核电蒸汽发生器胀接接头质量事故分析及应对措施研究

(1.中核集团中国中原对外工程有限公司，北京 100191；2.上海电气核电设备有限公司，上海 201306)

0 引言

压水堆核电厂运行中，蒸汽发生器换热管的破损是核电厂较为普遍和严重的事故之一。蒸汽发生器将一回路的冷却剂和二回路的水或蒸汽进行隔离，但同时蒸汽发生器换热管是一回路中压力边界最为薄弱的部分，换热管的破损将导致放射性物质释放，严重时将引起反应堆的停堆。根据统计，1991年法国压水堆核电站中102台900 MWe机组的蒸汽发生器平均运行时间为8.5年，60台1300 MWe机组的蒸汽发生器平均运行时间为3.5年。在这样短的时间内,致使在役的换热管越来越多地出现降质现象[1]。

核电蒸汽发生器接头设计中一般采用胀接结构，胀接产生的机械强度吸收管束组件的机械载荷，同时封闭管子与管孔间的间隙以实现一二回路间的密封[2]。其中，胀接区域、过渡区是产生腐蚀的主要部位，也是结构设计重点需要解决的问题。管子管板二次侧胀接间隙深度控制不均匀或过大，间隙过大为换热管杂质沉积和浓缩，为换热管点腐蚀提供环境条件[3]；胀管区域超过管板二次侧表面，会引起严重过胀事故，将使换热管轮廓隆起，造成残余应力过大或者局部开裂[4-6]。

本文通过梳理国内外蒸汽发生器制造厂NCR(不合格品处理单)，由于胀接芯轴长度设置不合理、人为操作失误或者管板材质缺陷等因素带来的风险，在依托项目蒸汽发生器制造过程中主要出现的未胀合缝隙长度过大(欠胀)、过胀、漏胀、重复胀接以及造成换热管划痕等问题,结合工程经验提出反馈及应对纠正措施，为核电蒸汽发生器管子管板接头胀接质量提供指导。

1 液压胀接原理

液压胀接通过对管子内表面施加高压介质，使管板发生弹性变形，管子发生塑性变形而紧贴于管板孔内表面。O型圈液压胀接是将直径略小的芯轴塞入换热管，芯轴两端各有1个 O型密封圈与换热管密封。瞬间的高压流体通过芯轴内部的进液孔进入芯轴和换热管内壁间的环形区域，高压液体在换热管内壁上施加压力使得换热管膨胀而与管板胀紧，这种胀接方法对换热管内外径尺寸精度及表面粗糙度要求较为严格。

上述O型圈液压胀接对胀管过程的密封提出很高要求，AP1000蒸汽发生器液压胀接压力要达到300 MPa[4]，芯轴A,B两点密封过程期间，换热管发生弹性和塑性变形而径向膨胀，直至外壁与管板孔贴合，完成一个胀接循环，如图1所示。

(a)

(b)

(c)

2 胀接典型质量事故

2.1 欠胀、漏胀

某国外蒸汽制造厂承接某机组AP1000堆型蒸汽发生器，完成20 050根换热管胀接后，涡流检测换热管直段部分轮廓时，发现A侧(R18，C46)、(R65，C21)，B侧(R128，C60)漏胀；A侧(R63，C115)、(R65，C115)、(R67，C115)、(R69，C31)、(R108，C30)涡流检测未胀合缝隙深度分别为7.69,6.46,8.03,7.33,6.35 mm，远超过设计方平均间隙2.3 mm的要求。调查分析，核电蒸汽管板堆焊属于大型管板堆焊，埋弧带极堆焊3层，堆焊变形造成管板厚度存在差异[7-8]，而液压胀接芯轴设定时没有考虑整块管板区域厚度的差异，从而造成部分换热管未胀间隙过大(见图2)。

图2 管子管板胀接轮廓图

2.2 过胀

按规程要求更换支撑圈(见图3中件2)时，将胀接止环(见图3中件3)倒角方向装反(见图4)，胀接过程介质水升压时，由于胀接止环方向错误，支撑圈、O型圈在高压水作用下迅速被挤压变形越过管板管子二次侧表面，换热管发生隆起，从而造成换热管过胀事故，最终胀接区涡流检查发现管子鼓包信号(见图5)。

图3 全程液压胀芯轴(胀接止环正确状态)

图4 换热管过胀示意(胀接止环错误状态)

图5 蒸汽发生器换热管过胀后涡流检测(ECT)轮廓鼓包信号

2.3 肿胀

对某机组蒸汽发生器发生肿胀的管孔追溯、调查发现。管板深孔加工过程时，由于BTA钻头非正常切削导致管孔内壁螺旋槽，后经抛磨出来，最终形成的凹槽如图6所示。

图6 蒸汽发生器管板孔螺旋凹槽示意

液压胀接时，将薄壁换热管压入凹槽，最终涡流检测时发现胀管的肿胀信号。

3 原因分析

从以上分析可以看出，出现胀接NCR(不合格品处理单)的项目均为蒸汽发生器制造厂承制的首台AP1000项目，对AP1000蒸汽发生器结构、材料及换热管胀接要求认识不足，薄壁换热液压胀接经验积累不够，在产品开始前，胀接试验和工艺评定考虑因素还不周全，没有对胀接过程出现的风险点完全识别出来，这些原因从根本上造成了供应商首台蒸汽发生器换热管胀接过程会出现一些不可预料的问题。

