缝隙的轻度胀接，其作用是可以消除缝隙腐蚀和提高焊缝的抗疲劳性能。强度胀是保证换热管与管板链接的密封性能及抗拉脱强度的胀接。贴胀后胀接接头的抗拉脱力应达到1MPa以上，强度胀后胀接接头的抗拉脱力应达到4MPa以上。

管子管板胀接方法按照胀接工艺的不同可分为机械滚胀法、液压胀接法。

1.2.1机械胀接：机械胀是最常见胀接方法，具有操作简单方便、制造成本低等优点。机械胀通过锥形辊子胀管器进行胀接。胀接产生的挤压行为致使管子壁厚减薄及管子伸长。管子壁厚的减薄和管子的伸长在热交换器运行过程中会造成应力腐蚀开裂从而影响热交换器的性能。

1.2.2液压胀接：此种胀接方法主要通过在管子中插入一种胀管器，当高压水流进胀管头与管子间的封闭间隙，其最高压力可达400MPa，这样的高压力使管子发生弹性和塑性变形，管板也发生弹性和塑性变形。当压力释放后，管板的弹性恢复比管子要大，因此，在连接处有非常牢靠和均匀的结合。液压胀接会造成极小的管子壁厚减薄和管子长度减小。

1.3胀焊并用

胀焊并用主要适用于压力高、渗透性强，或在一侧有腐蚀性的介质，为保证不致泄漏后污染另一侧物料而对密封面要求较高的场合；或为了避免在装运及操作过程中的振动对焊缝的影响，承受振动或疲劳载荷的场合，或有间隙腐蚀的场合及采用复合钢板的场合。

胀焊并用的结构形式可分为强度胀加密封焊和强度焊加贴胀。

胀焊并用的结构，从加工工艺过程来看，主要有先胀后焊和先焊后胀等形式。

1.3.1先胀后焊：在施焊前先胀管，可以提高焊缝抗疲劳的性能，因胀管后使管壁紧贴于管板孔壁上，可以防止在焊接时产生裂纹。但是在胀管时残留的油污在焊接接头过程中高温的作用下生成气体，从焊面逸出，致使焊缝产生气孔，严重影响焊缝质量，所以在焊接前必须将这些残留的油污清洗掉。

1.3.2先焊后胀：采用先焊后胀后可能在胀接时使焊缝开裂。先焊后胀的优点在于不需清理胀管后残留的油污，但对焊后胀管时的胀管位置要求较高，必须保证在15mm的范围内不进行胀接，否则容易损坏焊缝。

2.胀焊工艺在AP1000中的应用

AP1000正常余热排出热交换器属于核3级管壳式热交换器，制造周期长，制作工艺较复杂，具有很好的代表性，因此以下主要以此热交换器为例对管子管板接头的工艺进行分析。

2.1正常余排接头工艺介绍

正常余热排出热交换器管子管板连接方式采用密封焊+全深度液压涨，先焊后胀工艺，具体实施按照先定位胀，后密封焊再液压涨的工艺。由于焊接工艺简单，本文不对其进行详细介绍。现主要对胀接工艺进行介绍。

胀管次序为逐根逐排胀接。胀管前后需对管子内表面进行清洁工作并进行清洁度检查。

2.2试验准备

2.2.1试样制备

采用两块管板试样。其中12个（为方便水压试验，其余管孔被堵）孔与施工图所示名义直径相一致，加工设备、水压试验工装、工艺与产品相同。换热管试样与产品相同，共12根。

2.2.2胀前尺寸测量

使用内径卡尺、游标卡尺、千分尺对胀前管子外径、内径、管板孔径进行测量并记录。

2.3胀后检验

2.3.1目测检验

对管子内壁进行目测检验，检验是否有任何磨损。

2.3.2胀接后尺寸测量

检验被胀管子的尺寸并记录。

2.3.3泄漏试验

由于ASME标准无相应要求，根据RCCM标准规定使用加入5%有机红的除盐水进行水压试验检验是否泄漏。流体的渗透速率需≤40mm/min。

管板二次侧间隙的最小压力必须为热交换器二次侧流体最高工作压力的1.5倍，最高限额为50bar。

2.3.4拉脱力试验

对每一试样作拉脱力试验，记录所用的拉力和拉伸试验头的位移。实际拉脱力数值必须大于以下两式所得数值的较大者。

1）管子的拉脱力必须为以下基本力的两倍：

F>=1/2PπD2?（其中F为拉脱管子所需要的力，P为壳程设计压力为零情况下管程与壳程之间的最大压差，D为管子内径）

2）按名义横截面确定的应力应大于管子在20℃时规定的最小屈服强度的一半：

F/S>0.5PR，即F>0.5SPR（S为管子的名义截面积）

2.3.5最终检验结论：

1）目测检验后（包括试样解剖检查）管内发现表面无明显线性迹痕或几何不连续区。

2）胀后尺寸检验，二次侧过渡区长度均小于3mm，且为平滑过渡，且无集合不连续区域。

3）实际泄漏试验压力为2.3MPa，大于1.5倍的设计压力（1.5×1.38＝2.07MPa），保压时间为8分钟，满足渗透塑料小于等于40mm/min的要求（268/40＝6.7min）。经试验，各管孔均无泄漏。

4）经计算，根据公式1应大于2676N，根据公式2应大于5897N。实际测得拉脱力范围在12000N~21000之间，远高于标准值。

根据以上检验结论，证明正常余热排出热交换器所采用的胀接工艺是合理的。

3结语

由于胀接引起的换热管内表面缺陷有可能在某种情况下发展成为导致该部位失效的严重缺陷。因此选择合适的胀接参数和胀接工艺对换热器的质量非常关键，同时应考虑增加对胀后管子内表面检测项目。如后续AP1000国产化项目该设备增加了对管子胀管区的涡流检测。

参考文献

[1]李文军.管壳式换热器的胀接工艺[J].压力容器，18（3）：58-59。

[2]RCC-MStandard.2007editionwith3thAddendum，SectionV，F4423.

[3]DesignofHeatExchangers.243-250.