СПОСОБ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

Изобретение относится к машиностроению и, в частности, может быть использовано при герметизации трубчатых изделий, например тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) ядерных реакторов контактно-стыковой сваркой.

Основным требованием, определяющим безопасную эксплуатацию ТВЭЛов, является герметичность их оболочек, представляющих собой тонкостенную трубку с приваренными по торцам заглушками.

Известен способ герметизации ТВЭЛов контактной сваркой, заключающийся в фиксации трубки-оболочки в зажимном приспособлении с заданным вылетом, последующем сжатии ее торца с заглушкой, имеющей диаметр, равный диаметру трубки, и пропускании импульса тока через образовавшийся контакт (см. «Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов» под ред.Ф.М.Решетникова. М.: Энергоатомиздат, том 2, стр.217-219, 1995 г.), недостатками которого являются необходимость последующей механообработки, малая протяженность сварного шва, повышенная трудоемкость изготовления, отсутствие стабильного качества сварки.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату к заявляемому способу является способ контактно-стыковой сварки сопротивлением трубы с заглушкой, используемый при изготовлении ТВЭЛов (см. патент РФ №2152084) - прототип.

Способ заключается в фиксации с заглублением торца трубы в специальном приспособлении, сжатии его с заглушкой, имеющей максимальный диаметр меньше наружного диаметра трубы, но больше внутреннего ее диаметра, и взаимный их нагрев электрическим током с заданной скоростью его нарастания.

Недостатком данного способа является возможность получения выплесков как в первоначальный момент сварки, так и при ее завершении, поскольку в известном способе ограничена только минимальная скорость нарастания сварочного тока. Кроме того, недостатком известного способа является также то, что не определены другие энергетические показатели режима сварки, обеспечивающие оптимальный нагрев сварного соединения. В результате сварные соединения нередко не отвечают установленным требованиям, например, из-за образования в сварных швах микродефектов точечного характера, количество которых ограничено нормативной документацией. К таким параметрам, например, относится плотность сварочного тока в контакте, величина удельного давления в стыке, продолжительность сварки. В результате при подготовке к сварке нередко требуется сварка дополнительных образцов для настройки установки, что приводит к нежелательным материальным затратам и снижает производительность установок.

Технической задачей изобретения является повышение надежности герметизации тепловыделяющих элементов ядерных реакторов за счет повышения качества сварных швов, снижение затрат на данное производство.

Поставленная техническая задача решается тем, что при герметизации ТВЭЛов по известному способу, заключающемуся в фиксации с заглублением конца оболочки в сварочной оснастке - специальном приспособлении, последующем его сжатии с заглушкой, имеющей наружный диаметр меньше наружного диаметра оболочки, но больше внутреннего ее диаметра, взаимном нагреве электрическим током конца оболочки и заглушки при нарастании его величины с задаваемой скоростью, согласно изобретению сварку ведут при удельном давлении 35-80 кг/мм², с перемещением заглушки внутрь оболочки в процессе сварки на расстояние от двух до пяти толщин стенок оболочки в течение 10-60 мс, при скорости нарастания сварочного тока до максимального его значения от 1-го до 3-х кА/мс и максимальной плотности сварочного тока в стыке в этот период от 1,5 до 2,5 кА/мм², а перемещение заглушки, при необходимости, ограничивают путем механического ограничения хода привода сварочного усилия сварочного устройства.

Представленная совокупность признаков является новой, не известной из уровня техники и обеспечивает решение поставленной задачи.

Величина перемещения заглушки в две - пять толщин стенок оболочки позволят иметь сварные соединения с протяженностью сварных швов в этих же пределах, что обеспечивает как их прочностные свойства, так и требования по сплошности. Увеличение перемещения заглушки более пяти толщин стенок нецелесообразно из-за снижения стойкости сварочной оснастки, усложнения ее конструкции и, в конечном итоге, увеличения затрат на ее изготовление. Перемещение заглушки менее двух толщин стенок приводит к образованию сварных швов, не удовлетворяющих требованиям равнопрочности сварного соединения и оболочки.

