Способ изготовления трубчатых переходников из циркониевых и стальных втулок

Изобретение относится к области диффузионной сварки трубчатых переходников из циркониевых и стальных втулок. Втулку из циркониевого сплава устанавливают внутрь стальной втулки и нагревают в вакууме до температуры диффузионной сварки, после чего сдавливают свариваемые поверхности за счет раздачи циркониевой втулки роликовым раскатником. После диффузионной сварки переходник охлаждают в интервале температур, в котором в циркониевом сплаве присутствует двойная фаза, состоящая из альфа-циркония и бета-циркония. Производят горячую деформацию втулки из циркония на глубину не менее 0,5 мм при степени обжатия не менее 10%. Затем переходник охлаждают до интервала температур от 540 до 580°С и выдерживают в этом интервале не менее 30 минут. Это позволяет упростить способ изготовления переходников, а также повысить их коррозионную стойкость в горячей воде и паре.

 

Изобретение относится к области диффузионной сварки трубчатых переходников из циркониевых и стальных втулок, которые используются как биметаллические вставки при сварке каналов ядерных реакторов, которые представляют собой трубы из циркониевого сплава, работающие в активной зоне реактора, с трубами из нержавеющей стали, которые расположены вне активной зоны реактора.

Трубчатые переходники изготавливают путем диффузионной сварки втулок из циркониевого сплава и нержавеющей стали, собранных внахлестку, которые нагревают до температуры диффузионной сварки в районе 950°С и сдавливают их стенки в радиальном направлении путем раздачи внутренней втулки.

Радиальную раздачу осуществляют с помощью конусного дорна (см. а.с. СССР №202404, 14.09.1967 г., бюл. №10), или с помощью роликового раскатника (см. а.с.СССР, кл. В 23 К 19/00, 05.08.79 г., бюл. №29).

Во всех известных способах диффузионная сварка циркониевого сплава с нержавеющей сталью ведется в вакууме при температуре свыше 900°С.

Недостатком известных способов диффузионной сварки переходников из циркониевых и стальных втулок является ограниченный ресурс работоспособности внутренней поверхности циркониевой части переходника вследствие ее коррозии при эксплуатации в активной зоне канального уран-графитового ядерного реактора. В каналах уран-графитового реактора протекает пароводяная смесь при температуре около 300°С, под воздействием которой внутренняя поверхность переходника, состоящая из циркониевого сплава, подвергается коррозии, в результате чего со временем на поверхности циркония образуется белая окисная пленка, которая по мере ее роста осыпается, что при длительной эксплуатации приводит к засорению контура реактора радиоактивными продуктами коррозии.

Повышенная коррозия внутренней поверхности циркониевой части переходника объясняется тем, что при диффузионной сварке заготовка переходника нагревается свыше 900°С, а уже при нагреве свыше 650°С в цирконии происходят фазовые превращения, в результате которых образуется двухфазная структура, состоящая из альфа-циркония и бета-циркония, для которой характерна низкая коррозионная стойкость при длительной эксплуатации в горячей воде и паре при температурах свыше 200 градусов Цельсия.

Известен способ изготовления трубчатого переходника из циркониевого сплава и стали, в котором коррозионную стойкость поверхности циркониевой части переходника повышают путем ее деформации в холодном состоянии на глубину не менее 200 мкм, после чего переходник термообрабатывают в вакууме при 535-565°С не менее 15 часов (см. патент №2085349, кл. В 23 К 20/00 от 27.07.97 г., бюл. №21).

Недостатком этого способа является высокая его трудоемкость, т.к. после диффузионной сварки в вакууме сваренную заготовку переходника охлаждают с температуры 950°С до комнатной и механически обрабатывают с высокой чистотой, после чего циркониевую поверхность переходника подвергают деформации с помощью роликового обкатника путем многократных проходов. После этого переходник опять помещают в вакуум, где нагревают до 550°С и выдерживают при этой температуре не менее 15 часов.

Также известен способ диффузионной сварки труб внахлестку, при котором сдавливание свариваемых поверхностей осуществляют за счет раздачи внутренней трубы путем ее раскатки роликовым раскатником при температуре диффузионной сварки (см. патент РФ №2164198, кл. В 23 К 20/14 от 20.03.2001 г., бюл. №8).

