CN114211120B - 一种用于压水堆核电站的蒸汽发生器管子-管板接头 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种用于压水堆核电站的蒸汽发生器管子‑管板接头，包括管板、传热管和阶梯型凸台；所述管板上开设有与传热管内径一致的管孔；所述管孔二次侧外侧开设有阶梯型凸台，所述阶梯型凸台的根部与管板表面圆滑过渡；所述传热管端部与阶梯型凸台对接装配形成管子‑管板接头。本发明的蒸汽发生器管子‑管板接头，通过激光焊接工艺有效避免蒸汽发生器传热管失效，提高蒸汽发生器的使用寿命和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及设备焊接技术领域，特别是涉及一种用于压水堆核电站的蒸汽发生器管子-管板接头。
背景技术
蒸汽发生器是压水堆核电站中十分重要的一个设备，功能是将反应堆一次侧冷却剂的热量传递给二次侧，加热二次侧的水变为蒸汽，并且保持一次侧压力边界的完整性。目前，国内压水堆核电厂通常使用的蒸汽发生器是管壳式结构，最核心的部件是传热管，参见图1，数千根传热管呈U型结构构成管束。管束组件由传热管和管板等组成，传热管与管板接头主要采用端部焊方式，即将传热管从二次侧插入管板，在一次侧形成管子-管板接头，管子-管板接头的连接方式主要是胀接+焊接的方式。
管子-管板接头端部焊结构具有加工简单、返修方便等优点，但也具有以下缺点：(1)在管板二次侧存在管子-管板间隙，同时传热管胀管过渡区存在应力集中，运行时易导致缝隙腐蚀和应力腐蚀；(2)焊接接头无法实现100％体积检查；(3)管板二次侧会形成滞流区，引起二回路水流速降低，产生泥渣堆积，其中腐蚀性杂质不断浓缩，易导致传热管的腐蚀破损，同时需要定期进行泥渣清理和在役检查，耗费人力物力。
根据核电站运行经验，管壳式蒸汽发生器传热管的失效位置主要是在胀管过渡区，在役涡流检查人员常常在蒸汽发生器传热管胀管过渡区发现超标缺陷信号，而被迫实施堵管操作。造成以上情况的根本原因是由于管壳式蒸汽发生器的管子-管板接头采用胀接+焊接连接方式造成的，如不改变这种连接方式，很难从根本上解决上述问题。
发明内容
基于此，有必要针对压水堆核电站的蒸汽发生器管子-管板接头端部焊结构容易造成蒸汽发生器传热管失效的问题，本发明提供一种用于压水堆核电站的蒸汽发生器管子-管板接头，该蒸汽发生器管子-管板接头通过激光焊接工艺有效避免蒸汽发生器传热管失效，提高蒸汽发生器的使用寿命和可靠性。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于压水堆核电站的蒸汽发生器管子-管板接头，包括管板、传热管和阶梯型凸台；所述管板上开设有与传热管内径一致的管孔；所述管孔二次侧外侧开设有阶梯型凸台，所述阶梯型凸台的根部与管板表面圆滑过渡；所述传热管端部与阶梯型凸台对接装配形成管子-管板接头。
进一步地，所述阶梯型凸台包括上阶梯和下阶梯，在距阶梯型凸台顶部一段距离处有一上阶梯，所述上阶梯外径与传热管外径一致，所述上阶梯内径与传热管内径一致；在距阶梯型凸台底部一段距离处有一下阶梯，所述下阶梯的根部与管板表面圆滑过渡；所述上阶梯和下阶梯连接形成阶梯型凸台。
进一步地，所述上阶梯上开设有凸台。
进一步地，所述管子-管板接头装配时，传热管端部安放在阶梯型凸台的上阶梯上，并与上阶梯紧密贴合，传热管的内孔与管孔内孔平齐，传热管的外壁与凸台贴合良好，无明显间隙。
进一步地，所述传热管端部为平齐切口，无毛刺、飞边，端部切口平面与传热管的轴向垂直；所述传热管内径尺寸为-mmm。
