压水堆燃料组件螺纹套管与导向管胀接影响因素研究

钟建伟，盛国福，蔡权，高明月，冯亮

（中广核铀业发展有限公司，广东 阳江529500）

1 试验

试验用螺纹套管材料为AISI 316L 不锈钢管材，导向管采用国产的Zr4 锆合金材料。对螺纹套管管材原材料采用津上精密数控纵切车床BO206-III 进行加工，加工后的螺纹套管与100mm 长的导向管进行胀接，胀接尺寸要求在（14.5±0.2）mm。胀接时，采用直拉杆和锥形拉杆胀接到相应尺寸。试验中的胀接设备为国产后退式胀接设备，由液压缸、拉杆、胀套等组成。试验中，采用万能试验机对胀接试样进行拉伸。金相试样采用线切割制备金相试样，经热镶嵌后依次用400#、800#、1200#金相砂纸抛光，再经过绒布抛光。使用金相腐蚀液观察金相组织，腐蚀液配比盐酸、丙三醇、硝酸与过氧化氢，各组分的体积百分含量为：40%盐酸、30%硝酸、20%丙三醇和30%过氧化氢。

2 结果与分析

2.1 螺纹套管与导向管的胀接原理

螺纹套管与导向管胀接机理与锅炉、换热器管子与管板的胀接原理相类似，即拉杆向后退，撑开胀套，胀套的鼓包对导向管内径进行压延，管内壁受到均匀内压后产生塑性变形，管径不断增加，导向管外径胀满间隙，导向管外径在胀套作用下径向扩大的同时，金属沿着轴向产生流动，随着胀接的增大，内径接触面四瓣先塑性变形，形成塑性变形深凹区，当管外径受胀套胀包挤压，其接触应力使管壁中间接触区的局部也开始产生塑性变形，金属产生径向扩大和轴向流动，导向管锆合金晶粒破碎和金属流动产生的晶格畸变，使导向管胀接部分硬度增加，导向管外径壁面处于弹性变形与塑性变形阶段，之后螺纹套管受到不断增大的导向管管外径挤压，发生弹性变形，或也存在少量的塑性变形，胀接完成后，螺纹套管的弹性变形回弹，由于其回弹量大于导向管外壁面的回弹量，因此，与导向管间产生径向残余压应力。胀接后的拉脱紧固力，由螺纹套管与导向管外壁相互间的残余压应力、胀管轴向长度、摩擦系数等保证，而提高管之间残余接触应力是关键。

2.2 螺纹套管机械加工对拉脱力的影响

国产的含少量高镍耐蚀AISI 316L 不锈钢基体组织为奥氏体，在机械加工中存在硬度高导致难以车削而发生振动，韧性高导致断屑难而缠屑等现象。螺纹套管需进行内孔加工、外径加工、螺纹加工等3 个主要加工工步。本试验采用了2 种不同的加工工艺方案。加工方案a 螺纹套管薄壁处的外径一次车削成型，而加工方案b 螺纹套管的薄壁处内外径采取多次车削成型的方法加工，每次车削的进刀量较小。

分析不同螺纹套管加工工艺对胀接拉脱力的影响。在胀接后胀包尺寸为14.60mm 的条件下，螺纹套管采用加工方案a 比加工方案b 胀接后拉脱力平均值增大了1 092N，采用方案a 的螺纹套管胀接拉脱力平均值为3 443N，采用方案b 的螺纹套管胀接拉脱力平均值为4 535N。这是由于316L 不锈钢材料机械加工时，采用大进给量形变过程中发生的组织结构变化产生的强化效应引起316L 奥氏体不锈钢这种低层错能面心立方结构合金加工硬化，其加工硬化系数高，而且316L奥氏体不锈钢为亚稳态的不锈钢，对弹性应力和塑性应变非常敏感，在室温下冷加工时，部分奥氏体组织转变为马氏体组织，形变诱发的马氏体可增加材料的硬度。螺纹套管加工硬化后，材料进行胀接时，更不易进入塑性变形阶段。刘福仁等研究认为胀接时管孔板发生了塑性变形，则得不到残余压应力，主要是由于材料达到塑性变形后失去回弹能力，但从不锈钢的应力-应变曲线来看，达到微塑性变形阶段时，塑性区的回弹量要大于弹性区的回弹量，意味着螺纹套管达到微塑性变形时的回弹能力最大，当采用多次变形小进给量加工螺纹套管薄壁处时，其加工硬化和马氏体转变较小，胀接时螺纹套管薄壁段处于微塑性阶段，回弹能力随之增加，导致导向管与螺纹套管的残余接触应力增加，相应的拉脱紧固力也随之增大。因此，316L 螺纹套管进入部分塑性状态，可增加胀接接头的拉脱紧固力，但不宜过度变形，过度处于塑性变形阶段，回弹力消失将因此胀接接头的强度失效。

