19184

Герметизация тепловыделяющих элементов

Лекция

Энергетика

ЛЕКЦИЯ 19 Герметизация тепловыделяющих элементов Эксплуатационная надежность твэлов во многом определяется качеством выполненных сварных соединений. Она прямым образом связана со свариваемостью используемых конструкционных материалов с конструкцией соединений...

Русский

2013-07-11

1.51 MB

7 чел.

ЛЕКЦИЯ 19

Герметизация тепловыделяющих элементов

Эксплуатационная надежность твэлов во многом определяется качеством выполненных сварных соединений. Она прямым образом связана со свариваемостью используемых конструкционных материалов, с конструкцией соединений, технологическими процессами их выполнения и т.д. Главная задача герметизации — сохранить герметичность изделий в течение всего срока эксплуатации, последующих их хранения и транспортировки вплоть до момента разрушения при операциях регенерации топлива.

Герметизация — один из основных технологических процессов, определяющих эксплуатационную надежность твэлов. При массовом изготовлении однотипных изделий должно быть обеспечено стабильное качество каждого из них. На сборку ТВС должны поступать твэлы с гарантированной герметичностью, без дефектов, которые могут раскрываться при эксплуатации.

Стабильного и высокого качества герметизации твэлов можно добиться только в условиях автоматизированного производства, когда изготовителю предлагается технологичная конструкция и материалы, обладающие удовлетворительной свариваемостью.

Помимо собственно герметизации твэлов приваркой к оболочкам заглушек той или иной конфигурации, сварку применяют для крепления к оболочке некоторых других деталей, например, удерживающих топливный столб втулок, навитой на оболочку проволоки, обеспечивающей дистанционирование между твэлами в пучке, и др.

Возможность получения стабильно качественных и надежных в эксплуатации соединений зависит от ряда факторов:

  •  конструкции твэла, его герметизирующих узлов, применяемых материалов оболочек и концевых деталей, топливной композиции;
  •  выбора и реализации технологических процессов, используемых для подготовки под сварку (пайку) деталей твэла, подлежащих герметизации, и последующих операций по обработке сварных соединений механическим, химическим, электрофизическим и другими способами;
  •  оборудования для выполнения технологических процессов, его оснащенности приборами и устройствами для автоматического ведения процесса системой автоматического регулирования (САР) или по заложенной программе;
  •  степени освоенности автоматизированных технологических процессов и квалификации исполнителей,  в том числе наладчиков процессов;
  •  степени оснащенности технологии контрольными операциями и приборами, позволяющими объективно судить о качестве выпускаемой продукции;
  •  условий доступа к изделиям в процессе реализации технологического процесса (с непосредственным доступом к оборудованию и изделию, либо средствами обслуживания, местного транспорта, посредством манипуляторов).

Для герметизации оболочек используют различные методы сварки: газодуговую неплавящимся электродом (ГДС), лазерным (ЛС) и электронным лучами (ЭЛС); контактную - точечную (КТС) и шовную (КШС); с интенсивной пластической деформацией (КРС), в частности, контактно-стыковую (КСС), магнитно-импульсную (МИС); диффузионную (ДС) в твердой фазе; а также пайку высокотемпературными припоями.

КОНСТРУКЦИЯ ГЕРМЕТИЗИРУЮЩИХ УЗЛОВ

Для надежной герметизации твэлов очень важно выбрать правильную конструкцию герметизирующих узлов.

Примеры конструкций соединений приведены на рис.1. Для стержневых твэлов, герметизируемых сваркой плавлением, преимущественно используют стыковые замковые соединения (рис.1, а).

Рис.1,а. Стыковое замковое соединение: ГДС, ЭЛС, ЛС.

Реже применяют бортовые (торцевые) соединения (рис.1, б).

Рис.1,б. Бортовое, торцевое соединение: ГДС, ЭЛС, ЛС.

В последние годы приобрели распространение соединения со швами, обеспечивающими совместное расплавление оболочки и заглушки по торцу (рис.1, в).

Рис.1,в. Торцевые точечные соединения (ГДС, ЭЛС, ЛС)

Область применения стыковых замковых и торцевых соединений, наиболее простых в сборке, довольно широкая как по материалам, так и по размерам. С такими конструкциями изготавливают твэлы с оболочками из циркониевых и других тугоплавких сплавов. Диапазон диаметра твэлов в зоне герметизации от 2 до 20 мм и более, а толщины стенок оболочек - от 0,15 до 1 мм. Более конкретные данные о таких соединениях и условиях их собираемости будут рассмотрены ниже.

