Автоматическая линия для изготовления оболочек тепловыделяющих элементов ядерных реакторов

Изобретение относится к атомной энергетики и может быть использовано в производстве тепловыделяющих элементов (твэлов) ядерных реакторов. Оборудование, образующее линию, состоит из установок, необходимых для обработки оболочки твэла, независимо от исполнения твэла, определяемого способом его герметизации. В том числе, установка загрузки заготовок оболочек в установку отрезки, установки обрезки оболочки в размер, калибровки одного из ее концов, контроля длины, установки удаления загрязнений с оболочки, маркировки оболочки, взвешивания пустой оболочки. Установок для обработки оболочки под электронно-лучевую сварку (ЭЛС), содержащих установки калибровки соответствующего ее конца, запрессовки заглушки, установки ультразвукового контроля сварных швов, выполненных электронно-лучевой сваркой (ЭЛС), установки зачистки сварных швов, непосредственно установки для ЭЛС и соответствующей транспортной кассеты. Установок для обработки оболочки под контактно-стыковую сварку, содержащих сварочную установку КСС и установку ультразвукового контроля сварных швов, выполненных КСС. При этом все оборудование линии соединено между собой транспортными модулями, каждый из которых посредством датчиков, установленных на них, и напротив каждой технологической позиции, связан с системой управления, имеющей два режима работы, в зависимости от изготавливаемого исполнения твэла. Установка КСС представляет собой неразъемную камеру с системой блокировок, останавливающих установку при выходе контролируемых при сварке параметров за установленные пределы, и расположена между установками контроля длины оболочки и маркировки заглушки. Транспортные модули, не использующиеся при выпуске изготавливаемого исполнения твэла, являются накопителями. Установка очистки свариваемых поверхностей представляет собой совокупность механизмов, обеспечивающих протирку свариваемых поверхностей оболочки, по крайней мере, с одного из ее концов, обновляемым для каждой оболочки протирочным материалом. Повышается универсальность линии, уменьшаются затраты на производство твэлов и повышается гарантия по их качеству. Повышается экологичность производства. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано в производстве тепловыделяющих элементов (твэлов) ядерных реакторов. Производство твэлов носит массовый характер, поэтому изготовление их осуществляется, как правило, на автоматических и автоматизированных линиях.

Известна автоматическая линия изготовления оболочек твэлов по патенту РФ №2244356 G21С 21/02, 3/06, включающая транспортные средства в виде наклонного стола для транспортировки оболочки твэла от одной технологической позиции к другой, установленных вдоль этого стола, рольганг, а также соответствующие технологические позиции, на которых осуществляется изготовление оболочки твэла.

Известная линия предназначена для изготовления стержневых твэлов типа ВВЭР одной модификации, имеющей строго определенную длину и конструкцию сварных соединений, выполненных электронно-лучевой сваркой, со стороны нижнего и контактно-стыковой сваркой верхнего концов твэла.

Линия не может быть использована для изготовления твэлов этого типа с различной длиной и конструкцией сварных соединений твэлов. В составе технологических позиций линии имеются механизмы обезжиривания в водных моющих растворах и последующей сушки оболочки твэла. Основной задачей этой операции является обеспечение чистоты поверхностей оболочки, предназначенных под сварку. Наличие этих операций не исключает возможность попадания влаги под оболочку твэла, что, как правило, приводит к его разгерметизации в процессе эксплуатации. Оборудование для промывки оболочек громоздко, а технология требует большого расхода моющих средств.

В настоящее время существуют модификации твэлов, отличающиеся по конструкции, например, нижнего сварного узла и технологии его изготовления, а также длиной твэла. Наиболее близким к предлагаемому решению является автоматическая линия изготовления твэлов по патенту РФ 2155395 (прототип).

