本發(fā)明涉及一種接頭脹接與密封性能測試方法，具體涉及一種zr/ti管-管板接頭的密封性能測試方法。
背景技術(shù)：
：zr價格昂貴，主要用作核反應(yīng)堆的重要結(jié)構(gòu)件。由于其耐蝕性能優(yōu)良，近年來逐漸應(yīng)用于醋酸等化工強(qiáng)腐蝕場合。但是，zr理化性能特殊，加之某些接頭結(jié)構(gòu)上的特殊性，zr制換熱器極易在管子-管板接頭處發(fā)生泄漏等失效，管子-管板接頭的連接是zr制換熱器設(shè)計(jì)和制造中亟待研究和掌握的關(guān)鍵技術(shù)。迄今為止，我國在zr的力學(xué)特性、材料標(biāo)準(zhǔn)以及zr承壓設(shè)備的設(shè)計(jì)、加工制造關(guān)鍵性技術(shù)等方面的研究還遠(yuǎn)不夠成熟。雖然有研究者對列管式換熱器管子-管板接頭的連接型式、接頭參數(shù)和制造方法等做過大量卓有成效的試驗(yàn)研究工作，但對zr換熱器管子與管板連接接頭的適宜連接型式、制造參數(shù)和接頭的完整性評價等方面都還缺乏深入理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，特別是對高溫工作下的強(qiáng)度脹接頭，材料線脹系數(shù)差異、脹管率、蠕變以及管板密封槽等對接頭密封性能的影響等缺乏經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)依據(jù)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明實(shí)施例要解決的技術(shù)問題是提供zr/ti管-管板接頭的密封性能測試方法，該測試方法通過對zr/ti管-管板接頭的脹接性能和密封性能進(jìn)行測試，能夠?yàn)樵趜r/ti管-管板接頭的密封試驗(yàn)中選擇合適的脹管參數(shù)提供參考依據(jù)。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種zr/ti管-管板接頭的密封性能測試方法，包括以下步驟：(1)準(zhǔn)備脹接試件：準(zhǔn)備測試用脹接zr/ti管以及模擬管板，并確定用于解剖檢查和進(jìn)行密封試驗(yàn)的脹接試件，模擬管板的每個管孔都開設(shè)有雙槽；(2)橡膠柔性靜液壓脹接試驗(yàn)：采用橡膠脹管機(jī)對脹接試件進(jìn)行橡膠柔性靜壓脹接；(3)脹接試驗(yàn)結(jié)果分析：分析用于解剖檢查的脹接試件的脹接接頭情況，在脹接接頭滿足預(yù)設(shè)要求后，進(jìn)入下述步驟(4)；(4)密封試驗(yàn)：采用密封試驗(yàn)裝置在一定工作溫度溫度下，采用導(dǎo)熱油為介質(zhì)，對用于密封試驗(yàn)的模擬管板的殼層逐級加壓以進(jìn)行密封試驗(yàn)；(5)密封試驗(yàn)結(jié)果分析：對密封試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，以得到脹接接頭的密封性能與工作壓力、材料特性、幾何參數(shù)、結(jié)構(gòu)型式、脹接控制參數(shù)之間的關(guān)系?？蛇x地，步驟(3)具體包括：沿脹接試件的直徑方向或沿兩個相互垂直的半徑方向剖開，進(jìn)行zr/ti管與模擬管板孔接觸狀況的檢查，如果管孔未開槽的脹接接頭需滿足zr/ti管的內(nèi)側(cè)各部位光整圓滑，內(nèi)表面沒有開裂、明顯的擠壓傷痕，則進(jìn)入步驟(4)；如果管孔開槽的脹接接頭在脹接長度范圍內(nèi)，zr/ti管與模擬管板的管板孔之間的非開槽段貼合良好，無明顯間隙，以及在管板孔脹槽的兩側(cè)槽邊緣處，zr/ti管的外壁與槽邊緣緊密接觸，則進(jìn)入步驟(4)。