本发明还提供上述蒸汽发生器管子-管板接头焊接装置，包括焊枪和焊接电源；所述焊枪包括机头和焊炬，所述机头前端连接焊炬，所述机头后端连接焊接电源，所述焊接电源包括激光器；所述焊炬内设有镜片，所述焊炬上设有激光出口，所述激光出口的旋转中轴线与管子-管板接头焊接位置中轴线重合，所述激光出口到垫块的距离与管板一次侧表面到管子-管板接头焊接位置中心线的距离相等，所述激光器生成的激光从激光出口达到管子-管板接头焊接位置。
进一步地，所述蒸汽发生器管子-管板接头焊接装置还包括气体保护装置、气体回路和吹气口；所述气体保护装置上设有进气口，所述气体保护装置与管子-管板接头外侧密封连接形成气室；所述焊炬内设有气体回路，所述焊炬上设有吹气口，所述气体回路与吹气口连接；所述气体回路通过吹气口向管子-管板接头焊接位置吹入保护气体，所气体保护装置通过进气口向气室内吹入保护气体。
进一步地，所述焊炬还包括焊枪杆、散热装置、前定位套、后定位套和调节螺母；所述焊枪杆后端与后定位套前端连接，所述焊枪杆前端与前定位套后端连接，所述后定位套后端与调节螺母前端连接，所述调节螺母后端与机头前端连接，所述前定位套前端与散热装置连接；所述散热装置上设有吹气口和激光出口，所述散热装置内设有镜片。
进一步地，所述后定位套与调节螺母之间设有垫块。
进一步地，所述焊枪杆包括定位芯棒和导向杆，所述定位芯棒前端与前定位套后端连接，所述定位芯棒后端与后定位套前端连接，所述定位芯棒内装有导向杆。
进一步地，所述焊接电源还包括数据采集仪、控制器和水冷机；所述控制器控制焊枪进行激光焊接，通过完全熔透管板上的凸台，补偿焊缝在焊接时的金属损失；所述控制器控制水冷机向管子-管板接头焊接位置充水；所述数据采集仪记录与焊枪通讯连接，采集激光焊接参数。
进一步地，所述气体保护装置为不锈钢材料的气体保护罩，所述气体保护罩为两哈夫结构，内部设有两个气室，气室之间环向均匀分布的小孔；所述气体保护罩通过燕尾槽与管子-管板接头外侧进行锁紧和密封，保护气体从进气口进入第一个气室，然后从环向均匀分布的小孔流向第二个气室，对焊缝外表面起到均匀保护的效果。
本发明还提供上述蒸汽发生器管子-管板接头焊接工艺，包括如下步骤：
1、在管板上加工与传热管内径一致的管孔；在管孔外侧加工阶梯型凸台；将传热管端部与阶梯型凸台对接装配形成管子-管板接头；
2、从管板的管孔内壁进入管子-管板接头焊接位置进行激光焊接，形成对接焊缝。
进一步地，在激光焊接时，对焊缝的内外表面通入惰性气体进行气体保护。
进一步地，通过上述蒸汽发生器管子-管板接头焊接装置进行激光焊接。
本发明的有益技术效果：
本发明的蒸汽发生器管子-管板接头、蒸汽发生器管子-管板接头焊接装置以及蒸汽发生器管子-管板接头焊接工艺，通过内孔激光焊接，实现蒸汽发生器管子-管板接头全焊透的对接焊接，从根本上消除了管子与管板缝隙和胀管区，避免了缝隙腐蚀，降低了应力腐蚀破裂的风险；同时，它是一种完全焊透的对接焊缝，具有最大的连接强度，具有较高的承受高温高压的工作应力和热应力的能力；此外，该结构可以实现100％体积探伤，因此焊缝内部质量可得到监督和控制，提高了焊缝的可靠性。
附图说明
图1为管束组件结构示意图；
图2为本发明的蒸汽发生器管子-管板接头结构示意图；
图3为本发明的蒸汽发生器管子-管板接头焊接装置结构示意图；
图4为本发明的蒸汽发生器管子-管板接头焊接装置施焊示意图。
