Корпус канала ядерного реактора

 

Использование: в ядерной технике при изготовлении корпусов каналов ядерных реакторов. Сущность изобретения: корпус канала ядерного реактора содержит трубу из циркониевого сплава и переходные элементы, установленные на концах трубы и выполненные в виде втулок из циркониевого сплава и нержавеющей стали. Труба из циркониевого сплава соединена с втулками из циркониевого сплава сваркой плавлением, а втулки из циркониевого сплава соединены с втулками из нержавеющей стали в виде нахлесточного диффузионного сварного соединения. Втулка из нержавеющей стали установлена с охватом втулки из циркониевого сплава. Сопряженные поверхности втулок на всей длине нахлестки имеют чередующиеся между собой выступы и впадины, входящие друг в друга. Нахлесточное диффузионное сварное соединение выполнено с твердой диффузионной прослойкой толщиной не более 5 мкм. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к ядерной технике, а более конкретно, к корпусам каналов ядерных реакторов.

Известен корпус канала ядерного реактора (C.E. Coleman and L.A. Simpson, Evaluation of a leaking crack in an irradiated candu pressure tube. Rep. AECL-9733, June 1988, fig.1), который выполнен в виде трубы из циркониевого сплава. Оба конца трубы механически соединены методом холодной развальцовки с элементами контура циркуляции, выполненными из нержавеющей стали.

Недостатком известного корпуса канала является трещинообразование и появление течи в процессе длительной эксплуатации из-за водородного охрупчивания концов трубы из циркониевого сплава, которые ввальцованы в элементы контура циркуляции, выполненные из нержавеющей стали с коэффициентом термического расширения, значительно превышающем коэффициент термического расширения циркониевого сплава. Из-за высокой разницы коэффициентов термического расширения металлов, соединяемых методом вальцовки, при нагреве корпуса канала ядерного реактора охватывающие части элементов из нержавеющей стали увеличиваются в диаметре больше, чем охватываемые концы трубы из циркониевого сплава. Для обеспечения герметичности необходимо в таком вальцованном соединении обеспечить высокий уровень остаточных напряжений. В зоне развальцовки трубы из циркониевого сплава, имеющей высокий уровень остаточных напряжений, постепенно возрастает концентрация водорода, который образуется в результате коррозионных и радиационных процессов, происходящих в канале ядерного реактора. Водород с цирконием образует хрупкие гидриды, которые приводят к охрупчиванию и растрескиванию стенок трубы в местах ее развальцовки.

Известен корпус канала ядерного реактора (A.W.L.Segel, Explosive bonding of dissimilar metal tubes. Rep AECL -2209, May 1964, 63 p), который содержит трубу из циркониевого сплава и переходные элементы, установленные по концам трубы и выполненные в виде втулок из нержавеющей стали ферритного класса, имеющей среднее значение между коэффициентами термического расширения циркониевого сплава и нержавеющей стали аустенитного класса, из которой изготовлены элементы контура циркуляции. Переходные элементы соединены с трубой из циркониевого сплава методом холодной развальцовки, а с элементами контура циркуляции сваркой плавлением.

Недостатком известного корпуса канала ядерного реактора является трещинообразование и появление течи в процессе длительной эксплуатации из-за водородного охрупчивания концов трубы из циркониевого сплава, которые ввальцованы во втулки из нержавеющей стали. Поскольку коэффициент термического расширения нержавеющей стали ферритного класса превышает примерно в два раза коэффициент термического расширения циркониевого сплава, то для обеспечения герметичности вальцованному соединению необходимо создать высокий уровень остаточных напряжений путем раздачи концов трубы из циркониевого сплава во втулках из нержавеющей стали. В процессе развальцовки в стенке трубы возникают высокие остаточные напряжения, в том числе и в виде наклепа, которые обеспечивают герметичность вальцованному соединению. Чем выше уровень остаточных напряжений в зоне развальцовки трубы, тем лучше обеспечивается герметичность соединения. Однако при длительной эксплуатации корпуса канала в условиях ядерного реактора в местах развальцовки трубы из циркониевого сплава начинает скапливаться водород, который образуется в результате коррозионных и радиационных процессов, происходящих в канале ядерного реактора. Водород при больших концентрациях образует с цирконием хрупкие гидриды, которые приводят к охрупчиванию и растрескиванию стенок трубы в местах развальцовки и как следствие к нарушению герметичности корпуса канала.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является корпус канала ядерного реактора (Доллежаль Н.А. Емельянов И.Я. Канальный ядерный энергетический реактор. М. Атомиздат, 1980, с.54-56), содержащий трубу из циркониевого сплава, переходные элементы, установленные по концам трубы и выполненные в виде втулок из циркониевого сплава соединены с трубой из циркониевого сплава сваркой плавлением встык (электронно-лучевая сварка), а с втулками из нержавеющей стали соединены внахлестку диффузионной сваркой. Втулки из нержавеющей стали соединены сваркой плавлением встык (аргоно-дуговая сварка) с трубами из нержавеющей стали, которые являются элементами контура циркуляции.