可選地，每個脹接zr管的規(guī)格為φ25.4×1.65，每個脹接ti管的規(guī)格為φ25.4×1.2，模擬管板為：φ273×12×480的16mnr管板，厚度為50mm，共開設(shè)36個管孔，從內(nèi)到外分為3層，其中，最外側(cè)18個孔為非試驗(yàn)用孔，采用焊接連接，最內(nèi)側(cè)6個管孔為zr管脹接，中間層12個管孔為ti管脹接；每個管孔內(nèi)開有兩道4×0.5mm的槽，槽中心間距為10mm，最外一道槽距離管板正面23mm。可選地，步驟(4)具體包括：在50、100、150和200℃四個溫度等級下，對模擬管板的殼層分別緩慢升壓至0.5、1.0、1.6、2.5和3.5mpa，檢查介質(zhì)滲漏情況；以及對試驗(yàn)過程中部分發(fā)生泄漏的脹接接頭，采用機(jī)械滾脹的方法進(jìn)行補(bǔ)脹?？蛇x地，所述密封試驗(yàn)結(jié)果包括：隨著溫度的升高，zr管和ti管脹接接頭的密封性能顯著下降，并且zr管接頭比ti管接頭更容易泄漏；以及在采用機(jī)械滾脹的方法進(jìn)行補(bǔ)脹后，zr管和ti管脹接接頭的密封性能得到顯著提高。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種zr/ti管-管板接頭的密封性能測試方法，首先通過橡膠柔性靜液壓脹接對zr/ti管-管板接頭進(jìn)行脹接試驗(yàn)，然后對滿足脹接要求的脹接接頭進(jìn)行密封性能測試試驗(yàn)，得到zr/ti管脹接接頭的密封性能與工作溫度之間的關(guān)系，從而為在zr/ti管-管板接頭的脹接試驗(yàn)中選擇合適的脹管參數(shù)提供參考依據(jù)。附圖說明圖1為本發(fā)明的zr/ti管-管板接頭的密封性能測試方法的流程示意圖。圖2為本發(fā)明使用的橡膠脹管機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3(a)至圖3(d)為本發(fā)明的zr/ti管-管板接頭的解剖檢查示意圖。圖4為對本發(fā)明一實(shí)施例的脹接接頭進(jìn)行拉脫試驗(yàn)得到的拉脫強(qiáng)度與試驗(yàn)溫度之間的關(guān)系圖。圖5為對本發(fā)明一實(shí)施例的脹接試驗(yàn)進(jìn)行模擬驗(yàn)證得到的接頭拉脫強(qiáng)度試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果對比圖。圖6為對本發(fā)明一實(shí)施例的脹接試驗(yàn)進(jìn)行模擬驗(yàn)證得到的殘余接觸壓力沿管孔軸向分布圖。圖7為對本發(fā)明一實(shí)施例的脹接試驗(yàn)進(jìn)行模擬驗(yàn)證得到的接頭在不同脹接壓力下殘余接觸壓力圖。具體實(shí)施方式為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。圖1為本發(fā)明的zr管-管板接頭的密封性能測試方法的流程示意圖。如圖1所示，本發(fā)明的zr管-管板接頭的密封性能測試方法包括以下步驟：s100：準(zhǔn)備脹接試件；s200：橡膠柔性靜液壓脹接試驗(yàn)；s300：脹接試驗(yàn)結(jié)果分析；s400：密封試驗(yàn)；s500：密封試驗(yàn)結(jié)果分析。