耐腐蝕高溫合金管-管板連接方法及換熱器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種耐腐蝕高溫合金管?管板連接方法。該方法包括：1、在管板上加工出管孔，在管板上側(cè)圍繞管孔加工用于放置釬料環(huán)的U型環(huán)狀喂料凹槽，U型環(huán)狀喂料凹槽的內(nèi)徑不小于管子外徑+1mm，并設(shè)置連通U型環(huán)狀喂料凹槽和管孔且沿管孔周向均勻分布的多個喂料孔；2、將管子穿過管孔并使得管子下端突出管板下側(cè)平面，然后對管子下端突出部分進(jìn)行脹管，最后將管子下端突出部分壓入管孔；3、對管子下端與管板下側(cè)結(jié)合處進(jìn)行熔焊焊接，焊縫熔深不小于管子的壁厚；4、在U型環(huán)狀喂料凹槽中置入釬料環(huán)后進(jìn)行真空釬焊。本發(fā)明還公開了一種耐腐蝕高溫合金換熱器。本發(fā)明可確保管子與管板之間形成全厚度的冶金結(jié)合。
【專利說明】
耐腐蝕高溫合金管-管板連接方法及換熱器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及管-管板連接方法，尤其涉及一種耐腐蝕高溫合金管-管板連接方法。
【背景技術(shù)】
[0002]第四代核反應(yīng)堆-熔鹽堆因其具有固有安全性及高效等優(yōu)點，成為了未來核電領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。該反應(yīng)堆運(yùn)行溫度為600°C~70(TC，采用腐蝕性強(qiáng)的熔鹽作為冷卻劑，以抗熔鹽腐蝕的鎳基高溫合金(例如美國橡樹嶺實驗室開發(fā)的Hastelloy N合金或我國科研單位開發(fā)的GH3535合金)作為結(jié)構(gòu)材料，建造核反應(yīng)堆需要確保制造出高質(zhì)量的核設(shè)備，而熔鹽換熱器作為反應(yīng)堆的核心設(shè)備，其制造的可靠性，尤其是換熱器管-管板連接的可靠性顯得尤為重要。
[0003]傳統(tǒng)的換熱器管-管板接頭的連接方法主要有三種:(I)管板端部與管子的鎢極氬弧焊，該焊接方式僅獲得一定熔深的焊縫，存在較大的管子與管板間的間隙，該間隙的存在導(dǎo)致焊縫根部存在大的應(yīng)力集中以及存在間隙腐蝕的危險，在苛刻惡劣的服役環(huán)境下管-管板接頭容易發(fā)生失效;(2)管子與管板的脹接焊，即脹接+焊接的方式，該焊接方式應(yīng)用于運(yùn)行溫度低于350°C以下的壓水堆的蒸發(fā)器中，但脹接屬于機(jī)械結(jié)合而非冶金結(jié)合，在更高溫度下材料會發(fā)生蠕變松弛等現(xiàn)象，因此脹接部位易發(fā)生松脫，進(jìn)而導(dǎo)致焊縫應(yīng)力集中而失效；(3)管子與管板內(nèi)孔焊技術(shù)，該焊接方式需要配有專用的焊槍深入管內(nèi)進(jìn)行焊接，由于熔鹽堆換熱器換熱管內(nèi)徑僅約10mm，目前市場上尚未有成熟的焊槍可用于內(nèi)孔焊的焊接。
[0004]因此，針對耐腐蝕高溫合金的材料特性以及高溫高腐蝕的工況，如何提供一種管-管板的連接方法，避免接頭的應(yīng)力集中開裂及縫隙腐蝕的危險，提高換熱器的使用壽命及安全性是本領(lǐng)域技術(shù)人員需解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種耐腐蝕高溫合金管-管板連接方法，可確保管子與管板之間形成全厚度的冶金結(jié)合，避免接頭應(yīng)力集中開裂，防止發(fā)生縫隙腐蝕，從而提高類似熔鹽堆換熱器這樣的設(shè)備的使用壽命及安全性。
[0006]本發(fā)明所提出的耐腐蝕高溫合金管-管板連接方法，包括以下步驟:
步驟1、在管板上加工出直徑比管子外徑大0.08?0.16mm的管孔，在管板上側(cè)圍繞所述管孔加工用于放置釬料環(huán)的U型環(huán)狀喂料凹槽，U型環(huán)狀喂料凹槽的內(nèi)徑不小于管子外徑+Imm，并設(shè)置連通U型環(huán)狀喂料凹槽和管孔且沿管孔周向均勻分布的多個喂料孔；
步驟2、將管子穿過管孔并使得管子下端突出管板下側(cè)平面，然后對管子下端突出管板下側(cè)平面的部分進(jìn)行脹管，使得脹管后管子外徑最大處比管孔直徑大0.5mm，最后將管子下端壓入管孔，直至與管板下側(cè)平面平齊；