Недостатком известного корпуса канала ядерного реактора является ограниченный ресурс его работы в условиях ядерного реактора в горячей воде и паре при температуре до 350^oC из-за невысоких показателей длительной коррозионной прочности. Под длительной коррозионной прочностью корпуса канала понимается его прочность в условиях длительного воздействия коррозионно-агрессивной среды, рабочих и термических напряжений. Это объясняется тем, что нахлесточное диффузионное сварное соединение втулок из циркония и нержавеющей стали характеризуется невысокими коррозионными и прочностными свойствами. В процессе длительной эксплуатации нахлесточное диффузионное сварное соединение разрушается под действием коррозии под напряжением.

При эксплуатации корпуса канала в горячей воде и паре при температуре от 150 до 350^oC нахлесточное диффузионное сварное соединение корродирует с выделением свободного (атомарного) водорода, который скапливается в циркониевом сплаве в местах с повышенным уровнем напряжений. Из-за стесненных условий активной зоны ядерного реактора толщина стенки втулки из циркониевого сплава в зоне диффузионного сварного шва уменьшена по сравнению с толщиной стенки трубы из циркониевого сплава, что не обеспечивает осевую равнопрочность корпуса канала, а именно, в области краевых точек нахлестки в начале нахлесточного диффузионного сварного соединения со стороны из циркониевого сплава кольцевой концентратор напряжения, где скапливается свободный водород, который образует с циркониевым сплавом хрупкие гидриды циркония. Кроме того, постоянная вибрация корпуса канала от движения теплоносителя создает в местах образования кольцевых концентраторов пики напряжения, которые в сочетании с осевыми растягивающими напряжениями от высокого давления теплоносителя (70-100 атм) ускоряют процессы концентрации водорода в этих местах и образования хрупких гидридов циркония.

Для нахлесточных диффузионных сварных соединений втулок из разнородных металлов с отличающимися коэффициентами термического расширения характерно образование пиков напряжений в краевых точках нахлестки, величина которых находится в прямой пропорциональной зависимости от жесткости (толщины) стенок соединяемых втулок и от разницы коэффициентов термического расширения. Чем больше толщина стенок втулок, тем выше их жесткость, и, следовательно, выше уровень напряжений в краевых точках нахлестки.

Сохранение требуемой осевой равнопрочности корпуса канала приводит к увеличению суммарной толщины стенок втулок в месте нахлестки и к увеличению радиальных габаритов корпуса канала, что неприемлемо для стесненных условий активной зоны ядерного реактора. При повышении температуры горячей воды увеличиваются прямо пропорционально температуре пики (концентраторы) напряжений в краевых точках нахлестки. Увеличение пиков напряжений до величин, превышающих величину прочности нахлесточного диффузионного сварного соединения, приводит к надрыву сварного шва в краевых точках. В местах надрыва концентрация напряжения увеличивается, что приводит к постепенному разрушению нахлесточного диффузионного сварного соединения.

Задачей изобретения является создание корпуса канала ядерного реактора, который характеризуется длительным ресурсом работы в горячей воде и паре при температурах до 350^oC и небольшими радиальными габаритами, позволяющими использовать его в стесненных условиях активной зоны ядерного реактора.

Технический результат, полученный при осуществлении изобретения, заключается в повышении длительной коррозионной прочности корпуса канала в условиях горячей воды и пара при температуре до 350^oC за счет повышения коррозионной стойкости и прочности диффузионного сварного шва. Нахлесточное диффузионное сварное соединение, выполненное с твердой диффузионной прослойкой толщиной не более 5 мкм, обладает высокой коррозионной стойкостью в горячей воде и паре до 350^oC (установлено экспериментально). Кроме того, в сочетании с механическим зацеплением, выполненным в виде выступов и впадин, твердая диффузионная прослойка толщиной до 5 мкм обеспечивает высокую прочность нахлесточному трубчатому сварному соединению. Из уровня техники известно, что твердая диффузионная прослойка толщиной 3-5 мм обеспечивает торцевому диффузионному сварному соединению титана (металла одной группы с цирконием) и нержавеющей стали достаточно высокую прочность. Однако трубчатые нахлесточные диффузионные сварные соединения вышеуказанных металлов с твердой диффузионной прослойкой в процессе охлаждения самопроизвольно разрушаются из-за высоких остаточных термических напряжений в диффузионной прослойке за счет двукратной разницы в коэффициентах термического расширения между титаном и нержавеющей сталью (Казаков Н.В. Диффузионная сварка материалов, М. "Машиностроение", 1976 г. с. 186-190).

