核电用NS3105合金U型管壁厚偏差工艺设计及控制

核电用NS3105合金U型管壁厚偏差工艺设计及控制
陆卫中
【摘要】介绍了核电用NS3105合金U型管的技术要求、壁厚偏差的影响因素及控制措施.指出在进行NS3105合金U型管弯制前直管的尺寸偏差工艺设计时需要考虑的要素:直管壁厚不均程度,弯制中拱背部分的壁厚减薄控制,弯制后的打磨补偿,成型设备和工装对管坯壁厚不均的纠偏能力.
【期刊名称】《钢管》
【年(卷),期】2013(042)006
【总页数】4页(P50-53)
【关键词】U型管;NS3105合金;壁厚偏差;工艺设计;弯曲半径;壁厚减薄;蒸汽发生
器
【作者】陆卫中
【作者单位】宝钢特钢有限公司,上海200940
【正文语种】中文
【中图分类】TG132.32
宝钢特钢有限公司控股的宝银特种钢管有限公司是继瑞典Sandvik、法国Valinox、日本Sumitomo之后世界第4家、我国第1家获得制造核一级蒸汽发生器用
NS3105合金（法国牌号Nc30Fe、美国牌号UNS N06690、瑞典牌号Inconel 690）U型管生产许可证的厂商，其为东方电气（广州）重机机器有限公司批量提
供了NS3105合金U型管共150 t，用于制造中国中广核集团广西防城港核电站1号机组二代改进型CPR1000核一级蒸汽发生器的3个管束。

一般锅炉蒸汽发生器、余热排除换热器等用U型管都是制管厂只负责生产出直管，再由蒸汽发生器制造企业自行弯制成U型管［1］。

而核电蒸汽发生器用U型管
却是由制管厂按照采购方的技术条件和采购图纸把直管弯制成U型管，不同弯曲
半径的U型管如图1所示。

然后按照采购方确定的装箱要求，将不同弯曲半径的
U型管按照一定的排列组合顺序装箱后交货。

每个箱子的装箱方式以及包含的数量是按照U型管在圆型蒸汽发生器的不同部位确定，以便使用时按照箱号顺序将U
型管逐层、逐支插入蒸汽发生器不同部位的管板眼，U型管安装现场如图 2 所示［2-3］。

用壁厚实际值处于正偏差或负偏差的直管去弯制同样弯曲半径的U型管，其结果
往往不同，更不要说去弯制不同弯曲半径的U型管，这就使得弯制前的直管尺寸
偏差成为弯制后U型管各部分尺寸偏差的基础。

找出弯制后管子各部位尺寸变化
的影响因素，弄清影响变化的规律，探究与直管尺寸偏差的关系，是控制U型管
壁厚偏差的重要环节。

二代改进型核一级蒸汽发生器用NS3105合金U型管束有53个大小不同的弯曲半径，U型管弯制后各个位置的尺寸偏差受到多种因素影响
而发生变化，合理考虑各种因素对弯制前的直管公称尺寸进行工艺设计具有重要的意义。

图1 不同弯曲半径的U型管
图2 U型管安装现场
1 U型管的几何尺寸要求
1台核电机组的二代改进型CPR1000核电蒸汽发生器用管共分为3个管束，每个管束由4 400多支（约50 t）53个75.00～1 501.36 mm弯曲半径的U型管组
成［4］。

由于核一级蒸汽发生器装置结构紧凑，故U型管束产品技术条件中对不
同弯曲半径的每支U型管的椭圆度、弯曲半径偏差、弯曲后两个直腿的长度差和
平行度、管端600 mm范围内的平直度、管束所有管子的平均壁厚值等指标，相
较于一般U型管有更严格、更多的要求［5］。

如：①为确保U型管每排管子弯
弧部位具有相同的间隔，以便安装防震条，以及保证管内流体的通过效率，要求
53个弯曲半径中，最小弯曲半径的3排U型管的椭圆度不大于5%，紧接其后3
排U型管的椭圆度不大于4%，其余各排U型管的椭圆度不大于3%；②为确保换热效果与整个蒸汽发生器装置重量，必须严格控制整套管束所有管子的实际壁厚值，即在已经规定了每支管子的尺寸偏差外还规定了整套管束的壁厚平均值不得超过技术条件中规定的公称壁厚值；③在弯制过程中，管子受拉或压后会产生壁厚减薄或增厚，其弯弧外侧受到拉力，壁厚会减薄，减薄程度随弯曲半径的不同而不同，减薄后实际尺寸值用测厚仪测量，其值仍应符合采购图纸尺寸偏差要求。

2 U型管壁厚偏差的影响因素
2.1 直管壁厚不均
核一级蒸汽发生器用NS3105合金U型管束制造用直管的成型方式是热挤压［6］。

无论何种成型方式都或多或少使管子存在壁厚不均的现象，虽然成型加工方式（如冷轧或冷拔）、成型装备均整能力、成型次数等使成品后的管子壁厚均匀性有所改善，但管坯壁厚均匀程度仍是成品壁厚均匀的基础。

2.2 弯制造成的拱背壁厚减薄
2.2.1 弯曲半径
用直管弯制不同半径的U型管，弯弧外侧被称为拱背，其管壁受到拉伸力的作用
而变薄，变薄的量值称为壁厚减薄值，大小与弯曲半径有关［7］，53个弯曲半
径对应的拱背壁厚减薄情况如图3所示。