Линия может быть использована при изготовлении твэлов, имеющих одинаковую конструкцию, технологию изготовления и отличающихся только длиной оболочки, например твэлов ВВЭР-1000 и ВВЭН-440. Линия не предусматривает возможность изготовления твэлов с различной конструкцией и технологией изготовления нижнего сварного узла твэла. В линии предусмотрено только оборудование, предназначенное для герметизации нижнего сварного шва электронно-лучевой сваркой (ЭЛС). При необходимости использования для герметизации твэлов только контактно-стыковой сварки (КСС) требуется после соответствующей подготовки оболочки перегружать ее на отдельно стоящие установки контактно-стыковой сварки и ультразвукового контроля (УЗК) сварных швов, выполненных контактно-стыковой сваркой, после чего вновь возвращать их на линию или иметь отдельные линии для различного исполнения твэлов, что повышает трудоемкость изготовления твэлов и снижает их качество из-за увеличенного числа транспортных операций. Таким образом, известная линия недостаточно универсальна. Кроме этого, в составе линии имеются технологические позиции, обеспечивающие чистоту свариваемых ее поверхностей за счет промывки оболочки в водных моющих растворах и последующей ее сушки. Наличие этих операций не исключает возможность попадания влаги под оболочку твэла, что, как правило, приводит к его разгерметизации в процессе эксплуатации. Оборудование для промывки оболочек громоздко, а технология требует большого расхода моющих средств.

Известная линия оснащена установкой для КСС, имеющей разъемную сварочную камеру, снижающую производительность установки линии в целом и увеличивающую ее площадь. Эта установка используется для окончательной герметизации уже заполненного топливом твэла под давлением защитного газа. Применение ее для приварки к оболочке первой заглушки не всегда возможно, особенно для сварки таких активных геттеров и легко окисляющихся металлов, как цирконий и его сплавы, так как через открытые торцы оболочки сварочная камера сообщается с атмосферой. Для предохранения сварного соединения от воздействия атмосферных газов в этом случае необходима специальная система его защиты от окисления, что данная установка не обеспечивает. В результате после сварки сварные соединения имеют цвета побежалости, ухудшающие их внешний вид и качество.

Кроме этого, в линии не предусмотрена маркировка твэлов. В результате повышается трудоемкость изготовление твэлов, увеличивается вероятность механических повреждений оболочек при этих транспортных операциях, возрастают капитальные вложения на оборудование и производственные площади.

Технической задачей изобретения является повышение универсальности линии, уменьшение затрат на производство твэлов и повышение гарантий по их качеству и повышение экологичности производства.

Решение технической задачи достигается тем, что в известной автоматической линии изготовления оболочек тепловыделяющих элементов изготовления, включающей в себя оборудование для подготовки оболочки твэла к снаряжению топливом, состоящее из связанных между собой транспортными модулями в виде наклонных столов и рольгангов и расположенных по ходу технологического процесса, установок отрезки оболочки в размер, контроля ее длины, калибровки и очистки свариваемых поверхностей, по крайней мере, с одного из ее концов, установки взвешивания оболочки и установки для приварки к одному из торцов оболочки заглушки, после которых расположены соответствующие установки ультразвукового контроля сварных швов, согласно формулы изобретения линия изготовления твэлов включает в себя установки, необходимые для обработки оболочки твэла, независимо от исполнения твэла, определяемого способом его герметизации, в том числе установки загрузки заготовок оболочек твэл в установку отрезки, обрезки оболочки в размер, калибровки одного из ее концов, контроля длины, установки очистки свариваемых ее поверхностей, маркировки оболочки, взвешивания пустой оболочки; установки загрузки оболочек в транспортную кассету, установки для обработки оболочки под ЭЛС, таких как установки калибровки соответствующего ее конца, запрессовки заглушки, установки зачистки сварных швов, установки УЗК сварных швов и непосредственно установки для ЭЛС; установки для обработки оболочки под КСС: сварочную установку КСС и установки УЗК сварных швов, выполненных КСС, при этом все оборудование линии соединено между собой транспортными модулями, каждый из которых, посредством датчиков, установленных на них, связан с системой управления, имеющей два режима работы в зависимости от изготавливаемого исполнения твэла, установка КСС, представляющая собой неразъемную камеру с блокировками, останавливающими установку при выходе контролируемых при сварке параметров за установленные пределы, расположена между установками контроля длины оболочки и маркировки заглушки и снабжена системой для создания в сварочной камере атмосферы заданного состава, при этом транспортные модули, не использующиеся при выпуске изготавливаемого исполнения твэла, являются накопителями, устройство для маркировки твэла расположено после установки КСС и установки запрессовки в оболочку заглушки для электронно-лучевой сварки, а установка очистки свариваемых поверхностей представляет собой совокупность механизмов, обеспечивающих протирку свариваемых поверхностей оболочки обновляемым для каждой оболочки протирочным материалом.