Из уровня техники известны торцевые сварные диффузионные соединения циркония с нержавеющей сталью с достаточно высокой прочностью за счет введения между свариваемыми поверхностями тонких промежуточных слоев: ниобий, медь, никель, однако эти соединения из-за трехкратной разницы коэффициентов термического расширения циркония и нержавеющей стали непригодны для трубчатых нахлесточных соединений (K. Bhanumurthy, J. Krishnan, G.B. Kale, S. Banerjee, Journal of Nuclear Materals, V. 217 (1994) 67-74. "Transition joints between Zircaloy-2 and Stainless steel by diffusion bondig"). В заявленном корпусе большая часть остаточных термических напряжений воспринимается механическим зацеплением втулок, поэтому твердая диффузионная прослойка практически разгружена от них, несмотря на трехкратную разницу коэффициентов термического расширения циркония и нержавеющей стали.

Высокая коррозионная стойкость твердой диффузионной прослойки толщиной не более 5 мкм в сочетании с высокими прочностными свойствами нахлесточного диффузионного сварного соединения за счет разгрузки его от термических напряжений механическим зацеплением обеспечивает корпусу длительную коррозионную прочность в условиях горячей воды и пара при температуре до 350^oC.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном корпусе канала ядерного реактора, содержащем трубу из циркониевого сплава и переходные элементы, установленные на концах трубы и выполненные в виде втулок из циркониевого сплава и нержавеющей стали, при этом труба из циркониевого сплава соединена с втулками из циркониевого сплава сваркой плавлением, а втулки из циркониевого сплава соединены с втулками из нержавеющей стали в виде нахлесточного диффузионного сварного соединения, причем втулка из нержавеющей стали установлена с охватом втулки из циркониевого сплава; сопряженные поверхности втулок на всей длине нахлестки имеют чередующиеся между собой выступы и впадины, входящие друг в друга, а нахлесточное диффузионное сварное соединение выполнено с твердой диффузионной прослойкой толщиной не более 5 мкм.

Кроме того, для исключения надрывов сварного шва по краям нахлестки, втулки в области нахлестки выполнены с переменной толщиной стенок так, что толщина стенки одной из втулок уменьшается, а другой соответственно увеличивается. Это позволяет в сочетании с высокой коррозионной стойкостью диффузионной прослойки замедлить скорость коррозии, которая неизбежна при длительной работе переходника в условиях горячей воды и пара, до величин, обеспечивающих работоспособность сварного шва в условиях, например, ядерного реактора, до полной выработки эксплуатационного ресурса канала ядерного реактора. Выполнение втулок в области нахлестки с переменной толщиной стенок позволит уменьшить радиальные габариты корпуса канала.

Кроме того, минимальная толщина стенки каждой втулки на краю нахлестки составляет не более 25% толщины ее стенки, свободной от нахлестки, а также сопряженные поверхности втулок на всей длине нахлестки выполнены ступенчатыми и в виде по крайней мере двух цилиндрических ступенек, выполненных по одной с каждой стороны нахлестки, и усеченного конуса, плавно соединяющего ступеньки между собой.

Кроме того, для повышения осевой прочности максимальная толщина стенки каждой втулки на краю нахлестки составляет не менее толщины ее стенки, свободной от нахлестки, а также для повышения осевой прочности и повышения герметичности (плотности) нахлесточного диффузионного сварного соединения выступы и впадины выполнены кольцевыми.

На фиг. 1 изображен корпус канала ядерного реактора (продольный разрез); на фиг. 2 ступенчатое нахлесточное диффузионное сварное соединение втулок из циркониевого сплава и нержавеющей стали; на фиг. 3 ступенчато-конусное нахлесточное диффузионное сварное соединение втулок из циркониевого сплава и нержавеющей стали; на фиг. 4 часть ступеньки нахлесточного диффузионного сварного соединения (продольный разрез в увеличенном масштабе); на фиг. 5 - сварной шов с твердой диффузионной прослойкой (в увеличенном масштабе).