图中，1、传热管；2、管板；3、阶梯型凸台；4、管子-管板接头焊接位置；5、激光出口；6、前定位套；7、焊枪杆；8、后定位套；9、吹气口；10、气体保护装置；11、进气口；12、散热装置；13、定位芯棒；14、调节螺母；15、垫块；16、镜片；17、激光；31、凸台；32、上阶梯；33、下阶梯。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左端”、“右端”、“上方”、“下方”、“外侧”、“内侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
参见1-2，本发明提供一种用于压水堆核电站的蒸汽发生器管子-管板接头，包括管板2、传热管1和阶梯型凸台3；所述管板2上开设有与传热管1内径一致的管孔；所述管孔二次侧外侧开设有阶梯型凸台3，所述阶梯型凸台3的根部与管板2表面圆滑过渡；所述传热管1端部与阶梯型凸台3对接装配形成管子-管板接头。
进一步地，所述阶梯型凸台3总高6mm，所述阶梯型凸台3的外径比传热管1的外径大1mm。
进一步地，所述阶梯型凸台3包括上阶梯32和下阶梯33，在距阶梯型凸台3顶部1mm处有一高4mm的上阶梯32，所述上阶梯32外径与传热管1外径一致，所述上阶梯32内径与传热管1内径一致；在距阶梯型凸台3底部一段距离处有一下阶梯33，所述下阶梯33的根部与管板2表面圆滑过渡；所述上阶梯32和下阶梯33连接形成阶梯型凸台3。
进一步地，所述上阶梯32上开设有凸台31。
进一步地，所述管子-管板接头装配时，传热管1端部安放在阶梯型凸台3的上阶梯32上，并与上阶梯32紧密贴合，传热管1的内孔与管孔内孔平齐，传热管1的外壁与凸台31贴合良好，无明显间隙。
所述管板2上的阶梯型凸台3的作用是：(1)缓解管子-管板接头与管板2过渡处的应力集中；(2)下阶梯33的高度使焊缝远离管板2表面，在焊后进行无损检测时留有检查空间；(3)上阶梯32便于管子-管板接头的装配；(4)上阶梯32在焊接时会完全熔透，补偿焊缝在焊接时的金属损失。
进一步地，所述管板2与传热管1为同种材料；所述传热管1为国内第三、四代堆的主要堆型的核电蒸汽发生器传热管1；所述管板2与传热管1的材质为国内第三、四代堆的主要堆型的核电蒸汽发生器传热管1常见材质，例如，可以是690钢、800钢、321钢、T91钢或T22钢中的一种或任意一种以上的混合；所述传热管1端部为平齐切口，无毛刺、飞边，端部切口平面与传热管1的轴向垂直；所述传热管1内径尺寸为8-20mmm。
根据设计的焊接接头形式，为完成管子-管板接头的内孔焊接，蒸汽发生器管子-管板接头的焊接装置在空间上需满以下要求：传热管1内径尺寸为8-20mmm，在内径尺寸为8-20mmm的空间内实施管子-管板接头的内孔焊接。
参见图3-4，本发明还提供上述蒸汽发生器管子-管板接头的焊接装置，包括焊枪和焊接电源；所述焊枪包括机头和焊炬，所述机头前端连接焊炬，所述机头后端连接焊接电源，所述焊接电源包括激光器；所述焊炬内设有镜片16，所述焊炬上设有激光出口5，所述激光出口5的旋转中轴线与管子-管板接头焊接位置4中轴线重合，所述激光出口5到垫块15的距离与管板2一次侧表面到管子-管板接头焊接位置4中心线的距离相等，所述激光器生成的激光17从激光出口5达到管子-管板接头焊接位置4。
焊接过程中，将蒸汽发生器管子-管板接头焊接装置从管板2的管孔内壁送达到管子-管板接头焊接位置4，使焊炬上的激光出口5对准管子-管板接头焊接位置4；启示焊接电源，激光器生成激光17，进入焊炬中，并在镜片16的反射作用下转向，到达管子-管板接头焊接位置4，进行激光焊接，激光焊接过程中不加任何焊丝作为填料，通过完全熔透管板2上的凸台31，补偿焊缝在焊接时的金属损失。
