高温气冷堆蒸汽出口连接管管夹预紧力测量装置及方法与流程

本发明涉及核电设备制造领域，尤其涉及一种高温气冷堆蒸汽出口连接管管夹预紧力测量装置及方法。

背景技术：

高温气冷堆是国际上公认的具有先进技术特征的新型核反应堆，高温气冷堆核电站具有固有安全性、发电效率高、用途广泛等特点，在国际上受到广泛的重视，也是具有第四代核能系统主要特征的新型核反应堆堆型。其中，高温气冷堆蒸汽发生器作为高温气冷堆的重要组成部分，其重要程度无须赘述，自然，在其设计制造过程中所面临的困难和必须要解决的问题也是及其繁杂的；具体来说，高温气冷堆蒸汽发生器蒸汽出口连接管结构就是其中一个及其关键的研究项目，目前我国对高温气冷堆蒸汽发生器蒸汽出口连接管结构已经有了较为深入的研究，并且获得了较为重大的研究成果，现有技术中也对该成果做了一定的记载；

如中国专利，申请号为201020655609.x，名称为“高温气冷堆蒸汽发生器连接管的连接结构”，申请号为201610390319.9，名称为“高温气冷堆蒸汽发生器蒸汽出口连接管单根穿管连接结构”，申请号为201610392844.4，名称为“高温气冷堆蒸汽发生器给水连接管单根穿管连接结构”等专利文献中披露了高温气冷堆蒸汽发生器蒸汽出口连接管结构，由上述文献中记载的信息可知，目前已经克服了连接结构只能用于整体穿管，不能实现单根穿管的技术问题，并且提出了单根穿管的具体方案；

不过随着研究的深入，上述方案仍然需要不断地完善和补充；高温气冷堆蒸汽出口连接管是由管夹夹紧固定的，通过管夹把多跟连接管紧固成连接管管束，而管夹本身也是焊接形成的，在实际工作中，管夹上的预紧力难以把握，一般来说管夹上的预紧力可能受到很多因素的干扰，如果处置不当，管夹上会有残余预紧力，而所述残余预紧力会对连接管管束的正常工作效率及使用寿命造成不良影响，所以，如何控制管夹上的残余预紧力，如何设定适宜的管夹焊接工艺/参数才能得到残余预紧力可控/符合要求的管夹是目前亟需解决的现实问题；

由于高温气冷堆蒸汽出口连接管所在的环境比较复杂，能够允许的操作空间很小，该连接管的制造成本很高，一般不允许损坏或划伤连接管，所以在考虑解决上述技术问题时，还要综合考虑降低工艺成本、符合实际生产条件和提高测算效率等问题。

由于上述原因，本发明人对现有的高温气冷堆蒸汽发生器蒸汽出口连接管管夹做了深入分析，结合上述技术问题和特殊的工作环境，以期待设计出能够解决上述技术问题，满足使用要求的新的技术方案。

技术实现要素：

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种高温气冷堆蒸汽出口连接管管夹预紧力测量装置和相应的测量方法，该装置包括管夹和两个管夹工装，管夹包括拼装成矩形框架的两块l型板材，在所述矩形框架的外表面上设置有电阻应变片，所述管夹工装用于束紧所述连接管，管夹焊接完成后拆除管夹工装，通过管夹上的电子应变片读出管夹的应变值，进而获知管夹上的残余预紧力；通过改变焊接参数，多次重复试验，能够获得多组焊接工艺参数与对应的残余预紧力值信息，从而能够根据需要筛选出能够产生符合要求的残余预紧力的焊接参数，从而完成本发明。

