Способ герметизации тепловыделяющего элемента ядерного реактора
Владельцы патента RU 2300153:
Открытое акционерное общество "Новосибирский завод химконцентратов" (RU)
Изобретение относится к ядерной технике, в частности к способам сварки трубчатых оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) с заглушками. Способ герметизации тепловыделяющего элемента заключается в подаче оболочки твэла с заглушкой в сварочную камеру, создании в этой камере атмосферы, защищающей сварное соединение от окисления, сжатии торцов оболочки и заглушки с последующей их сваркой, при котором для сварки используют неразъемную камеру со свободным объемом, меньшим свободного внутреннего объема оболочки, подаче в сварочную камеру заглушки, осуществляемой свариваемым с ней впоследствии торцом оболочки при постоянном поддерживании в камере защитной атмосферы. Защитную атмосферу создают путем постоянной продувки сварочной камеры защитным газом, герметизацией с использованием непосредственно свариваемых деталей и предварительного вакуумирования образовавшегося закрытого объема с последующим заполнением инертным газом. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение производительности процесса сварки, качества сварного соединения и, следовательно, качества тепловыделяющего элемента. 3 з. п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к ядерной технике, в частности к способам сварки трубчатых оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) с заглушками.
Оболочки большинства твэлов изготавливаются из сплавов циркония, которые при нагреве выше 300 градусов начинают активно взаимодействовать с кислородом и азотом, что существенно снижает их коррозионные свойства. В связи с этим сварка таких сплавов, как правило, осуществляется в камерах, имеющих специальную защитную среду, например, из инертных газов.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ изготовления тепловыделяющих элементов, представляющих собой трубчатую конструкцию, состоящую из тонкостенной оболочки и приваренных к ее торцам заглушек, по крайней мере, одна из которых приварена к оболочке контактно-стыковой сваркой, в которой сварку выполняют в периодически раскрываемой сварочной камере, с одной стороны которой устанавливают съемную втулку, а защитную атмосферу в сварочной камере обеспечивают вакуумированием ее объема и свободного объема под оболочкой твэла с последующим заполнением их гелием (см. патент РФ № 2140674, МПК G21С 21/02) - прототип.
Недостатком данного способа является то, что для сварки применяется разъемная сварочная камера, используемая для раздельной подачи в нее заглушки и конца оболочки. При каждом цикле сварки сварочная камера раскрывается для установки новой заглушки, и каждый раз в ней необходимо вновь создавать защитную атмосферу. В результате усложняются условия создания при сварке защитной атмосферы, снижается производительность процесса. Наличие разъемной сварочной камеры, в которой с одной стороны устанавливается съемная втулка, увеличивающая ее объем, ухудшает условия вакуумирования за счет образования полостей, откачка воздуха из которых затруднена. Способ также не предусматривает возможность осуществления защиты выполняемого сварного соединения от окисления, если у оболочки открыт противоположный торец. Это приводит к появлению в зоне нагрева цветов побежалости, ухудшающих внешний вид сварного соединения и коррозионную стойкость сварного соединения, что отрицательно сказывается на конкурентоспособности продукции.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение производительности процесса, качества сварного соединения и конкурентоспособности тепловыделяющего элемента.
Решение технической задачи достигается тем, что в известном способе герметизации тепловыделяющих элементов, заключающемся в подаче оболочки тепловыделяющего элемента с заглушкой в сварочную камеру, создании в этой камере атмосферы, защищающей сварное соединении от окисления, сжатии торцов оболочки и заглушки с последующим их разогревом сварочным током при сварке, согласно изобретению для сварки используют неразъемную сварочную камеру, свободный объем которой меньше свободного внутреннего объема под оболочкой тепловыделяющего элемента, а подачу заглушки в сварочную камеру осуществляют свариваемым с ней впоследствии торцом оболочки тепловыделяющего элемента при постоянном поддержании в сварочной камере защитной атмосферы.