Указанная совокупность признаков является новой, неизвестной из уровня техники и решает поставленную задачу, так как наличие в линии установок, необходимых для обработки оболочки твэла, независимо от его исполнения, определяемого способом его герметизации, в том числе установки обрезки оболочки в размер, контроля длины, калибровки одного из ее концов, протирки свариваемого конца, маркировки оболочки, взвешивания пустой оболочки, установок загрузки твэлов в транспортную кассету, позволяет осуществлять обработку оболочки твэла на линии независимо от его модификации, связанной с различными способами герметизации твэла, и способствует уменьшению капитальных затрат при организации производства твэлов.

Наличие установок для обработки оболочки под ЭЛС, как то установки калибровки соответствующего ее конца, запрессовки заглушки, установки УЗК сварных швов, выполненных ЭЛС, установки зачистки и непосредственно установки для электронно-лучевой сварки дает возможность осуществлять изготовление твэлов на линии с выполнением первого сварного шва ЭЛС, что повышает универсальность линии и уменьшает капитальные затраты на производство твэлов, имеющих сварные соединения, выполненные электронно-лучевой сваркой, и обеспечивает требуемое качество продукции, изготовленной с применением данного способа сварки.

Наличие установок для обработки оболочки под КСС: сварочной установки контактно-стыковой сварки и установки ультразвукового контроля сварных швов, выполненных этой сваркой, дает возможность осуществлять изготовление твэлов на линии контактно-стыковой сваркой, что повышает универсальность линии и уменьшает капитальные затраты на производство твэлов, имеющих сварные соединения, выполненные КСС, и обеспечивает требуемое качество твэлов, герметизированных этой сваркой

Соединение установок между собой транспортными модулями, каждый из которых посредством датчиков, установленных на них, связан с системой управления, имеющей два режима работы, в зависимости от изготавливаемого исполнения твэла, позволяет осуществлять транспортировку оболочек твэлов между установками с подачей оболочки на позицию обработки, соответствующую изготавливаемому исполнению твэла. В результате снижаются трудозатраты, связанные с уменьшением количества транспортно-перегрузочных операций, уменьшается количество повреждений оболочек, что способствует повышению качества продукции.

Применение установки КСС, представляющей собой неразъемную камеру с блокировками, останавливающими установку при выходе контролируемых при сварке параметров за установленные пределы, увеличивает производительность процесса, что в первую очередь повышает мобильность линии и способствует более ритмичной ее работе, уменьшает потребность в производственных площадях и снижает тем самым затраты на производство твэлов, упрощает организацию защиты сварного соединения при сварке от окисления, способствуя повышению производительности процесса и обеспечению качества сварных соединений.

Использование блокировок, останавливающих установку контактно-стыковой сварки при выходе контролируемых при сварке параметров за установленные пределы, позволяет организовать маркировку твэла непосредственно в линии, оснащенной оборудованием для герметизации одного и того же торца оболочки твэла различными способами сварки, что повышает универсальность линии и снижает затраты на изготовление твэлов.

Расположение установки для КСС между установками контроля длины оболочки и маркировки заглушки позволяет использовать два различных способа сварки первой заглушки к оболочке в одной линии, что снижает затраты на их производство и повышает качество продукции.

Использование транспортных модулей, не использующихся при выпуске изготавливаемого исполнения твэла в качестве дополнительных накопителей, повышает универсальность линии, снижает площади, занимаемые оборудованием, и способствует тем самым снижению затрат на производство твэлов.

Наличие в установке для КСС трубы, имеющей открытый торец, противоположный свариваемому, системы для создания в сварочной камере атмосферы заданного состава повышает качество сварных соединений.

Наличие в линии устройства для маркировки твэла, расположенного после установки контактно-стыковой сварки и установки запрессовки в оболочку заглушки для электронно-лучевой сварки, обеспечивает маркировку независимо от применяемого способа приварки к оболочке первой заглушки и способствует повышению производительности процесса.

Наличие оборудования, обеспечивающего очистку только свариваемых поверхностей оболочки постоянно обновляемым для каждой оболочки материалом, исключает возможность попадания влаги в твэл, что повышает гарантии его качества, снижает затраты на производство за счет сокращения практически полного устранения из технологии моющих средств, загрязняющих окружающую среду.