Сварка с начальным удельным давлением 35-80 кг /мм² позволяет получать качественные сварные соединения. Если величина удельного давления больше

80 кг/мм², то уменьшается протяженность сварного шва вплоть до образования непровара из-за уменьшения разогрева стыка. Увеличение удельного давления в стыке связано с увеличением сварочного усилия, что приводит к необходимости принятия дополнительных мер по исключению сдвига трубы в сварочной оснастке при сварке. В результате снижается стойкость этой оснастки, возможно образование в зоне сварки на поверхности трубы налипания материала оснастки, что является недопустимым дефектом. При величине начального удельного давления меньше 35 кг /мм² происходит перегрев металла в стыке за счет высокого контактного электрического сопротивления, в результате чего повышается вероятность образования выплесков и микродефектов в сварном шве. Требуемая величина перемещения заглушки в пределах двух - пяти толщин стенок трубы достигается при длительности сварочного тока от 10 до 60 мс. Если время перемещения заглушки меньше 10 мс, не обеспечиваются требуемые геометрические характеристики сварного соединения. Для случая, когда это время более 60 мс, отмечается чрезмерный нагрев свариваемых деталей, что снижает стабильность качества сварки и способствует образованию микродефектов по линии сварного шва.

Наиболее значительной характеристикой режима сварки, влияющей на качество, является скорость нарастания сварочного тока до максимального его значения. Если скорость нарастания тока больше 3-х кА/мс, сварка, особенно при значениях удельного давления, близких к минимальному, сопровождается образованием выплеска, приводящего к появлению сквозного дефекта в сварном соединении и выходу из строя сварочной оснастки. Когда скорость нарастания сварочного тока меньше 1 кА/мс, это приводит к появлению в сварных швах точечных микродефектов, требующих проведения дополнительной настройки сварочного оборудования и сварки излишнего количества образцов для этих целей.

Другим важным фактором, определяющим качественную сварку по предлагаемому способу, является плотность сварочного тока в стыке, по крайней мере, в начальный момент нарастания его до максимального значения. Необходимая величина этого параметра должна находиться в пределах 1,5-2,5 кА/мм². Сварка при значениях этого параметра меньше минимального сопровождается, как правило, образованием в сварных швах точечных микродефектов из-за малой скорости перемещения заглушки и перегрева металла в зоне сварки. Если скорость нарастания сварочного тока выше 3-х кА/мс, то начало процесса сопровождается образованием выплесков, приводящих к появлению недопустимых дефектов.

Механическое ограничение хода электрода, связанного с приводом сварочного усилия, позволяет уменьшить разброс по величине перемещения заглушки и тем самым упростить контроль внешнего вида, геометрии сварного соединения, повысить стойкость сварочной оснастки.

Таким образом, представленная совокупность признаков обеспечивает решение технической задачи.

Описываемый способ сварки может осуществляться по различным технологическим схемам, предусматривающим, например, различную подготовку торцов оболочки, различное конструктивное выполнение сварочной оснастки и режимов сварки.

Сущность изобретения и некоторые из вариантов сварки поясняются чертежами:

- на фиг.1, фиг.2 представлены варианты подготовки торца оболочки под сварку;

- на фиг.-3 схема взаимного расположения торцов оболочки и заглушки;

- на фиг.4 показана схема сварки с использованием оснастки с повышенным электрическим сопротивлением;

- на фиг.5 - схема сварки с предварительным обжимом конца оболочки;

- на фиг.6 - схемы вариантов различных форм импульса сварочного тока;

- на фиг.7, фиг.8 показаны реальные параметры сварочного тока для конденсаторного источника питания и источника питания инверторного типа;

