CN1042806C - 用于电化学加工金属材料的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用电化学加工的方法，用来除去金属材料的物质，包括：循环与被加工表面接触的电解液，使所述表面升高到阳极电位，使位于所述构件附近的工具电极处于阴极电位，在工具电极和被加工构件之间通上电流，其特征在于，所用的电解液含有硝酸锂(LiNO3)作为唯一的活性成分。

Description

用于电化学加工金属材料的方法
本发明涉及用于电化学加工的一种方法，旨在除去特别是镍合金基和不锈钢一类的金属材料物质，具体地说用来加工管状构件的圆柱形内表面，例如核反应堆容器的底贯穿管或上盖贯穿接头的内表面。
压水核反应堆一般包括含有浸在冷却反应堆的加压水中的核反应堆芯的容器。该容器总体呈圆柱形，包括半球形的上盖，它安装在反应堆的上部。
容器的弯曲的底部有贯穿孔，每个孔上用焊接固定着管状贯穿构件。
这些容器底部贯穿管包括一个向弯曲的底部下方伸出的端部，它与一柔软的测量导管相连，从而使容器底部与反应堆建筑结构内的仪表室相连。每个测量导管和相应的容器底部贯穿管为一套管提供了一条通路，在其内测量探针可以进出，套管固定在很长的柔性构件的端部，并且伸入容器和芯的内部进行测量，例如在反应堆工作时测量中子通量或芯内部的温度。
为了增加核反应堆的可靠性和运行安全性，以及为了延长这些反应堆的寿命，责成用户对构成核反应堆的各个构件进行经常的检查，如果合适的话，还对所发现的缺陷进行修理。
具体地说，可能需要检查容器底部的贯穿构件的情况(以及容器上盖的贯穿构件)，从而确保在一定运行期间后这些构件没有损坏，尤其是在这些贯穿构件被焊到容器底部的区域内。
在贯穿构件的内表面内被检查出缺陷的情况下，这些缺陷必须进行修理，例如在贯穿构件的内表面上有缺陷的区域内淀积一层例如镍的金属，或挖一定深度的洞，借助于机加工除去有缺陷的部分。
对核反应堆容器底部贯穿管的修理必须在核反应堆关机期间进行。除去容器上盖，修理操作通过摇控在贯穿构件的镗孔内进行，因为这个构件位于容器底部并具有很强的放射性。
因而已经采用了一种方法和装置，用来进行简单的快速的在全控条件下的修理，以良好的表面质量挖除有缺陷的表面，就是说，从构件上除去有限制的并且完全可控的深度的一部分材料，使得产生一个没有缺陷的新表面。
至今为止，本申请公司在专利申请FR-A-92-09，789中提出了一种方法，用来对管状构件的内表面进行机加工，例如固定在压水核反应堆上盖上的连接管，该方法是借助于含有粉状研磨物质的高速液体射流作用进行磨蚀来加工的。
这种方法可以用于对连接管的内表面进行修理或预防处理。它改善了表面质量，但这种方法需要技巧才能使用，并且不容易对已被除去的材料的厚度实行精确控制。
首先在航空领域内在1958年到1965年美国和欧洲提出了电化学加工，因为这领域内用的材料用普通的机加工方法加工是困难的，例如镍或钴基金属或合金或钛合金这些难于加工的金属。
现在这种方法被用在航空中专门用来加工机翼，电机工业中用它进行压模的刻蚀以及各种类型构件象大的端头，短粗的轴承和摇臂，这些特殊形状和材料的零件的大规模制造。
用来加工大多数金属和合金的最常用的电解液是硝酸钠或氯化钠的水溶液，所加工的金属包括难加工的镍或钴的合金。
其它的电解液，例如酸或碱(NaOH、NH4、NH4NO3)溶液用来加工不溶于硝酸钠或氯化钠的金属或合金。
在SU-A-1633308和1255325中，提出使用复合混合物，具体地说含有硝酸钠、氯化锂和硫酸铜或氢氧化锂和双氯化钠。
已给出并发表了大量的加工速度曲线和极化曲线。
然而，使用钠基电解液的电化学加工方法一般会使金属结构变差。
事实上，使用钠的碱性化合物是在镍基合金中导致颗粒腐蚀的主要原因之一。
此外，这些方法效率低，不能在足够短的时间内使被加工的材料加工到合适的深度。
因此，本发明的目的是提供一种电化学加工的方法，用来除去包括镍合金和不锈钢一类的金属材料，该方法包括：循环一种与被加工的表面接触的电解液，把所述表面的电位升高到阳极电位，把升高到阴极电位的工具电极放在被加工的构件附近，并在工具电极和被加工的构件之间通入电流，该方法不破坏构件的金属结构，并比已知的电化学加工方法速度快、效率高、精度高，能够产生极好的表面质量。
