Переходник для сварки труб из нержавеющих сталей с трубами из циркониевых сплавов

Изобретение может быть использовано, в частности, при изготовлении переходников для технологических каналов энергетических реакторов. Переходник выполнен в виде соединенных внахлест диффузионной сваркой охватывающей втулки из нержавеющей стали и охватываемой втулки из циркониевого сплава. Сопряженные поверхности втулок на всей длине нахлестки выполнены с входящими друг в друга чередующимися выступами и впадинами и имеют с каждой стороны нахлестки по одной ступенчатой цилиндрической поверхности, а также соединяющую их коническую поверхность. Вершины выступов и впадины выполнены закругленными. Длина цилиндрической ступенчатой поверхности составляет (0,2-0,35) длины конической поверхности. Выступы и впадины имеют резьбовой профиль с углом при вершине (45-60)°. Изобретение позволяет повысить надежность диффузионного соединения в условиях эксплуатации и снизить себестоимость его изготовления. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области получения трубчатых соединений из разнородных металлов и сплавов и может быть использовано, в частности, при изготовлении переходников "нержавеющая сталь - циркониевый сплав" для технологических каналов энергетических реакторов.

Известен трубчатый переходник из разнородных металлов, выполненный в виде втулок из титанового сплава и нержавеющей стали, сваренных между собой диффузионной сваркой внахлестку по конусным поверхностям (конусность 1:100) с образованием между ними диффузионной прослойки и с расположением втулки из нержавеющей стали снаружи относительно втулки из титанового сплава (Н.Ф.Казаков. Диффузионная сварка материалов. М., Машиностроение, 1976, с.189-190).

Известный трубчатый переходник не обеспечивает надежной эксплуатации диффузионного соединения в условиях вибрации и термоциклирования (скачкообразного изменения температуры).

Известен трубчатый переходник из разнородных материалов, выполненный в виде втулок из титанового сплава и нержавеющей стали, сваренных между собой диффузионной сваркой, при этом свариваемые поверхности втулок из титанового сплава и нержавеющей стали выполняют ступенчатыми, на внутренней поверхности втулки из нержавеющей стали предварительно выполняют кольцевые канавки резьбового профиля и размещают ее снаружи втулки из титанового сплава с образованием телескопического соединения (Патент РФ №2205732, В 23 К 20/14, В 23 К 101/06, опубл. 10.06.2003).

Известный трубчатый переходник из разнородных материалов не обеспечивает повышенных требований к надежности диффузионного соединения из-за наличия у него в средней части нахлесточного соединения зон, не контролируемых методами неразрушающего контроля, а также из-за наличия в соединении дефектов типа "недопрессовок" и "загиб зуба" в местах перехода ступеней с диаметра на диаметр.

Известный переходник также отличается повышенной себестоимостью изготовления из-за высокой трудоемкости изготовления ступенчатых свариваемых поверхностей и повышенной отбраковки готовых переходников, не удовлетворяющих предъявляемым требованиям к их качеству.

Наиболее близким аналогом заявляемому техническому решению является известный переходник для сварки труб из нержавеющих сталей с трубами из циркониевых сплавов, выполненный в виде нахлесточного диффузионного сварного соединения втулок из металлов, соответствующих металлам свариваемых труб, при этом охватывающая втулка выполнена из нержавеющей стали, а охватываемая - из циркониевого сплава, сопряженные поверхности втулок на всей длине нахлестки имеют чередующиеся кольцевые выступы и впадины, входящие друг в друга, при этом нахлесточное диффузионное сварное соединение выполнено с твердым переходным слоем толщиной не более 5 мкм. Втулки в области нахлестки выполнены с переменной толщиной стенок, причем толщина стенки одной из втулок уменьшается, а другой соответственно увеличивается. Минимальная толщина стенки каждой втулки на краю нахлестки составляет не более 25% толщины ее стенки, свободной от нахлестки. Сопрягаемые поверхности втулок на всей длине нахлестки выполнены ступенчатыми в виде по крайней мере двух цилиндрических ступенек, выполненных по одной с каждой стороны нахлестки, и усеченного конуса, плавно соединяющего ступеньки между собой. Максимальная толщина стенки каждой втулки на краю нахлестки составляет не менее толщины ее стенки, свободной от нахлестки (Патент РФ №2085350, В 23 К 20/00, опубл. 27.07.1997).

Известный трубчатый переходник из разнородных материалов не обеспечивает повышенных требований к надежности диффузионного соединения из-за наличия в соединении дефектов типа "недопрессовок" и "загиб зуба" в местах перехода ступеней с диаметра на диаметр.