具体来说，本发明的目的在于提供一种高温气冷堆蒸汽出口连接管管夹预紧力测量装置，包括管夹1和两个管夹工装2；

其中，所述管夹1包括拼装成矩形框架的两块l型板材3，在所述矩形框架的外表面上设置有电阻应变片4；

所述管夹工装2分别设置在管夹1的两侧，通过管夹工装2夹紧所述高温气冷堆蒸汽出口连接管。

其中，所述管夹工装2包括两个夹板21和两个螺栓22，

其中，两个夹板21平行设置在所述连接管两侧，通过两个螺栓22紧固两个夹板21使之夹紧所述连接管。

其中，两个管夹工装2上的夹板21互相垂直设置。

其中，管夹1和管夹工装2之间的间距为50～150mm。

其中，所述电阻应变片4有四个，分别设置在矩形框架上远离所述连接管的四个外表面上；

优选地，所述电阻应变片4为高温电阻应变片。

其中，在所述l型板材3上开设有焊接坡口，坡口角度为60°～70°。

其中，两块l型板材3之间的焊接间隙为1mm～2mm。

本发明还提供一种高温气冷堆蒸汽出口连接管管夹预紧力测量方法，该方法是通过上文所述装置实现的。

其中，该方法包括如下步骤：

步骤1：整理排布高温气冷堆蒸汽出口连接管，将管夹工装2安放在所述连接管上；

步骤2：同步紧固两个管夹工装2上的螺栓22，使得管夹工装2上的夹板21夹紧所述连接管；将l型板材安放在所述连接管上；

步骤3：调整两块l型板材3之间的焊接间隙，并在预定时间内，按照预定顺序将两个l型板材3焊接为一体，形成捆绑所述连接管的管夹1；

步骤4：拆卸两个管夹工装2；

步骤5：通过电阻应变片4读出应变值，并获知管夹上的残余预紧力，其中，所述电阻应变片4是持续工作的，；

步骤6：重复上述步骤1-5，并改变步骤3中任意一个焊接参数；优选地，所述焊接参数包括两块l型板材3之间的焊接间隙、焊接时间和焊接顺序；

步骤7：根据获得的多组所述残余预紧力和对应的焊接参数信息筛选适宜的焊接参数。

其中，在步骤6中，所述两块l型板材3之间的焊接间隙是在1mm-2mm长度范围内任选的2～10个长度值；和/或

在步骤6中，所述焊接时间是在1min-5min时长范围内任选的2～10个时间值；和/或

在步骤6中，所述焊接顺序包括连续焊接和轮换焊接；所述连续焊接为焊满一个坡口后再焊接另外一个坡口；所述轮换焊接为在一个坡口内完成一个焊道后，在另一个坡口内完成一个焊道，再返回上一个坡口完成一个焊道，直至两个坡口都被焊满。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)根据本发明提供的高温气冷堆蒸汽出口连接管管夹预紧力测量装置结构简单，可多次重复试验，试验效率高，结果准确；

(2)根据本发明提供的高温气冷堆蒸汽出口连接管管夹预紧力测量装置的管夹工装能够夹紧连接管，在夹紧连接管后即使继续旋紧管夹工装，最终得到的残余预紧力也不会有明显变化，所以管夹工装只需夹紧连接管即可，管夹工装不会对最终获得的预紧力结果造成干扰；

(3)根据本发明提供的高温气冷堆蒸汽出口连接管管夹预紧力测量方法能够多次逐步调整焊接参数，全面获得每一个参数对残余预紧力的影响关系，最终找到能够获得最优残余预紧力的焊接参数。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的高温气冷堆蒸汽出口连接管及其上的管夹、管夹工装整体结构示意图；

图2示出根据本发明一种优选实施方式的高温气冷堆蒸汽出口连接管管夹的截面图；

图3示出根据本发明一种优选实施方式的高温气冷堆蒸汽出口连接管上的一个管夹工装结构示意图；

图4示出根据本发明一种优选实施方式的高温气冷堆蒸汽出口连接管上的另一个管夹工装结构示意图；

附图标号说明：

1-管夹

2-管夹工装

3-l型板材

4-电阻应变片

21-夹板

22-螺栓

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

高温气冷堆蒸汽出口连接管一端与蒸汽出口管板相连，另一端与螺旋换热管相连；所述高温气冷堆蒸汽出口连接管有多跟，一般来说，一个高温气冷堆中通常会设置成千上万跟所述连接管，通常几根、十几根或者几十根所述连接管由管夹困绑成一组，成为一个连接管束，而所述管夹都是焊接形成的金属框架。本发明的目的在于提供获得最佳焊接管夹工艺/参数的测量装置及相应方法，所谓最佳焊接参数是指通过该焊接参数获得的管夹具有最为合理的残余预紧力。

根据本发明提供的高温气冷堆蒸汽出口连接管管夹预紧力测量装置，如图1、图2、图3和图4中所示，该装置包括管夹1和两个管夹工装2；

其中，所述管夹1包括拼装成矩形框架的两块l型板材3，在所述矩形框架的外表面上设置有电阻应变片4；即所述管夹是由两块l型板材3焊接形成的，两个l型板材之间有两个相接触的点，即两个焊接位置；

