УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПОЛНЕНИЯ ТВЭЛОВ ГАЗОМ И СПОСОБ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ Российский патент 1996 года по МПК G21C21/00 B23K31/02 

Предлагаемое изобретение относится к сварке тепловыделяющих элементов атомных энергетических установок.

Предлагается устройство для заполнения газом и газодуговой сварки неплавящимся электродом тонкостенных труб с концевой деталью (заглушкой), которое может быть использовано при изготовлении таких компонентов активных зон атомных энергетических установок как тепловыделяющие элементы, стержни с выгорающими поглотителями и замедлителями, компенсации реактивности и т.п.

Известны устройства для выполнения стержневых твэлом с таблетированным и порошковым топливом, когда после снаряжения оболочек топливом производят их заполнение гелием или другим теплопроводящим газом, а затем герметизируют сваркой. Известно несколько решений:
1 заполнение изделия гелием и герметизация в одной общей рабочей камере, в которой находится весь твэл и сварочная головка, где перед началом процесса осуществляют вакуумирование камеры и внутренней полости твэла с последующим заполнением их гелием, запрессовкой заглушки и приварки последней к оболочке. Таким путем выполняли герметизацию твэлом аппаратов БР-5М (1963 г. ), БОР-60 (1970 г.) и др. Подобный принцип заполнения и герметизации описан в патентах США N 4188521 (1980 г.), Франции N 2167247 (1972 г) и ряде других. В Японии герметизацию твэлов быстрого реактора выполняют в общей камере снаряжения, заполненной гелием (заявка N 60-37978, 1985 г.);
2 заполнение изделия гелием и герметизация, осуществляемые в два этапа на раздельном оборудовании, когда в камере, в которой размещают либо все изделие, либо его часть, осуществляют вакуумирование внутренней полости изделия, заполнение его гелием и постановку сплошной заглушки, а на втором рабочем месте, куда транспортируют изделие, производят герметизацию известными способами. При этом устройство для заполнения гелием и сварочная головка размещаются не на одной оси;
3 другое решение (см. патенты Великобритании N1 174030, 1968 г. и США N 3842238, 1975 г. а также а/з Япония N 56-215088, 1961 г.) основано на реализации приемов, выполняемых в следующей последовательности: постановка в обычной атмосфере заглушки, имеющей осевые или боковые продольные каналы (щели), и сварка ее с оболочкой периметрическим швом (эти операции выполняют после снаряжения твэла), помещение конца таким образом подготовленного твэла в специальную камеру, в которой производят вакуумирование полости твэла, заполнение ее инертным газом под некоторым давлением и сварку в той же камере с образованием торцевого шва, заплавляющего осевой канал. Используют камеру, открываемую лишь с одной стороны, либо две расположенные противоположно надвижные сварочные камеры.

В качестве прототипа взят патент США N 3683148 (1972 г на имя Воуко и др. ), в котором изложен способ герметизации в камере твэла с предварительно приваренной, имеющей осевое отверстие заглушкой, с вакуумированием этой камеры и помещенного в ней твэла через названное отверстие, заполнением камеры и твэла инертным газом под некоторым давлением и заполнением отверстия путем сварки плавлением, используя для этой цели сварочную головку, размещенную в той же камере.

Недостатком первого варианта является усложнение аппаратуры за счет введения в рабочую камеру большого объема нескольких исполнительных инструментов: органов вакуумирования, механизмов подачи заглушек и их запрессовки в оболочку, сварочной головки. Если же камера является частью сварочной установки, то все эти недостатки остаются. Сложности прогрессивно нарастают, когда переходят к оборудованию, эксплуатируемому дистанционно в больших боксах камерах с биологической защитой, например, в линиях изготовления твэлов со смешанным U(Pu)O₂ топливом. И эти сложности определяются, в первую очередь, необходимостью регламентных зачисток оборудования, его ремонта со сменой деталей и узлов. Такие работы приходится выполнять посредством манипуляторов или, в крайней случае, через перчаточные люки.

При втором решении отсутствует необходимость в выполнении работ с разборкой рабочих камер. И блок заполнения изделия гелием с одновременной постановкой заглушки, и сама сварочная установка в рабочую технологическую камеру не заключены; они находятся лишь в общей защитной камере. По сравнению с предыдущим вариантом обслуживания рабочих постов облегченно; они становятся более ремонтноспособными.