以下，對上述各步驟進(jìn)行詳細(xì)介紹。s100：準(zhǔn)備脹接試件可根據(jù)gb/t151-2014標(biāo)準(zhǔn)來準(zhǔn)備測試用脹接zr/ti管和模擬管板，并確定用于解剖檢查和進(jìn)行密封試驗(yàn)的脹接試件，并分別做標(biāo)記，模擬管板包括管孔開雙槽的管板。在本發(fā)明的一非限制性示例中，測試用脹接zr管的規(guī)格可為φ25.4×1.65，ti管材料為工業(yè)純tita2，規(guī)格為φ25.4×1.2，模擬管板可為：φ273×12×480的16mnr管板，厚度為50mm，共開設(shè)36個管孔，每個管孔內(nèi)開有兩道4×0.5mm的槽，槽中心間距為10mm，最外一道槽距離管板正面23mm。s200：橡膠柔性靜液壓脹接試驗(yàn)采用橡膠脹管機(jī)對脹接試件進(jìn)行橡膠柔性靜壓脹接，脹接過程中的施加的壓力根據(jù)脹管率來進(jìn)行確定，一般，脹管率控制在1％，則油壓可為24mpa；若脹管率控制在6％，油壓可以控制在28mpa。本發(fā)明使用的橡膠脹管機(jī)可如圖2所示，包括管子1、密封環(huán)2、管板3、軟質(zhì)橡膠4、背壓環(huán)5、加載拉桿6和油缸7等。橡膠脹管機(jī)的脹接原理為：以液壓系統(tǒng)的液壓為動力，采用軟質(zhì)橡膠作為脹接壓力傳遞介質(zhì)，彈性橡膠體制成圓筒狀，串裝在脹頭的拉桿上。脹管時，來自油泵的高壓油通過液壓油缸活塞轉(zhuǎn)化為拉桿的拉力，使橡膠體軸向受到壓縮，徑向發(fā)生鼓脹，與管子內(nèi)壁間形成數(shù)值很大的接觸壓力；管子在內(nèi)壁橡膠彈性體均勻徑向壓力作用下，相繼發(fā)生彈/塑性變形并與管板孔壁接觸，使得管板孔也產(chǎn)生彈塑性變形；當(dāng)脹接壓力達(dá)到要求時，降壓卸載，活塞復(fù)位，橡膠體恢復(fù)原來的形狀和尺寸，脹頭從管孔中退出，脹接完成。s300：脹接試驗(yàn)結(jié)果分析在橡膠柔性靜液壓脹接試驗(yàn)完成后，對用于解剖檢查的脹接試件的脹接接頭情況進(jìn)行分析，具體包括：沿脹接試件的直徑方向或沿兩個相互垂直的半徑方向剖開，如圖3(a)所示，進(jìn)行zr/ti管與模擬管板孔接觸狀況的檢查，合格的管孔未開槽的脹接接頭滿足如下要求：zr/ti管的內(nèi)側(cè)各部位光整圓滑，內(nèi)表面沒有開裂、明顯的擠壓傷痕，如圖3(b)所示；合格的管孔開槽的脹接接頭滿足如下要求：在脹接長度范圍內(nèi)，zr/ti管與模擬管板的管板孔之間的非開槽段貼合良好，無明顯間隙，以及在管板孔脹槽的兩側(cè)槽邊緣處，zr/ti管的外壁與槽邊緣緊密接觸，如圖3(c)和圖3(d)所示。在用于脹接試驗(yàn)的脹接接頭滿足上述要求后，則可進(jìn)行密封試驗(yàn)。s400：密封試驗(yàn)用于密封試驗(yàn)的脹接接頭可以在進(jìn)行橡膠柔性靜液壓脹接試驗(yàn)時同時進(jìn)行脹接得到，也可以在脹接試驗(yàn)結(jié)果滿足預(yù)設(shè)要求后按照脹接試驗(yàn)的控制參數(shù)對用于密封試驗(yàn)的脹接試件進(jìn)行橡膠柔性靜液壓脹接試驗(yàn)得到。在脹接完成后，對于進(jìn)行密封試驗(yàn)的脹接接頭，可在一定工作溫度溫度下，采用導(dǎo)熱油為介質(zhì)，對模擬換熱器殼層逐級加壓，測試管子-管板接頭的密封壓力。