2.3 胀套形状大小对拉脱力的影响

螺纹套管与导向管的胀接工装由拉杆和胀套组成，胀接时通过拉杆后移，撑开胀套对试样施加力，胀套的形状决定了胀包的形状，在得到较优的螺纹套管加工工艺的基础上，研究了胀套大小对拉脱力的影响。图1 为不同胀套过渡段示意图，原先胀套过渡段尺寸为5.90mm，增大至6.13mm 后得知，当螺纹套管采用加工方案b 加工后胀接，胀套剖开成4 瓣，当每一瓣过渡段增大时，胀接的拉脱紧固力随之增加，6.13mm 胀套拉脱力平均值为5 113.2N，而较小过渡段大小后拉脱力平均值为3 461.1N。这是由于当胀接区域和长度增加时，拉脱力随之增大，且导向管内壁金属塑性状态下的晶格畸变增多以及导向管外壁与螺纹套管内壁接触面积的增大，都将增加螺纹套管与导向管胀接后拉脱紧固力。胀套胀瓣也不宜过大，避免尺寸过大，胀接时对导向管挤压力不足。

图1 不同胀套过渡段大小示意图

2.4 胀接成型速度对拉脱力的影响

为研究胀接成型速度对胀接拉脱力大小的影响，增大了胀接设备的液压油缸压力，压力值到达压力阀设定值后，以最大的速度胀接，加快了胀包的成型速度，将胀包尺寸至中值14.50mm，胀包尺寸平均值14.54mm。得知，增大胀接成型速度，胀包的拉脱力平均值5 335.8N，比正常胀接速度拉脱力平均值为5 113.2N 略问提高，这是因为当胀接成型速度增大时，导向管内壁发生塑性变形的速度加快，晶格畸变能增加，晶粒相互之间的黏结力增大，可提高胀后拉脱力。

综上所述，国产316L 螺纹套管和Zr4 合金导向管胀接，螺纹套管采用较小进给量加工方案b，增大胀套过渡段尺寸至6.13mm 和采用较快的胀接成型速度条件下，胀接试样拉脱力可达到了5 300N，解决了胀接拉脱力低于4 500N 的技术问题。由上分析可知，对胀接拉脱力的影响因素，螺纹套管不同加工方案和增大胀套过渡段尺寸大小对拉脱力的影响较大，而胀接成型的速度影响因素次之。

2.5 金相和渗透

为了验证新的工艺方案，还需对最大尺寸的胀接试样进行金相和渗透检测，采用锥形拉杆调整胀包尺寸至最大值14.70mm，采用较大的胀接液压油缸压力进行胀接的金相显微组织。得知，胀接至最大尺寸，试样无裂纹，经渗透检查，纵向切割后胀接区域内外表面无裂纹，从而验证新的加工方案可行。

3 结论

通过上述试验过程，得到以下结论：

1）螺纹套管加工工艺、胀接成型速度、胀套过渡段尺寸对燃料组件国产原材料的螺纹套管与导向管外管胀接拉脱力有较大影响，且螺纹套管加工工艺和胀套过渡段最明显，其次为胀接成型速度；

2）胀接时螺纹套管处于微塑性阶段，回弹能力随之增加，导致导向管与螺纹套管的残余接触应力增加，相应的拉脱紧固力也随之增大。