高温气冷堆蒸汽发生器的钎焊堵管方法

摘要

本发明提供一种高温气冷堆蒸汽发生器的钎焊堵管方法，涉及核电安全运行维修保障技术领域，为解决堵管过程自动化程度低、可靠性差的问题而设计。钎焊堵管方法包括利用热喷涂方法在堵头本体表面预制钎料层；对钎料层表面进行加工，对换热管的内壁抛光处理；将堵头本体插入换热管的内孔形成过盈配合，利用感应加热对钎料层进行加热熔化，加热温度1000‑1300℃；随后降低感应加热功率，使焊缝处局部加热温度介于800‑900℃保温30‑90min，使钎料与母材充分扩散。该方法将钎料层预先制备于堵头本体表面，堵管过程中仅需要控制加热过程。相对于传统技术封闭效果好，设备简单，过程简洁可靠，利于自动化。

权利要求

1.一种高温气冷堆蒸汽发生器的钎焊堵管方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：利用热喷涂方法在堵头本体表面预制钎料层；所述堵头本体为圆柱体；若所述堵头本体置入换热管的给水端，所述堵头本体采用T22耐热钢，所述钎料层包括铁基硼硅合金粉末，铁基硼硅合金粉末各元素的重量比例为：Cr1%‑3%，Mo0.5%‑2%，B3%‑5%，Si2%‑5%，余量为Fe；通过等离子喷涂或超高音速火焰喷涂于所述堵头本体上，所述铁基硼硅合金粉末粒径为15μm‑45μm；若所述堵头本体置入换热管的主蒸汽出口端，所述堵头本体采用Incoloy800H高温合金，所述钎料层包括镍基硼硅合金粉末，所述镍基硼硅合金粉末各元素的重量比例为：Cr19%‑23%，Ni30%‑35%，B3%‑5%，Si2%‑5%，余量为Fe；通过等离子喷涂或超高音速火焰喷涂于所述堵头本体上，所述镍基硼硅合金粉末粒径为15μm‑45μm；

S2：机械加工，对所述钎料层表面进行加工；对换热管的内壁进行抛光处理；

S3：熔化与扩散，将加工后的所述堵头本体插入所述换热管的内孔形成过盈配合，利用感应加热的方法对所述钎料层进行加热熔化，所述加热熔化时所用感应线圈中径与换热管内径一致，加热温度为1000℃‑1300℃；随后降低感应加热功率，使焊缝处局部加热温度介于800℃‑900℃保温30min‑90min，使钎料与母材充分扩散。

2.根据权利要求1所述的高温气冷堆蒸汽发生器的钎焊堵管方法，其特征在于，所述堵头本体材质与所述换热管相同，所述钎料层的开始区域与所述堵头本体置于外端。

3.根据权利要求2所述的高温气冷堆蒸汽发生器的钎焊堵管方法，其特征在于，所述钎料层的长度为3mm‑5mm，所述钎料层在机械加工后的厚度为0.05mm‑0.1mm，所述钎料层在机械加工后的表面粗糙度不高于Ra0.2μm；所述堵头本体的直径为5mm‑13mm，所述堵头本体的长度为30mm‑100mm。

4.根据权利要求1所述的高温气冷堆蒸汽发生器的钎焊堵管方法，其特征在于，所述加热熔化时所用感应线圈的频率为10kHz‑200kHz，功率为5kW‑50kW，感应线圈匝数为1‑5，线圈与管板间距2mm‑5mm。

5.根据权利要求1‑4中任一项所述的高温气冷堆蒸汽发生器的钎焊堵管方法，其特征在于，所述保温步骤中，使钎料层与母材充分扩散形成共同晶粒，化学成分梯度过渡，剪切结合强度高于300MPa。

说明书

高温气冷堆蒸汽发生器的钎焊堵管方法

技术领域

[0001] 本发明涉及核电安全运行维修保障技术领域，具体而言，涉及一种高温气冷堆蒸汽发生器的钎焊堵管方法。

背景技术

[0002] 蒸汽发生器是核电站蒸汽动力转换系统的核心设备，将一次侧堆芯产生的热量通过Ｕ形管束传至二次侧，将二回路的水汽分离干燥后，传至汽轮机发电。换热管是一回路压力边界的重要组成部分，是防止放射性裂变产物外泄的重要屏障，也是一回路系统最薄弱的环节之一。换热管长期在高温高压环境及高辐射剂量介质的冲刷下，会产生机械或化学损伤，当换热管损伤达到破损维修标准时，就需要在换热管两端分别增加堵头，将破损换热管隔离于一回路介质外，以防止放射性冷却剂材料外泄。