Известный переходник также отличается повышенной себестоимостью изготовления из-за низкой производительности изготовления известных ступенчатых свариваемых поверхностей и повышенной отбраковки готовых переходников, не удовлетворяющих предъявляемым требованиям к их качеству.

Заявляемый переходник для сварки труб из нержавеющих сталей с трубами из циркониевых сплавов решает задачу повышения надежности диффузионного соединения в условиях эксплуатации и снижения себестоимости его изготовления.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известного переходника для сварки труб из нержавеющих сталей с трубами из циркониевых сплавов, выполненного в виде соединенных внахлест диффузионной сваркой охватывающей втулки из нержавеющей стали и охватываемой втулки из циркониевого сплава, сопряженные поверхности которых на всей длине нахлестки выполнены с входящими друг в друга чередующимися выступами и впадинами и имеют с каждой стороны нахлестки по одной ступенчатой цилиндрической поверхности, а также соединяющую их коническую поверхность, при этом вершины выступов и впадины выполнены закругленными - по заявляемому техническому решению длина цилиндрической ступенчатой поверхности составляет (0,2-0,35) длины конической поверхности, а выступы и впадины имеют резьбовой профиль с углом при вершине (45-60)°.

Технический результат также достигается тем, что у заявляемого переходника высота выступов и впадин составляет (0,7-2,0) мм.

Технический результат, кроме того, достигается тем, что у заявляемого переходника радиус закругления вершин выступов и впадин равен (0,2-0,6) мм.

Выполнение ступенчатых поверхностей нахлесточного соединения заявляемого переходника в виде сопряженных поверхностей, которые на всей длине нахлестки имеют входящие друг в друга чередующиеся выступы и впадины, а с каждой стороны нахлестки по одной ступенчатой цилиндрической поверхности и соединяющей их конической поверхности с соотношением длины цилиндрической ступенчатой поверхности к длине конической поверхности, равным 0,2-0,35, а также выступов и впадин резьбового профиля с углом при вершине (45-60)° с закругленными вершинами кольцевых выступов и впадин позволяет значительно повысить надежность диффузионного соединения в условиях эксплуатации за счет повышения его качества путем исключения в сварном соединении дефектов типа "недопрессовка" и "загиб зуба".

Кроме того, снижается себестоимость изготовления заявляемого переходника за счет повышения производительности изготовления поверхностей нахлесточного соединения с заявляемой рациональной геометрией и за счет снижения процента отбраковки готовых переходников, не удовлетворяющих предъявляемым требованиям к качеству.

Выполнение выступов и впадин высотой 0,7-2,0 мм с радиусом закругления (0,2-0,6) мм позволяет дополнительно повысить надежность диффузионного соединения из-за улучшения условий формирования соединения.

При анализе патентных и научно-технических источников не выявлено технических решений, обладающих всей совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения.

Известны технические решения, которые частично содержат некоторые существенные признаки заявляемого технического решения. Так, в технике известны приемы скругления заостренных углов, плавных переходов к сопрягаемым поверхностям. Однако, только сочетание всех известных и новых существенных признаков в заявляемом техническом решении позволяет решить поставленную задачу и получить новый положительный эффект, заключающийся в значительном повышении надежности диффузионного соединения в условиях эксплуатации и снижении себестоимости изготовления заявляемого переходника.

Примеры.

Для проверки заявляемого технического решения была проведена следующая работа.

Заявляемое техническое решение было реализовано при изготовлении переходников "циркониевый сплав Э125 - нержавеющая сталь 08Х18Н10Т" следующих типоразмеров: ⊘95×80 мм, l=200 мм и ⊘88×72 мм, l=200 мм.

По заявляемому техническому решению сварное нахлесточное соединение стали с цирконием было выполнено в виде плавно сопрягаемых между собой чередующихся цилиндрической, конической и цилиндрической поверхностей. При этом длина цилиндрической ступенчатой поверхности составляла 0,2 и 0,35 длины конической поверхности.

На втулке из нержавеющей стали нарезали кольцевые канавки резьбового профиля в виде чередующихся выступов и впадин. Угол при вершине кольцевых выступов выполняли равным 45 и 60°. При этом вершины кольцевых выступов и впадин выполняли закругленными радиусом 0,2 и 0,6 мм, а кольцевые выступы и впадины выполняли высотой 0,7 и 2,0 мм. Втулку из циркониевого сплава собирали со втулкой из нержавеющей стали таким образом, чтобы втулка из нержавеющей стали была снаружи втулки из циркониевого сплава. Собранные втулки сваривали между собой диффузионной сваркой в вакууме с образованием диффузионной прослойки, а затем их подвергали механической обработке в размер и контролю качества на ультразвуковой установке марки БУ-101-У.