进一步地，所述蒸汽发生器管子-管板接头焊接装置还包括气体保护装置10、气体回路和吹气口9；所述气体保护装置10上设有进气口11，所述气体保护装置10与管子-管板接头外侧密封连接形成气室；所述焊炬内设有气体回路，所述焊炬上设有吹气口9，所述气体回路与吹气口9连接；所述气体回路通过吹气口9向管子-管板接头焊接位置4吹入保护气体，所气体保护装置10通过进气口11向气室内吹入保护气体。
焊接过程中，气体保护装置10的端面与管子-管板接头的管板2端面相抵，气体保护装置10侧面卡在与管子-管板接头的传热管1外侧，形成气室，从进气口11通入惰性气体，从而在焊缝外侧形成惰性气体的保护氛围；焊炬上的气体回路不间断的通过吹气口9向管子-管板接头焊接位置4吹入保护气体，对焊缝内表面起到均匀保护的效果。
进一步地，所述焊炬还包括焊枪杆7、散热装置12、前定位套6、后定位套8和调节螺母14；所述焊枪杆7后端与后定位套8前端连接，所述焊枪杆7前端与前定位套6后端连接，所述后定位套8后端与调节螺母14前端连接，所述调节螺母14后端与机头前端连接，所述前定位套6前端与散热装置12连接；所述散热装置12上设有吹气口9和激光出口5，所述散热装置12内设有镜片16。
激光出口5前后位置的调节依靠调节螺母14旋转，调节螺母14旋转一周，激光出口5向前或向后移动一段螺牙间距的长度。
进一步地，所述后定位套8与调节螺母14之间设有垫块15。
进一步地，所述焊枪杆7包括定位芯棒13和导向杆，所述定位芯棒13前端与前定位套6后端连接，所述定位芯棒13后端与后定位套8前端连接，所述定位芯棒13内装有导向杆。定位芯棒13不旋转，导电杆在定位芯棒13内部旋转进行焊接。
进一步地，所述焊接电源还包括数据采集仪、控制器和水冷机；所述控制器控制焊枪进行激光焊接，通过完全熔透管板2上的凸台31，补偿焊缝在焊接时的金属损失；所述控制器控制水冷机向管子-管板接头焊接位置4充水；所述数据采集仪记录与焊枪通讯连接，采集激光焊接参数。
进一步地，所述气体保护装置10为不锈钢材料的气体保护罩，所述气体保护罩为两哈夫结构，内部设有两个气室，气室之间环向均匀分布的小孔；所述气体保护罩通过燕尾槽与管子-管板接头外侧进行锁紧和密封，保护气体从进气口11进入第一个气室，然后从环向均匀分布的小孔流向第二个气室，对焊缝外表面起到均匀保护的效果。
所述焊枪为小型管子-管板焊枪，可通过更换焊炬部分适应不同的管子-管板焊接结构型式，焊枪集焊枪无限旋转，供气和机头定位等多种功能，确保高效、稳定、可靠的焊接效果。
本发明还提供上述蒸汽发生器管子-管板接头的焊接工艺，包括如下步骤：
1、在管板2上加工与传热管1内径一致的管孔；在管孔外侧加工阶梯型凸台3；将传热管1端部与阶梯型凸台3对接装配形成管子-管板接头；
2、蒸汽发生器管子-管板接头焊接装置从管板2的管孔内壁进入管子-管板接头焊接位置4进行激光焊接，形成对接焊缝。
激光焊接得到的焊缝纯净度高、质量好、成型美观、热输入小。此外，由于蒸汽发生器的管板2上管孔排布密集，管孔外壁间距较小，不具备从管孔外壁焊接的空间，只能从管孔内壁焊接。
进一步地，在激光焊接时，对焊缝的内外表面通入惰性气体进行气体保护，所述惰性气体包括但不限于氩气或氦气/氩气混合气体。
使用上述蒸汽发生器管子-管板接头焊接装置进行蒸汽发生器管子-管板接头焊接，具体包括如下步骤：
1、在管板2上加工与传热管1内径一致的管孔；在管孔外侧加工阶梯型凸台3；对阶梯型凸台3的内孔、外径、高度等尺寸进行测量记录；