[0003] 传统的堵管方式有机械堵管和焊接堵管两种。机械堵管采用简单的机械方法，将特制的堵头压挤到换热管里，产生残余应力，靠堵头外壁与管子内壁的紧密接触来堵管。该技术简单易操作，但缺点在于一旦应力松弛或消失，堵管将立即失效。焊接堵管是利用焊接方法将堵头材料与破损管的母材局部熔合在一起，利用金属熔合达到一定的联结强度和密封性能。焊接堵管封闭效果好、技术可靠，但缺点在于焊接过程繁琐，自动化程度低。

[0004] 与在役的压水堆蒸汽发生器系统相比，高温气冷堆中蒸汽发生器加热管的服役温度更高，一次侧的温度由343℃提高到了750℃，换热管的给水端与蒸汽出口端分别采用了T22和Incoloy800H两种不同的合金钢。应用于常规压水堆的机械堵管方法可能会因高温下的应力松弛而失效，且高温气冷堆内高温、高辐射、狭小空间的特征也对堵管技术的自动化程度提出了更高要求。

发明内容

[0005] 本发明的第一个目的在于提供一种高温气冷堆蒸汽发生器的钎焊堵管方法，以解决现有堵管过程自动化程度低、可靠性差的技术问题。

[0006] 本发明提供的一种高温气冷堆蒸汽发生器的钎焊堵管方法，包括

[0007] 如下步骤：

[0008] S1：利用热喷涂方法在堵头本体表面预制钎料层；

[0009] S2：机械加工，对所述钎料层表面进行加工；对换热管的内壁进行抛光处理；

[0010] S3：熔化与扩散，将加工后的所述堵头本体插入所述换热管的内孔形成过盈配合，利用感应加热的方法对所述钎料层进行加热熔化，加热温度为1000℃‑1300℃；随后降低感应加热功率，使焊缝处局部加热温度介于800℃‑900℃保温30min‑90min，使钎料与母材充分扩散。

[0011] 本发明高温气冷堆蒸汽发生器的钎焊堵管方法带来的有益效果是：

[0012] 该方法将钎料层预先制备于堵头本体的表面，堵管过程中，仅仅需要控制加热过程即可。相对于传统技术封闭效果好，设备简单，过程简洁可靠，利于自动化。

[0013] 优选的技术方案中，所述堵头本体为圆柱体，材质与换热管相同，所述喷涂钎料层的开始区域与所述堵头本体置于外端。

[0014] 优选的技术方案中，所述钎料层的长度为3mm‑5mm，所述钎料层在机械加工后的厚度为0.05mm‑0.1mm，所述钎料层在机械加工后的表面粗糙度不高于Ra0.2μm；所述堵头本体的直径为5mm‑13mm，所述堵头本体的长度为30mm‑100mm。

[0015] 优选的技术方案中，所述钎料层包括铁基硼硅合金粉末，所述铁基硼硅合金粉末各元素的重量比例为：Cr1%‑3%，Mo0.5%‑2%，B3%‑5%，Si2%‑5%，余量为Fe；通过等离子喷涂或超高音速火焰喷涂于所述堵头本体上，所述铁基硼硅合金粉末粒径为15μm‑45μm。

[0016] 优选的技术方案中，所述铁基硼硅合金粉末喷涂于置入换热管的给水端的堵头本体。

[0017] 优选的技术方案中，所述钎料层包括镍基硼硅合金粉末，所述镍基硼硅合金粉末各元素的重量比例为：Cr19%‑23%，Ni30%‑35%，B3%‑5%，Si2%‑5%，余量为Fe；通过等离子喷涂或超高音速火焰喷涂于所述堵头本体上，所述镍基硼硅合金粉末粒径为15μm‑45μm。

