CN107014430A - 一种Zr/Ti管‑管板接头的密封性能测试方法 - Google Patents

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马歆
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Abstract

本发明提供了一种Zr/Ti管‑管板接头的密封性能测试方法，包括以下步骤：准备胀接试件；橡胶柔性静液压胀接试验；分析用于解剖检查的胀接试件的胀接接头情况，在胀接接头满足预设要求后，进行密封试验；根据测取的密封试验数据，对密封试验结果进行分析，从而得到胀接接头与密封性能和试验温度之间的关系。本发明能够为在Zr/Ti管‑管板接头的密封试验中选择合适的胀管参数提供参考依据。

Description

一种Zr/Ti管-管板接头的密封性能测试方法
技术领域
本发明涉及一种接头胀接与密封性能测试方法，具体涉及一种Zr/Ti管-管板接头的密封性能测试方法。
背景技术
Zr价格昂贵，主要用作核反应堆的重要结构件。由于其耐蚀性能优良，近年来逐渐应用于醋酸等化工强腐蚀场合。但是，Zr理化性能特殊，加之某些接头结构上的特殊性，Zr制换热器极易在管子-管板接头处发生泄漏等失效，管子-管板接头的连接是Zr制换热器设计和制造中亟待研究和掌握的关键技术。
迄今为止，我国在Zr的力学特性、材料标准以及Zr承压设备的设计、加工制造关键性技术等方面的研究还远不够成熟。虽然有研究者对列管式换热器管子-管板接头的连接型式、接头参数和制造方法等做过大量卓有成效的试验研究工作，但对Zr换热器管子与管板连接接头的适宜连接型式、制造参数和接头的完整性评价等方面都还缺乏深入理论分析和试验验证，特别是对高温工作下的强度胀接头，材料线胀系数差异、胀管率、蠕变以及管板密封槽等对接头密封性能的影响等缺乏经验和技术依据。
发明内容
针对上述技术问题，本发明实施例要解决的技术问题是提供Zr/Ti管-管板接头的密封性能测试方法，该测试方法通过对Zr/Ti管-管板接头的胀接性能和密封性能进行测试，能够为在Zr/Ti管-管板接头的密封试验中选择合适的胀管参数提供参考依据。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供的一种Zr/Ti管-管板接头的密封性能测试方法，包括以下步骤：
(1)准备胀接试件：准备测试用胀接Zr/Ti管以及模拟管板，并确定用于解剖检查和进行密封试验的胀接试件，模拟管板的每个管孔都开设有双槽；(2)橡胶柔性静液压胀接试验：采用橡胶胀管机对胀接试件进行橡胶柔性静压胀接；
(3)胀接试验结果分析：分析用于解剖检查的胀接试件的胀接接头情况，在胀接接头满足预设要求后，进入下述步骤(4)；
(4)密封试验：采用密封试验装置在一定工作温度温度下，采用导热油为介质，对用于密封试验的模拟管板的壳层逐级加压以进行密封试验；
(5)密封试验结果分析：对密封试验结果进行分析，以得到胀接接头的密封性能与工作压力、材料特性、几何参数、结构型式、胀接控制参数之间的关系。
可选地，步骤(3)具体包括：
沿胀接试件的直径方向或沿两个相互垂直的半径方向剖开，进行Zr/Ti管与模拟管板孔接触状况的检查，如果管孔未开槽的胀接接头需满足Zr/Ti管的内侧各部位光整圆滑，内表面没有开裂、明显的挤压伤痕，则进入步骤(4)；如果管孔开槽的胀接接头在胀接长度范围内，Zr/Ti管与模拟管板的管板孔之间的非开槽段贴合良好，无明显间隙，以及在管板孔胀槽的两侧槽边缘处，Zr/Ti管的外壁与槽边缘紧密接触，则进入步骤(4)。
可选地，每个胀接Zr管的规格为Φ25.4×1.65，每个胀接Ti管的规格为Φ25.4×1.2，模拟管板为：Φ273×12×480的16MnR管板，厚度为50mm，共开设36个管孔，从内到外分为3层，其中，最外侧18个孔为非试验用孔，采用焊接连接，最内侧6个管孔为Zr管胀接，中间层12个管孔为Ti管胀接；每个管孔内开有两道4×0.5mm的槽，槽中心间距为10mm，最外一道槽距离管板正面23mm。