Предлагаемая линия поясняется чертежами. На фиг.1 показан вариант компоновки в плане. На фиг.2 - система, обеспечивающая защитную среду в зоне сварки.

Предлагаемая линия состоит из установок:

стола 1 загрузки заготовок оболочек твэл, установки 2 отрезки оболочки в размер, установки 3 контроля длины оболочки, установки 4 продувки оболочек, накопителя 5, установки 6 калибровки одного из концов оболочки, установки 7 очистки свариваемых поверхностей обрабатываемого торца, запрессовки заглушки 8, установки 9 КСС первого шва твэлов, установки маркировки оболочки 10, установки взвешивания 11, установки 12 УЗК сварных швов, выполненных КСС, установки 13 загрузки твэл с приваренной контактно-стыковой сваркой заглушкой в транспортную кассету, рольганга 14, столов загрузки и выгрузки 15, 16 оболочек твэлов с установки ЭЛС, непосредственно самой установки ЭЛС 17, установки 18 зачистки сварных швов, установки УЗК 19 сварных швов, выполненных ЭЛС, и установки 20 загрузки оболочек с приваренными электронно-лучевой сваркой заглушками в кассету, транспортных модулей 21, расположенных на каждой технологической позиции, представляющими собой наклонные столы с системой подвижных и неподвижных реек, по которым перемещаются оболочки твэлов. Связывающие между собой технологические позиции транспортные модули 21, в зависимости от изготавливаемой модификации твэла, могут также являться и накопителями. На них установлены датчики, фиксирующие наличие оболочки твэла на данном транспортном модуле и напротив, соответствующей технологической позиции, входящие в систему управления линией (на фиг.1 не показана), имеющей два режима работы в зависимости от выпускаемой модификации твэла.

В состав оборудования, необходимого для обработки оболочки твэла, независимо от его модификации, определяемой способом его герметизации, входят установка 1 загрузки заготовок оболочек твэлов, установка 2 обрезки оболочки в размер, установка 3 контроля длины оболочки, установка 4 продувки оболочек, накопитель 5, установка 7 протирки торца, транспортные модули в виде наклонных столов и рольгангустановка загрузки твэлов в транспортную кассету.

В состав оборудования, необходимого для обработки оболочки твэла под ЭЛС, входит установка 6 калибровки соответствующего ее конца, установка 8 запрессовки заглушки, установка 18 зачистки сварных швов, установка 19 ультразвукового контроля сварных швов, выполненных электронно-лучевой сваркой, непосредственно установка 17 для электронно-лучевой сварки.

В состав оборудования, необходимого для обработки оболочки твэла под контактно-стыковую сварку, входят установки КСС 9, установка 12 ультразвукового контроля сварных швов, выполненных КСС.

Установка КСС 9 снабжена системой создания в неразъемной камере 22 защитной атмосферы. В состав этой системы входят средства, обеспечивающие в зоне сварки защитную среду: средства подвода защитного газа 23 с клапанами 24, а при необходимости создания наиболее качественной защитной атмосферы, средства создания разрежения 25 и технологической герметизации, противоположного от свариваемого торца оболочки 26.

Все технологические позиции связаны между собой транспортными модулями 21 в виде наклонных столов с системой подвижных и неподвижных реек, обеспечивающих перемещение оболочек твэлов, некоторые из которых, в зависимости от изготавливаемой модификации твэла, могут также являться и накопителями. Необходимость использования рольганга 14 (фиг.1) для транспортировки оболочек к установке ЭЛС зависит от наличия и расположения свободных площадей. В то же время рольганг одновременно используется для подачи оконца оболочки со сварным соединением в установку УЗК и выгрузки из нее.

Линия изготовления оболочек твэлов работает следующим образом.