2、检查待焊传热管1的尺寸精度是否满足要求，毛刺去除完毕后，用砂纸轻搓管口去除氧化膜，最后用蘸酒精的白布清洁传热管1端部、外壁以及管板2的阶梯型凸台3处，保证管子-管板接头处的清洁度；
3、在正式焊接之前，再次检查传热管1以及管板2的尺寸，如果存在不满足要求的异常情况，则需更换传热管1或重新加工；
4、将传热管1装配到管板2上，并进行固定，检查传热管1与管板2的装配情况，包括传热管1端部与阶梯型凸台3的下阶梯31是否紧密贴合，传热管1的内孔与管孔内孔是否平齐，传热管1的外壁与上阶梯32上的凸台31是否贴合良好、无明显间隙，如果存在不满足要求的异常情况，则需更换传热管1或重新加工。确认传热管1与管板2上的凸台31的坡口吻合良好，将气体保护装置10安装到管子-管板接头位置；
5、安装气体保护装置10后，将焊枪从管子-管板接头的管板2一侧插入管孔，送达焊接位置，焊枪上的激光出口5应处于管子-管板接头处，激光出口5的旋转中轴线应与传热管1和管板2管孔的中轴线重合，空转激光出口5一周，确认激光17的位置；激光出口5的位置到垫块15的位置的距离，与管子-管板接头装配后的管板2一侧表面到焊缝中心线的距离相等，这个设计可以保证焊枪进入管孔后激光17可以准确到达焊缝位置施焊；
6、对焊缝内外表面同时通入保护气体2min后，打开激光17器，通入激光17到焊接位置，采用多道焊缝成形，将管子-管板接头以及接头处的凸台31完全熔透；
7、焊接结束后，继续保持输送保护气和抽气的状态2min，使焊缝冷却，同时将管内焊接产生的烟尘排除。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (15)
1.一种用于压水堆核电站的蒸汽发生器管子-管板接头，其特征在于，包括管板(2)、传热管(1)和阶梯型凸台(3)；所述管板(2)上开设有与传热管(1)内径一致的管孔；所述管孔二次侧外侧开设有阶梯型凸台(3)，所述阶梯型凸台(3)的根部与管板(2)表面圆滑过渡；所述传热管(1)端部与阶梯型凸台(3)对接装配形成管子-管板接头；所述阶梯型凸台(3)包括上阶梯(32)和下阶梯(33)，在距阶梯型凸台(3)顶部一端距离处设有上阶梯(32)，所述上阶梯(32)外径与传热管(1)外径一致，所述上阶梯(32)内径与传热管(1)内径一致；在距阶梯型凸台(3)底部一段距离处有一下阶梯(33)，所述下阶梯(33)的根部与管板(2)表面圆滑过渡；所述上阶梯(32)和下阶梯(33)连接形成阶梯型凸台(3)。
2.根据权利要求1所述的蒸汽发生器管子-管板接头，其特征在于，所述上阶梯(32)上开设有凸台(31)。
3.根据权利要求2所述的蒸汽发生器管子-管板接头，其特征在于，所述管子-管板接头装配时，传热管(1)端部安放在阶梯型凸台(3)的上阶梯(32)上，并与上阶梯(32)紧密贴合，传热管(1)的内孔与管孔内孔平齐，传热管(1)的外壁与凸台(31)贴合良好，无明显间隙。
4.根据权利要求1所述的蒸汽发生器管子-管板接头，其特征在于，所述传热管(1)端部为平齐切口，无毛刺、飞边，端部切口平面与传热管(1)的轴向垂直；所述传热管(1)内径尺寸为8-20mmm。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的蒸汽发生器管子-管板接头的焊接装置，包括焊枪和焊接电源；所述焊枪包括机头和焊炬，所述机头前端连接焊炬，所述机头后端连接焊接电源，所述焊接电源包括激光器；所述焊炬内设有镜片(16)，所述焊炬上设有激光出口(5)，所述激光出口(5)的旋转中轴线与管子-管板接头焊接位置(4)中轴线重合，所述激光出口(5)到垫块(15)的距离与管板(2)一次侧表面到管子-管板接头焊接位置(4)中心线的距离相等，所述激光器生成的激光17从激光出口(5)达到管子-管板接头焊接位置(4)。
6.根据权利要求5所述的蒸汽发生器管子-管板接头的焊接装置，其特征在于，所述蒸汽发生器管子-管板接头焊接装置还包括气体保护装置(10)、气体回路和吹气口(9)；所述气体保护装置(10)上设有进气口(11)，所述气体保护装置(10)与管子-管板接头外侧密封连接形成气室；所述焊炬内设有气体回路，所述焊炬上设有吹气口(9)，所述气体回路与吹气口(9)连接；所述气体回路通过吹气口(9)向管子-管板接头焊接位置(4)吹入保护气体，所述气体保护装置(10)通过进气口(11)向气室内吹入保护气体。
7.根据权利要求6所述的蒸汽发生器管子-管板接头的焊接装置，其特征在于，所述气体保护装置(10)为不锈钢材料的气体保护罩，所述气体保护罩为两哈夫结构，内部设有两个气室，气室之间环向均匀分布的小孔；所述气体保护罩通过燕尾槽与管子-管板接头外侧进行锁紧和密封，保护气体从进气口(11)进入第一个气室，然后从环向均匀分布的小孔流向第二个气室。
8.根据权利要求5所述的蒸汽发生器管子-管板接头的焊接装置，其特征在于，所述焊炬还包括焊枪杆(7)、散热装置(12)、前定位套(6)、后定位套(8)和调节螺母(14)；所述焊枪杆(7)后端与后定位套(8)前端连接，所述焊枪杆(7)前端与前定位套(6)后端连接，所述后定位套(8)后端与调节螺母(14)前端连接，所述调节螺母(14)后端与机头前端连接，所述前定位套(6)前端与散热装置(12)连接；所述散热装置(12)上设有吹气口(9)和激光出口(5)，所述散热装置(12)内设有镜片(16)。
9.根据权利要求8所述的蒸汽发生器管子-管板接头的焊接装置，其特征在于，所述后定位套(8)与调节螺母(14)之间设有垫块(15)。
10.根据权利要求8所述的蒸汽发生器管子-管板接头的焊接装置，其特征在于，所述焊枪杆(7)包括定位芯棒(13)和导向杆，所述定位芯棒(13)前端与前定位套(6)后端连接，所述定位芯棒(13)后端与后定位套(8)前端连接，所述定位芯棒(13)内装有导向杆。
11.根据权利要求5所述的蒸汽发生器管子-管板接头的焊接装置，其特征在于，所述焊接电源还包括数据采集仪、控制器和水冷机；所述控制器控制焊枪进行激光焊接；所述控制器控制水冷机向管子-管板接头焊接位置(4)充水；所述数据采集仪记录与焊枪通讯连接，采集激光焊接参数。
12.根据权利要求1-4任意一项所述的蒸汽发生器管子-管板接头的焊接工艺，包括如下步骤：
(1)、在管板(2)上加工与传热管(1)内径一致的管孔；在管孔外侧加工阶梯型凸台(3)；将传热管(1)端部与阶梯型凸台(3)对接装配形成管子-管板接头；
(2)、从管板(2)的管孔内壁进入管子-管板接头焊接位置(4)进行激光焊接，形成对接焊缝。
13.根据权利要求12所述的蒸汽发生器管子-管板接头的焊接工艺，其特征在于，在激光焊接时，对焊缝的内外表面通入惰性气体进行气体保护。
14.根据权利要求12所述的蒸汽发生器管子-管板接头的焊接工艺，其特征在于，通过权利要求6所述的蒸汽发生器管子-管板接头的焊接装置进行激光焊接。
15.根据权利要求12所述的蒸汽发生器管子-管板接头的焊接工艺，其特征在于，通过权利要求6-11任意一项所述的蒸汽发生器管子-管板接头的焊接装置进行激光焊接。
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