可选地，步骤(4)具体包括：
在50、100、150和200℃四个温度等级下，对模拟管板的壳层分别缓慢升压至0.5、1.0、1.6、2.5和3.5MPa，检查介质渗漏情况；以及对试验过程中部分发生泄漏的胀接接头，采用机械滚胀的方法进行补胀。
可选地，所述密封试验结果包括：随着温度的升高，Zr管和Ti管胀接接头的密封性能显著下降，并且Zr管接头比Ti管接头更容易泄漏；以及在采用机械滚胀的方法进行补胀后，Zr管和Ti管胀接接头的密封性能得到显著提高。
与现有技术相比，本发明实施例提供的一种Zr/Ti管-管板接头的密封性能测试方法，首先通过橡胶柔性静液压胀接对Zr/Ti管-管板接头进行胀接试验，然后对满足胀接要求的胀接接头进行密封性能测试试验，得到Zr/Ti管胀接接头的密封性能与工作温度之间的关系，从而为在Zr/Ti管-管板接头的胀接试验中选择合适的胀管参数提供参考依据。
附图说明
图1为本发明的Zr/Ti管-管板接头的密封性能测试方法的流程示意图。
图2为本发明使用的橡胶胀管机的结构示意图。
图3(a)至图3(d)为本发明的Zr/Ti管-管板接头的解剖检查示意图。
图4为对本发明一实施例的胀接接头进行拉脱试验得到的拉脱强度与试验温度之间的关系图。
图5为对本发明一实施例的胀接试验进行模拟验证得到的接头拉脱强度试验与有限元分析结果对比图。
图6为对本发明一实施例的胀接试验进行模拟验证得到的残余接触压力沿管孔轴向分布图。
图7为对本发明一实施例的胀接试验进行模拟验证得到的接头在不同胀接压力下残余接触压力图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
图1为本发明的Zr管-管板接头的密封性能测试方法的流程示意图。如图1所示，本发明的Zr管-管板接头的密封性能测试方法包括以下步骤：
S100：准备胀接试件；
S200：橡胶柔性静液压胀接试验；
S300：胀接试验结果分析；
S400：密封试验；
S500：密封试验结果分析。
以下，对上述各步骤进行详细介绍。
S100：准备胀接试件
可根据GB/T 151-2014标准来准备测试用胀接Zr/Ti管和模拟管板，并确定用于解剖检查和进行密封试验的胀接试件，并分别做标记，模拟管板包括管孔开双槽的管板。在本发明的一非限制性示例中，测试用胀接Zr管的规格可为Φ25.4×1.65，Ti管材料为工业纯TiTA2，规格为Φ25.4×1.2，模拟管板可为：Φ273×12×480的16MnR管板，厚度为50mm，共开设36个管孔，每个管孔内开有两道4×0.5mm的槽，槽中心间距为10mm，最外一道槽距离管板正面23mm。
S200：橡胶柔性静液压胀接试验
采用橡胶胀管机对胀接试件进行橡胶柔性静压胀接，胀接过程中的施加的压力根据胀管率来进行确定，一般，胀管率控制在1％，则油压可为24Mpa；若胀管率控制在6％，油压可以控制在28MPa。本发明使用的橡胶胀管机可如图2所示，包括管子1、密封环2、管板3、软质橡胶4、背压环5、加载拉杆6和油缸7等。橡胶胀管机的胀接原理为：以液压系统的液压为动力，采用软质橡胶作为胀接压力传递介质，弹性橡胶体制成圆筒状，串装在胀头的拉杆上。胀管时，来自油泵的高压油通过液压油缸活塞转化为拉杆的拉力，使橡胶体轴向受到压缩，径向发生鼓胀，与管子内壁间形成数值很大的接触压力；管子在内壁橡胶弹性体均匀径向压力作用下，相继发生弹/塑性变形并与管板孔壁接触，使得管板孔也产生弹塑性变形；当胀接压力达到要求时，降压卸载，活塞复位，橡胶体恢复原来的形状和尺寸，胀头从管孔中退出，胀接完成。
S300：胀接试验结果分析
