专利名称：Ap1000核电蒸发器管子与管板胀接工艺参数的确定方法
技术领域：
本发明属于核电设备制造技术领域，具体涉及AP1000第三代核电蒸发器管子与 管板胀接工艺参数的确定方法，即为AP1000核电蒸发器管子与管板的胀接工艺提供计算 和分析方法。
背景技术：
核电蒸发器管子/管板的连接一般采用强度胀加密封焊的工艺方法。胀接接头的 强度失效将导致一次侧放射性和腐蚀性的载热剂介质泄漏，对设备安全运行和环境造成很 大影响，因此管子/管板胀接的质量是确保核动力设备正常运行的关键。而胀接的质量主 要取决于胀接工艺参数。核电蒸发器管子/管板的胀接一般采用全厚度液压胀管技术，对胀接接头的性能 要求是要具有足够的拉脱强度和良好的密封性。保证性能的关键要素是通过胀接在管子/ 管板界面形成足够的残余接触压力，而影响残余接触压力大小的主要因素包括胀接压力、 管子/管板界面的初始间隙、管子/管板材料力学性能、结构尺寸及管孔排列方式等。对于 一定的核电蒸发器，其管子/管板材料、结构尺寸及管孔排列方式一定，则影响残余接触压 力和接头性能的重要因素是胀接工艺参数，主要体现为胀接压力和管子/管板界面的初始 间隙。在传统的液压胀管技术中，其工艺参数主要通过试验、经验及简单的力学计算确 定。即制作与实际结构尺寸相同的管子/管板胀接模拟试件，通过在不同胀接压力下进行 液压胀管，而后对胀接接头在大型拉力试验机上进行拉脱试验测量接头的拉脱强度，依据 标准规范对接头的拉脱强度和密封性进行考核，方可确定能满足接头性能要求的工艺参 数。这一方法的不足是成本太高，需消耗大量的人力、物力及财力，且需要反复试验，工作周 期长，也不一定能得到保证接头服役可靠性的最佳工艺参数。目前第二代核电蒸发器管子/管板的胀接工艺参数的确定也主要是采用上述传 统的方法，即试验、经验及简单的计算方法，还缺乏科学、准确和低成本的方法。目前在建的 先进的第三代AP1000核电蒸发器管子/管板的结构、材料和管孔排列方式与第二代不同， 基于试验和经验确定的第二代胀接工艺参数不能用于第三代。经文献和专利检索，目前国 内外也还没有AP1000第三代核电蒸发器管子/管板胀接工艺参数确定的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种低成本、准确可靠的用于AP1000第三 代核电蒸发器管子与管板胀接工艺参数的确定方法。本发明的AP1000核电蒸发器管子与管板胀接工艺参数的确定方法，包括(1)确定管子与管板胀接接头的最低拉脱强度指标值F。，并确定胀接后管子减薄 率的限定值&。；管子减薄率根据以下公式定义
4
^ = [1 - ^2" ^ ] χ 100%式中D为管孔直径，d为胀管后管子内径，t为胀管前管子壁厚，单位均为mm，其 中胀管后管子内径d随胀接压力P变化；根据所述公式通过三维有限元计算得到管子与管板间不同初始间隙&时的胀接 压力P与管子减薄率I^p的关系；通过三维有限元计算得到管子与管板间不同初始间隙&时的胀接压力P与接头 拉脱力F的关系；通过三维有限元计算得到管子与管板间不同初始间隙&时的胀接压力P与管子 和管板界面残余接触压力CP的关系；其中初始间隙&为胀管前管板的管孔直径与管子外径差值的一半；(2)测定常温下管板材料和管子材料的屈服强度；(3)测定胀管前管子与管板间的初始间隙值& ；(4)根据所述不同初始间隙&时的胀接压力P与接头拉脱力F的关系，确定出相 应于步骤( 得到的初始间隙值&时的拉脱力F等于所述最低拉脱强度指标值F。时的最 小胀接压力值Pmin ；(5)根据所述不同初始间隙&时的胀接压力P与管子减薄率的关系，确定出相 应于步骤C3)得到的初始间隙值&时的对应于所述胀接后管子减薄率限定值&。时的最大 胀接压力值Pmax ；(6)满足接头可靠性指标要求的胀接压力范围在所述最小胀接压力值Pmin与所述 最大胀接压力值Pmax之间；在所述最小胀接压力值Pmin与所述最大胀接压力值Pmax之间的中值到所述最大胀 接压力值Pmax的区间内选取胀接压力进行胀接和拉脱试验，确定出相应于步骤C3)得到的 初始间隙&的最佳胀接压力Ptl，并通过所述不同初始间隙&时的胀接压力P与接头拉脱力 F的关系确定出对应于所述最佳胀接压力Ptl的拉脱力Ftl ；(7)根据所述不同初始间隙&时的胀接压力P与管子和管板界面残余接触压力CP 的关系，确定出对应于步骤C3)得到的初始间隙值&和所述最佳胀接压力Ptl的界面残余接 触压力CP0。通过本发明可降低确定AP1000第三代核电蒸发器管子与管板胀接工艺参数的试 验成本，并提高准确性。
图1是根据本发明的AP1000核电蒸发器管子/管板的结构。图2是根据本发明的AP1000核电蒸发器管孔及排列方式。图3是本发明提供的管子与管板间不同初始间隙&时胀接压力P与接头拉脱力F 的关系曲线族。图4是本发明提供的管子与管板间不同初始间隙&时胀接压力P与管子减薄率 艮的关系曲线族。图5是本发明提供的管子与管板间不同初始间隙S0时胀接压力P与管子/管板界面残余接触压力CP的关系曲线族。