为此，该方法中使用的电解液含有硝酸锂(LiNO3)作为唯一的活性成分。
-一般的，硝酸锂在电解液中的浓度为20g/l和2350g/l之间。以及
-通过电解液的电流密度为2A/cm2和4000A/cm2之间，最好是：
-硝酸锂在电解液中的浓度为50g/l和250g/l之间，
-通过电解液的电流密度为5A/cm2和50A/cm2之间。
本发明的方法包括处理排出物和处理用来使流体循环的装置的步骤；它可被用于管状物件的圆柱形内表面的电化学加工，例如压水核反应堆容器底部的贯穿管以及连通壳体上盖的连接管；其特征在于，电解液在一位于圆柱形的工具阴极和被加工构件的内表面之间的环形密封空间内循环。
为使本发明便于理解，借助于一个不受限制的例子，参照附图对本发明的方法进行说明。
图1是压水核反应堆容器的纵剖面示意图。
图2是加工平面表面时的电解池的截面图。
图3是管状构件象容器底部贯穿管或容器上盖连通管以及本发明的电解池的轴向截面图。
图4是本发明的加工环路图。
图5是装有摇控连接装置的容器底部贯穿管的截面图。
图1是用标号1指示核反应的容器。
容器包括呈圆柱形的外壳体，在其底部用一半球形的弯曲的底1b封闭。
容器1的壳体1a的上部用一半球形的上盖2封闭，它位于壳体1a的上部的支撑上，并用夹紧螺栓3以密封方式固定在壳体1a上。容器1内有核反应堆的芯4，它由棱镜状的燃料组件构成，它们以邻接的方式排列。
管状的容器底部贯穿管5穿过容器底1b，它包括伸向弯曲底部1b外面的下端，与仪表导管6相连。
在弯曲底部1b里面的上方，每一容器底部贯穿管5有一伸出的上端，它伸入仪表导线柱7内。
导管6、容器底部贯穿管5和支柱7可以为含有测量探针的套环(thimble)在核反应堆仪表室和容器内部的芯4之间提供通路。
连接件8穿过上盖2为反应堆控制棒的随动件提供通路。
在贯穿构件5被焊到容器底部的部分，应力(stress)情况是这样的，即管的内壁遭受强烈的腐蚀。这些缺陷必须通过对管的内表面进行处理而得到修理。
按照本发明首先说明平面部分的加工方法。
在图2中，被加工的表面S是一个平面。电极9被置于由密封10密封的钟形物C确定的空间内并处于阴极电位。电解液由导管11送入，由导管12流出。电流通过电解液产生分解的阳极反应，在平面S上形成氢氧化物淀积。接着沿金属表面移动钟形物以便加工另一部分。
图3表示适用于加工管状构件的电解池，例如容器底部贯穿管或贯穿容器上盖的接头，在其中已经检查出缺陷。
这种电化学加工用的电解池包括柔性导管，其中之一11’提供电解液给分配器10a,10b中的一个，另一个(在中间)12’用来使电解液返回，带走氢氧化淀积物和由反应产生的热量。
圆柱形的空心的处于阴极电位的工具金属电极9’位于被加工的构件的内部，并处于阳极电位，这样在阳极和阴极之间便确定了一个环形的容积，在所述电极的下端和上端，分别有一内部分配器10a和上部分配器10b，呈具有贯穿的径向通道的横隔板形式。分配器10b用来确保电解液或冲洗物送入阳极-阴极室内，分配器10a则用来返回这些流体。这些分配器10a和10b与导管11’、12'相连。
环形的径向可膨胀的密封，即下面的一个13a和上面的一个13b，分别位于下分配器1a的下方的上分配器10b的上方，使得能隔离被处理的区域，从而有可能在空气中或水下工作。借助于传动装置把电解池的内部和外部推进来产生密封的径向膨胀。
因此，阳极和阴极之间的空间与管子的其余部分完全隔离了。
然后把电流通过电解液，从而使管状构件的内表面进行阳极分解，导致生成不溶的氢氧化物沉淀。
用于这种阳极分解的电解液含有硝酸锂作为唯一的活性成分，电解液不包含钠离子Na+和氯离子Cl-；因而这种电解液的优点是明显的。
锂的碱性化合物对构件的金属结构的破坏小于钠的碱性化合物。事实上，氢氧化锂(LiOH)是一种强碱，具有相当有限的溶解性：在饱和时就产生沉淀。因而限制了LiOH的过量的局部浓度产生腐蚀的危险。
硝酸(HNO3)是一种强氧化酸，被称为钢的钝化剂。
结果，电解液(Li+、NO3 -)具有对所加工的金属无害的特点。
构成电解液(Li+、NO3 -)离子的相当有限的导电率使得在宽的pH范围内能够获得高而稳定的导电率，因此可以在高电流密度下加工。
现在，被处理表面的分解速度(或加工速度)取决于所加的电流密度。因此所用的电解液可以获得高的加工速度。
这样进行的加工使得可以迅速得到优质的表面质量，并且不改变构件的金属结构。