步驟3、對管子下端與管板下側(cè)結(jié)合處進(jìn)行熔焊焊接，焊縫熔深不小于管子的壁厚； 步驟4、在所述U型環(huán)狀喂料凹槽中置入釬料環(huán)后進(jìn)行真空釬焊。
[0007]優(yōu)選地，所述釬料環(huán)的材料為金鎳合金;優(yōu)選的質(zhì)量配比為82%Au和18%Ni。
[0008]優(yōu)選地，所述真空釬焊的工藝參數(shù)具體如下:真空釬焊的真空度10—2帕以上，升溫速度不大于10°C/min，中間過程900°C保溫20min，釬焊溫度1000?1020°C，保溫時間20?60min，以不大于5°C/min的降溫速率降至400°C以下的溫度后出爐。
[0009]優(yōu)選地，所述喂料孔的軸線與管孔軸線之間成30°角。
[0010]優(yōu)選地，步驟2中使用錐度30°的硬質(zhì)合金壓頭對管子下端突出管板下側(cè)平面的部分進(jìn)行液壓脹管，然后使用液壓機(jī)將管子下端壓入管孔。
[0011]進(jìn)一步地，在管板下側(cè)圍繞所述管孔預(yù)先加工有用于減小熔焊焊接應(yīng)力的U型環(huán)凹槽，該U型環(huán)凹槽的內(nèi)徑不小于管子外徑+2倍管子壁厚，U型環(huán)凹槽寬度不小于管子壁厚，U型環(huán)凹槽深度不小于管子壁厚。采用該方案可有效減小熔焊焊接的焊接應(yīng)力。
[0012]所述耐腐蝕高溫合金可以為現(xiàn)有或?qū)⒂械母黝惸透g高溫合金，例如HastelloyN合金或GH3535合金。管板與管子所使用的耐腐蝕高溫合金材料可以相同，也可以不同。
[0013]根據(jù)相同的發(fā)明思路還可以得到一種耐腐蝕高溫合金換熱器，包括與管板連接的一組管子，所述管板與管子通過上述任一技術(shù)方案所述連接方法連接。
[0014]相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果:
本發(fā)明可實現(xiàn)大厚度的耐腐蝕高溫合金管板與管子的全厚度冶金連接，管板厚度可達(dá)130mm，這是現(xiàn)有技術(shù)所無法達(dá)到的；
本發(fā)明方法連接的管-管板接頭避免了應(yīng)力集中開裂和縫隙腐蝕的危險，有效提高了熔鹽堆換熱器等在高溫高腐蝕環(huán)境下所使用設(shè)備的使用壽命及安全性。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明方法一個優(yōu)選實施例的示意圖；其中，I為管板，2為管孔，3為管子，4為管板下側(cè)的U型環(huán)凹槽，5為管板上側(cè)的U型環(huán)狀喂料凹槽，6為喂料孔，7為管板下側(cè)與管子結(jié)合處的氬弧焊焊縫，8為釬焊焊縫。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明:
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)所難以完成的耐腐蝕高溫合金管-管板可靠連接問題，提出了一種新的連接方法，將脹接、熔焊、釬焊等工藝有機(jī)結(jié)合，從而實現(xiàn)了厚度可達(dá)130_的管板與管子的全厚度連接，且管-管板接頭避免了應(yīng)力集中開裂和縫隙腐蝕的危險，連接性能完全滿足熔鹽堆換熱器等在高溫高腐蝕環(huán)境下所使用設(shè)備的安全運(yùn)行要求。本發(fā)明技術(shù)方案具體如下:
步驟1、在管板上加工出直徑比管子外徑大0.08?0.16mm的管孔，在管板上側(cè)圍繞所述管孔加工用于放置釬料環(huán)的U型環(huán)狀喂料凹槽，U型環(huán)狀喂料凹槽的內(nèi)徑不小于管子外徑+Imm，并設(shè)置連通U型環(huán)狀喂料凹槽和管孔且沿管孔周向均勻分布的多個喂料孔；
步驟2、將管子穿過管孔并使得管子下端突出管板下側(cè)平面，然后對管子下端突出管板下側(cè)平面的部分進(jìn)行脹管，使得脹管后管子外徑最大處比管孔直徑大0.5mm，最后將管子下端壓入管孔，直至與管板下側(cè)平面平齊；
步驟3、對管子下端與管板下側(cè)結(jié)合處進(jìn)行熔焊焊接，焊縫熔深不小于管子的壁厚； 步驟4、在所述U型環(huán)狀喂料凹槽中置入釬料環(huán)后進(jìn)行真空釬焊。