s500：密封試驗(yàn)結(jié)果分析根據(jù)步驟s400測取的密封試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對密封試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，從而得到管子管板接頭密封性能與工作溫度、工作壓力、材料特性、幾何參數(shù)、結(jié)構(gòu)型式、脹接控制參數(shù)等之間的關(guān)系?！緦?shí)施例】1.準(zhǔn)備脹接試件本實(shí)施例中，采用的脹接試件可為：測試用脹接zr管的規(guī)格可為φ25.4×1.65，ti管材料為工業(yè)純tita2，規(guī)格為φ25.4×1.2φ25.4×1.2。模擬管板可為φ273×12×480的16mnr管板和316l管板，即管子管板組合可包括zr管/16mnr管板、zr管/316l管板和ti管/16mnr管板，管板的厚度為50mm，共開設(shè)36個管孔，從內(nèi)到外分為3層，其中，最外側(cè)18個孔為非試驗(yàn)用孔，采用焊接連接，最內(nèi)側(cè)6個管孔為zr管脹接，編號z1～z6，中間層12個管孔為ti管脹接，編號為t1～t12；每個管孔內(nèi)開有兩道4×0.5mm的槽，槽中心間距為10mm，最外一道槽距離管板正面23mm。2.橡膠柔性靜壓脹接試驗(yàn)采用橡膠脹管機(jī)對脹接試件(包括zr管/16mnr管板、zr管/316l管板和ti管/16mnr管板)進(jìn)行橡膠柔性靜壓脹接，脹接過程中的施加的壓力根據(jù)脹管率來進(jìn)行確定，一般，脹接時脹管率控制在1％～6％的范圍，脹接油壓分別控制在24mpa-38mpa，脹接時間為3-10秒，完成對每個脹接試件的橡膠柔性靜壓脹接試驗(yàn)后關(guān)閉橡膠脹管機(jī)。本實(shí)施例中的脹接壓力與油缸壓力換算可如下表1所示：表1：脹接壓力與油缸壓力的換算表油缸壓力/mpa脹接壓力/mpa261412815229158341853519036196382073.脹接試驗(yàn)結(jié)果分析對于用于解剖檢查的脹接接頭，在脹接完成后，按圖3(a)采用線切割剖開，檢查管子管孔之間的貼合與變形情況。在本實(shí)施例中，zr/ti管接頭采用橡膠柔性脹接后，可以觀察到管孔開槽的脹接接頭的，zr/ti管子內(nèi)壁端部脹接部位有明顯兩道凹陷，剖開試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蟀l(fā)現(xiàn)，在管孔開槽部位，管子已嵌入槽內(nèi)，管子的鼓脹部位與槽兩側(cè)棱角部位緊密接觸，這表示管子/管板貼合的比較好，因此，可進(jìn)行后續(xù)的密封試驗(yàn)。在本發(fā)明中，脹接性能是否完好還可通過拉脫試驗(yàn)來檢驗(yàn)。具體地，拉脫強(qiáng)度試驗(yàn)可在30t液壓式萬能材料試驗(yàn)機(jī)(型號為we-30)上進(jìn)行。為研究工作溫度對柔性靜壓脹接接頭拉脫強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)機(jī)上加裝了電阻絲加熱裝置。對于zr管/16mnr管板、zr管/316l管板的材料組合，拉脫試驗(yàn)溫度分別設(shè)定為室溫、100℃、150℃、200℃、250℃和300℃；對ti管/16mnr管板脹接接頭，拉脫強(qiáng)度試驗(yàn)溫度范圍0-350℃，每增加50℃設(shè)一個檔。試驗(yàn)溫度采用hy-303紅外輻射測溫儀進(jìn)行測量，拉脫試驗(yàn)前后各測量一次，取平均值。