由图3可知：壁厚减薄值的大小与弯曲
半径R的大小成反比。

也就是说，随着弯曲半径R越来越大，拱背的壁厚减薄值
越小：①拱背的壁厚减薄值曲线呈现单调下降趋势；②第1～10排的U型管拱背
壁厚减薄值对应曲线斜率较大，第11～53排的几乎呈水平线，表明拱背处的金属流动规律以第11排为界，前后规律发生了根本性的改变。

2.2.2 弯制工艺
拱背的壁厚减薄值还与弯制工艺有关。

当工艺参数确定后，其对拱背壁厚减薄值的影响可忽略不计。

2.2.3 直管性能
拱背的壁厚减薄值还与直管的性能有关。

弯制同样的弯曲半径时，太“软”（强度低）的直管壁厚减薄值就大，故应调整热处理和其他参数，确保直管的力学性能保持在一个较小的范围内波动［8-9］。

2.3 弯制后打磨造成壁厚减薄
在直管弯制后，需要依据U型管表面质量缺欠以及产品技术条件的要求对管材实施局部或全表面打磨以确保产品的高精度。

2.3.1 局部打磨
在生产直管时，应留有供局部打磨的余量，确保打磨后U型管外径和壁厚均在技术条件范围内：①当在U型弯弧部分打磨时，应考虑打磨与弯制造成的壁厚减薄叠加产生不良影响，当在U型管的“直腿”部分打磨时可不考虑这一因素；②技术条件中对U型管壁厚、外径负偏差的要求；③打磨质量。

2.3.2 全表面磨削
应考虑对成品壁厚偏差的影响，磨削造成的壁厚损失值应在工艺设计时予以修正和补充。

图3 53个弯曲半径对应的拱背壁厚减薄情况示意
3 控制U型管壁厚偏差的措施
3.1 直管壁厚不均控制
直管的制造方法使得直管壁厚偏差不可能全部控制在小的范围。

考虑弯制时拱背壁
厚减薄值大小、成型设备对壁厚不均的纠偏改善程度因素，直管在入厂验收时应对壁厚不均值进行分组，以便分别制造不同弯曲半径的U型管［10］。

以二代改进型CPR1000为例，为确保成品壁厚不均控制在一个合理的范围以内，根据成型加工2～3个道次的现状，采取的直管壁厚不均控制措施如下：
（1）用于制造第1～3排U型管的直管分为第1组，若采用对管坯壁厚均整能力较强的加工设备，壁厚极差值可取0.80～1.00 mm；
（2）用于制造第4～10排U型管的直管分为第2组，其壁厚极差值不大于第1组的1.5倍；
（3）用于制造第11排及以后的U型管直管，其壁厚极差值应严格控制在不大于第1组的2倍以内。

若先测量弯制前的直管壁厚值，挑选壁厚较厚位置作为拱背位置，确保拱背部分壁厚合格，弯制后拱背部分壁厚值不合格率可控制在0.5%以下，但该方式对批量生产极为不利，因此在规模化制造时不宜采用。

3.2 弯曲半径的控制
不同的弯曲半径需要依据制造水平来确定不同的控制方法。

从图3中可以看到，不同的弯曲半径其拱背壁厚减薄值是不同的，一般考虑是将减薄值在相同等级内归为一组进行壁厚尺寸偏差设计。

当制管厂的实际制造能力无法满足按1个工艺尺寸偏差生产时，应根据不同的弯曲半径对应的壁厚减薄值对直管壁厚尺寸偏差进行分组工艺设计，每组壁厚尺寸偏差工艺设计时应考虑本组中最大壁厚减薄值。

3.3 修磨控制
当直管在生产过程中质量不符合要求，弯制后需要对弯弧部分进行局部或全表面打磨时，应在长度满足要求的情况下将其用于制造弯曲半径较大的U型管，以确保弯制后拱背壁厚的实际尺寸大于要求的壁厚最小值。

为确保打磨后的管材符合其他技术要求（如信噪比测试），局部和全表面较大量的打磨应在信噪比测试前进行。

若需要全表面打磨直管，则在壁厚尺寸偏差的工艺设计中应考虑平均打磨值。

3.4 其他控制要求
核一级蒸汽发生器U型管产品技术条件中规定所有交货的管子实际壁厚平均值不得大于公称壁厚值，所以在直管壁厚偏差工艺设计中，需考虑弯制减薄后的U型管实际壁厚值所在的组别尺寸范围大小，否则将可能超出产品技术条件要求。

4 壁厚偏差的分组控制方法
当直管壁厚偏差需要分组时，可采取以下生产控制方法：①外径值不变而增加壁厚值；②内直径不变而增加壁厚值。

当采用方法①时，从轧机成型设备看，芯棒需要大幅后拉，造成顶头各段与孔型原设计接触位置发生显著错位。

顶头各段的受力超出异常，将造成工装寿命缩短和管坯料报废增多；从轧制工装压下段和定径段曲线设计上考虑，顶头位置后移后壁厚增加的余地也不大。

当采用方法②时，只需要改变孔型位置而顶头位置不变。

从工装设计看不破坏孔型和顶头的设计曲线配合，受力状况不变；从装备调整效果看，该方法简便、显著，是首选的方法。

当管坯壁厚不均值、成型设备纠偏能力、弯管减薄控制、过程质量控制具有一定水平时，可缩小分组数量。

若用1种设计的直管就能弯制出53个弯曲半径的合格U 型管，这将为生产带来便捷。

5 结语
制造合格的核一级用NS3105合金U型管，其直管的壁厚偏差设计主要考虑以下因素：①直管壁厚不均程度；②弯制中拱背部分的壁厚减薄控制；③弯制后的打磨补偿；④成型设备和工装对管坯壁厚不均的纠偏能力。

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