在橡胶柔性静液压胀接试验完成后，对用于解剖检查的胀接试件的胀接接头情况进行分析，具体包括：沿胀接试件的直径方向或沿两个相互垂直的半径方向剖开，如图3(a)所示，进行Zr/Ti管与模拟管板孔接触状况的检查，合格的管孔未开槽的胀接接头满足如下要求：Zr/Ti管的内侧各部位光整圆滑，内表面没有开裂、明显的挤压伤痕，如图3(b)所示；合格的管孔开槽的胀接接头满足如下要求：在胀接长度范围内，Zr/Ti管与模拟管板的管板孔之间的非开槽段贴合良好，无明显间隙，以及在管板孔胀槽的两侧槽边缘处，Zr/Ti管的外壁与槽边缘紧密接触，如图3(c)和图3(d)所示。在用于胀接试验的胀接接头满足上述要求后，则可进行密封试验。
S400：密封试验
用于密封试验的胀接接头可以在进行橡胶柔性静液压胀接试验时同时进行胀接得到，也可以在胀接试验结果满足预设要求后按照胀接试验的控制参数对用于密封试验的胀接试件进行橡胶柔性静液压胀接试验得到。在胀接完成后，对于进行密封试验的胀接接头，可在一定工作温度温度下，采用导热油为介质，对模拟换热器壳层逐级加压，测试管子-管板接头的密封压力。
S500：密封试验结果分析
根据步骤S400测取的密封试验数据，对密封试验结果进行分析，从而得到管子管板接头密封性能与工作温度、工作压力、材料特性、几何参数、结构型式、胀接控制参数等之间的关系。
【实施例】
1.准备胀接试件
本实施例中，采用的胀接试件可为：
测试用胀接Zr管的规格可为Φ25.4×1.65，Ti管材料为工业纯TiTA2，规格为Φ25.4×1.2Φ25.4×1.2。模拟管板可为Φ273×12×480的16MnR管板和316L管板，即管子管板组合可包括Zr管/16MnR管板、Zr管/316L管板和Ti管/16MnR管板，管板的厚度为50mm，共开设36个管孔，从内到外分为3层，其中，最外侧18个孔为非试验用孔，采用焊接连接，最内侧6个管孔为Zr管胀接，编号Z1～Z6，中间层12个管孔为Ti管胀接，编号为T1～T12；每个管孔内开有两道4×0.5mm的槽，槽中心间距为10mm，最外一道槽距离管板正面23mm。
2.橡胶柔性静压胀接试验
采用橡胶胀管机对胀接试件(包括Zr管/16MnR管板、Zr管/316L管板和Ti管/16MnR管板)进行橡胶柔性静压胀接，胀接过程中的施加的压力根据胀管率来进行确定，一般，胀接时胀管率控制在1％～6％的范围，胀接油压分别控制在24MPa-38MPa，胀接时间为3-10秒，完成对每个胀接试件的橡胶柔性静压胀接试验后关闭橡胶胀管机。本实施例中的胀接压力与油缸压力换算可如下表1所示：
表1：胀接压力与油缸压力的换算表
油缸压力/MPa 胀接压力/MPa
26 141
28 152
29 158
34 185
35 190
36 196
38 207
3.胀接试验结果分析
对于用于解剖检查的胀接接头，在胀接完成后，按图3(a)采用线切割剖开，检查管子管孔之间的贴合与变形情况。在本实施例中，Zr/Ti管接头采用橡胶柔性胀接后，可以观察到管孔开槽的胀接接头的，Zr/Ti管子内壁端部胀接部位有明显两道凹陷，剖开试验模型后发现，在管孔开槽部位，管子已嵌入槽内，管子的鼓胀部位与槽两侧棱角部位紧密接触，这表示管子/管板贴合的比较好，因此，可进行后续的密封试验。
在本发明中，胀接性能是否完好还可通过拉脱试验来检验。具体地，拉脱强度试验可在30T液压式万能材料试验机(型号为WE-30)上进行。为研究工作温度对柔性静压胀接接头拉脱强度的影响，试验机上加装了电阻丝加热装置。对于Zr管/16MnR管板、Zr管/316L管板的材料组合，拉脱试验温度分别设定为室温、100℃、150℃、200℃、250℃和300℃；对Ti管/16MnR管板胀接接头，拉脱强度试验温度范围0-350℃，每增加50℃设一个档。试验温度采用HY-303红外辐射测温仪进行测量，拉脱试验前后各测量一次，取平均值。根据管孔开槽的橡胶柔性静压胀接接头的拉脱强度试验数据与试验温度之间的关系可如4所示。