При третьем решении приходится рабочую сварочную камеру располагать в общей технологической защитной камере, что крайне затрудняет проведение наладочных работ и ремонта, а также влечет за собой повышенный расход защитного газа.

Для всех названных решений существует один существенный недостаток: при снаряжении твэла и во время его вакуумирования выносится пылевидная фракция топлива, которая частично оседает на стенке оболочки твэла, попадает в зазор между оболочкой и заглушкой и далее, при расплавлении, в шов; оксидная топливная составляющая, попадающая в шов, располагается в нем в виде нитевидных включений, являясь в ряде случаев причиной появления негерметичности у твэла.

Авторы предлагают устройство, позволяющее отказаться от конструкции камеры вакуумирования, содержащей системы подачи и запрессовки заглушки, предельно его упростить и минимизировать объем и расход гелия. В камеру опрессовки гелием поступает изделие с заранее поставленной, но не приваренной к оболочке заглушкой, еще на операции снаряжения, когда после введения топлива производят обеспыливание внутренней поверхности оболочки у ее конца, осуществляют постановку заглушки.

Сама заглушка имеет осевое отверстие и через него в миниатюрной камере вакуумирования заполнения гелием производят введением последнего в изделие. При вакуумировании газовый поток вместе с топливной пылью проходит через осевое отверстие. Тем самым пыль не оседает на стенке оболочки, а лишь частично в осевом отверстии. И, если оксидные включения в шов попадают, то они располагаются, как правило, в купольной, нерасчетной части шва, не приводят к нарушению герметичности.

При передаче изделия с устройства "вакуумирования-заполнения" в позицию сварки неизбежен выход гелия через осевое отверстие. Интенсивность снижения концентрации гелия в изделии (а его в твэле реактора на быстрых нейтронах должно быть при давлении 1,1^-0,05 атм не менее 94% объемных) зависит от давления опрессовки, времени между опрессовкой и герметизацией, степени разрежения воздушной атмосферы в общей рабочей камере обычно на 15-20 мм вод.ст. (150-200 Па) меньшего, чем в окружающей атмосфере. Чтобы обеспечить названные требования по содержанию гелия, предложено микрокамеру вакуумирования и опрессовки, внутренний объем которой не более двух объемов части твэла вводимого у уплотняемого в микрокамере, выполнить объем не более 5 см³, расположив ее непосредственно под сварочной установкой по одной оси. Эта микрокамера сделана проходной с уплотнением боковым (снизу камеры) и торцевым (сверху камеры). Заполнение газом следует производить давлением на 0,3 атм (0,3•10⁵ Па) выше требуемого.

Схематично общий вид устройства приведен на фиг.1. Изделие 1 рукой манипулятора 2 подают на "ось" установки. Закрепленные на стойке 3 хваты-замыкатели 4, которые были до этого раскрытыми, охватывают изделие 1, позволяя руке манипулятора вернуться в исходное или другое не связанное с данным устройством положение. Затем хваты-замыкатели ослабевают, несколько раскрываясь, и твэл под собственным весом, скользя, опускается на подпружиненную грузовую площадку 5. Названные хваты устроены таким образом, что их раскрытие в рабочем цикле обеспечивает свободное перемещение твэла в вертикальном положении, исключая при этом возможности его выпадания из хватов и радиальные смещения на грузовой площадке 5. На стойке находятся два хвата. Узел перемещения (6) твэла в камеру 7 и далее к сварочной установке 9 работает во взаимодействии с механизмом (8), обеспечивающим все действия по уплотнению проходной камеры 7 (по поверхности твэла и торцу камеры). Этот узел перемещения, расположенный под упругим элементом, содержит многоходовой пневмоцилиндр. Управляющая работой пневмоцилиндром система обеспечивает следующие положения цикла: исходное (нижнее), подъем в камеру конца твэла и нахождение последнего в ней во время вакуумирования и заполнения твэла газом, дальнейший подъем изделия к сварочной головке, опускание его по завершению цикла сварки в исходное положение.

Назначение упругого элемента под грузовой площадкой исключить ударное соприкосновение конца вольфрамового электрода сварочной головки 9 с торцем заглушки поднимаемого твэла и компенсировать различие в длине твэла (в пределах чертежа). Этот упругий элемент может быть в виде пружины.