Решение технической задачи достигается также тем, что:
- защитную атмосферу в сварочной камере создают путем постоянной продувки камеры защитным газом;
- защитную атмосферу в сварочной камере создают путем ее герметизации посредством сжатия свариваемых торцов заглушки и оболочки, вакуумированием замкнутого объема камеры и заполнения его защитным газом;
- защитную атмосферу в сварочной камере создают путем ее герметизации со
стороны открытого торца оболочки тепловыделяющего элемента технологической заглушкой, имеющей уплотнение из эластичного материала, и последующим вакуумированием и заполнением сварочной камеры и оболочки тепловыделяющего элемента защитным газом.
Указанная совокупность признаков является новой, не известной из уровня техники и решает поставленную задачу, так как:
- использование для сварки неразъемной сварочной камеры со свободным объемом меньшим, чем свободный объем оболочки тепловыделяющего элемента, позволяет сократить время, необходимое для создания защиты сварного соединения от окисления, и уменьшить расход защитного газа;
- подача заглушки в сварочную камеру торцом оболочки тепловыделяющего элемента дает возможность совместить операции по загрузке их на позицию сварки и существенно сокращает цикл сварки, увеличивая, тем самым, производительность процесса, а также улучшить условия для вакуумирования сварочной камеры из-за отсутствия в ней разъемного соединения, работающего при каждом цикле сварки;
- поддержание в сварочной камере защитной атмосферы за счет постоянной ее продувки позволяет отказаться от вакуумирования свободного объема камеры перед каждым циклом сварки. Это также способствует увеличению производительности процесса. Возникающий при этом дополнительный расход защитного газа может быть существенно сокращен либо за счет создания уплотнения между торцами оболочки и заглушки за счет их сжатия и взаимной пластической деформации, либо за счет герметизации открытого торца заглушки, находящегося вне камеры, технологической заглушкой, имеющей эластичное уплотнение. Так как объем сварочной камеры меньше свободного объема под оболочкой, а оболочка пустая, то время, необходимое для вакуумирования объема, не оказывает существенного влияния на продолжительность цикла сварки.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена реализация способа с подачей заглушки торцом трубы.
На фиг.2. приведена схема создания уплотнения по торцам оболочки и трубы при их сжатии.
На фиг.3 показана схема герметизации свободного торца оболочки технологической заглушкой.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
Оболочка 1, перемещаясь по оси сварочной камеры 2, толкает своим торцом заглушку 3, которая устанавливается в электрод 4. После этого оболочка 1 фиксируется в электроде 5 (фиг.1 - пунктирные линии). Между торцами оболочки 1 и заглушки 3 создается гарантированный зазор. Величина зазора выбирается из условия возможности создания в камере хотя бы минимального избыточного давления защитного газа, подаваемого из подключенной к камере газовой магистрали или баллона 6 с заданным его расходом. Время продувки, расход газа определяется опытным путем и зависит от диаметра свариваемых оболочек, их длины, но, как правило, оно составляет не менее 0,5 минуты. При этом целесообразно также включить уплотнения 7, 8, которые отсекают сварочную камеру от атмосферы, упрощая создание в камере избыточного давления и ускоряя тем самым удаление из нее атмосферных газов.
После этого начинается продувка камеры с загруженной первой оболочкой защитным газом. Затем заглушка 3 прижимается своим торцом к торцу оболочки 1 сварочным усилием (Р) штоком 9 привода сварочного усилия (на фиг. не показан). Обычно величина этого усилия достаточна для деформации кромок деталей в зоне сварки и образования плотного контакта между ними, препятствующего свободному протоку защитного газа (фиг.2). Пунктиром показана схема деформации свариваемых деталей. Вследствие этого давление в камере несколько возрастает. Величина его не должна оказывать существенного влияния на величину сварочного усилия (Р), поэтому она настраивается заранее. Далее включается сварочный ток и выполняется сварка. Электроды разжимаются, и оболочка с приваренной заглушкой удаляется с позиции сварки. Продувка камеры при этом не прекращается, следующая оболочка вместе с заглушкой подается в сварочную камеру, уже очищенную от атмосферных газов, и процесс повторяется.