在上述电解池内进行的加工过程形成的固体废料包括存在于电解液中的氢氧化物沉积物。本发明产生的机加工循环使得容易地处理排出物并借助于过滤除去这些不溶的氢氧化物。
加工循环的构成如图4所示。
上述的加工用的电解池用19表示，它用发电机20供给电流。下面依次说明环路中的操作。含有硝酸锂的电解液在容器14中借助于从容器15、16分别注入水和反应剂来制备。
电解液在环路中循环，例如借助于泵17。
电解液被滤除其氢氧化物沉淀，例如用过滤器18。
过滤器18被成为涂镀有金属氧化物装满；压挤这些过滤物之后，每克被分解的金属几乎有6克氢氧化物沉淀被回收。被过滤过的电解液又返回环路中去。
在加工期间，电解液的pH值是变化的，所述溶液的pH值可以借助注入pH值控制剂(例如硝酸)得到调整，例如通过容器21。
在加工结束时，部件17、18、19以及被加工过的构件经由15被冲洗。
在电解加工期间，释放出相当数量的氢。建议用管道把它从容器14中抽出并送入动力站净化通路中，然后排到大气中去。事实上，氢在核动力站内是不需的，因为有爆炸危险。
这种电化学加工方法可用于容器底部的贯穿管和容器上部的接头。图5所示的装置可被用来在这些管内安装电化学加工电解池。
用来进入容器底部贯穿管的工具如图5所示。其步骤和容器底部贯穿管的电视检查步骤相同。
首先，把一部分内部设备除去。
棒22能上下移动，从而使电解池24进入容器底部贯穿管5并在其内移动。
被从维修台上摇控的检修工具设备包括在装置23内，锥体25可以保证对接和对准。
对预先已除去热套筒的容器上盖来说，所用的维修工具设备是相同的。
按照本发明的方法，可以得到高速度的加工和高精度的加工，现用下面的例子说明。
参照图1和图3的说明用电化学加工一种NC15Fe等级的合金的加工过程。
该加工用来修改50mm和17mm的圆柱体内径，电流密度为12A/cm2，加工速度为10cm2/分，采用硝酸锂浓度为100g/l的溶液。
本发明的方法不仅适用于加工核反应堆容器的贯穿底部或上盖的连接管的内部的有缺陷的表面层，也可用来加工任何类型的管状金属构件的内表面，从而产生一个新的具有特定的几何物理特性的表面。并且适用于加工其它形状的构件。
这种加工方法可以仅在有例如裂化缺陷的隔离的部分进行，然后用好的金属填充代替裂化的金属，或者沿整个构件表面进行。
按照本发明的方法和加工可以在构件表面经受加压处理之前或借助槌击释放应力或电镀之前进行。
本方法可以应用于任何导电金属材料的平面或复杂形状的构件。

Claims (6)

1．一种用电化学加工的方法，用来除去金属材料的物质，包括：循环与被加工表面接触的电解液，使所述表面升高到阳极电位，使位于所述构件附近的工具电极处于阴极电位，在工具电极和被加工构件之间通上电流，其特征在于，所用的电解液含有硝酸锂(LiNO3)作为唯一的活性成分。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于：
电解液中硝酸锂的浓度在20g/l和2350g/l之间，以及
通过电解液的电流密度在2A/cm2和4000A/cm2之间。
3．如权利要求2所述的方法，其特征在于：
电解液中硝酸锂的浓度在50g/l和250g/l之间，以及
通过电解液的电流密度在5A/cm2和50A/cm2之间。
4．如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于：
a．电解液借助于在容器内注入水和反应物来制备；
b．电解液在一循环环路内循环；
c．电解液被过滤，除去其氢氧化物沉淀；
d．过滤后的电解液被返回环路；以及
e．电解液的pH值借助于注入pH控制剂来调整。
5．如权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于，加工结束时，阳极和阴极之间的加工空间及被加工过的表面被处在这一空间内的循环的清洗液清洗。
6．如权利要求1至3中任意一项所述的方法，适用于加工压水核反应堆的容器底部贯穿管或贯穿容器上盖的连接管的圆柱状的内表面，其特征在于，电解液在一位于圆柱形的工具电极和被加工构件的内表面之间的环形密封空间内循环。
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