核电高加换热管的胀接工艺性探讨

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。

6 结 语

现今，有很多国内核电项目在SA803TP439换热管应用上都取得了成功，但对于铁素体不锈钢的胀接，国内没有很好的参考资料和规范，仍存在改进的地方，制造过程中，也发生过换热管的缺陷问题。因此铁素体不锈钢的脆性转变温度并不是影响管子管板胀接的唯一因素。

［1］牛忠华，龚建中.不锈钢换热管在高压加热器的应用［J］.电站辅机，2006（3）.

［2］ASME锅炉与压力容器委员会.锅炉及压力容器规范［M］.北京：石油工业出版社，1998.

［3］翟瑞银，等.439铁素体不锈钢的研制［J］.宝钢技术，2009（1）.