核电站高温取样冷却器蛇管弯管工艺研究

张发云，王　岩，邓　冬

核电站高温取样冷却器蛇管弯管工艺研究

张发云，王岩*，邓冬

（生态环境部核与辐射安全中心，北京 102401）

分析了高温取样冷却器蛇管的验收要求，通过合理设计弯曲和消应力热处理工艺，有效控制蛇管弯曲和消应力产生的回弹现象，评定件的各项检验试验指标合格，获得满足尺寸精度要求的蛇管，消应力热处理能有效消除冷弯变成产生的残余应力，对材料性能及组织基本无影响。

蛇管；弯制；消应力热处理；残余应力

高温取样冷却器是高能样品水进入试验分析前降温和减压的第一级冷却设备，蛇管是高温取样冷却器的核心换热部件，在核电事故诊断和控制方面起着重要作用[1, 2]，蛇管采用了小口径薄壁不锈钢管，尺寸精度要求较高，对其成形工艺提出了较高的要求，因市场需求量有限，制造难度大，对蛇管成形工艺的研究报道相对较少，本文通过对蛇管成形工艺及其性能进行试验研究，得到尺寸和性能合格的蛇管。

1　蛇管材料及结构

根据设计要求，高温取样冷却器蛇管的材质为022Cr19Ni10，规格为10.2×1.8 mm，采用冷弯成形工艺制作蛇管，蛇管材料的力学性能要求、结构如表1、图1所示，蛇管螺旋直径130 mm，节距15 mm，最小弯曲半径R30 mm，展开长度约26.6 m。

表1　022Cr19Ni10蛇管材料的力学性能

图1　蛇管结构图

2　蛇管的验收要求

技术规格书规定，蛇管应按RCC-M F4160进行成形工艺评定，通过试验证明采用的工艺方法能满足所要求的尺寸允差，允许公差如表2所示，还应证明弯管产生的应力水平是否需要进行消除应力处理。成形后表面不得不得有划痕、凹陷、碰伤、或其他有害缺陷，经消应力热处理后不应存在晶粒长大现象（晶粒变粗不超过1级），且晶粒边界不存在析出物、晶粒度为2级或更细，对材料性能没有影响，应满足表1的要求[3-5]。

表2　蛇管尺寸要求

3　蛇管成形工艺

3.1　蛇管成形工艺分析

蛇管采用了小口径薄壁不锈钢管，蛇管的弯曲半径小，尺寸精度要求高，其弯制难度较大，而不锈钢管道在冷变形时会产生加工硬化，卸载工装夹具后会产生管道回弹，冷弯后会在材料中留下残余应力，残余应力会使材料的SCC敏感性大增，对材料抗应力腐蚀开裂（SCC）极为不利[6,7]。如经过冷弯成形后产生的残余应力需要进行消应力处理时，热处理后也会产生回弹和粗晶现象，如果弯曲成形工艺制定不合理或控制不当，易出现管子的椭圆度超标、圆弧外侧管壁减薄量过大、圆弧外侧弯裂、内侧起皱及弯曲回弹等，且最外侧管壁易产生裂纹，内侧管壁易出现失稳而起皱等缺陷[8]。

3.2　蛇管弯管工艺与热处理工艺

为了保证蛇管成形后的尺寸精度，根据前期摸索试验经验，使用侧面带有助推装置的液态弯管机，配合设计的专用成形磨具（卷绕芯棒）和控制工装进行弯管评定试验。在弯制过程中，将蛇管弯制过程分为进口端、盘管端、出口端三步弯制成形，其中，进口端和出口端的弯制工艺和常规弯管工艺基本一致，在盘管弯制过程中，利用专用磨具（卷绕芯棒）的尺寸和工装控制蛇管轴向、径向回弹量，并合理控制弯管进给速度。

按RCC-M F4163的要求，对冷弯成形后的蛇管进行了沸腾氯化镁应力腐蚀试验，发现采用不用尺寸的专用磨具、不同进给速度下弯制成形的蛇管，未经消应力热处理的试样均出现裂纹，说明冷弯后蛇管内产生的残余应力超出合格的应力水平，需对蛇管进行消应力热处理。