具体实施例方式本发明基于先进的三维有限元模拟计算，深入研究了 AP1000核电蒸发器管子/管 板胀接的力学过程及各种参数对接头性能的影响，基于各力学参数及其相互关系的深入分 析，建立了确定胀接工艺参数的科学分析计算方法。该方法可降低确定胀接工艺参数的试 验成本，并提高准确性。本发明适用的第三代AP1000核电蒸发器管子/管板的结构如图1所示，管板厚度 798mm，管子外径17. 48mm，管子内径15. 46mm，管子壁厚1.01mm，末胀间隙(图1中放大部 分)为0 6. 35mm。管孔及排列方式如图2所示，管孔按三角形排列，管孔直径17. 73mm,节 距892mm。适用的管板材料为A508类低合金钢锻件，其屈服强度范围在410MPa-530MPa ； 传热管(即核电蒸发器管子)材料为Alloy 690(镍基690合金)，其屈服强度范围在 ^5MPa-360MPa，该范围是本发明通过数值模拟计算确定的，如超出此范围，则不益用本发 明。确定胀接工艺参数的分析计算方法如下(1)依据相关技术标准和规范(如美国ASME、法国RCC-M等)，确定AP1000核电蒸 发器管子与管板胀接接头的最低拉脱强度指标值F。，及胀接后管子减薄率的限定值&。。管 子减薄率艮按下式(1)定义，本方法图4及(6) (9)式中的管子减薄率艮是用三维有限 元通过下式(1)计算的。
权利要求
1.一种AP1000核电蒸发器管子与管板胀接工艺参数的确定方法，包括(1)确定管子与管板胀接接头的最低拉脱强度指标值F。，并确定胀接后管子减薄率的 限定值I ；管子减薄率&根据以下公式定义ρ式中D为管孔直径，d为胀管后管子内径，t为胀管前管子壁厚，单位均为mm，其中胀 管后管子内径d随胀接压力P变化；根据所述公式通过三维有限元计算得到管子与管板间不同初始间隙&时的胀接压力P 与管子减薄率的关系；通过三维有限元计算得到管子与管板间不同初始间隙&时的胀接压力P与接头拉脱 力F的关系；通过三维有限元计算得到管子与管板间不同初始间隙&时的胀接压力P与管子和管 板界面残余接触压力CP的关系；其中初始间隙&为胀管前管板的管孔直径与管子外径差值的一半；(2)测定常温下管板材料和管子材料的屈服强度；(3)测定胀管前管子与管板间的初始间隙&；(4)根据所述不同初始间隙&时的胀接压力P与接头拉脱力F的关系，确定出相应于 步骤( 得到的初始间隙&时的拉脱力F等于所述最低拉脱强度指标值F。时的最小胀接 压力值Pmin;(5)根据所述不同初始间隙S0时的胀接压力P与管子减薄率Iip的关系，确定出相应于 步骤C3)得到的初始间隙&时的对应于所述胀接后管子减薄率限定值&。时的最大胀接压 力值Pmax ；(6)满足接头可靠性指标要求的胀接压力范围在所述最小胀接压力值Pmin与所述最大 胀接压力值Pmax之间；在所述最小胀接压力值Pmin与所述最大胀接压力值Pmax之间的中值到所述最大胀接压 力值Pmax的区间内选取胀接压力进行胀接和拉脱试验，确定出相应于步骤C3)得到的初始 间隙&的最佳胀接压力Ptl，并通过所述不同初始间隙&时的胀接压力P与接头拉脱力F的 关系确定出对应于所述最佳胀接压力Ptl的拉脱力Ftl ；(7)根据所述不同初始间隙&时的胀接压力P与管子和管板界面残余接触压力CP的 关系，确定出对应于步骤C3)得到的初始间隙&和所述最佳胀接压力Ptl的界面残余接触压 力 CP0。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据美国ASME规范或法国RCC-M规范确定 步骤(1)中的所述最低拉脱强度指标值F。。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述最低拉脱强度指标值F。为所述管子与 管板胀接接头的轴向载荷L，通过以下公式确定L = AtXSyXfr,式中A为管子横截面积，单位为mm2，Sy为管子材料在操作温度下的最低屈服强度，单 位为MPa，fr为接头可靠性因子。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述接头可靠性因子f；的取值不低于0.7。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述管板材料包括A508类低合金钢锻件。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述管板材料的屈服强度范围在 410MPa-530MPa 之间。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述管子材料包括镍基690合金。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述管子材料的屈服强度范围在 ^5MPa-360MPa 之间。
9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述界面残余接触压力CPtl不超过管板材料 或管子材料在操作温度下的最低屈服强度中的较低值的58%。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述胀接后管子减薄率的限定值&。在 1 3%之间。
全文摘要
本发明涉及AP1000核电蒸发器管子与管板胀接工艺参数确定方法，包括确定管子与管板胀接接头最低拉脱强度指标值及胀接后管子减薄率限定值；三维有限元计算得到管子与管板间不同初始间隙时胀接压力分别与管子减薄率、接头拉脱力、管子和管板界面残余接触压力的关系；测定常温管板和管子材料屈服强度；测定管子与管板间的初始间隙值；确定相应于初始间隙值时拉脱力等于最低拉脱强度指标值时的最小胀接压力、对应于胀接后管子减薄率限定值时的最大胀接压力；在最小与最大胀接压力间的中值到最大胀接压力的区间内选取胀接压力进行胀接和拉脱试验，确定相应于初始间隙的最佳胀接压力及其对应的拉脱力；确定对应于初始间隙和最佳胀接压力的界面残余接触压力。
文档编号B21D39/00GK102107250SQ20101058126
公开日2011年6月29日 申请日期2010年12月9日 优先权日2010年12月9日
发明者尹淼晶, 涂善东, 王国珍, 轩福贞, 闫宗宝 申请人:华东理工大学