СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБЧАТОГО ПЕРЕХОДНИКА ИЗ ЦИРКОНИЕВОГО СПЛАВА И СТАЛИ Российский патент 1997 года по МПК B23K20/00 

Изобретение относится к области сварки разнородных металлов, а более конкретно циркониевых сплавов и стали, и может применяться при изготовлении переходников из циркониевого сплава и стали, которые используются как биметаллические вставки при сварке каналов из циркониевых сплавов со стальными трубопроводами контура циркуляции теплоносителя в ядерных реакторах.

Известен способ изготовления трубчатого переходного соединения из циркониевого сплава и стали (см. Symposium on sone Engineering Aspects of the Winfrith Steam Generating Heavy Water Reaktor. 1967, 18.V. p. 1 137), заключающийся в сборке трубы из циркониевого сплава и концевой втулки из нержавеющей стали, на внутренней поверхности которой выполнены концевые канавки, и последующей раздаче вставленного в концевую втулку конца трубы из циркониевого сплава. Раздача осуществляется с помощью вращающегося устройства для роликовой развальцовки, установленного внутри трубы. Герметичное соединение между циркониевой трубой и стальной концевой втулкой образуется за счет увеличения диаметра конца трубы из циркониевого сплава.

Недостатком известного способа является то, что трубчатые переходные соединения, изготовленные известным способом, при эксплуатации в условиях ядерного реактора, имеют ограниченный ресурс работоспособности из-за водородного охрупчивания циркониевых концов труб, которые ввальцованы в концевые втулки из нержавеющей стали. В процессе развальцовки при подаче конуса инструмента происходит раздвижение конусных роликов, что приводит к деформациям циркониевой трубы в месте развальцовки. В процессе деформации в стенке циркониевой трубы возникают высокие напряжения, в том числе и в виде наклепа, которые обеспечивают герметичность вальцованному соединению. Чем выше механические напряжения в трубе, тем лучше обеспечивается герметичность соединения. Уменьшение этих напряжений известным способом, например термообработкой, приводит к снижению надежности соединения. Поэтому в развальцованных соединениях всегда присутствует высокое напряженное состояние. Из металловедения циркония известно, что в циркониевых сплавах при длительной эксплуатации водород имеет склонность к миграции и локальному накапливанию в местах с высоким уровнем напряжения. В связи с этим свойством водорода в зоне развальцовки циркониевой трубы, имеющей высокий уровень напряжения, происходит постепенное нарастание концентрации водорода, который образуется в процессе эксплуатации в результате коррозионных и радиационных процессов. Водород при больших концентрациях образует с цирконием хрупкие гидриды, которые приводят к охрупчиванию и растрескиванию стенок циркониевой трубы и, как следствие, к нарушению герметичности соединения.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является способ изготовления трубчатого переходника и циркониевого сплава и стали (см. а. с. СССР N 202404, МПК H 05 B, опубл. 14.09.67 г), включающий сборку (свинчивание) заготовок, которые выполнены в виде резьбовых втулок из циркониевого сплава и стали, диффузионную сварку собранных заготовок, и механическую обработку сваренной заготовки в требуемые размеры. Диффузионная сварка включает нагрев в вакууме до температуры свыше 800 градусов Цельсия, сдавливание свариваемых резьбовых поверхностей, выдержку при температуре сварки и охлаждение в вакууме.

Недостатком известного способа является то, что трубчатые переходники, изготовленные известным способом, имеют ограниченный ресурс работоспособности, поскольку при эксплуатации переходников в условиях ядерного реактора, где температура теплоносителя превышает 200 градусов Цельсия, они начинают коррозировать. Коррозии подвергается циркониевая часть трубчатого переходника, при этом циркониевая поверхность покрывается белой окисной пленкой, которая при длительной эксплуатации начинает осыпаться. Это объясняется тем, что в процессе диффузионной сварки стальной и циркониевой частей переходника, т.е. при нагреве свыше 700 градусов Цельсия, в цирконии происходят фазовые превращения, а именно альфа-фаза переходит в бэта-фазу, которая характеризуется низкой коррозионной стойкостью в горячей воде (свыше 200 градусов Цельсия).

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа изготовления трубчатого переходника из циркониевого сплава и стали, при котором обеспечивается необходимый ресурс работоспособности переходников при длительной эксплуатации в условиях ядерного реактора.