从图4中可以看出，在试验温度范围内，随着试验温度的增加，Zr/16MnR和Ti/16MnR接头的拉脱强度均呈直线下降，下降速率分别为2.7MPa/100℃和2.2MPa/100℃。说明随着试验温度的上升，Zr/16MnR接头拉脱强度下降较快；而Ti/16MnR接头的拉脱强度下降较慢。在250℃和300℃时的拉脱强度：Zr/16MnR接头分别为常温时的59.2％和46.9％。因此，当Zr换热器管子管板接头用于超过250℃以上的高温工况时，要特别注意其连接强度是否满足要求，以确保使用的安全。从测得的平均胀管率和最小胀管率来考虑，Ti/16MnR的平均胀管率为3.45，最小胀管率为2.48；Zr/16MnR的平均胀管率为3.05，最小胀管率为2.29。
当胀管率变化时，接头拉脱强度试验数据比较分散，拉脱强度与胀管率的关系不是太明显，随着胀管率的增加，拉脱强度有时增加，有时减小。这可能有两方面的原因，一是对于采用橡胶柔性胀接的管子管板强度胀接接头，当管孔开槽时，管子在开槽处凹陷较深，接头的拉脱强度主要取决于凹陷处管子管板间的挤压和剪切强度，而受管子管板间残余接触压力(和胀管率相关)等因素的影响相对较小。二是胀管率计算公式带来的误差。根据生产中实际采用的胀管率计算公式(d1-d2-(D-d3))/2(式中，d1为管子胀后内径，d2为管子胀前内径，d3为管子胀前外径，D为管板孔径，t为管子壁厚)和管子的实际几何参数，0.02mm的测量误差就可能引起胀管率变化1个百分点。而橡胶柔性胀接时，胀管率的值一般不超过5％。这样，由于管子不圆度等所引起的较小的测量误差也将使得胀管率误差相对较大。
4.密封试验
密封试验采用电阻丝加热导热油，热电偶测定介质温度，手动油泵进行加压。试验中采用加温同时加压的方法，试验胀接接头的密封性能。在50℃、100℃、150℃和200℃四个温度等级下，分别缓慢升压至0.5MPa、1.0MPa、1.6MPa、2.5MPa和3.5MPa，检查介质渗漏情况。对试验过程中部分发生泄漏的接头，采用机械滚胀的方法进行补胀。
5.密封试验结果分析
逐级升温至100℃、加压至0.5MPa时，Zr管接头有3个开始轻微渗漏(Z1，Z2和Z4)，Ti管接头的T5漏。卸压对T5接头采用机械补胀后，升温至200℃、加压至0.5MPa时，Zr管接头全部出现泄漏，而Ti管接头全部不漏。卸压后对6个Zr管接头采用机械补胀，然后再逐级升温至50℃、100℃和150℃，逐级加压至0.5MPa、1MPa、1.6MPa和2.5MPa，所有接头均不漏。在150℃时，当压力增加至3.5MPa时，T1、T3、T4、T5、T6均出现泄漏。当试验温度升温至200℃，压力升至1MPa时，T1、T3、T6接头渗漏；压力升至1.6MPa时，T1、T2、T3、T6、T7接头均渗漏。由于发生泄漏的接头太多，其它接头已难以准确判断泄漏与否。
从上述密封性能试验结果可以看出，随着温度的升高，Zr管和Ti管胀接接头的密封性能显著下降，并且Zr管接头比Ti管接头更容易泄漏。密封性能试验结果还表明，对于Zr管和Ti管的橡胶柔性胀接接头，若辅以机械滚胀，接头的密封性能将得到显著提高。
此外，本发明对管子管板接头的柔性静压胀接试验的结果的进行了模拟验证，管子管板接头的柔性静压胀接共分为三个过程进行模拟：
(1)加载。管子管板之间存在间隙，对管子伸入管板部分内表面施加胀接压力，模拟过程中压力逐渐加载，直到预定的胀接压力，加载完成后管子与管孔间形成接触压力。
(2)卸载。施加的胀接压力逐渐降为零，管板产生弹性恢复，管板孔与管壁压紧，此时管子与管孔形成残余接触压力。
(3)拉拔。将管子自由端约束删除，在管子的伸出端施加轴向位移载荷，拉力为管子伸出端管截面平均应力与管子截面积的乘积，当拉力达到最大值时即为拉脱力。拉脱力与胀接面积的比值为拉脱强度。
当需要考虑线胀系数差对残余接触压力的影响时，对整个模型施加不同温度场，可获得由于线胀系数差导致的接触残余应力的变化。
橡胶胀管过程中，是以液压为动力，采用软质橡胶作为胀接压力传递的介质。胀管时，来自油泵的高压油通过液压油缸活塞转化为拉杆的拉力，使橡胶体轴向受到压缩，径向发生鼓胀，与管子内壁间形成很大的接触压力。前文中所指的胀接压力是指液压表显示的油缸压力，而有限元模型中管内壁施加的载荷是径向胀管压力，所以首先要建立油缸压力与径向胀管压力两者之间的关系。