根據(jù)管孔開槽的橡膠柔性靜壓脹接接頭的拉脫強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)溫度之間的關(guān)系可如4所示。從圖4中可以看出，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，隨著試驗(yàn)溫度的增加，zr/16mnr和ti/16mnr接頭的拉脫強(qiáng)度均呈直線下降，下降速率分別為2.7mpa/100℃和2.2mpa/100℃。說明隨著試驗(yàn)溫度的上升，zr/16mnr接頭拉脫強(qiáng)度下降較快；而ti/16mnr接頭的拉脫強(qiáng)度下降較慢。在250℃和300℃時的拉脫強(qiáng)度：zr/16mnr接頭分別為常溫時的59.2％和46.9％。因此，當(dāng)zr換熱器管子管板接頭用于超過250℃以上的高溫工況時，要特別注意其連接強(qiáng)度是否滿足要求，以確保使用的安全。從測得的平均脹管率和最小脹管率來考慮，ti/16mnr的平均脹管率為3.45，最小脹管率為2.48；zr/16mnr的平均脹管率為3.05，最小脹管率為2.29。當(dāng)脹管率變化時，接頭拉脫強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較分散，拉脫強(qiáng)度與脹管率的關(guān)系不是太明顯，隨著脹管率的增加，拉脫強(qiáng)度有時增加，有時減小。這可能有兩方面的原因，一是對于采用橡膠柔性脹接的管子管板強(qiáng)度脹接接頭，當(dāng)管孔開槽時，管子在開槽處凹陷較深，接頭的拉脫強(qiáng)度主要取決于凹陷處管子管板間的擠壓和剪切強(qiáng)度，而受管子管板間殘余接觸壓力(和脹管率相關(guān))等因素的影響相對較小。二是脹管率計(jì)算公式帶來的誤差。根據(jù)生產(chǎn)中實(shí)際采用的脹管率計(jì)算公式(d1-d2-(d-d3))/2(式中，d1為管子脹后內(nèi)徑，d2為管子脹前內(nèi)徑，d3為管子脹前外徑，d為管板孔徑，t為管子壁厚)和管子的實(shí)際幾何參數(shù)，0.02mm的測量誤差就可能引起脹管率變化1個百分點(diǎn)。而橡膠柔性脹接時，脹管率的值一般不超過5％。這樣，由于管子不圓度等所引起的較小的測量誤差也將使得脹管率誤差相對較大。4.密封試驗(yàn)密封試驗(yàn)采用電阻絲加熱導(dǎo)熱油，熱電偶測定介質(zhì)溫度，手動油泵進(jìn)行加壓。試驗(yàn)中采用加溫同時加壓的方法，試驗(yàn)脹接接頭的密封性能。在50℃、100℃、150℃和200℃四個溫度等級下，分別緩慢升壓至0.5mpa、1.0mpa、1.6mpa、2.5mpa和3.5mpa，檢查介質(zhì)滲漏情況。對試驗(yàn)過程中部分發(fā)生泄漏的接頭，采用機(jī)械滾脹的方法進(jìn)行補(bǔ)脹。5.密封試驗(yàn)結(jié)果分析逐級升溫至100℃、加壓至0.5mpa時，zr管接頭有3個開始輕微滲漏(z1，z2和z4)，ti管接頭的t5漏。卸壓對t5接頭采用機(jī)械補(bǔ)脹后，升溫至200℃、加壓至0.5mpa時，zr管接頭全部出現(xiàn)泄漏，而ti管接頭全部不漏。卸壓后對6個zr管接頭采用機(jī)械補(bǔ)脹，然后再逐級升溫至50℃、100℃和150℃，逐級加壓至0.5mpa、1mpa、1.6mpa和2.5mpa，所有接頭均不漏。在150℃時，當(dāng)壓力增加至3.5mpa時，t1、t3、t4、t5、t6均出現(xiàn)泄漏。