Для сравнения получали трубчатый переходник циркониевый сплав Э125 - нержавеющая сталь 08Х18Н10Т по наиболее близкому аналогу, у которого нахлесточное соединение выполняли ступенчатым в виде плавно сопрягаемых между собой чередующихся цилиндрической, конической и цилиндрической поверхностей. На втулке из нержавеющей стали нарезали механическое зацепление в виде чередующихся между собой кольцевых выступов и впадин резьбового профиля.

Втулку из циркониевого сплава собирали со втулкой из нержавеющей стали таким образом, чтобы втулка из нержавеющей стали была снаружи втулки из циркониевого сплава. Собранные втулки сваривали между собой диффузионной сваркой в вакууме с образованием диффузионной прослойки толщиной 5 мкм, а затем их подвергали механической обработке в размер и контролю качества на ультразвуковой установке марки БУ-101-У.

В ходе выполнения данной работы проводили металлографические исследования сварных соединений, определение производительности изготовления одного переходника и процент выхода годного по стандартным методикам. Результаты исследований приведены в таблице.

Таблица - Сравнительные данные заявляемого технического решения и наиболее близкого аналога
№опыта	Вариант технического решения	Размер переходника	Параметры переходника	Наличие дефектов в сварном соединении	Относительная производительность изготовления 1 переходника,
Соотношение длины цилиндрической и конической поверхности	Угол вершины кольцевых выступов, град.	Высота кольцевых выступов и впадин, мм	Радиус закругления вершин кольцевых выступов и впадин, мм
1	Заявляемое техническое решение	⊘95×80 мм	0,2	45	0,7	0,2	Нет	123,1
2	То же	-″-	0,35	60	2	0,6	Нет	123,9
3	-″-	⊘88×72 мм	0,2	45	0,7	0,2	Нет	123,3
4	-″-	-″-	0,35	60	2	0,6	Нет	123,7
5	Наиболее близкий аналог	⊘95×80 мм	-	42	0,8	-	Есть	99,2
6	То же	⊘88×72 мм	-	42	0,8	-	Есть	100

Анализ данных, приведенных в таблице, показывает, что заявляемый переходник отличается от переходника по наиболее близкому аналогу более высокой производительностью изготовления ((123,1-123,9)% и (99,2-100)% соответственно, более низким процентом отбракованных переходников 0,1% и 0,6% соответственно, а следовательно, и более низкой себестоимостью изготовления. Кроме того, заявляемый переходник отличается от переходника по наиболее близкому аналогу более высокой надежностью в условиях эксплуатации (отсутствуют дефекты в сварном соединении).

Оптимальными параметрами заявляемого переходника являются следующие (опыты №№1-4):

- соотношение длины цилиндрической поверхности к конической - 0,2-0,35;

- угол вершины кольцевых выступов - (45-60)°;

- высота кольцевых выступов и впадин - (0,7-2,0) мм;

- радиус закругления вершин кольцевых выступов и впадин - (0,2-0,6) мм.

По заявляемому техническому решению в производственных условиях ОАО ЧМЗ выпущена опытная партия трубчатых переходников "циркониевый сплав Э125 - нержавеющая сталь 08Х18Н10Т" типоразмеров ⊘95×80 мм, l=200 мм и ⊘88×72 мм, l=200 мм с положительным результатом. Все переходники по результатам контроля соответствовали предъявляемым к ним требованиям.

1. Переходник для сварки труб из нержавеющих сталей с трубами из циркониевых сплавов, выполненный в виде соединенных внахлест диффузионной сваркой охватывающей втулки из нержавеющей стали и охватываемой втулки из циркониевого сплава, сопряженные поверхности которых на всей длине нахлестки выполнены с входящими друг в друга чередующимися выступами и впадинами и имеют с каждой стороны нахлестки по одной ступенчатой цилиндрической поверхности, а также соединяющую их коническую поверхность, при этом вершины выступов и впадины выполнены закругленными, отличающийся тем, что длина цилиндрической ступенчатой поверхности составляет 0,2-0,35 длины конической поверхности, а выступы и впадины имеют резьбовой профиль с углом при вершине 45-60°.

2. Переходник по п.1, отличающийся тем, что высота выступов и впадин составляет 0,7-2,0 мм.

3. Переходник по п.2, отличающийся тем, что радиус закругления вершин выступов и впадин равен 0,2-0,6 мм.