В составе установки предложено использовать устройство для вакуумирования и заполнения газом, показанное на фиг.2 (цифровые обозначения даны для этой фигуры). Оно состоит из корпуса камеры 1 с патрубками вакуумирования 2 и заполнения газом 3, контактного датчика ограничителя вертикального перемещения твэла 4, торцевого верхнего уплотнения 5 и нижнего торцевого уплотнения 6. Уплотнения срабатывают от одного исполнительного механизма клинорычажного типа, имеющего распределительный клин 7, перемещаемый пневмоцилиндром 8. При перемещении клина вперед, его грань нажимает на шток роликоопоры 9 и через рычаг 10 происходит нажатие кольцом со сферической поверхностью 11 на стакан 12, в котором расположен упругий уплотнительный элемент, обнимающий поданное в корпус изделие. Одновременно названный клин через роликоопору 13 нажимает на крышку 14, в основании которой закреплено торцевое уплотнение 5, обеспечивающее герметизацию корпуса 1, закрепленного на плите 15. При перемещении клина влево крышка поворачивается, откидывается на угол 60 ± 5 ^o (угол откидывания установлен экспериментальным путем) открывая доступ для прохождения изделия вверх; одновременно освобождается нижнее уплотнение.

После вакуумирования и заполнения газом изделие подают к сварочной головке (фиг.1) для выполнения торцевого шва, которым одновременно сплавляют оболочку с заглушкой и заполняют осевое отверстие. Цикл сварки начинается с касания заглушки электрода головки. Во избежание повреждения электрода от удара при подъеме предусмотрена упругая компенсация за счет пружины 5 в узле подъема 6.

В качестве сварочной головки может быть использована, например, известная установка для сварки дугой, управляемой магнитным полем (см. "Опыт создания установок для дуговой сварки оболочек из циркониевых сплавов в струе защитного газа". Б.Р. Рябченко, М.С. Гриценко и др. "Вопросы атомной науки и техники. Серия: Сварка в ядерной технологии, вып. 2(15), 1985 г. стр. 14-19). Этого типа установки работают в настоящее время в цикле с независимыми устройствами для опрессовки изделий гелием и последующей постановки заглушек, не имеющих осевых отверстий. Головка сварочной установки и устройства опрессовки гелием постановки заглушек размещают в таком случае параллельно, на некотором расстоянии друг от друга, и связаны дополнительным транспортером - манипулятором.

Предлагаемая для установки схема предусматривает расположение сварочной головки и устройства опрессовки газом на одной оси без механизма постановки заглушки.

При касании изделием электрода сварочной головки замыкается цепь электрод изделие и выдается команда на отключение механизма подъема и на зажатие изделия в губках сварочной головки. Горелка последней поднимается на заданный уровень дугового промежутка, возбуждается дуга, выполняется торцевой шов. По остывания шва в потоке газа (10-15 с) изделие освобождается из губок и подается ниже на площадке, проходя микрокамеру. Время на разгерметизацию микрокамеры после заполнения твэла гелием, подачу его вверх к сварочной головке и возбуждение дуги оставляет менее 5 с. За время переноса твэла через отверстие в заглушке (диаметром 1,5-2 мм) происходит сброс давления в твэле от 1,3-1,5 атм/(1,3-1,5) • 10⁵ Па/ до 1,0-1,05 атм /(1,0-1,05) • 10⁵ Па/. Объемное содержание гелия в твэле остается на уровне 94-97% Чтобы обеспечить более стабильное содержание гелия в твэлах, давление этого газа при опрессовке повышают до ≥ 2 • 10⁵ Па. Тогда существенного снижения гелия при транспортировании к сварочной головке не происходит даже в течение 10-15 с. Получают изделия, соответствующие требованиям конструкторской документации.

Выбор величины давления опрессовки твэла гелием в зависимости от длительности времени от опрессовки до герметизации осуществляется по следующей эмпирической зависимости:
Р А • τ_кр,
где Р давление опрессовки в Па,
А- согласующий коэффициент в пределах (0,08-0,12) ^o 10⁵ Па/с,
τ время от опрессовки до герметизации в с.

Расход гелия на установках с разными вариантами решения (с учетом коммуникаций) показан в таблице.

В результате реализации предложенные устройства достигают следующие новые технические результаты:
повышения производительности за счет уменьшения объема работ по сварке и сопутствующей ей операций. Вместо двух сварочных процессов (по прототипному решению сварка заглушки с оболочкой + заплавление отверстия в заглушке) используется один (сварка и заплавление за один прием);
сокращение количества оборудования и рабочих мест;
возможности автоматизации процесса, который требуется при изготовлении изделий с токсичными материалами, в первую очередь твэлов со смешанным (UPuO₂) топливом;
повышении качества герметизирующего соединения твэла за счет уменьшения попадания в шов топливной пыли;
уменьшения расхода инертных газов. Во-первых за счет уменьшения числа сварочных операций, проводимых под защитой таких газов; во-вторых, минимизации объема камеры опрессовки твэла.

Использование: для изготовления тепловыделяющих элементов, стержней с выгорающими поглотителями и т.п. Сущность изобретения: проходная микрокамера с системами вакуумирования и заполнения газом располагается непосредственно под сварочной головкой. Корпус микрокамеры снабжен верхней откидной крышкой с торцевым уплотнением, закрепленной под сварочной головкой. В корпусе микрокамеры выполнены раздельные боковые каналы для вакуумирования и заполнения газом. В нижней части микрокамеры установлен стакан с прижимным кольцом, в котором размещен упругий уплотнительный элемент обжимного типа. Устройство содержит также узел вертикального перемещения твэла, размещенный соосно под микрокамерой. Способ заполнения твэлов газом и последующей герметизации предусматривает размещение твэла с заранее установленной заглушкой с осевым отверстием в микрокамере, вакуумирование внутренней полости твэла через осевое отверстие в заглушке, заполнение твэла газом при давлении, более высоком чем требуется в твэле после герметизации, после заполнения твэла газом твэл перемещают к сварочной головке и одновременно с заплавлением отверстия осуществляют сплавление оболочки с заглушкой, образуя единый торцевой шов. Величина требуемого избыточного давления Р_изб и время транспортировки твэла к сварочной головке τ_тр связаны соотношением
P_изб= A•τ_тр,
где
А = (0,08-0,12)•10⁵ Па/с. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для заполнения твэлов газом и последующей герметизации, содержащее микрокамеру с системами вакуумирования и заполнения твэла газом, сварочную головку и систему уплотнения твэла в осевом отверстии микрокамеры для прохода твэла, отличающееся тем, что осевое отверстие для прохода твэла выполнено сквозным, при этом в корпусе микрокамеры, снабженной верхней откидной крышкой с торцевым уплотнением и закрепленной под сварочной головкой, размещенной вне камеры над осевым сквозным отверстием, выполнены раздельные боковые каналы для вакуумирования и заполнения твэла газом, а в нижней части микрокамеры установлен стакан с прижимным кольцом, в котором размещен упругий уплотнительный элемент обжимного типа, при этом устройство дополнительно содержит узел вертикального перемещения твэла, размещенный соосно под микрокамерой. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система уплотнения камеры снабжена исполнительным механизмом клинорычажного типа, имеющим распределительный клин, под которым расположена закрепленная в плите роликоопора, снабженная рычагом, конец которого, обращенный к стакану микрокамеры, выполнен в виде вилки, а на конце, примыкающем к верхней крышке микрокамеры, установлен регулирующий элемент с роликоопорой. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что под стаканом с прижимным кольцом установлено цилиндрическое опорное кольцо, имеющее сферической формы опорные поверхности, обращенные к вилке рычага и стакану нажимной площадки. 4. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что верхняя крышка с торцевым уплотнителем выполнена в виде скобы и основания с упругим уплотнительным материалом, причем скоба расположена по отношению к основанию под углом в 55 65^o, а в самой скобе выполнена прорезь для кольца роликоопоры. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел вертикального перемещения твэла снабжен грузовой площадкой и упругим элементом компенсации перемещения, выполненным, например, в виде пружины, расположенной под грузовой площадкой. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в корпусе микрокамеры расположен датчик, например, тактильного (осязательного) типа. 7. Способ заполнения твэлов газом и последующей герметизации, включающий размещение твэла с заранее установленной заглушкой с осевым отверстием в микрокамере, вакуумирование внутренней полости твэла через осевое отверстие в заглушке, заполнение твэла газом и последующую его герметизацию, отличающийся тем, что заполнение твэла газом ведут при давлении более высоком, чем требуется в твэле после герметизации, после заполнения твэла газом твэл перемещают к сварочной головке и одновременно с заплавлением отверстия осуществляют сплавление оболочки с заглушкой, образуя единый торцевой герметизирующий шов, причем величина требуемого избыточного давления и время транспортировки твэла к сварочной головке связаны соотношением
P_изб.=A•τ_p
где Р_изб. избыточное давление, Па;
А согласующий коэффициент в пределах (0,08 0,12) • 10⁵ Па/с;
τ_p время транспортировки твэла к сварочной головке, с.