[0017]為了便于公眾理解，下面以一個優(yōu)選實施例來對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0018]本實施例以熔鹽堆換熱器的管板和管子連接為例，管板和管子所使用材料均為GH3535合金，換熱器管板的厚度達(dá)到130_，管子外徑為13.72_;本實施例中管板與管子的連接過程如圖1所示，具體如下:
步驟1、管板的加工:在管板上加工出直徑比管子外徑大0.08?0.16mm的管孔，在管板上側(cè)圍繞所述管孔加工用于放置釬料環(huán)的U型環(huán)狀喂料凹槽，U型環(huán)狀喂料凹槽的內(nèi)徑不小于管子外徑+1mm，并設(shè)置連通U型環(huán)狀喂料凹槽和管孔且沿管孔周向均勻分布的多個喂料孑L;
本實施例中，如圖1所示，首先在130mm厚管板I上加工管孔2，管孔2直徑13.80mm;管板I上側(cè)圍繞管孔2加工用于放置釬料環(huán)的U型環(huán)狀喂料凹槽5，凹槽的具體尺寸依據(jù)釬焊所需釬料而定，本實施例中凹槽5的內(nèi)徑為16mm，寬度為2.5mm，深度為2.5mm;沿管孔2周向每120°加工一個連通U型環(huán)狀喂料凹槽5和管孔2且與管孔軸線成30°的喂料孔6，本實施例中每個喂料孔6的直徑為2.3mm。
[0019]本發(fā)明還可進(jìn)一步在管板下側(cè)圍繞管孔加工U型環(huán)凹槽以減小氬弧焊的焊接應(yīng)力，該U型環(huán)凹槽的內(nèi)徑不小于管子外徑+2倍管子壁厚，U型環(huán)凹槽寬度不小于管子壁厚，U型環(huán)凹槽深度不小于管子壁厚;如圖1所示，本實施例中U型環(huán)凹槽4的內(nèi)徑為17.12mm，寬度為1.8mm，深度為2.3_。
[0020]步驟2、將管子穿過管孔并使得管子下端突出管板下側(cè)平面，然后對管子下端突出管板下側(cè)平面的部分進(jìn)行脹管，使得脹管后管子外徑最大處比管孔直徑大0.5mm，最后將管子下端壓入管孔，直至與管板下側(cè)平面平齊；
先將管子3穿過管孔2并使得管子3下端突出于管板I下側(cè)平面，然后對管子3下端突出管板2下側(cè)平面的部分進(jìn)行脹管。本實施例中用去污劑和丙酮等清洗干凈管子3和管板1，采用錐度30°的硬質(zhì)合金壓頭對管子3下端突出管板2下側(cè)平面的部分進(jìn)行液壓脹管，脹管壓力約15KN，使得脹管后的管子3外徑最大處比管孔2直徑大0.5_;然后利用液壓機(jī)將脹管后的管子3的下端突出部分壓入管孔2，直至管子3的下端與管板I下側(cè)平面平齊;液壓時盡量保證管子3和管孔2同心，以確保釬焊的合理間隙。
[0021]步驟3、端部熔焊焊接:對管子下端與管板下側(cè)結(jié)合處進(jìn)行熔焊焊接，焊縫熔深不小于管子的壁厚；
可采用氬弧焊、等離子弧焊、激光焊等熔焊焊接方式對管子下端與管板下側(cè)結(jié)合處進(jìn)行焊接，本實施例中采用鎢極氬弧焊，其工藝參數(shù)具體如下:通入流量為15L/min的高純氬保護(hù)氣，電極至工件距離1mm，焊接電流45A，焊接速度lOmm/s。如圖1所示，所得到的氬弧焊焊縫7的熔深略大于管子3的壁厚。預(yù)先設(shè)置于管板I下側(cè)的U型環(huán)凹槽4可有效消除熔焊焊接的焊接應(yīng)力。
[0022]步驟4、管子與管板的真空釬焊:在所述U型環(huán)狀喂料凹槽中置入釬料環(huán)后進(jìn)行真空釬焊；
針對耐腐蝕高溫合金的材料特性以及及其特殊的使用環(huán)境，本發(fā)明優(yōu)選采用金鎳合金釬料對管子與管板進(jìn)行真空釬焊，其中，金鎳合金釬料的優(yōu)選質(zhì)量配比為82%Au和18%Ni。具體地，完成鎢極氬弧焊后，在管板上側(cè)的U型環(huán)狀喂料凹槽5中放入82Au-18Ni的釬料環(huán)，然后將管板與管子整體放入真空釬焊爐進(jìn)行真空釬焊，真空釬焊的工藝參數(shù):真空度10—2帕以上，升溫速度不大于1 °C /min，中間過程900 °C保溫20min，釬焊溫度1020 °C，保溫時間60min，以不大于5°C/min的降溫速率降至400°C以下的溫度后出爐。在釬焊過程中，82Au-18M的釬料轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，通過喂料孔6填充入管板I與管子3之間的間隙并與管板I和管子3的GH3535合金相互擴(kuò)散，最終形成圖1中的釬焊焊縫8。