所述管夹工装2分别设置在管夹1的两侧，通过管夹工装2夹紧所述高温气冷堆蒸汽出口连接管。

在一个优选的实施方式中，如图3和图4中所示，所述管夹工装2包括两个夹板21和两个螺栓22，

其中，两个夹板21平行设置在所述连接管两侧，通过两个螺栓22紧固两个夹板21使得两个夹板21夹紧所述连接管。

在一个优选的实施方式中，如图3和图4中所示，两个管夹工装2上的夹板21互相垂直设置，从而从两个方向夹紧所述连接管，从而确保夹紧作业的稳固。

在一个优选的实施方式中，管夹1和管夹工装2之间的间距为50～150mm，优选地，两个管夹工装与管夹的距离相等。

在一个优选的实施方式中，所述电阻应变片4有四个，分别设置在矩形框架上远离所述连接管的四个外表面上；优选地，所述电阻应变片位于其所在面的中心位置。

优选地，所述电阻应变片4为高温电阻应变片，电阻应变片的工作环境温度在250摄氏度左右，所述高温电阻应变片能够承受250摄氏度以上的温度。

在一个优选的实施方式中，在所述l型板材3上开设有焊接坡口，坡口角度为60°～70°，所述焊接坡口的角度可以根据实际情况进行调整，优选为64°～68°。

在一个优选的实施方式中，两块l型板材3之间的焊接间隙为1mm～2mm。

根据本发明提供的高温气冷堆蒸汽出口连接管管夹预紧力测量方法，该方法是通过如上文所述装置实现的。

优选地，该方法包括如下步骤：

步骤1：整理排布高温气冷堆蒸汽出口连接管，将l型板材3和管夹工装2安放在所述连接管上；

步骤2：同步紧固两个管夹工装2上的螺栓22，使得管夹工装2上的夹板21夹紧所述连接管；

步骤3：调整两块l型板材3之间的焊接间隙，并在预定时间内，按照预定顺序将两个l型板材3焊接为一体，形成捆绑所述连接管的管夹1；

步骤4：拆卸两个管夹工装2；

步骤5：通过电阻应变片4读出应变值，并获知管夹上的残余预紧力；其中，所述电阻应变片4是持续工作的，所述电阻应变片4在步骤3开始前就开始测量并记录应变值，从而获知残余预紧力；

步骤6：重复上述步骤1-5，并改变步骤3中任意一个焊接参数；优选地，所述焊接参数包括两块l型板材3之间的焊接间隙、焊接时间和焊接顺序；

步骤7：根据获得的多组所述残余预紧力和对应的焊接参数信息筛选适宜的焊接参数。

优选地，在步骤6中，所述两块l型板材3之间的焊接间隙是在1mm-2mm长度范围内任选的2～10个长度值；例如选择5个长度值时，需要五次实验逐步验证每个长度值时的残余预紧力，优选地，五个长度值分别为1mm、1.25mm、1.5mm、1.75mm和2mm。

优选地，在步骤6中，所述焊接时间是在1min-5min时长范围内任选的2～10个时间值；优选地，所述焊接时间可以在1min-3min时长范围内任选的2～5个时间值，例如取3个时间值时，3个时间值分别为1min、2min和3min，即进行三次实验，分别用1min、2min和3min完成焊接作业。

优选地，在步骤6中，所述焊接顺序包括连续焊接和轮换焊接；所述连续焊接为焊满一个坡口后再焊接另外一个坡口；所述轮换焊接为在一个坡口内完成一个焊道后，在另一个坡口内完成一个焊道，再返回上一个坡口完成一个焊道，直至两个坡口都被焊满。

本发明中所述电阻应变片能够直接度取出管夹的残余应变值，所述残余应变值与管夹材质的弹性模量相乘即可得到管夹的残余应力，进而得到残余预紧力。

实验例：

选择一组本发明中所述换热管，共35根，通过如图1至4中所示的高温气冷堆蒸汽出口连接管管夹预紧力测量装置测量在换热管上焊接的管夹的残余应力和焊接参数之间的关系，具体采用如下步骤；

步骤1：整理排布高温气冷堆蒸汽出口连接管，将管夹工装2安放在所述连接管上；

步骤2：同步紧固两个管夹工装2上的螺栓22，使得管夹工装2上的夹板21夹紧所述连接管；将l型板材安放在所述连接管上；

步骤3：调整两块l型板材之间的焊接间隙，使得间隙为1mm，并在1.5min内，轮换焊接，将两个l型板材焊接为一体，形成捆绑所述连接管的管夹；

步骤4：拆卸两个管夹工装；

步骤5：通过电阻应变片读出应变值，并获知管夹上的残余预紧力，所述残余预紧力为6000n-9000n；

步骤6：重复上述步骤1-5，并改变步骤3中任意一个焊接参数；

步骤7：根据获得的多组所述残余预紧力和对应的焊接参数信息筛选适宜的焊接参数。

其中，得到的焊接参数与管夹残余应力的关系详见下表；

根据所述换热管的使用要求可知，其残余预紧力应在18000n-20000n范围内，故而选择第6次焊接实验中应用的焊接参数进行该连接管上管夹的焊接，最终得到焊接在连接管上的管夹；

测得该管夹上残余应力为19500n，符合设计要求，该管夹能够使用的年限为40年，而该实际使用寿命能够说明管夹上的残余应力符合设计要求，因运行时，管夹膨胀量大于管束膨胀量，如残余应力过低，会有变松趋势，影响连接管束固定及隔热组件固定，如果松动，在热应力情况下管夹会产生位移，造成隔热组件热膨胀补偿不能满足要求，影响寿命，当管夹预紧力在要求值附近时，管夹残余应力没有超过管夹许用应力强度，管夹与管束的接触应力也不超过管束和管夹的许用应力强度，进而保证设计寿命。反之，超过该值，会使管束或管夹应力水平超限，影响管束和管夹寿命。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。