Бортовые (торцевые) соединения для стержневых и кольцевых твэлов чаще всего используют, когда диаметр последних превышает 10 — 12 мм (рис.1,г).

Рис.1,г.  Стыковые контактные соединения (КСС)

Точечной сваркой выполняют соединения дистанционирующих элементов и герметизацию ниппелей (рис.1,д).

Рис.1,д.  Соединения, выполняемые контактной точечной сваркой (КТС)

ГАЗОДУГОВАЯ СВАРКА

При производстве твэлов с оболочками из нержавеющих сталей аустенитного и ферритно-мартенситного классов, а также никелевых сплавов, одним из основных технологических процессов герметизации до сих пор является газо-дуговая сварка. Схема сварки показана на рис.2.

Рис.2. Схема газо-дуговой сварки: 1 — инертный газ, 3 — вольфрамовый электрод, 4 — электрическая дуга

Не все названные конструкционные материалы обладают одинаковой и стабильно удовлетворительной технологической свариваемостью. Одним из типичных дефектов, с которым приходится сталкиваться при герметизации твэлов с оболочками из высоколегированных сталей, являются горячие трещины всех трех видов - кристаллизационные, ликвационные и возникающие в твердой фазе. Эти явления следует относить не только к одному процессу - газодуговой сварке, а также и к другим способам сварки плавлением (электронно-лучевой и лучом лазера и т.д.).

Конструкционные особенности герметизирующих узлов. Условия сборки

Герметизирующие узлы подавляющего большинства твэлов, например, реакторов на быстрых нейтронах, имеют конструкцию типа трубка — пробка. Они очень удобны в сборке. Детали соединений могут различаться по материалам и форме. Для выполнения таких узлов могут быть применены различные технологические процессы сварки. Наибольшее распространение получили периметрические швы. С такими швами выполняют узлы, заглушки которых образуют с оболочками, как правило, стыковые замковые соединения. Варьируя высоту буртов, возможно получать швы с большим или меньшим усилением, но всегда выпуклой формы.

Сборку ведут по двум вариантам: с натягами по всей поверхности сопряжения заглушки с оболочкой (рис. 3, а), либо по пояску будущего шва (рис. 3, б) с комбинированной посадкой, сочетающей посадку с зазором и натягом. Поля допусков и их взаимное расположение показаны для различных систем и вариантов сборок в нижней части рисунка. В зависимости от применяемых материалов и характеристик их свариваемости может быть реализован тот или иной вариант сборки и конструкции герметизирующего узла.

Рис.3. Варианты сборки стыковых замковых соединений и возможные сочетания полей допусков:

а и б — варианты формы заглушек; 1, 2 и 3 — места сечений

В случае с большими натягами (рис. 3, вариант а 1/1, б2), оболочка в момент сварки оказывается растянутой в тангенциальном направлении, что увеличивает риск околошовного растрескивания. При этом требуются повышенные усилия для самого процесса запрессовки. Наиболее оптимальная посадка предусматривает небольшие натяги или зазоры около 15 мкм (рис. 3, варианты а 1/2 - а 1/4), с учетом распределения размеров по закону вероятности.

Во избежание выпадения и смещения заглушки из оболочки при наличии зазора используют простые способы фиксации с помощью пуклевок на оболочке или выдавок на заглушке. Выступов высотой в 20-30 мкм часто вполне достаточно, чтобы обеспечить удержание заглушки.

При применении сталей с относительно невысокой  сопротивляемостью образованию горячих трещин отдают предпочтение соединением с расплавляемым буртом. Швы формируются выпуклыми (рис. 4, б, в). В них действуют  сжимающие напряжения на поверхности, что существенно уменьшает вероятность возникновения трещин. Плоские и вогнутые швы  (рис.4, а) формируются практически всегда с дефицитом металла.

Рис.4. Зависимость характера действующих напряжений на поверхностях швов к моменту завершения кристаллизации от конструкции соединения:  а — без расплавляемого бурта; б — с расплавляемым буртом; в — по торцу

В табл. 1 приведены сводные результаты по оценке влияния конструкции сварного соединения на склонность к образованию в них горячих трещин. Эти результаты получены при выполнении герметизирующих узлов с оболочками и концевыми деталями из стали 06Х16Н15МЗБ разных партий выплавки. Как видно из таблицы, влияние конструкций и технологии выполнения весьма существенно.

Таблица 1.