Трубные заготовки твэльных оболочек загружаются на наклонный стол загрузки 1, фиг.1, с которой они поочередно поступают в установку отрезки 2, настраиваемой на размер оболочки, присущей данной модификации твэла. Отрезанная в размер оболочка поступает на позицию 3 контроля ее длины, также заранее настраиваемую на заданный размер. После контроля длины выполняется продувка внутреннего объема оболочки на соответствующей установке 4 от возможной стружки, оставшейся после отрезки. Учитывая, что первые из трех установок имеют относительно высокую производительность и высокую надежность работы, после установки продувки предусмотрен накопитель 5. С накопителя 5 оболочки загружаются на транспортный модуль 21 установки калибровки 6. Установка калибровки конца оболочки используется только для модификации твэла с ЭЛС первого шва. Поэтому если на линии изготавливается это исполнение, то данная установка заранее активируется и при поступлении оболочки на позицию калибровки выполняется соответствующая обработка ее конца до получения размера, обеспечивающего в дальнейшем надежную посадку в оболочку заглушки. Если изготавливаются твэлы с модификацией под КСС, то установка калибровки 6 отключается, а ее транспортный модуль служит как дополнительный накопитель.

Дальше по ходу технологического процесса оболочка поступает на установку 7 очистки свариваемых поверхностей торца оболочки, предназначенного под сварку, использующуюся для всех модификаций твэла, где посредством меняющегося для каждой оболочки и прижимаемого к соответствующим поверхностям протирочного материала осуществляется протирка этих поверхностей. Для улучшения очистки этих поверхностей протирочный материал увлажняется спиртом. Во время протирки протирочный материал вводится вовнутрь оболочки на величину, соответствующую протяженности сварного соединения, и остается неподвижным, а оболочка вращается устройством, размещенным на транспортном модуле, расположенном против этой позиции. Указанные устройства на фигуре условно не показаны. После чего оболочка подается на транспортный модуль установки запрессовки заглушки 8. Данная установка работает только при изготовлении твэлов с конструкцией нижнего сварного узла под ЭЛС, поэтому порядок ее работы и ее транспортного модуля аналогичен описанному выше порядку работы установки калибровки 6. Если изготавливается модификация твэла с выполнением первого сварного шва КСС, то конец оболочки, загруженной с транспортного модуля-накопителя установки запрессовки заглушки на транспортный модуль установки контактно-стыковой сварки 9, подается в неразъемную сварочную камеру 22 этой установки, где, при необходимости, постоянно поддерживается защитная атмосфера из нейтрального газа аргона или гелия при помощи системы создания в камере атмосферы заданного состава, состоящей из средств подвода защитного газа 23 с клапанами 24 (в случае простой продувки сварочной камеры), а при необходимости создания наиболее качественной защитной атмосферы средства создания разрежения 25 и технологической герметизации 26, противоположного от свариваемого торца оболочки. При наличии в сварочной камере требуемой атмосферы, что достигается включением клапана 24, и наличии расхода защитного газа выполняется приварка заглушки к торцу оболочки. Режим сварки, величина перемещения заглушки контролируются средствами автоматического контроля. Если в процессе контроля были обнаружены какие-либо отклонения параметров от заданных значений, то оболочка с приваренной заглушкой из сварочной камеры не выгружается. Системой контроля выдается сигнал на остановку установки и вызов технического персонала, по специальному разрешению которого снимается блокирующая сварочную установку команда, после чего осуществляется осмотр сварного соединения и принимается решение о его годности с соответствующей отметкой в сменном отчете с позиции КСС. Если контактно-стыковая сварка прошла без замечаний или когда по результатам дополнительного контроля технического персонала сварное соединение, выполненное этим способом, признано годным, оболочка с приваренной заглушкой (в случае модификации твэлов с контактно-стыковой сваркой нижнего шва) или с запрессованной заглушкой под модификацию для ЭЛС перегружается с транспортного модуля-накопителя установки контактно-стыковой сварки на установку маркировки оболочки 10, где на наружной части заглушки наносится ее номер. В зависимости от используемого оборудования номер может наноситься либо механическим, либо лазерным клеймением на заглушке. Отмаркированная оболочка с заглушкой поступает на установку взвешивания 11, а затем посредством соответствующих транспортных модулей загружается на рольганг 14, который имеет реверсивный привод. Если это оболочка с приваренной заглушкой, то конец оболочки со сварным соединением подается в установку УЗК контроля сварных швов, выполненных контактно-стыковой сваркой 12, где определяется протяженность сварного соединения, после чего оболочка либо загружается в транспортную кассету 13, либо отправляется в изолятор брака (не показан).