Корпус канала ядерного реактора содержит трубу 1 из циркониевого сплава и переходные элементы 2, 3, установленные по обоим концам трубы 1, которые выполнены в виде втулок из циркониевого сплава 2 и нержавеющей стали 3. Труба 1 из циркониевого сплава соединена встык сварным швом 4 с втулками 2 из циркониевого сплава электронно-лучевой сваркой в вакууме. Втулки 2 из циркониевого сплава соединены сварным швом 5 внахлестку диффузионной сваркой с втулками 3 из нержавеющей стали с образованием нахлесточного диффузионного сварного соединения. Втулки 3 из нержавеющей стали соединены сваркой плавлением встык с элементами контура циркуляции, выполненными из нержавеющей стали (не показано). Втулки 2, 3 в области нахлестки выполнены с переменной толщиной стенок, так что толщина стенки одной из втулок уменьшается, а другой соответственно увеличивается. Максимальная толщина стенки втулки на краях нахлестки составляет не менее толщины ее стенки, свободной от нахлестки, а минимальная толщина стенки втулки на краях нахлестки составляет не более 25% толщины ее стенки, свободной от нахлестки. Сопряженные поверхности втулок могут быть выполнены ступенчатыми, в виде цилиндрических ступенек 6. Ступеньки 6 выполнены равной длины, а высота ступенек равна приблизительно 10-20% от толщины стенки конца втулки, свободного от нахлестки. Сопряженные поверхности втулок могут быть выполнены в виде по крайней мере двух цилиндрических ступенек 6, размещенных по одной с каждой стороны нахлестки, и усеченного конуса 7, плавно соединяющего ступеньки между собой. Сопряженные поверхности втулок 2, 3 на всей длине нахлестки имеют равномерно чередующиеся между собой выступы 8 и впадины 9, плотно без зазора входящие друг в друга. Сварной шов 5 выполнен в виде нахлесточного диффузионного сварного соединения с твердой диффузионной прослойкой, толщиной не более 5 мкм.

Выступы 8 и впадины 9 могут быть выполнены в виде резьбы или кольцевыми.

Низкий уровень термических напряжений обеспечивается в области краевых точек нахлестки со стороны втулки из циркониевого сплава уменьшением толщины стенки втулки из нержавеющей стали, а в области краевых точек нахлестки со стороны втулки из нержавеющей стали уменьшением толщины стенки втулки из циркониевого сплава, т.е. за счет уменьшения жесткости стенки одной из соединяемых втулок. При этом одновременно обеспечиваются условия для сохранения осевой равнопрочности корпуса канала по краям диффузионного сварного соединения, поскольку увеличена толщина стенки втулки из циркониевого сплава со стороны трубы из циркониевого сплава и увеличена толщина втулки из нержавеющей стали со стороны трубы из нержавеющей стали. Кроме того, поскольку суммарная толщина нахлестки меньше, чем удвоенная толщина одной из соединяемых втулок, то радиальные габариты корпуса канала уменьшены по сравнению с известным корпусом.

Высокая коррозийная стойкость твердой диффузионной прослойки толщиной не более 5 мкм в сочетании с низким уровнем концентрации термических напряжений (пиков напряжений) в краевых точках нахлесточного диффузионного сварного соединения позволяет исключить надрывы шва и тем самым замедлить скорость коррозии нахлесточного диффузионного сварного соединения до величин, обеспечивающих работоспособность до полной выработки эксплуатационного ресурса корпуса канала ядерного реактора.

Повышение удельной прочности на отрыв нахлесточного диффузионного сварного соединения обеспечено увеличением площади нахлесточного диффузионного сварного соединения за счет создания зубчатой формы сварного шва. Кроме того, зубчатая форма сварного шва обеспечивает осевую равнопрочность корпуса канала в зоне нахлесточного диффузионного сварного соединения.

Уменьшение радиальных габаритов корпуса канала ядерного реактора, а именно, толщины стенки корпуса в местах нахлесточных сварных диффузионных соединений циркониевого сплава с нержавеющей сталью стало возможным за счет уменьшения термических напряжений в краевых точках нахлестки при одновременном сохранении требуемой по условиям эксплуатации осевой равнопрочности корпуса канала. Это объясняется тем, что одна из втулок в области краевых точек нахлестки выполнена с минимальной толщиной стенки, что позволяет другой втулке в этой области иметь толщину стенки больше толщины стенки ее свободного конца.