图5为Zr/316L接头拉脱强度试验与有限元分析结果对比图，有限元分析结果与试验结果基本吻合：随着胀管压力的增加，接头拉脱强度也增加。图中试验所得拉脱强度略比有限元计算结果高，可能是由于有限元分析中，拉脱过程接触面的变化与实际情况有出入导致的。也有可能是由于试验和有限元分析中摩擦系数的差别导致的。由于两者差别不大，表明所建立的有限元模型基本合理，能够满足实际工程应用的精度。
图6为胀接压力207MPa时的胀接接头的残余接触压力分布，在胀接接头的两个开槽边缘处出现高残余接触压力环带，这主要是由于管子表面曲率的突然变化，卸载时受较大的管板回复力所致。开槽形成的最大残余接触压力环带对提高接头的密封性能具有显著的效果。
图7所示为Zr/316L接头在不同胀接压力下的残余接触压力，可见管板孔开槽时的胀接接头残余接触压力随着胀接压力的增加而增加；在胀接压力达到足够大之后，残余接触压力增加不明显，说明胀接压力并非越大越好。过大的胀接压力不但会增加制造成本，而且可使管壁过度变薄甚至损坏。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种Zr/Ti管-管板接头的密封性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)准备胀接试件：准备测试用胀接Zr/Ti管以及模拟管板，并确定用于解剖检查和进行密封试验的胀接试件，模拟管板的每个管孔都开设有双槽；(2)橡胶柔性静液压胀接试验：采用橡胶胀管机对胀接试件进行橡胶柔性静压胀接；
(3)胀接试验结果分析：分析用于解剖检查的胀接试件的胀接接头情况，在胀接接头满足预设要求后，进入下述步骤(4)；
(4)密封试验：采用密封试验装置在一定工作温度温度下，采用导热油为介质，对用于密封试验的模拟管板的壳层逐级加压以进行密封试验；
(5)密封试验结果分析：对密封试验结果进行分析，以得到胀接接头的密封性能与工作压力、材料特性、几何参数、结构型式、胀接控制参数之间的关系。
2.如权利要求1所述的Zr/Ti管-管板接头的密封性能测试方法，其特征在于，步骤(3)具体包括：
沿胀接试件的直径方向或沿两个相互垂直的半径方向剖开，进行Zr/Ti管与模拟管板孔接触状况的检查，如果管孔未开槽的胀接接头需满足Zr/Ti管的内侧各部位光整圆滑，内表面没有开裂、明显的挤压伤痕，则进入步骤(4)；如果管孔开槽的胀接接头在胀接长度范围内，Zr/Ti管与模拟管板的管板孔之间的非开槽段贴合良好，无明显间隙，以及在管板孔胀槽的两侧槽边缘处，Zr/Ti管的外壁与槽边缘紧密接触，则进入步骤(4)。
3.如权利要求1所述的Zr/Ti管-管板接头的密封性能测试方法，其特征在于，每个胀接Zr管的规格为Φ25.4×1.65，每个胀接Ti管的规格为Φ25.4×1.2，模拟管板为：Φ273×12×480的16MnR管板，厚度为50mm，共开设36个管孔，从内到外分为3层，其中，最外侧18个孔为非试验用孔，采用焊接连接，最内侧6个管孔为Zr管胀接，中间层12个管孔为Ti管胀接；每个管孔内开有两道4×0.5mm的槽，槽中心间距为10mm，最外一道槽距离管板正面23mm。
4.如权利要求1所述的Zr/Ti管-管板接头的密封性能测试方法，其特征在于，步骤(4)具体包括：
在50、100、150和200℃四个温度等级下，对模拟管板的壳层分别缓慢升压至0.5、1.0、1.6、2.5和3.5MPa，检查介质渗漏情况；以及
对试验过程中部分发生泄漏的胀接接头，采用机械滚胀的方法进行补胀。
5.如权利要求4所述的Zr/Ti管-管板接头的密封性能测试方法，其特征在于，所述密封试验结果包括：随着温度的升高，Zr管和Ti管胀接接头的密封性能显著下降，并且Zr管接头比Ti管接头更容易泄漏；以及在采用机械滚胀的方法进行补胀后，Zr管和Ti管胀接接头的密封性能得到显著提高。
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