Технический результат заключается в том, что при осуществлении настоящего способа изготовления трубчатого переходника из циркониевого сплава и стали, наружная и внутренняя поверхности циркониевой части переходника приобретают устойчивое равновесное состояние, характеризующееся высокой коррозионной стойкостью в горячей воде (свыше 200 градусов) за счет поверхностного наклепа циркониевой части переходника, при котором происходит дробление зерен циркониевого сплава, последующего снятия напряжения в этом слое.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления трубчатого переходника из циркониевого сплава и стали, включающем сборку заготовок, диффузионную сварку в вакууме и механическую обработку сварного соединения, после механической обработки внутреннюю и наружную поверхность циркониевой части переходника поверхностно деформируют на глубину не менее 200 мкм, а затем термообрабатывают в вакууме при температуре 535 565 градусов Цельсия не менее 15 ч.

Кроме того, поверхностную деформацию циркониевой части переходника осуществляют многопроходной обкаткой роликом или шариком.

Кроме того, при обкатке обеспечивают относительную деформацию поверхностного слоя металла не менее 40 процентов.

Кроме того, термообработку проводят при давлении в вакуумной печи не выше 2•10 мм рт.ст. На фиг. 1 представлен общий вид трубчатого переходника из циркониевого сплава и нержавеющей стали, а на фиг. 2 показано место 1 (в увеличенном масштабе) после поверхностной деформации циркониевой части переходника.

Трубчатый переходник выполнен в виде нахлесточного диффузионного сварного соединения и состоит из двух втулок: из охватываемой втулки 1 из циркониевого сплава и охватывающей втулки 2 из нержавеющей стали. Циркониевая часть переходника имеет внутреннюю поверхность 3 и наружную поверхность 4, которые характеризуются высокой коррозионной стойкостью в горячей воде за счет поверхностного наклепа циркониевой части переходника, при котором происходит дробление зерен циркониевого сплава на глубине не менее 200 мкм, и последующего снятия напряжения в этом слое.

Способ изготовления трубчатого переходника из циркониевого сплава и стали осуществляют следующим образом.

В заготовку из нержавеющей стали в виде втулки 2, с предварительно механически обработанной внутренней поверхностью для сварки, устанавливают заготовку из циркониевого сплава в виде втулки 1 с предварительно обработанной наружной поверхностью для сварки, при этом нахлесточному соединению обеспечивают взаимное прилегание по обработанным поверхностям. Собранное нахлесточное соединение помещают в вакуумную печь, нагревают в вакууме до температуры 900 градусов Цельсия и сжимают свариваемые поверхности между собой в прессформе с усилием, равным 2 кг/мм. Соединение в сжатом состоянии выдерживают 5 мин, после чего охлаждают в вакууме до температуры 300 градусов Цельсия. Охлажденное нахлесточное диффузионное сварное соединение механически обрабатывают на токарном станке в заданный размер переходника. После обезжиривания трубчатого переходника внутреннюю 3 и наружную 4 поверхности втулки 2 из циркониевого сплава подвергают поверхностной многопроходной деформации с помощью обкатки роликом или шариком на глубину не менее 200 мкм при этом обеспечивают относительную деформацию поверхностного слоя металла не менее 40 процентов. Затем трубчатый переходник из циркониевого сплава стали термообрабатывают в вакууме при температуре 535 565 градусов Цельсия не менее 15 часов при давлении в печи не выше 2•10 мм рт.ст.

Изобретение относится к области сварки циркониевых сплавов и стали и может применяться при изготовлении переходников из циркониевого сплава и стали, которые используются как биметаллические вставки при сварке каналов из циркониевых сплавов со стальными трубопроводами контура циркуляции теплоносителя в ядерных реакторах. Сущность изобретения: в способе изготовления трубчатого переходника из циркониевого сплава и стали, включающем сборку заготовок, диффузионную сварку в вакууме и механическую обработку сварного соединения, после механической обработки внутреннюю наружную поверхности циркониевой части переходника деформируют на глубину не менее 200 мкм, а затем термообрабатывают в вакууме при температуре 535 - 565 градусов Цельсия не менее 15 часов. Кроме того, поверхностную деформацию осуществляют многопроходной обкаткой роликом или шариком, а при обкатке обеспечивают относительную деформацию поверхностного слоя металла не менее 40 процентов. 5 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ изготовления трубчатого переходника из циркониевого сплава и стали, включающий сборку заготовок, диффузионную сварку в вакууме и механическую обработку сварного соединения, отличающийся тем, что после механической обработки внутреннюю и наружную поверхности циркониевой части переходника поверхностно деформируют на глубину не менее 200 мкм, после чего переходник термообрабатывают в вакууме при 535 565^oС не менее 15 ч. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поверхностную деформацию циркониевой части переходника осуществляют многопроходной обкаткой. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что обкатку циркониевой части переходника осуществляют роликом. 4. Способ по п.2, отличающийся тем, что обкатку циркониевой части переходника осуществляют шариком. 5. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что при обкатке обеспечивают относительную деформацию поверхностного слоя металла не менее 40%
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что термообработку проводят при давлении в печи не выше 2•10 мм рт.ст.