- на фиг.9 - фотография участка сварного соединения, полученного по предлагаемому способу.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Конец оболочки 1 подготавливается под сварку механообработкой с получением торца без острой наружной кромки. Устранение острой наружной кромки, собирающей на себя различные загрязнения при транспортировке трубы к месту сварки, необходимо для исключения попадания в стык инородных материалов. Удаление острых кромок с наружной и внутренней стороны также может выполняться путем выполнения фасок 2, 3 или радиусных округлений 4, 5 (фиг.1, фиг.2). Необходимость притупления зависит от изделия. Если такое притупление внутренней кромки выполняется, например, для загрузки топлива в ТВЭЛ, то его величина в радиальном направлении не должна превышать величину перекрытия торцом заглушки 6 стенки торца оболочки 1 (фиг.3), так как это способствует уменьшению протяженности сварного соединения. Наличие двусторонней разделки кромок торца оболочки позволяет в момент приложения сварочного усилия повысить удельное давление в стыке, что дает возможность выполнить формовку торца оболочки за счет его пластической деформации, при этом суммарная величина пластической деформации торцов оболочки и заглушки должна превышать допускаемую неплоскостность расположения торцевых поверхностей этих деталей. Это позволяет исключить образование выплесков при включении сварочного тока и стабилизирует процесс разогрева стыка в начале сварки. Конец оболочки с подготовленным таким образом торцом фиксируется в сварочной оснастке с заглублением, равным 1,5-2 толщины стенки оболочки. Для получения сварных швов протяженностью в две и более толщины стенки оболочки конец ее на этом участке должен быть нагрет в зоне стыка до температур, соизмеримых с температурой начала рекристаллизации металла. Степень прогрева этого участка оболочки зависит от конструкции сварочной оснастки 7 (фиг.4, фиг.5) и геометрии конца оболочки. Для обеспечения такого прогрева либо сварочная оснастка должна иметь участок 8 с электрическим сопротивлением 200-1000 мкОм, которое существенно больше электрического сопротивления участка трубы в зоне сварки (фиг.4), либо торец оболочки должен перед сваркой проходить дополнительную обработку путем обжатия его диаметра на конус (фиг.5). Величина обжатия наружного диаметра оболочки в плоскости торца равна 0,85-0,9 от его исходного значения. Протяженность конической части зависит от требований к длине сварного шва и внешнему виду трубы в зоне сварки. Для получения сварных соединений со сварным швом в две-три толщины стенки оболочки длина конической части может находиться также в пределах двух-трех толщин стенок этой трубы. Конкретное значение величины сопротивления сварочной оснастки и ее конструкция зависят от толщины стенки, материала оболочки, используемых режимов сварки, технологических возможностей сварочного оборудования, требований к протяженности сварного соединения. Сварочная оснастка 7 для фиксации оболочки представляет собой разъемную конструкцию, выполненную из материалов, использующихся при изготовлении электродов для контактной сварки и имеющих твердость, электропроводность и теплопроводность выше, чем материал оболочки. Заглушка 6 устанавливается в электроде 9. Если сварка выполняется по схеме, показанной на фиг.5, то такие параметры режима сварки, как скорость нарастания сварочного тока, величина удельного давления должны иметь значения, близкие к максимальным, а длительность протекания сварочного тока минимально возможной, обеспечивающей требуемое перемещение заглушки. Проскальзывание конца оболочки в сварочной оснастке независимо от ее конструкции недопустимо, так как это приводит к получению некачественных сварных соединений и выходу из строя оснастки. После приложения сварочного усилия через 0,5-1,5 с включают сварочный ток. Конкретное значение величины этого времени зависит от динамических показателей механической части сварочного устройства. Чем выше эти показатели, тем это время может быть меньше. Формы (10, 11, 12) (фиг.6) используемых импульсов сварочного тока могут быть достаточно разнообразны. Однако общим требованием для режима сварки являются ограничения по скорости нарастания сварочного тока в период его роста от нулевого до максимального значения, а также длительность действия сварочного тока. Изменение формы сварочного тока через 10 мс после начала сварки влияет в основном на протяженность сварного шва. При чрезмерном перегреве сварного соединения, например, из-за увеличения длительности сварочного тока, в том числе из-за большой длительности его спада, ухудшаются его коррозионные свойства, а также по линии сварного шва образуются микродефекты точечного характера, размеры и количество которых, как правило, ограничивается нормативно-технической документацией. Кроме того, это также увеличивает нагрузку на оснастку и снижает ее работоспособность. Некоторые конкретные примеры возможных форм сварочного тока показаны на фиг.7 и фиг.8. В процессе перемещения заглушки из-за инерционности силовой части сварочного устройства возможно некоторое снижения величины сварочного усилия и, соответственно, удельного давления в стыке, что необходимо учитывать при выборе режима в зависимости от технических характеристик этого устройства.

Значения параметров режима сварки - величину, длительность протекания сварочного тока, величину плотности сварочного тока и удельного давления в стыке из указанных в предлагаемом решении диапазонов целесообразно выбирать несколько большей, чем необходимо для получения требуемого перемещения заглушки. Перемещение заглушки в этом случае ограничивается искусственно за счет ограничения хода электрода, связанного с приводом сварочного усилия сварочного устройства. Если значения таких параметров режима, как сопротивление сварочной оснастки, величина удельного давления в стыке близки к минимальным, а плотность сварочного тока в стыке наоборот близка к максимальной или равна ей, то для исключения образования выплесков нарастание сварочного тока, при приближении его амплитуды к максимальному значению, скорость нарастания тока целесообразно уменьшить вплоть до ее минимальной величины (форма 12 на фиг.6). Необходимость применения защитной атмосферы при сварке зависит от свойств свариваемых материалов, используемых режимов сварки и требований, предъявляемых к внешнему виду сварных швов. В некоторых случаях для улучшения внешнего вида сварных соединений, повышения их коррозионной стойкости может быть использована сварка в среде инертных газов или в контролируемой атмосфере, создаваемой за счет вакуумирования объема сварочной установки, где осуществляется сварка, и последующего заполнения его инертным газом. Однако даже при сварке циркониевых сплавов при применении такой технологии достаточным является разрежение порядка 1×10^-1 мм рт.ст. При сварке в контролируемой атмосфере продувка сварочного устройства инертным газом может выполняться только при необходимости защиты торцевой части 13 заглушки 6 и внутреннего грата 14 (фиг.9), а также при использовании схемы фиг.5, для улучшения внешнего вида поверхности сварного соединения.

После окончания сварки сварочный ток и усилие отключаются, оболочка освобождается от фиксирующих ее устройств.

Примером конкретного выполнения предлагаемого способа является сварка трубчатых оболочек ТВЭЛов типа ВВЭР из сплавов циркония с заглушками. Толщина стенки трубчатой оболочки ТВЭЛа составляет 0,65 мм, наружный диаметр 9,13 мм. Диаметр заглушек в стыке с трубчатой оболочкой составляет 8,2-8,25 мм. Для сварки использовалась сварочная оснастка с сопротивлением 300-800 мкОм. Величина удельного давления в стыке при приложении сварочного усилия составляла 35-80 кг/мм². Величина сварочного тока 13-17 кА при скорости его нарастания 1-3 кА и длительности 10-60 мс.

Сварка выполнялась на оборудовании, имеющем различные динамические характеристики привода сварочного усилия, оснащенном конденсаторными источниками питания и источниками питания инверторного типа. При обеспечения начальных условий сварки качество сварных соединений соответствует установленным требованиям. Однако обеспечить требуемые параметры при использовании конденсаторных источников достаточно сложно из-за ограниченных возможностей по регулировке формы и длительности сварочного тока, который они позволяют получать.