Вероятность образования трещин в герметизирующих сварных узлах при разном конструкционном оформлении и технологии выполнения

Сварка оболочки с заглушкой ведется с вращением изделия по программе, предусматривающей либо регулирование тока сварки или регулирование скорости вращения.

Сварку большинства твэлов стержневого типа ведут по следующей программе:

  •  приварка первой заглушки к оболочке (сборочная единица «труба в сборе»;
  •  снаряжение твэла;
  •  откачка и заполнение гелием;
  •  окончательная герметизация.

Последнюю операцию можно проводить в два этапа — приварить полую (с осевым отверстием) верхнюю заглушку, заполнить твэл гелием, заварить отверстие в полой заглушке и приварить последнюю заглушку.

Принципиальная схема установки газодувной сварки с вакуумированием показана на рис.5.

 

Рис.5. Принципиальная схема установки для газодуговой сварки твэла с вакуумированием его полости:

1 — насос вакуумный; 2 — ввод вакуумный; 3 — свариваемое изделие; 4 — механизм подачи (выгрузки) в сварочную камеру; 5 — уплотнение вакуумное; 6 — камера сварочная; 7 — коммуникации газовые;

8 — источник тока; 9 — рампа газовая; 10 — система управления; 11 — вращатель


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

10179. Фридрих Рапп/ Техника и естествознание/ Интеллектуальные предпосылки 110.5 KB
  Фридрих Рапп Техника и естествознание Интеллектуальные предпосылки Промышленная техника и экспериментально-математическое естествознание являются результатом исторического процесса развития. Простые технические действия изготовление орудий оружия культовых ...
10180. Наука как объект теоретического исследования 46 KB
  Наука как объект теоретического исследования Проблематика науковедения и его становление. Структура современного науковедения и место в нем философии науки. Философия науки изучение которой начинается является частью обширной области исследований.
10181. Изготовление орудий труда и накопление знаний о природных веществах в каменном веке. Значение использование огня в первобытном обществе 46 KB
  Изготовление орудий труда и накопление знаний о природных веществах в каменном веке. Значение использование огня в первобытном обществе. Человек и техника появились одновременно еще в каменном веке 2 млн лет конец 4го тысячелетия до н.э.. Первыми орудиями труда сознат
10182. Техника бронзового века. Изобретение и использование плуга, колеса, паруса 35.5 KB
  Техника бронзового века. Изобретение и использование плуга колеса паруса. Следующим этапом в развитии техники стало овладение человека металлом в качестве основного сырья для производства орудий. Люди постоянно использующие огонь не могли не заметить что прокалива
10183. Развитие технических знаний в Древней Греции. Архимед и становление инженерной механики 35.5 KB
  Развитие технических знаний в Древней Греции. Архимед и становление инженерной механики В период железного века достаточно много изобретений появилось в Древней Греции Среди ученых античности серьезно занимавшихся механикой особое место принадлежит Архимеду...
10184. Развитие техники в средние века. Создание доменной печи, часового механизма, печатного станка 41 KB
  Развитие техники в средние века. Создание доменной печи часового механизма печатного станка Период средневековья длившейся с V по первую половину XV в. оказался в целом благоприятным для технического развития что имеет свое объяснение. В 476 г. н.э. под напором варваров ...
10185. Техническая мысль эпохи Возрождения. Изобретения и инженерная деятельность Леонардо да Винчи 34.5 KB
  Техническая мысль эпохи Возрождения. Изобретения и инженерная деятельность Леонардо да Винчи Гениальным ученым-изобретателем эпохи Возрождения был Леонардо да Винчи 1452-1519 гг.. Он являлся незаконнорожденным сыном нотариуса. Когда Леонардо исполнилось 15 лет отец устр...
10186. Техника XVII - XVIII вв. Создание и использование паровой машины 43.5 KB
  Техника XVII-XVIII вв. Создание и использование паровой машины На протяжении практически всего XVII в. главным источником энергии оставался водяной двигатель. О его потенциальных возможностях свидетельствует крупнейшая гидротехническая установка сооруженная на реке Сена
10187. Трудовая биография и изобретательская деятельность И.И. Ползунова 33.5 KB
  Трудовая биография и изобретательская деятельность И. И. Ползунова Первый в мире универсальный паровой двигатель изобрел русский механик И. И. Ползунов 1728-1766 гг.. Он родился в Екатеринбурге в семье рядового солдата. Окончив горнозаводскую школу. Ползунов стал трудитьс