为了彻底消除冷成形对管子性能的影响，防止热处理导致蛇管变形及大幅度回弹，将蛇管装配在特定的工装内随炉进行消应力热处理，热处理工艺为（1 000±10）℃/15 min，冷却方式为水冷。同时，在消应力热处理时，随炉装入热处理试管，利用随炉试管研究消应力热处理对材料力学性能的影响。

4　试验结果分析

4.1　尺寸及表面检验

分别对弯曲成形后、热处理后经酸洗钝化的蛇管进行了表面检查和尺寸测量，蛇管表面无划痕、凹陷、碰伤、或其他有害缺陷，尺寸检验结果如表3所示，由表中信息可知采用上述工艺弯制和消应力热处理工艺可获得合适的蛇管尺寸和表面质量。

表3　尺寸检验结果

注：椭圆度和壁厚分别在蛇管的直管段、不同弯曲半径上沿圆周方向进行测量，各弯曲段的起始点作为测量0°，每隔45°一次。

4.2　性能检验

消除应力热处理后，对随炉热处理试管进行室温拉伸、350 ℃拉伸、压扁、扩口、晶粒度、晶间腐蚀及开环试验，在评定蛇管上进行了残余应力和金相试验，残余应力和金相试样取样位置见图2所示，性能测试结果如表4所示，可知，经过消应力热处理后管材的力学性能满足要求，消应力热处理后的晶粒度为5级，不应存在晶粒长大现象（晶粒变粗不超过1级），在晶粒边界不存在析出物（见图3），氯化镁应力腐蚀和C型环残余应力试验结果均合格，说明消应力热处理基本消除了冷成形对管子性能的影响，满足技术规格书Q/CNPE.J 104.12—2009要求。

图2　取样示意图

表4　随炉试样的性能测试结果

图3　金相组织

5　结论

通过合理的磨具和控制工装，设计合理的冷弯工艺和消应力热处理工艺能获得满足尺寸精度要求的蛇管，消应力热处理能有效消除冷弯成形产生的残余应力，对管子的力学性能及微观组织无明显影响。

［1］ 中国核电工程有限公司．高温取样冷却器设计说明书：XRNS071-073RF 2015［R］．北京：中国核电工程有限公司，2013．

［2］ 孙永亮，李成涛，崔智勇，等．核电站高温取样冷却器失效机理［J］．腐蚀与防护，2012，33（8）：719-723．

［3］ 中核核电工程有限公司．核 2、3级设备用奥氏体不锈钢热交换器传热管技术条件：Q/CNPE．J104．12—2009［R］．北京：中国核电工程有限公司，2009．

［4］ 中国核电工程有限公司．核 2、3 级管壳式热交换器制造、检验和验收技术条件：Q/CNPE．J105．2—2009［R］．北京：中国核电工程有限公司，2009．

［5］ 法国核岛设备设计、监造及在役检查规则协会． RCC-M压水堆核岛机械设备设计和建造规则（2002版+2002补遗）［S］．上海：上海科技技术出版社，2010．

［6］ 朱建平．冷加工对不锈钢钢管耐蚀性的损害和控制探讨［J］．石化技术，2019，26（10）：246-247．

［7］ 何德孚，王晶滢．冷加工对不锈钢钢管耐蚀性的损害及其控制［J］．钢管，2015，44（1）：1-9．

［8］ 刘贤文．压弯成形工艺［EB/OL］．https：//wenku. baidu.com/view/9ad290bba55177232f60ddccda38376bae1fe09d.html,2020.5.17,2021.

Study on the Coiler Bending Process of the High Temperature Sampling Cooler in Nuclear Power Plant

ZHANG Fayun，WANG Yan*，DENG Dong

（Nuclear and Radiation Safety Center，MEE，Beijing 102401，China）

This paper analyzes the acceptance requirements for coiler bending of the high temperature sampling cooler, The rebound phenomenon is controlled as far as possible by reasonable design bending and stress relief heat treatment process. All inspection and test indexes of the evaluated parts are qualified, and the snake tube meeting the requirements of dimensional accuracy is obtained. Stress relief heat treatment can effectively eliminate the residual stress caused by cold bending. It has no effect on material properties and microstructure.

Coiler; Bending; Stress relieving heat treatment; Residual stress

TG161

A

0258-0918（2022）06-1367-05

2021-11-25

张发云（1978—），男，青海互助人硕士，高级工程师。现主要从事核电厂核级机械设备安全审评、焊接和无损检验相关研究

王 岩，E-mail：269171603@qq.com