СПОСОБ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ МНОГОГРАННЫХ ТРУБ Советский патент 1996 года по МПК B21B21/00 B21B17/02 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к продольной прокатке многогранных труб, и может быть использовано в металлургической и машиностроительной отраслях промышленности при изготовлении многогранных чехловых труб тепловыделяющих сборок атомных реакторов на быстрых нейтронах.

Целью изобретения является повышение жесткости и радиационной стойкости труб из коррозионностойких сталей ферритного и аустенитного классов, используемых для чехлов тепловыделяющих сборок атомных реакторов.

На фиг. 1 изображено поперечное сечение исходной заготовки круглой трубы; на фиг. 2 поперечное сечение очага деформации перпендикулярно оси прокатки; на фиг. 3 поперечное сечение многогранной оправки.

Способ холодной прокатки многогранных труб заключается в том, что из круглой трубы 1 с заданным отношением ее толщины стенки S_o к наружному диаметру D_o, равным 0,021 0,041, формообразуют многогранную трубу 2 продольной прокаткой в многоугольном калибре, образованном, например, четырьмя валками 3, на многогранной оправке 4 с продольными трапециевидными канавками 5. Продольные канавки 5 расположены с заданным шагом t на каждой грани оправки, при этом боковые стороны 6 трапеции канавок наклонены к грани оправки 4 под углом α, а ширина b дна канавок менее ширины вершин выступов между ними, т. е. менее половины шага t их расположения. При холодной прокатке многогранной трубы 2 стенку трубы деформируют с относительной степенью деформации e_ст 0,2 0,3, в результате чего на стенках многогранной трубы с внутренней стороны образуются ребра 7.

Высота и угол наклона стороны трапеции канавки оправки определены из математического выражения

Это математическое выражение получено экспериментальным путем.

Многогранные трубы, являющиеся силовыми элементами ядерных реакторов, должны иметь высокую продольную жесткость граней и высокую радиационную стойкость при большом объеме внутреннего пространства с наименьшими габаритами и минимальной толщиной стенки.

Исследованиями и расчетами установлено, что таким требованиям отвечают многогранные трубы с отношением толщины стенки к размеру "под ключ", равным 0,02 0,03, при этом величина относительной степени холодной деформации стенки должна находиться в интервале 0,20-0,30.

При отношении толщины стенки к размеру "под ключ" менее 0,02 продольная жесткость стенки трубы будет недостаточна для использования труб в атомных реакторах. Превышение этим отношением величины 0,03 придает стенке жесткость, которая не требуется для труб этого назначения, вызывает излишний расход металла, увеличивает массу и габариты изделия, снижает эффективность работы атомного реактора. Исследования показали, что многогранные трубы, полученные с относительной стапенью холодной деформации стенки менее 0,20, обладают невысокой радиационной стойкостью, т.к. степень деформации менее 0,20 является критической для сталей, так как при этом создается недостаточная плотнесть дислокаций в материале, что при бомбардировке быстрыми нейтронами приводит к возникновению вакансионных пор в материале трубы, труба теряет пластичность и стабильность геометрических размеров. Все это может привести к преждевременному выходу из строя тепловыделяющих сборок.

Холодная деформация стенки трубы более 0,30 приводит к нарушению оптимального соотношения ферритной и сорбитной составляющих коррозионностойких сталей, в связи с чем сталь становится склонной к низкотемпературной хрупкости, которая усиливается при нейтронном облучении, что вызывает те же негативные последствия, описанные выше для случая прокатки коррозионностойких сталей со степенью холодной деформации стенки менее 0,20. При решении задачи повышения радиационной стойкости трубы необходимо, чтобы степень холодной деформации как в стенке трубы, так и в получаемых ребрах находилась в заявленных пределах. Исследованиями установлено, что боковые грани продольных канавок оправки должны быть наклонены к ее грани, а ширина дна канавок должна быть менее половины шага их расположения. Кроме того, геометрические параметры канавек оправки (угол α, ширина дна канавок, шаг их, расположения и глубина) должны быть взаимосвязаны с режимом деформации и толщиной стенки круглой трубы в определенном соотношении, указанном в формуле изобретения. Эта взаимосвязанная совокупность признаков создает такие стесненные условия деформации в формообразовании канавками оправки ребер на многогранных трубах, при которых обеспечивается равенство степени холодной деформации в стенке трубы и в ребрах. Установлено, что оптимальным наклоном боковых граней продольных канавок оправки к ее грани является диапазон углов от 40^o до 65^o.

Коэффициент состояния контактных поверхностей деформируемой трубы и оправки (К) зависит от материала трубы, наличия и вида подсмазочного покрытия, вида смазки и ее вязкости и других факторов. Как показали экспериментальные исследования, величина коэффициента К находится в пределах от 0,1 до 0,5, причем при прокатке на определенных смазках коррозионно стойких сталей, более склонных к налипанию на инструмент, его величина приближается в 1,0 для сталей, менее склонных к налипанию на инструмент, величина коэффициента К близка к значению 1,5.

Пример 1 Для получения шестигранной трубы из стали ЭП-450 (12Х13М1БФРШ) ферритового класса с размером под ключ" 94,5 мм при толщине стенки 2,5 мм (отношение толщины стенки к размеру "под 5 ключ" составляет 0,026) используют круглую трубу с наружным диаметром 107,5 мм.

При прокатке в валках применяют оправку с размером "под ключ" 89,5 мм с шестью продольными канавками глубиной h 1,35 мм на каждой ее грани, расположенными с шагом t 7,8 мм. Боковые стороны трапеции канавок наклонены к грани оправки под углом a= 60^o, а ширина дна канавок b равна 3,2 мм, что менее ширины вершин выступов между ними, т.е. менее половины шага их расположения. По заданным геометрическим параметрам оправки b, h, t и α и конечной толщине стенки S_с т с учетом экспериментально полученного значения коэффициента К 1,0 для принятия марки стали из соотношения параметров канавок оправки с режимом деформации и толщиной стенки круглой трубы можно определить исходную толщину стенки круглой трубы и степень деформации стенки.

Из математического соотношения определяют:

Так как
Подставляя в последнее выражение заданные и известные параметры, можно получить: ΔS_ст=1,0 мм
Теперь определяют толщину стенки круглой трубы:
S_o=S_ст+ΔS_ст=2,5+1,0=3,5 мм.
Степень деформации стенки многогранной трубы составляет:
а отношение толщины стенки S_o круглой трубы к ее наружному диаметру D_o составляет 0,033.

П р и м е р 2. Для получения шестигранной трубы из стали ЭИ-448 ( 12Х17Н13М2Т) аустенитного класса с размером "под ключ" 153,0 мм при толщине стенки 4,5 мм (отношение толщины стенки к размеру "под ключ" составляет 0,029) используют круглую трубу с наружным диаметром 159,0 мм.

При прокатке в валках применяют оправку с размером "под ключ" 144, мм с 12-ю продольными канавками глубиной h 1,6 мм на каждой ее грани, расположенными с шагом t 8,2 мм. Боковые грани канавок наклонены к грани оправки под углом α 60^o а ширина дна канавок b равна 4,0 мм.

По заданным геометрическим параметрам оправки b, h, t и a и конечной толщине стенки S_cт. с учетом экспериментально полученного значения коэффициента К 1,5 для данной марки стали из заявленного соотношения параметров канавок оправки с режимом деформации и толщиной стенки круглой трубы можно определить исходную толщину стенки круглой трубы и степень деформации стенки.

Аналогично описанному выше примеру 1 можно получить:
DS_ст=1,1 мм
Теперь определяют толщину стенки круглой трубы:
S_o 5,5 мм
Степень деформации стенки многогранной трубы составляет: ε_ст=0,20, а отношение толщины стенки S_o круглой трубы к ее наружному диаметру D_o составляет 0,035.

Изобретение обеспечивает получение труб, грани которых обладают повышенной продольной жесткостью при минимальных потерях в объеме внутреннего пространства и наименьших внешних габаритах. Полученные трубы обладают оптимальными параметрами в расходах материала, эффективностью работы в ядерных реакторах с точки зрения минимальности энергетических потерь, обладают повышенной эксплуатационной надежностью работы в ядерных реакторах благодаря повышенной радиационной стойкости, обеспечиваемой оптимальными режимами их изготовления. ЫЫЫ2

Использование: в металлургической и машиностроительной отраслях для получения многогранных труб, преимущественно для атомных реакторов чехлов тепловыделяющих сборок. Сущность изобретения: круглую трубу с отношением толщины стенки к ее наружному диаметру, равным 0,021 - 0,041, прокатывают в многоугольном валковом калибре на оправке. Прокатку осуществляют с относительной степенью деформации 0,2-0,3. Оправка выполнена многогранной с равномерно расположенными на ней трапециевидными канавками. Параметры канавок оправки и круглой трубы и режимы деформации связаны между собой эмпирическим соотношением. Режимы и условия деформации применимы преимущественно для коррозионностойких сталей ферритного и аустенитного классов. 3 ил.

Способ холодной прокатки многогранных труб, включающий продольную прокатку круглой трубы в многоугольном валковом калибре на многогранной оправке с продольными канавками на каждой грани, отличающийся тем, что, с целью повышения жесткости и радиационной стойкости труб из коррозионностойких сталей ферритного и аустенитного классов, используемых для чехлов тепловыделяющих сборок атомных реакторов, деформируют с относительной степенью деформации 0,2-0,3 круглую трубу с отношением толщины стенки к ее наружному диаметру, равным 0,02-0,041, на оправке с равномерно расположенными трапециевидными канавками, ширина дна которых менее ширины вершин выступов между ними, а высота и угол наклона стороны трапеции канавки определены из выражения

где h высота трапеции канавки многогранной оправки, мм;
α угол наклона стороны трапеции канавки, мм;
К безразмерный коэффициент, учитывающий материал прокатываемой трубы и состояние контактных поверхностей деформируемой трубы и оправки, равный 1,0-1,5;
t шаг расположения канавок на оправке, мм;
b ширина дна канавок, мм;
S_o толщина стенки круглой трубы, мм;
e_ст относительная степень деформации стенки трубы;

где ΔS_ст величина абсолютного обжатия стенки трубы, мм.