當(dāng)試驗(yàn)溫度升溫至200℃，壓力升至1mpa時，t1、t3、t6接頭滲漏；壓力升至1.6mpa時，t1、t2、t3、t6、t7接頭均滲漏。由于發(fā)生泄漏的接頭太多，其它接頭已難以準(zhǔn)確判斷泄漏與否。從上述密封性能試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著溫度的升高，zr管和ti管脹接接頭的密封性能顯著下降，并且zr管接頭比ti管接頭更容易泄漏。密封性能試驗(yàn)結(jié)果還表明，對于zr管和ti管的橡膠柔性脹接接頭，若輔以機(jī)械滾脹，接頭的密封性能將得到顯著提高。此外，本發(fā)明對管子管板接頭的柔性靜壓脹接試驗(yàn)的結(jié)果的進(jìn)行了模擬驗(yàn)證，管子管板接頭的柔性靜壓脹接共分為三個過程進(jìn)行模擬：(1)加載。管子管板之間存在間隙，對管子伸入管板部分內(nèi)表面施加脹接壓力，模擬過程中壓力逐漸加載，直到預(yù)定的脹接壓力，加載完成后管子與管孔間形成接觸壓力。(2)卸載。施加的脹接壓力逐漸降為零，管板產(chǎn)生彈性恢復(fù)，管板孔與管壁壓緊，此時管子與管孔形成殘余接觸壓力。(3)拉拔。將管子自由端約束刪除，在管子的伸出端施加軸向位移載荷，拉力為管子伸出端管截面平均應(yīng)力與管子截面積的乘積，當(dāng)拉力達(dá)到最大值時即為拉脫力。拉脫力與脹接面積的比值為拉脫強(qiáng)度。當(dāng)需要考慮線脹系數(shù)差對殘余接觸壓力的影響時，對整個模型施加不同溫度場，可獲得由于線脹系數(shù)差導(dǎo)致的接觸殘余應(yīng)力的變化。橡膠脹管過程中，是以液壓為動力，采用軟質(zhì)橡膠作為脹接壓力傳遞的介質(zhì)。脹管時，來自油泵的高壓油通過液壓油缸活塞轉(zhuǎn)化為拉桿的拉力，使橡膠體軸向受到壓縮，徑向發(fā)生鼓脹，與管子內(nèi)壁間形成很大的接觸壓力。前文中所指的脹接壓力是指液壓表顯示的油缸壓力，而有限元模型中管內(nèi)壁施加的載荷是徑向脹管壓力，所以首先要建立油缸壓力與徑向脹管壓力兩者之間的關(guān)系。圖5為zr/316l接頭拉脫強(qiáng)度試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果對比圖，有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合：隨著脹管壓力的增加，接頭拉脫強(qiáng)度也增加。圖中試驗(yàn)所得拉脫強(qiáng)度略比有限元計(jì)算結(jié)果高，可能是由于有限元分析中，拉脫過程接觸面的變化與實(shí)際情況有出入導(dǎo)致的。也有可能是由于試驗(yàn)和有限元分析中摩擦系數(shù)的差別導(dǎo)致的。由于兩者差別不大，表明所建立的有限元模型基本合理，能夠滿足實(shí)際工程應(yīng)用的精度。圖6為脹接壓力207mpa時的脹接接頭的殘余接觸壓力分布，在脹接接頭的兩個開槽邊緣處出現(xiàn)高殘余接觸壓力環(huán)帶，這主要是由于管子表面曲率的突然變化，卸載時受較大的管板回復(fù)力所致。開槽形成的最大殘余接觸壓力環(huán)帶對提高接頭的密封性能具有顯著的效果。圖7所示為zr/316l接頭在不同脹接壓力下的殘余接觸壓力，可見管板孔開槽時的脹接接頭殘余接觸壓力隨著脹接壓力的增加而增加；在脹接壓力達(dá)到足夠大之后，殘余接觸壓力增加不明顯，說明脹接壓力并非越大越好。過大的脹接壓力不但會增加制造成本，而且可使管壁過度變薄甚至損壞。以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁12