СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБОЛОЧКИ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА И АВТОМАТИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G21C21/02 

Изобретение относится к ядерной энергетике и может найти применение при изготовлении оболочек для тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) для ядерного реактора.

Известен способ изготовления оболочки тепловыделяющего элемента и установка для его осуществления, включающего загрузку оболочек с запрессованными в них заглушками в вакуумную камеру электронно-лучевой установки и электронно-лучевую сварку кольцевого шва оболочки с заглушкой. Установка для электронно-лучевой сварки кольцевых швов содержит вакуумную камеру с установленной на ней электронно-лучевой пушкой, загрузочный барабан с механизмом шагового поворота (см. а.с. СССР N 1087287, кл. B 23 K 15/00).

Вакуумная камера установки для электронно-лучевой установки вмещает в себя до 120 штук 4-х метровых оболочек, имеет большой объем, требующий длительного времени для создания вакуума (10^-5-10^-6 мм. рт. ст.), что снижает ее производительность. Кроме того, загрузка оболочек с запрессованными заглушками и выгрузка оболочек после сварки осуществляется вручную, что делает невозможным ее применение в высокопроизводительных автоматических линиях.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ изготовления оболочки ТВЭЛ, включающий операции:
отрезки трубки в размер оболочки;
контроля длины трубки;
калибровки конца трубки-оболочки;
обезжиривания наружной и внутренней поверхностей;
сушки оболочки;
запрессовки заглушки в калиброванный торец оболочки, взвешивания и электронно-лучевой сварки заглушки к оболочке (см. Техпроцесс изготовления ТВЭЛ 02.201.00026 от 02.07.89 г. АО ОТ Новосибирский завод химконцентратов).

Известна автоматическая линия для осуществления способа изготовления оболочки ТВЭЛ, содержащая наклонный стол, вдоль которого в технологической последовательности размещены механизмы:
отрезки трубок в размер оболочки, контроля длины оболочки в виде подвижного в осевом направлении и неподвижного упоров с датчиками, калибровки конца оболочки;
ванны обезжиривания, промывки и сушки наружной и внутренней поверхностей оболочек с механизмом роторно-рычажного перемещения оболочек из ванны в ванну, установленные после первого наклонного стола;
второй наклонный стол, вдоль которого в технологической последовательности размещены механизмы;
запрессовки заглушки в один конец оболочки, взвешивания и установку электронно-лучевой сварки с непрерывной загрузкой и выгрузкой оболочек, включающую рабочую камеру, камеры предварительного вакуумирования с уплотнителями для ввода оболочек, загрузочное устройство в виде бесконечного транспортера с гнездами для оболочек, связанного с расположенным над ним барабаном, находящимся вне рабочей камеры, в средней части которого на станине закреплен фрикционный привод перемещения оболочек, снабженный подъемником в виде двух пар роликов, одна из которых расположена на позиции ввода оболочек, а другая на позиции вывода, снабжена захватом для съема оболочек из загрузочного барабана и расположена в крайнем нижнем положении ниже рабочей части гнезд транспортера. (см. Техпроцесс изготовления ТВЭЛ 02201.00026 от 02.07.89 г. АО ОТ Новосибирский завод химконцентратов). Недостатком является невозможность выполнения автоматической электронно-лучевой сварки трубчатой оболочки с заглушкой, так как в установке электронно-лучевой сварки отсутствует устройство для автоматической герметизации открытого торца трубчатой оболочки, находящегося на воздухе, в то время как ее (оболочки) противоположный конец с привариваемой заглушкой находится в вакууме, величина которого при сварке должна составлять 10^-5-10^-6 мм. рт. ст. Создавать требуемую величину вакуума в рабочей камере сварки при указанном положении свариваемой оболочки (место сварки оболочки в рабочей камере, а другой ее конец на воздухе) невозможно.

Если же будет достигнут требуемый вакуум, то при сварке стыка оболочки и заглушки произойдет заброс расплавленного металла оболочки струей воздуха в рабочую камеру и разрыв оболочки в месте сварки за счет разницы давлений в рабочей камере сварки и оболочке, сообщенной с воздухом. Целью изобретения является повышение производительности и качества сварки. Эта цель достигается тем, что в способе изготовления оболочки ТВЭЛа, включающем операции:
отрезки трубки в размер, контроле длины трубки;
калибровки конца трубки-оболочки;
обезжиривания наружной и внутренней поверхностей;
сушка оболочки;
запрессовки заглушки в калиброванный торец оболочки;
взвешивания и электронно-лучевой сварки заглушки к оболочке.

Согласно изобретения перед запрессовкой в один торец оболочки заглушки на ее посадочном месте предварительно выполняют горизонтальный и вертикальный технологические каналы "лыски", а второй конец оболочки, находящийся вне рабочей камеры при электронно-лучевой сварке изолируют от воздуха на время сварки.

Эта цель достигается также и в автоматической линии для осуществления способа изготовления оболочки ТВЭЛ, содержащей наклонный стол, вдоль которого в технологической последовательности размещены механизмы:
отрезки трубок в размер оболочки, контроля длины оболочки в виде подвижного в осевом направлении и неподвижного упоров с датчиками;
калибровки конца оболочки;
ванны обезжиривания, промывки и сушки наружной и внутренней поверхностей оболочек с механизмами роторно-рычажного перемещения оболочек из ванны в ванну, установленных после первого наклонного стола;
второй наклонный стол, вдоль которого в технологической последовательно размещены механизмы:
запрессовки заглушки в один конец оболочки;
взвешивания и установку электронно-лучевой сварки с непрерывной загрузкой и выгрузкой оболочек, включающую рабочую камеру, камеры предварительного вакуумирования с уплотнителями для ввода оболочек, загрузочное устройство в виде бесконечного цепного транспортера с гнездами для оболочек, связанного с расположенным над ним барабаном, находящимся вне рабочей камеры, в средней части которого на станине закреплен фрикционный привод перемещения оболочек, снабженный подъемником в виде двух пар роликов, одна из которых расположена на позиции ввода оболочек, а другая на позиции вывода, снабжена захватом для съема оболочек из загрузочного барабана и расположена в крайнем нижнем положении ниже рабочей части гнезд транспортера; согласно изобретения автоматическая линия снабжена устройством для автоматической постановки перед сваркой и съема после сварки технологических заглушек.

Другим отличием является то, что устройство для автоматической постановки перед сваркой и съемом после сварки технологических заглушек выполнено из комплекта таких заглушек, размещенных в кассете, в которой в плоскости сквозного канала шарнирно закреплено коромысло, одним концом упирающееся в торец технологической заглушки, имеющий с другой стороны подпружиненное через втулку с кольцевой проточкой эластичное уплотнение, а другим в торец фиксатора, установленного в пазу, пересекающем этот канал и имеющем ширину, меньшую кольцевой проточки на втулке технологической заглушки, второй конец фиксатора связан с силовым приводом, размещенным совместно с кассетой на корпусе приводного цилиндра, установленного на направляющих штангах, закрепленных в опорах, расположенных со стороны открытого конца оболочек за позициями их загрузки и выгрузки, при этом, одна из направляющих является штоком приводного цилиндра и имеет с двух сторон регулируемые упоры.

Отличием является то, что пружина технологической заглушки закрыта корпусом, являющимся регулируемым упором для изменения усилий поджатия уплотнения, а технологическая заглушка выполнена в виде пули.

Отличием является то, что устройство для автоматической постановки перед сваркой и съема после сварки технологических заглушек выполнено из возвратно-поступательных горизонтально подвижных с помощью пневмоцилиндра технологических заглушек в виде цанговых зажимов с уплотняющими эластичными втулками, размещенных на штырях в секции поворотного барабана и установленных соосно оболочкам на поворотном барабане. Изоляция второго конца оболочки, находящегося при сварке вне камеры на воздухе, от воздуха и предварительное выполнение на посадочном месте заглушки горизонтального и вертикального технологических каналов "лысок" позволит автоматизировать процесс изготовления оболочки и увеличить производительность в два раза за счет "лысок" на заглушках, через которые идет за минимально короткое время вакуумирование оболочек при изоляции другого конца оболочек от воздуха.

За счет исключения попадания воздуха в место электронно-лучевой сварки повышается и качество сварного шва. "Лыски" же при сварке не оказывают какого-либо ухудшения качества сварки.

Наличие в устройстве комплекта технологических заглушек в виде пуль или в виде глухих втулок, равным количеству уплотнений ввода свариваемых торцов оболочек с заглушками позволяет осуществить герметизацию оболочек, находящихся на воздухе, от воздуха и снять технологические заглушки с помощью коромысла или возвратного устройства после сварки заглушек с лысками к торцам оболочек.

На фиг. 1 изображена автоматическая линия изготовления оболочек ТВЭЛ; на фиг. 2 установка для электронно-лучевой сварки; на фиг. 3 установка для электронно-лучевой сварки; на фиг. 4 заглушка; на фиг. 5 устройство для автоматический постановки и съема технологических заглушек; на фиг. 6 - технологическая заглушка; на фиг. 7 устройство для автоматической постановки и съема технологических заглушек.

Автоматическая линия изготовления оболочек ТВЭЛ (фиг. 1) содержит транспортное средство наклонный стол 1, вдоль которого в технологической последовательности размещены подвижные в осевом направлении механизмы: отрезки 2 труб 3 в размер, контроля длины трубки-оболочки в виде выдвижного в осевом направлении упора 4 и неподвижного упора 5, с датчиками (не показаны), калибровки 6 конца трубки-оболочки, ванны 7 обезжиривания промывки и сушки наружной и внутренней поверхности трубок-оболочек с механизмами роторно-рычажного перемещения из ванны в ванну (не показано), наклонный стол 8, вдоль которого в технологической последовательности размещены механизмы запрессовки 9 заглушки 10, взвешивания 11 трубки-оболочки с запрессованной заглушкой и установку 12 электронно-лучевой сварки.

Наклонный стол 1 снабжен отсекателями и выталкивателями поштучной подачи трубки-оболочки с позиции на позицию (не показано).

Наклонный стол 8 также снабжен отсекателями 13 поштучной подачи трубки-оболочки с позиции на позицию (показаны отсекатели 13).

Электроно-лучевая установка 12 (см. фиг. 2, 3) состоит из рабочей камера 14, в которой размещены по периметру камеры предварительного вакуума 15, а также позиции загрузки 16 и выгрузки 17 оболочек 3, каждая из которых снабжена уплотнителями 18 для ввода оболочек в вакуумные камеры и позиции загрузки и выгрузки.

Напротив рабочей камеры расположен поворотный барабан 19, в средней части, на станине которого закреплены фрикционный привод 20 перемещения оболочек 3, снабженный подъемником 21 и представляющий собой две пары роликов, одна из которых 22, расположена на позиции ввода оболочек, а другая 23 на позиции вывода и снабжена захватом 24 для съема оболочек из загрузочного барабана. Под барабаном расположен бесконечный цепной транспортер 25 с гнездами 26 для оболочек 3.

Заглушка 10 (фиг. 4) снабжена горизонтальной 27 и вертикальной 28 лысками своеобразными технологическими каналами, предназначенными для откачки через них воздуха из-под оболочки при изоляции другого конца оболочки от воздуха. Размеры лысок, обеспечивающих требуемое качество сварного шва приведены в таблице.

Как видно из таблицы величина вакуума в сварочной камере во всех случаях применяемых лысок соответствует установленным требованиям в технологии электронно-лучевой сварки.

Установка 12 электронно-лучевой сварки содержит устройство для автоматической постановки и снятия технологических заглушек, выполненное в двух вариантах.

Вариант 1 (фиг. 5). По первому варианту при сварке одного торца трубки 3 с заглушкой 10 для изоляции от воздуха, другого торца трубки 3 использованы съемные технологические заглушки 29, размещенные в кассете 30, в которой в плоскости сквозного канала 31 шарнирно закреплено коромысло 32, одним концом упирающееся в торец технологической заглушки 29, лежащей в сквозном канале кассеты, а другим в торец фиксатора 33, установленного в пазу 34, пересекающем этот канал. Второй конец фиксатора связан с силовым приводом 35, размещенным совместно с кассетой на корпусе приводного цилиндра 36, установленного на направляющих 37, 38, закрепленных на опорах 39. Направляющая 38 снабжена упорами 40. Технологическая заглушка 29 (фиг. 6) состоит из заходной части 41, направляющей 42, втулки 43 с кольцевой проточкой 44, между втулкой и торцом заходной части при помощи пружины 45 зажато уплотнение 46.

Усилие зажатия уплотнения регулируется при помощи корпуса 47.

Вариант 2 (фиг. 7). По второму варианту при сварке одного торца трубки 3 с заглушкой 10 для изоляции от воздуха другого торца трубки 3 использованы горизонтально-подвижные в возвратно-поступательном направлении технологические заглушки в виде цанговых зажимов 48 с уплотняющими эластичными втулками 49, помещенных на штырях 50 в секции 51 поворотного барабана соосно оболочкам 3 и снабженных пневмоцилиндрами 52, 53 установки технологических заглушек и их съема.

Способ изготовления оболочки тепловыделяющего элемента осуществляют следующим образом. На наклонном столе 1 размещают трубку 3 и с помощью подвижных в осевом направлении вращающихся механизмов 2 отрезают трубку 3 в размер. По наклонному столу 1 трубка 3 скатывается на позицию замера длины, где с помощью подвижного в осевом направлении упора 4 и неподвижного упора 5 осуществляют контроль длины трубки 3. Трубка после контроля длины перекатывается на позицию калибровки 6 конца трубки-оболочки, где осуществляется калибровка одного торца. После калибровки трубка-оболочка 3 поступает в ванны 7 обезжиривания, промывки и сушки наружной и внутренней поверхностей, где перемещается из ванны в ванну с помощью роторно-рычажных механизмов (не показаны). После сушки оболочка поступает на наклонный стол 8, где с помощью подвижного в осевом направлении механизма 9 запрессовки заглушка 10 запрессовывается в калиброванный торец трубки-оболочки.

Предварительно на заглушке 10 на посадочных местах (горизонтальная и вертикальная часть) выполняется лыска 27 на горизонтальной части и лыска 28 на вертикальной части. После запрессовки заглушки в оболочку, последняя поступает на позицию 11 взвешивания и с помощью отсекателей 13 поштучной подачи на установку 12 электронно-лучевой сварки заглушки 10 к оболочке 3. Все операции осуществляются автоматически с применением отсекателей, выталкивателей и датчиков, которые на чертеже не показаны. Оболочка 3, собранная со свариваемого торца с привариваемой заглушкой 10 с лысками 27, 28, по наклонному столу 8 укладывается в гнезда 26 транспортера 25 и пошагово перемещается в горизонтальной плоскости. Перемещение осуществляется до тех пор, пока первая оболочка 3 не попадет на позицию загрузки 16.

Включается подъемник 21 и оболочка 3 перемещается в барабан 19.

Пример 1. Включается пара роликов 22 и оболочка 3 перемещаясь в осевом направлении входит открытым концом в сквозной канал 31 кассеты 30. Технологические заглушки 29, при этом, находятся в кассете 30, занимающей при помощи цилиндра 36 и упора 40 крайнее правое положение.

Фиксатор 33 перемещается по пазу 34 приводом 35 и входит в кольцевую проточку 44 втулки 43 технологической заглушки, находящейся в сквозном канале 31 кассеты. Своим концом фиксатор давит на коромысло 32, второй конец которого передает это усилие на корпус 47 технологической заглушки. Так как технологическая заглушка застопорена фиксатором, то под действием осевого усилия пружина 45 сжимается, направляющая 42 с заходной частью 41 перемещается в направлении действия осевого усилия. Расстояние между втулкой 43 и торцами заходной части 41 увеличивается, уплотнение 46 разжимается. При этом его диаметр становится меньше диаметра заходной части 41. Так как уплотнение 46 находится в отжатом состоянии, то заходная часть 41 и уплотнение входят внутрь оболочки до упора ее торца во втулку 43. Фиксатор 33 освобождает втулку 43. При этом осевое усилие с торца технологической заглушки 29, находящейся в сквозном канале 31, снижается. Под действием пружины 45 уплотнение 46 обжимается, его диаметр увеличивается к внутренней поверхности оболочки 3.

Ролики 22 включаются на реверс, оболочка 3 с технологической заглушкой на торце выходит из устройства одевания технологической заглушки и загружается торцом с заглушкой 10 в установку электронно-лучевой сварки. После выхода технологической заглушки из сквозного канала, следующая технологическая заглушка под действием силы тяжести попадает в него. Вновь включается фиксатор 33, подготавливая прием следующей оболочки.

В это время барабан 19 делает поворот, перемещая оболочки с загерметизированной технологической заглушкой торцом в первую по ходу вакуумную камеру 15. Одновременно кинематически связанный с барабаном транспортер делает шаг и первая оболочка подается в барабан и занимает положение, соосное со сквозным каналом кассеты, в которой уже находится новая технологическая заглушка (очередная) с разжатым уплотнением. Такие циклы повторяются до тех пор, пока оболочка не попадает в вакуумную камеру, где осуществляется сварка. Вакуумирование из внутренней части оболочки в вакуумных камерах осуществляется через каналы заглушки 10, образованные лысками 27, 28. Все последующие циклы идут со сваркой оболочек. Так продолжается до тех пор, пока первая оболочка не попадет на позицию выгрузки 17. Перед выгрузкой во время сварки очередной оболочки корпус приводного цилиндра 36 перемещается до упора 40 в крайнее правое положение. Кассета, из которой уже забраны все технологические заглушки, занимает положение, при котором ее сквозной канал устанавливается соосно с оболочкой на позиции выгрузки. Включаются ролики 23, первая сваренная оболочка выгружается из установки и торцом с технологической заглушкой входит в сквозной канал 31 кассеты 30 до упора в коромысло 32. Вновь включается фиксатор 33, который стопорит технологическую заглушку и через коромысло разжимает уплотнение 46. Ролики 23 включаются на определенное время на реверс и выводят торец оболочки из кассеты, а технологическая заглушка, застопоренная фиксатором остается в кассете. Захват 24 сгружает заваренную оболочку из барабана на транспортер. Корпус приводного цилиндра с кассетой и технологической заглушкой возвращается в крайнее левое положение. После окончания сварки очередной оболочки включается поворот барабана, транспортер делает шаг, цикл работ повторяется.

Пример 2. Оболочка 3 с заглушкой 10, находящаяся в гнездах 26, транспортером 25 горизонтально подается и аналогично как в примере 1 подается на барабан 19. При этом, горизонтально подвижные в возвратно-поступательном направлении технологические заглушки в виде цанговых зажимов 48 с уплотняющими эластичными втулками 49 на штырях 50 размещены в секции 51 соосно оболочкам 3 на барабане 19.

Пневмоцилиндром 52 технологическая заглушка цанговым зажимом 48 подается на открытый торец оболочки 3 и уплотняет его эластичной втулкой 49. Последующие оболочки уплотняются аналогичным образом. Подача оболочек на сварку с заглушками и возврат после сварки осуществляют аналогично, как в примере 1. Съем технологических заглушек после сварки осуществляют с помощью пневмоцилиндра 53, который разжимает цанговый зажим и сваренная оболочка снимается с барабана и транспортером 25 выводится на последующие операции снаряжения тепловыделяющего элемента.

Из 3000 циклов отказов в устройстве и системе управления не было, как по первому варианту, так и по второму варианту. После чего, на штатном режиме заварено 100 оболочек, имитирующие штатные тепловыделяющие элементы. Заглушки имели лыски для откачки воздуха из-под оболочек в мм
0,1 х 0,1 20 шт.

0,2 х 0,2 20 шт.

0,3 х 0,3 20 шт.

0,4 х 0,4 20 шт.

0,5 х 0,5 20 шт.

В результате 100% рентгенографического и ультразвукового контроля дефектов в сварных швах не обнаружено. Сварные швы по геометрическим размерам соответствовали предъявляемым требованиям.

Предложенные варианты технологических заглушек и их автоматическая установка и снятие с открытого торца оболочки позволяет полностью автоматизировать процесс изготовления оболочек и сварки их с заглушками, что дает возможность вдвое уменьшить количество обслуживающего персонала и одновременно в два раза увеличить производительность процесса в два раза качеством сварки.