另外，蒸汽发生器管板孔胀接数量较多，以AP1000为例，接头数量为20 050个，如何保证每个接头都100%一次胀接合格，且全部接头完成后未胀合缝隙长度的平均值不能超过2.3 mm[8]，是对制造上工厂管理能力的考验，事件一体现出该厂对胀接人员安排、胀接记录、检查记录的管理还是混乱的，导致管孔漏接。

3.1 胀接设备原因

目前，国内蒸汽发生器制造厂采用的胀接设备主要为美国HASKEL与法国TCEM公司提供，该类设备仅完成出厂设计，需与蒸汽发生器制造厂的使用经验相结合，对设备结构进行优化设计，规避出现胀接缺陷的风险。

3.2 前道工序影响

蒸汽发生器管板堆焊完成、机加后，不同区域厚度存在差异，管孔二次侧倒角深度也会不同，对管板有效厚度需测量数据不足，胀区芯轴胀接长度不合理等都会引起后道胀接工序的质量问题；AP1000蒸汽发生器管板深孔加工属于群孔加工，孔径比达45，且孔数量多、加工周期长，管孔加工质量的好坏，直接影响后道工序换热管的胀接质量[10]。如换热管肿胀的NCR(不合格品处理单)虽然是胀接工序造成的，实际上是上道工序管板深孔加工带来的风险。

3.3 清洁/清理重视不够

每个胀接芯轴一般要完成2 000多次胀接循环，芯轴多次插入换热管过程中，不可避免会引起金属配件光洁度磨损表面变差，聚氨酯易损件发生毛边、碎屑，这些很容易造成换热管产生划痕。另外，液压胀前道工序的定位胀、封口焊会在管内残留的金属颗粒或铁屑，胀接芯轴插入过程会带入胀接区，此时相对摩擦会在管子表面留下划痕。

4 纠正及预防措施

考虑依托项目蒸汽发生器制造过程中，作为国内主设备供应商多次出现胀接方面的NCR，而且此类NCR的发生，往往会进行堵管处理，直接影响蒸汽发生器质量和寿命，有如下纠正预防措施。

(1)针对上述出现的胀接问题，应归类总结，对胀接设备进行优化改进、提高使用设备本身的固有安全性，减少人为操作失误的发生，针对胀接、封口焊接之类重复而复杂的工序，可以考虑开发机器人操作。

(2)重视胀接试验和胀接工艺评定，液压胀接作为一种特种工艺，一旦出现过胀缺陷，产品无法修复。产品制造前要摸索出合适的胀接工艺参数，并将工艺、设备完全固化，不可随意更改。

(3)考虑堆焊后管板厚度的差异、管板二次侧管孔倒角深度的差异，胀接前必须实际测量管板有效厚度，根据管板有效厚度调整胀接设备的长度，分区胀接。

(4)胀接过程中，应绘制详细的胀接图，应至少记录每个管孔胀接的操作者姓名、芯轴编号等信息，避免漏胀和重复胀接。

(5)针对全程液压胀接，除重视胀接芯轴的重要性，胀接芯轴配件也应充分重视，如O型圈、支撑圈、裂口环会直接影响胀接区域的胀接长度、接头拉脱力、残余接触压力和过渡区的残余应力，其使用寿命必须严格控制、严格执行，一次疏忽或侥幸的心理可能会造成换热管堵管NCR的发生。

(6)为规避对换热管造成划痕，应在胀接前和胀接过程加强清洁/清理控制，胀接过程中及时清理橡胶圈边缘毛刺和胀接止环间隙中的橡胶屑，发现胀接止环上面粘附异物时，及时清理，胀接止环表面磨损严重或表面粗糙时要及时更换；可以考虑采用倒角设计，并对全程胀杆采用热缩塑料套管进行隔离。

5 结语

核电蒸汽发生器的未胀合缝隙长度最小值和平均值有着非常严格的要求，液压胀接过程中，由于胀接设备长度设置不合理、人为操作原因或者管板本身制造缺陷带来的风险等原因，在依托项目蒸汽发生器制造过程主要出现未胀合缝隙长度过大(欠胀)、过胀、漏胀、重复胀接以及造成换热管划痕等问题。

针对依托项目蒸汽发生器制造过程中发生液压胀的质量事件，国内蒸汽发生器制造厂应吸取经验教训，不断优化胀接工艺、优化胀接设备、细化管理，提高胀接人员操作技能和素质。