Наличие плотного контакта между торцами оболочки 1 и заглушки 3 (фиг.2) позволяет также реализовать создание требуемой по составу атмосферы в камере с вакуумированием ее замкнутого объема после сжатия свариваемых торцов. В связи с тем, что объем камеры незначительный, время вакуумирования не превышает нескольких секунд. Это в ряде случаев приемлемо для используемой технологии и позволяет также несколько сократить расход защитного газа. Для вакуумирования используется вакуумный агрегат 10, а вакуумная система может оснащаться специальным ресивером 11 - устройством, свободный объем которого постоянно соединен с вакуумным насосом. Ресивер 11 подключается к камере в первоначальный момент ее вакуумирования, существенно увеличивая скорость откачки. В дальнейшем вакуумный агрегат от сварочной камеры отключается и одновременно к ней подключается система подачи защитного газа.
Использование способа создания в сварочной камере защитной атмосферы таким образом возможно, если допускается окисление поверхности сварного соединения со стороны внутреннего объема оболочки. Если это нежелательно, то способ реализуется за счет использования специальной технологической заглушки 12 (фиг.3), имеющей уплотнительный эластичный элемент 13, например, из резины. Заглушка специальным устройством (на фиг. не показано) надевается на торец оболочки, противоположный свариваемому, после ее фиксации в электроде 5. Какого-либо дополнительного усилия для ее прижатия не требуется, так как уплотнение по торцу осуществляется автоматически при наличии разряжения в камере. Таким образом, обеспечивается откачка воздуха из сварочной камеры и из внутреннего объема оболочки. Время вакуумирования в этом случае может быть также сокращено в результате применения ресивера 11 (фиг.1). После подачи в сварочную камеру защитного газа технологическая заглушка свободно снимается устройством, которым она устанавливалась. В остальном процесс не отличается от описанного выше.
Примером конкретного выполнения способа может служить сварка оболочки тепловыделяющего элемента типа ВВЭР с заглушкой, выполненных из сплава Э-110. Свободный объем под оболочкой тепловыделяющего элемента ВВЭР-440 составляет 1,4 л. Используемая сварочная камера имеет свободный объем менее 0,5 л. Наружный диаметр оболочки составляет 9,13 мм. Максимальный диаметр заглушки - 8,3 мм. Оболочка подается в сварочную камеру вместе с заглушкой. Сварка выполняется с первоначальным созданием разряжения в сварочной камере при сварке первой оболочки и с последующей ее постоянной продувкой гелием высокой чистоты. Для этого используются баллоны с остатками гелия после заполнения твэлов ВВЭР-1000 до давления порядка 20 кг/см2. Продувка сварочной камеры выполняет при избыточном давлении гелия 0,05-0,1 кг/см2, расход гелия 8-15 литров в час. Сварные соединения имеют серебристую поверхность или поверхность светло-табачного цвета, удовлетворяющую установленным требованиям.
1. Способ герметизации тепловыделяющего элемента ядерного реактора, включающий подачу оболочки тепловыделяющего элемента с заглушкой в сварочную камеру, создание в сварочной камере защитной атмосферы, сжатие торцов оболочки и заглушки с последующей их сваркой, отличающийся тем, что сварочную камеру выполняют неразъемной со свободным объемом, меньшим, чем свободный объем внутри оболочки тепловыделяющего элемента, а подачу заглушки в сварочную камеру осуществляют торцом оболочки, свариваемым с заглушкой, при этом поддерживают в сварочной камере защитную атмосферу.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что защитную атмосферу создают путем постоянной продувки сварочной камеры защитным газом.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что защитную атмосферу в сварочной камере создают путем герметизации ее посредством сжатия свариваемых торцов заглушки и оболочки, вакуумированием внутреннего замкнутого объема сварочной камеры и заполнением его защитным газом.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что защитную атмосферу в сварочной камере создают путем герметизации со стороны открытого торца оболочки тепловыделяющего элемента технологической заглушкой, которую снабжают уплотнением из эластичного материала, и последующего вакуумирования и заполнения сварочной камеры и оболочки защитным газом.