Использование: изобретение относится к ядерной энергетике и может найти применение при изготовлении оболочек для твэл ядерного реактора. Сущность изобретения: перед запрессовкой в торец оболочки тепловыделяющего элемента заглушки на ее посадочном месте предварительно выполняют горизонтальный и вертикальный технологические каналы "лыски", а второй конец оболочки, находящийся вне рабочей камеры при электроннолучевой сварке, изолируют от воздуха на время сварки. Для осуществления способа автоматическая линия снабжена устройством для автоматической постановки перед сваркой и съема после сварки технологических заглушек. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 7 ил. 1 табл.

1. Способ изготовления оболочки тепловыделяющего элемента, включающий операции отрезки в размер, контроля длины, калибровки конца оболочки, обезжиривания наружной и внутренней поверхностей, сушки оболочки, запрессовки заглушки в калиброванный торец оболочки, взвешивания и электронно-лучевой сварки заглушки к оболочке, отличающийся тем, что перед запрессовкой в торец оболочки заглушки на ее посадочном месте предварительно выполняют горизонтальный и вертикальный технологические каналы "лыски", а второй конец оболочки, находящийся вне рабочей камеры при электронно-лучевой сварке, изолируют от воздуха на время сварки. 2. Автоматическая линия для осуществления способа изготовления оболочки тепловыделяющего элемента, содержащая наклонный стол, вдоль которого в технологической последовательности размещены механизмы отрезки трубок в размер оболочки, контроля длины оболочки в виде подвижного в осевом направлении и неподвижного упоров с датчиками, калибровки конца оболочки, ванны обезжиривания, промывки и сушки наружной и внутренней поверхностей оболочек с механизмами роторно-рычажного перемещения оболочек из ванны в ванну, установленные после первого наклонного стола, второй наклонный стол, вдоль которого в технологической последовательности размещены механизмы запрессовки заглушки в один конец оболочки и взвешивания, и установку электронно-лучевой сварки с непрерывной загрузкой и выгрузкой оболочек, включающую рабочую камеру, камеры предварительного вакуумирования с уплотнениями для ввода оболочек, загрузочное устройство в виде бесконечного цепного транспортера с гнездами для оболочек, связанного с расположенным над ним барабаном, находящимся вне рабочей камеры, в средней части которого на станине закреплен фрикционный привод перемещения оболочек, снабженный подъемником в виде двух пар роликов, одна из которых расположена на позиции ввода оболочек, а другая - на позиции вывода, снабжена захватом для съема оболочек из загрузочного барабана и расположена в крайнем нижнем положении ниже рабочей части гнезд транспортера, отличающаяся тем, что она снабжена устройством для автоматической постановки перед сваркой и съема после сварки технологических заглушек. 3. Линия по п. 2, отличающаяся тем, что устройство для автоматической постановки перед сваркой и съема после сварки технологических заглушек выполнено из комплекта таких заглушек, размещенных в кассете, в которой в плоскости сквозного канала шарнирно закреплено коромысло, одним концом упирающееся в торец технологической заглушки, имеющей с другой стороны подпружиненное через втулку с кольцевой проточкой эластичное уплотнение, а другим в торец фиксатора, установленного в пазу, пересекающем этот канал и имеющем ширину, меньшую ширины кольцевой проточки на втулке технологической заглушки, второй конец фиксатора связан с силовым приводом, размещенным совместно с кассетой на корпусе приводного цилиндра, установленного на направляющих штангах, закрепленных в опорах, расположенных со стороны открытого конца оболочек за позициями их загрузки и выгрузки, при этом одна из направляющих является штоком приводного цилиндра и имеет с двух сторон регулируемые упоры. 4. Линия по п. 3, отличающаяся тем, что пружина технологической заглушки закрыта корпусом, являющимся регулируемым упором для изменения усилий поджатия уплотнения, а технологическая заглушка выполнена в виде пули. 5. Линия по п. 2, отличающаяся тем, что устройство для автоматической постановки перед сваркой и съема после сварки технологических заглушек выполнено из возвратно-поступательных горизонтально подвижных с помощью пневмоцилиндра технологических заглушек в виде цанговых зажимов с уплотняющими эластичными втулками, размещенных на штырях в секции поворотного барабана и установленных соосно оболочкам на поворотном барабане.