[0023]為了驗證上述連接方法的效果，對完成連接的管-管板接頭進(jìn)行檢測，具體為:對管-管板接頭進(jìn)行液體滲透檢測和超聲檢測，接頭質(zhì)量符合ASME NB—級部件的驗收要求，此外，對接頭進(jìn)行5.5MPa、保壓1min的水壓測試，接頭無泄漏。檢測結(jié)果證明換熱器管-管板連接質(zhì)量完全滿足熔鹽堆工況使用要求。
[0024]以上實施例充分說明本發(fā)明方法完全可滿足耐腐蝕高溫合金管-管板間的可靠連接，對于先進(jìn)核反應(yīng)堆的發(fā)展具有重要意義;尤其是本發(fā)明方法可實現(xiàn)厚度達(dá)到130_厚的大厚度管板與管子的安全可靠連接，從而大幅提高熔鹽堆換熱器的使用壽命及安全性，這是現(xiàn)有技術(shù)所無法實現(xiàn)的。
【主權(quán)項】
1.耐腐蝕高溫合金管-管板連接方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、在管板上加工出直徑比管子外徑大0.08?0.16mm的管孔，在管板上側(cè)圍繞所述管孔加工用于放置釬料環(huán)的U型環(huán)狀喂料凹槽，U型環(huán)狀喂料凹槽的內(nèi)徑不小于管子外徑+Imm，并設(shè)置連通U型環(huán)狀喂料凹槽和管孔且沿管孔周向均勻分布的多個喂料孔； 步驟2、將管子穿過管孔并使得管子下端突出管板下側(cè)平面，然后對管子下端突出管板下側(cè)平面的部分進(jìn)行脹管，使得脹管后管子外徑最大處比管孔直徑大0.5mm，最后將管子下端壓入管孔，使管子下端直至與管板下側(cè)平面平齊； 步驟3、對管子下端與管板下側(cè)結(jié)合處進(jìn)行熔焊焊接，焊縫熔深不小于管子的壁厚； 步驟4、在所述U型環(huán)狀喂料凹槽中置入釬料環(huán)后進(jìn)行真空釬焊。2.如權(quán)利要求1所述管-管板連接方法，其特征在于，所述釬料環(huán)的材料為金鎳合金。3.如權(quán)利要求2所述管-管板連接方法，其特征在于，所述金鎳合金的質(zhì)量配比為82%Au和18%Ni ο4.如權(quán)利要求3所述管-管板連接方法，其特征在于，所述真空釬焊的工藝參數(shù)具體如下:真空釬焊的真空度10—2帕以上，升溫速度不大于10°C/min，中間過程900°C保溫20min，釬焊溫度1000?1020°C，保溫時間20?60min，以不大于5°C/min的降溫速率降至400°C以下的溫度后出爐。5.如權(quán)利要求1所述管-管板連接方法，其特征在于，在管板下側(cè)圍繞所述管孔預(yù)先加工有用于減小熔焊焊接應(yīng)力的U型環(huán)凹槽，該U型環(huán)凹槽的內(nèi)徑不小于管子外徑+2倍管子壁厚，U型環(huán)凹槽寬度不小于管子壁厚，U型環(huán)凹槽深度不小于管子壁厚。6.如權(quán)利要求1所述管-管板連接方法，其特征在于，所述喂料孔的軸線與管孔軸線之間成30°角。7.如權(quán)利要求1所述管-管板連接方法，其特征在于，步驟2中使用硬質(zhì)合金壓頭對管子下端突出管板下側(cè)平面的部分進(jìn)行液壓脹管，然后使用液壓機(jī)將管子下端壓入管孔。8.如權(quán)利要求1所述管-管板連接方法，其特征在于，所述熔焊焊接為鎢極氬弧焊，其工藝參數(shù)具體如下:氬氣的流量為15L/min，電極至工件距離1mm，焊接電流45A，焊接速度10mm/so9.如權(quán)利要求1所述管-管板連接方法，其特征在于，所述耐腐蝕高溫合金為熔鹽堆用鎳基高溫合金。10.如權(quán)利要求9所述管-管板連接方法，其特征在于，所述熔鹽堆用鎳基高溫合金為Hastelloy N合金或GH3535合金。11.一種耐腐蝕高溫合金換熱器，包括與管板連接的一組管子，其特征在于，所述管板與管子通過權(quán)利要求1?10任一項所述連接方法連接。
【文檔編號】B23K9/235GK106001825SQ201610532317
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月8日
【發(fā)明人】玉昆, 鄒文江, 李志軍, 程耀永, 黎超文, 陳雙建
【申請人】中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所, 中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院