Получение в нахлесточном диффузионном сварном соединении уплотнения лабиринтного типа за счет выполнения на сопряженных поверхностях втулок выступов и впадин, входящих в друг друга, обеспечивает сохранение герметичности (плотности) даже при случайном низком качестве нахлесточного диффузионного сварного соединения, которое возможно при несоблюдении режима сварки. Выполнение выступов и впадин кольцевой формы позволяет усилить эффект лабиринтного уплотнения.

Корпус канала ядерного реактора работает следующим образом.

При работе канала в ядерном реакторе корпус канала испытывает радиальные и продольные нагрузки растяжения, возникающие от воздействия температуры и давления теплоносителя, а также гидравлические вибрационные нагрузки, возникающие от пульсации потока теплоносителя. Нагретый до рабочей температуры теплоноситель при прохождении внутри корпуса канала окисляет его поверхность из циркониевого сплава. При этом один атом кислорода воды, участвующий в образовании окисной пленки, освобождает из молекулы воды два атома водорода, которые образуют с цирконием хрупкие гидриды. В процессе длительной эксплуатации на поверхности корпуса из циркониевого сплава образуется окисная пленка толщиной в несколько микрон, и пропорционально величине этой окисной пленки в циркониевом сплаве возникают гидриды. Гидриды относительно равномерно распределяются по всему объему циркониевого сплава, поскольку корпус канала не имеет локальных мест с высокой концентрацией напряжения, где гидриды могут собираться выше предельно допустимой нормы, которая приводит к охрупчиванию циркониевого сплава. В корпусе канала в местах соединения циркониевого сплава с нержавеющей сталью и особенно по краям нахлесточного диффузионного сварного соединения могут возникать большие осевые и радиальные термические и рабочие напряжения из-за более чем трехкратной разницы в коэффициентах термического расширения циркониевого сплава и нержавеющей стали аустенитного класса. Однако механическое зацепление на сопряженных поверхностях втулок, выполненное в виде чередующихся выступов и впадин, разгружает твердую диффузионную прослойку от рабочих и термических напряжений, благодаря чему повышается длительная коррозионная прочность, а следовательно, работоспособность и надежность корпусов каналов ядерного реактора. Кроме того, выполнение нахлесточного диффузионного сварного соединения в местах нахлестки с уменьшенной толщиной одной втулки и увеличенной толщиной сопряженной с ней втулкой по краям нахлесточного соединения позволяет усилить эффект разгрузки твердой диффузионной прослойки от напряжений.

Формула изобретения

1. Корпус канала ядерного реактора, содержащий трубу из циркониевого сплава и переходные элементы, установленные на концах трубы и выполненные в виде втулок из циркониевого сплава и нержавеющей стали, при этом труба из циркониевого сплава соединена с втулками из циркониевого сплава сваркой плавлением, а втулки из циркониевого сплава соединены с втулками из нержавеющей стали в виде нахлесточного диффузионного сварного соединения, причем втулка из нержавеющей стали установлена с охватом втулки из циркониевого сплава, отличающийся тем, что сопряженные поверхности втулок на всей длине нахлестки имеют чередующиеся между собой выступы и впадины, входящие друг в друга, а нахлесточное диффузионное сварное соединение выполнено с твердой диффузионной прослойкой толщиной не более 5 мкм.

2. Корпус по п. 1, отличающийся тем, что втулки в области нахлестки выполнены с переменной толщиной стенок так, что толщина стенки одной из втулок уменьшается, а другой соответственно увеличивается.

3. Корпус по п. 2, отличающийся тем, что минимальная толщина стенки каждой втулки на краю нахлестки составляет не более 25% толщины ее стенки, свободной от нахлестки.

4. Корпус по п. 2 или 3, отличающийся тем, что сопряженные поверхности втулок на всей длине нахлестки выполнены ступенчатыми.

5. Корпус по п. 2 или 3, отличающийся тем, что сопряженные поверхности втулок на всей длине нахлестки выполнены в виде по крайней мере двух цилиндрических ступенек, выполненных по одной с каждой стороны нахлестки, и усеченного конуса, плавно соединяющего ступеньки между собой.

6. Корпус по п. 2, отличающийся тем, что максимальная толщина стенки каждой втулки на краю нахлестки составляет не менее толщины ее стенки, свободной от нахлестки.

7. Корпус по п. 1, отличающийся тем, что выступы и впадины выполнены кольцевыми.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5