Этот способ для переходников цирконий-сталь имеет тот же недостаток, что и способ по патенту №2085349, т.к. по этому способу для повышения коррозионной стойкости необходимо также подвергать циркониевую поверхность деформации с помощью многократной роликовой обкатки, после которой необходимо переходник отжигать в вакууме в течение не менее 15 часов. Однако в этом способе имеются технологические резервы из-за применения роликового раскатника для создания сварочного сдавливания при температуре диффузионной сварки. Этот способ взят в качестве прототипа.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании способа изготовления переходников методом диффузионной сварки, который не требует после сварки холодной деформации внутренней поверхности циркониевой втулки и последующего длительного отжига в вакууме для повышения ее коррозионной стойкости в горячей воде и паре.

Технический результат, получаемый в результате осуществления заявляемого способа, состоит в том, что экономятся время, электроэнергия и рабочая сила, т.к. все операции, необходимые для повышения коррозионной стойкости циркониевой поверхности переходника производятся в процессе его охлаждения после диффузионной сварки путем ее поверхностной обкатки с помощью роликового раскатника.

Указанный технический результат в способе изготовления трубчатых переходников из циркониевых и стальных втулок достигается за счет того, что втулку из циркониевого сплава устанавливают внутри стальной втулки и нагревают их в вакууме до температуры диффузионной сварки, после чего сдавливают свариваемые поверхности за счет раздачи циркониевой втулки роликовым раскатником, а после диффузионной сварки переходник охлаждают до интервала температур, при котором в циркониевом сплаве присутствует двойная фаза, состоящая из альфа-циркония и бета-циркония, после чего производят горячую деформацию внутренней поверхности втулки из циркония на глубину не менее 0,5 мм при степени обжатия не менее 10%, а потом переходник охлаждают до интервала температур от 540 до 580°С и выдерживают в этом интервале не менее 30 минут.

Опытным путем было определено, что поверхностная деформация втулок из циркония и его сплавов с помощью роликового раскатника при температурах фазового перехода, когда в циркониевом сплаве присутствует двойная фаза, состоящая из альфа-циркония и бета-циркония, приводит к повышению коррозионной стойкости деформированной поверхности, если ее подвергнуть последующему вакуумному отжигу в интервале температур от 540 до 980°С. Также было установлено, что меняя глубину деформации и степень обжатия поверхностного слоя, а также время отжига в интервале температур от 540 до 580°С можно получить коррозионную стойкость внутренней циркониевой поверхности переходника в горячей воде и паре не хуже чем при холодной деформации роликом и последующем отжиге в течение 15 часов. При этом время отжига в интервале температур от 540 до 580°С может быть сокращено до 45 минут без заметного снижения коррозионной стойкости.

Экономия достигается за счет того, что поверхностная деформация производится сразу после диффузионной сварки, при этом не тратятся электроэнергия и время на нагрев, а используется процесс охлаждения сваренной заготовки переходника в вакууме с температуры диффузионной сварки (≈900°С) до интервала температур, при котором происходят интенсивные фазовые превращения (750-650°С). Поверхностную деформацию и обжатие поверхностного слоя производят роликовым обкатником. После поверхностного деформирования и обжатия температура снижается за счет естественного охлаждения переходника до интервала температур от 540 до 580°С. При выбранной из этого диапазона температуре производят отжиг в течение не менее 30 минут. Выбранная температура при этом поддерживается автоматически за счет периодического включения и выключения высокочастотного нагревателя с помощью включения в цепь нагрева автоматического пирометра. В результате из установки для диффузионной сварки в вакууме, приспособленной для горячей поверхностной деформации внутренней поверхности циркониевой втулки переходника и высокочастотного отжига, выходит переходник, годный для длительной эксплуатации в трубопроводах с горячей водой и паром с температурой нагрева свыше 200°С.

Способ изготовления трубчатых переходников из циркониевых и стальных втулок, заключающийся в том, что втулку из циркониевого сплава устанавливают внутри стальной втулки и нагревают их в вакууме до температуры диффузионной сварки, после чего сдавливают свариваемые поверхности за счет раздачи циркониевой втулки роликовым раскатником, отличающийся тем, что после диффузионной сварки переходник охлаждают в интервале температур, в котором в циркониевом сплаве присутствует двойная фаза, состоящая из альфа-циркония и бета-циркония, после чего производят горячую деформацию внутренней поверхности втулки из циркония на глубину не менее 0,5 мм при степени обжатия не менее 10%, а потом переходник охлаждают до интервала температур 540-580°С и выдерживают в этом интервале не менее 30 мин.