[0018] 优选的技术方案中；

[0019] 所述镍基硼硅合金粉末喷涂于置入换热管的主蒸汽出口端的堵头本体。

[0020] 优选的技术方案中，所述加热熔化时所用感应线圈中径与换热管内径一致，频率为10kHz‑200kHz，功率为5kW‑50kW，感应线圈匝数为1‑5，线圈与管板间距2mm‑5mm。

[0021] 优选的技术方案中，所述保温步骤中，使钎料层与母材充分扩散形成共同晶粒，化学成分梯度过渡，剪切结合强度高于300MPa。

附图说明

[0022] 为了更清楚地说明本发明实施例或背景技术中的技术方案，下面将对实施例或背景技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

[0023] 图1为本发明实施例提供的高温气冷堆蒸汽发生器的钎焊堵管方法中制备钎料层的示意图；

[0024] 图2为本发明实施例一的钎料层与堵头本体结合后的金相图；

[0025] 图3为本发明实施例提供的高温气冷堆蒸汽发生器的钎焊堵管方法中的熔化步骤的示意图；

[0026] 图4为本发明实施例提供的高温气冷堆蒸汽发生器的钎焊堵管方法的流程示意图。

[0027] 附图标记说明：

[0028] 1‑堵头本体；2‑钎料层；3‑熔融钎料束；4‑喷枪；5‑换热管；6‑管板；7‑感应线圈。

具体实施方式

[0029] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0030] 如图4所示，一种高温气冷堆蒸汽发生器的钎焊堵管方法，包括以下步骤：

[0031] S1：利用热喷涂方法在堵头本体表面预制钎料层；

[0032] S2：机械加工，对钎料层表面进行加工；对换热管的内壁进行抛光处理；

[0033] S3：熔化与扩散，将加工后的所述堵头本体插入所述换热管的内孔形成过盈配合，利用感应加热的方法对所述钎料层进行加热熔化，加热温度为1000℃‑1300℃；随后降低感应加热功率，使焊缝处局部加热温度介于800℃‑900℃保温30min‑90min，使钎料与母材充分扩散。

[0034] 该方法将钎料层预先制备于堵头本体的表面，堵管过程中，仅仅需要控制加热过程即可。相对于传统技术封闭效果好，设备简单，过程简洁可靠，利于自动化。

[0035] 优选的，堵头本体为圆柱体，材质与换热管相同，喷涂钎料层的开始区域与堵头本体置于外端。

[0036] 优选的，钎料层的长度为3mm‑5mm，钎料层在机械加工后的厚度为0.05mm‑0.1mm，钎料层在机械加工后的表面粗糙度不高于Ra0.2μm；堵头本体的直径为5mm‑13mm，堵头本体的长度为30mm‑100mm。

[0037] 优选的，钎料层包括铁基硼硅合金粉末，铁基硼硅合金粉末各元素的重量比例为：Cr1%‑3%，Mo0.5%‑2%，B3%‑5%，Si2%‑5%，余量为Fe；通过等离子喷涂或超高音速火焰喷涂于堵头本体上，铁基硼硅合金粉末粒径为15μm‑45μm。

[0038] 其中，铁的作用为保证钎料层与堵头本体和换热管的润湿性，硼硅为降熔元素。

[0039] 钎料层的成分除了降熔元素外，基本与换热管保持一致，避免过大的成分差异在服役过程中引起堵头组织成分变化与性能蜕化。

[0040] 优选的，铁基硼硅合金粉末喷涂于置入换热管的给水端的堵头本体。

[0041] 优选的，钎料层包括镍基硼硅合金粉末，镍基硼硅合金粉末各元素的重量比例为：Cr19%‑23%，Ni30%‑35%，B3%‑5%，Si2%‑5%，余量为Fe；通过等离子喷涂或超高音速火焰喷涂于堵头本体上，镍基硼硅合金粉末粒径为15μm‑45μm。

[0042] 其中，镍的作用为保证钎料层与堵头本体和换热管的润湿性，硼硅为降熔元素。

[0043] 优选的，镍基硼硅合金粉末喷涂于置入换热管的蒸汽出口端的堵头本体。

[0044] 钎料层的成分除了降熔元素外，基本与换热管保持一致，避免过大的成分差异在服役过程中引起堵头组织成分变化与性能蜕化。

[0045] 优选的，加热熔化时所用感应线圈中径与换热管内径一致，频率为10kHz‑200kHz，功率为5kW‑50kW，感应线圈匝数为1‑5，线圈与管板间距2mm‑5mm。