Оболочка с запрессованной заглушкой после загрузки на рольганг транспортируется к столу загрузки 15, при помощи которых осуществляется загрузка оболочек в установку ЭЛС 17. В качестве установки ЭЛС могут использоваться как установки роторного типа с непрерывной загрузкой и выгрузкой оболочек, так и установки с дискретной - по партийной загрузкой оболочек, что показано на фиг.1.

На установке ЭЛС осуществляется приварка запрессованной заглушки. После чего оболочка выгружается на стол выгрузки 16, которым они транспортируются к транспортному модулю установки зачистки сварного шва 18 и соответственно непосредственно к этой установке. На установке зачистки сварного шва осуществляется активация поверхности зоны сварного соединения, что уменьшает погрешности при ультразвуковом контроле сварного соединения на следующей в технологической последовательности установке УЗК сварных швов, выполненных ЭЛС 19.

В случае положительных результатов контроля оболочки загружают в транспортную кассету 20, которая затем транспортируется на участок снаряжения и герметизации твэл. Если сварной шов был забракован, то оболочка сбрасывается в изолятор брака (не показан) либо снимается с потока техническим персоналом по команде, поступающей с установки. Выдача соответствующих команд о наличии на транспортных модулях и технологических позициях оболочек осуществляется датчиками, расположенными на этих модулях и напротив каждой технологической позиции, команды с которых обрабатываются и анализируются системой управления, посредством которой задается соответствующий изготавливаемому исполнению твэла порядок работы оборудования.

1. Автоматическая линия для изготовления оболочек тепловыделяющих элементов ядерных реакторов, включающая в себя оборудование для подготовки оболочки под снаряжение топливом, состоящее из связанных между собой транспортными модулями и расположенных по ходу технологического процесса установок отрезки оболочки в размер, контроля ее длины, калибровки, по крайней мере, одного из концов оболочки, установки удаления загрязнений с оболочки, установки взвешивания оболочки и установки для приварки к одному из торцов оболочки заглушки, после которых расположена установка ультразвукового контроля сварного шва и транспортная кассета, отличающаяся тем, что оборудование, образующее линию, состоит из установок, необходимых для обработки оболочки твэла независимо от исполнения твэла, определяемого способом его герметизации, в том числе установки загрузки заготовок оболочек в установку отрезки, установки обрезки оболочки в размер, калибровки одного из ее концов, контроля длины, установки удаления загрязнений с оболочки, маркировки оболочки, взвешивания пустой оболочки, установок для обработки оболочки под электронно-лучевую сварку, состоящую из установки калибровки соответствующего ее конца, запрессовки заглушки, установки ультразвукового контроля сварных швов, выполненных электронно-лучевой сваркой, установки зачистки сварных швов непосредственно, установки для электронно-лучевой сварки и соответствующей транспортной кассеты, установок для обработки оболочки под контактно-стыковую сварку (КСС), состоящих из сварочной установки КСС и установки ультразвукового контроля сварных швов, выполненных КСС, при этом все оборудование линии соединено между собой транспортными модулями, каждый из которых посредством датчиков, установленных на них и напротив каждой технологической позиции, связан с системой управления, имеющей два режима работы в зависимости от изготавливаемого исполнения твэла, установка контактно-стыковой сварки, представляющая собой неразъемную камеру с системой блокировок, останавливающих установку при выходе контролируемых при сварке параметров за установленные пределы, расположена между установками контроля длины оболочки и маркировки заглушки, транспортные модули, не использующиеся при выпуске изготавливаемого исполнения твэла, являются накопителями, а установка очистки свариваемых поверхностей представляет собой совокупность механизмов, обеспечивающих протирку свариваемых поверхностей оболочки, по крайней мере, с одного из ее концов, обновляемым для каждой оболочки протирочным материалом.

2. Автоматическая линия изготовления оболочек тепловыделяющих элементов по п.1, отличающаяся тем, что установка для контактно-стыковой сварки трубы с заглушкой снабжена системой для создания в сварочной камере атмосферы заданного состава.

3. Автоматическая линия изготовления оболочек тепловыделяющих элементов по п.1, отличающаяся тем, что устройство для маркировки твэла расположено после установки контактно-стыковой сварки и установки запрессовки в оболочку заглушки для электронно-лучевой сварки.