[0046] 优选的，保温步骤中，在800℃‑900℃下保温30min‑90min，使钎料层与母材充分扩散形成共同晶粒，化学成分梯度过渡，剪切结合强度高于300MPa。

[0047] 降熔元素硼、硅向换热管和堵头本体内部充分扩散，使钎料层熔点升高而凝固，换热管内壁与钎料层形成共同晶粒，进一步地，堵头与换热管结合强度超过320MPa。

[0048] 实施例一：

[0049] 堵头本体采用Incoloy800H高温合金，长度为50mm，直径为12.95mm。如图1所示，用喷枪4以等离子喷涂的方式将镍基硼硅合金粉末形成熔融钎料束3，喷涂于堵头本体1，粒径15μm‑45μm，送粉速率50g/min，喷涂功率40kW，在堵头本体表面制备一层长5mm的钎料层2。
其中镍基硼硅合金粉末成分为：Cr23.00%，Ni35.00%，B4.50%，Si3.50%，Fe34.00%。如图2所示，钎料层2组织致密，内部无明显氧化物夹杂，无裂纹与孔隙等缺陷，钎料层2与堵头本体1表面结合良好。

[0050] 然后，对钎料层2表面进行精加工，使得钎料层2的表面粗糙度不高于Ra0.2μm，厚度为0.08mm。对换热管5蒸汽出口端内壁进行抛光处理，使得与堵头本体1相配合区域的内壁粗糙度为Ra0.14μm。

[0051] 如图3所示，将堵头本体1顶入换热管5的蒸汽出口端形成过盈配合，感应线圈7平行悬置于管板6上方3mm处进行加热，感应线圈7的中径与换热管5的内径一致，频率为150kHz，功率为35kW，感应线圈7的匝数为1。采用红外比色测温仪对加热区域温度进行监测，结果表明在16s的时间内钎料层所在位置可被加热到1200℃以上，充分熔化；然后进入保温阶段，通过调整感应线圈7与管板6之间的距离至6.5mm，并通过不断的电源通断，使得钎料层2的温度介于800‑850℃之间，保温30min，钎料层2与堵头本体1和换热管5的内壁形成充分扩散，剪切测试结果显示，堵头与换热管5之间的平均剪切结合强度为377MPa。氦检漏试验结果显示，封堵后的堵头无泄漏。

[0052] 实施例二：

[0053] 堵头本体1采用T22耐热钢，长度为65mm，直径为13.00mm。如图1所示，用喷枪4以采用超音速火焰喷涂的方式将铁基钎料粉末形成熔融钎料束3，喷涂于堵头本体1上，选用粒径为15μm‑45μm，送粉速率50g/min，喷涂功率45kW，在堵头本体1表面制备一层长3.5mm的钎料层2。其中铁基钎料粉末的元素重量比例为：Cr2.5%，Mo1.7%，B5%，Si4.5%，Fe86.3%。

[0054] 对钎料层2的表面进行精加工，使得钎料层2的表面粗糙度为Ra0.12μm，厚度为0.05mm。

[0055] 对换热管5的蒸汽出口端内壁进行抛光处理，使得与堵头本体1的配合区域的内壁粗糙度不高于Ra0.2μm。如图3所示，将堵头本体1顶入换热管5的蒸汽出口端，感应线圈7平行悬置于管板6上方2.5mm处进行加热，感应线圈7的中径与换热管5的内径一致，频率为200kHz，由于熔点比镍基钎料更高，因此选用功率为45kW，感应线圈匝数为1。采用红外比色测温仪对加热区域温度进行监测，结果表明在19s的时间内钎料层2所在位置可被加热到
1230℃以上，钎料充分熔化，后空冷至环境温度。剪切结合强度测试结果显示，堵头与换热管5的平均结合强度为321MPa。氦检漏试验结果显示，封堵后的堵头无泄漏。

[0056] 虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

[0057] 最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

[0058] 上述实施例中，诸如“上”、“下”等方位的描述，均基于附图所示。

[0059] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。

[0060] 因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。