DE102012207277B4

DE102012207277B4 - Verfahren zum Vergüten von Metallrohren, insbesondere von Brennstabhüllen in Kernkraftwerken, sowie zugehörige Vorrichtung

Info

Publication number: DE102012207277B4
Application number: DE102012207277.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Falge
Original assignee: Areva GmbH
Current assignee: Framatome GmbH
Priority date: 2012-05-02
Filing date: 2012-05-02
Publication date: 2014-06-12
Anticipated expiration: 2032-05-03
Also published as: DE102012207277A1

Abstract

Verfahren zum Vergüten von Metallrohren (4), insbesondere von Brennstabhüllen (50) für ein Kernkraftwerk, bei dem während einer Erhitzung eines Abschnittes (17) des Metallrohres (4) die Außenseite (15) des Metallrohrs (4) zumindest in diesem Abschnitt (17) mit einem ersten Prozessgas und gleichzeitig die Innenseite (19) des Metallrohrs (4) zumindest in diesem Abschnitt (17) mit einem zweiten Prozessgas beaufschlagt wird, so dass die Oberflächen des Abschnitts (17) mit dem jeweiligen Prozessgas reagieren.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Vergüten von Metallrohren, insbesondere von Brennstabhüllen für ein Kernkraftwerk. Sie betrifft weiter eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
In Kernkraftwerken finden Brennstabhüllen, auch Hüllrohre genannt, Verwendung. Diese bestehen aus einer Röhre bzw. einem Rohr, welches den Kernbrennstoff umschließt. Auf Grund des geringen Wirkungsquerschnitts von Zirkonium mit Neutronen, die bei einem Kernzerfall in einem Kernreaktor freigesetzt werden, werden die Brennstabhüllen in der Regel aus einer Zirkoniumlegierung gefertigt, so dass nur ein geringer Anteil an Neutronen in der Kettenreaktion durch Absorption verloren geht.
Die Aufgabe der Brennstabhülle ist in erster Linie die Trennung von Kernbrennstoff und Kühlmittel, so dass Spaltprodukte nicht in das Kühlmittel eines Kernreaktors gelangen. Daher weist die Brennstabhülle in der Regel auch keine Löcher oder Öffnungen auf ihrer Hülle auf, sondern ist durchgehend ausgestaltet. Solange die Brennstabhülle und ihre Schweißnähte dicht sind, stellt diese eine geeignete Barriere für die Spaltprodukte dar.
Sowohl bei Überhitzung als auch im Regelbetrieb können sowohl durch Korrosion als auch durch Neutronenabsorption Veränderungen in der Struktur der Brennstabhülle und deren Legierung auftreten, die bis zur Ausbildung von Löchern führen können. Ein geringer Teil der Hüllrohre entwickelt auch Risse, durch welche gasförmige Spaltprodukte austreten können. Zwar ist eine Korrosion der Oberflächen in Form einer Ausbildung einer Oxid-Schicht bei den Hüllrohren unvermeidlich und nimmt im Lauf der Zeit zu, doch wird ihr Ausmaß unter anderem durch die Beschaffenheit des Hüllrohrmaterials bestimmt.
Zum Schutz der Brennstabhülle gegen eine erhöhte Korrosionsbildung, die mit Wasserstoffdiffusion einhergeht, und gegen die Schädigung der Oberflächen durch Kratzer und Spanbildung bei der Beladung, Handhabung und Montage hat sich gezeigt, dass eine wirksame Strategie das Vergüten der Oberflächen der Brennstabhüllen ist.
Dies geschieht in der Regel in einem Autoklaven, bei dem die Brennstabhülle einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch ausgesetzt und erhitzt wird, so dass die gesamten Oberflächen der Brennstabhüllen in einem ersten Schritt oxidiert werden und sich eine Oxid-Schicht ausbildet. Ein zusätzlicher und unerwünschter Effekt ist, dass bei der Oxidation unter anderem Spuren von stets in der relativ feuchten Luft vorhandenem Wasser an der Oberfläche eingelagert werden.
Nach der Oxidation der Brennstabhüllen im Autoklaven ist es erforderlich, dass bestimmte Bereiche der Brennstabhülle, insbesondere die Enden, für die nachfolgenden Arbeiten von der Oxid-Schicht befreit werden. Einerseits ist die Entfernung auf der Außenseite aufwändig und teuer, und andererseits kann die Innenseite der Brennstabhüllen nur schwer von der Oxid-Schicht befreit werden, so dass insbesondere eine unerwünschte Oxid-Schicht auf der Innenseite der Rohre verbleibt.
Somit werden in gängigen Verfahren zunächst alle Oberflächen der Hüllrohre in der Regel in einem Autoklaven oxidiert. In einem zweiten Schritt werden die Endbereiche von den unerwünschten Oxid-Schichten befreit, woraus sich ein erhöhter Fertigungsaufwand ergibt.
Auch in anderen Bereichen spielt das Vergüten von Metallrohren eine wesentliche Rolle. Auch hier ist regelmäßig zu beobachten, dass Metallrohre, die unterschiedliche Eigenschaften auf ihrer Innen- und Außenseite aufweisen sollen, zunächst oxidiert werden und anschließend in Teilbereichen bzw. Abschnitten von dieser Oxid-Schicht befreit werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Vergüten von Metallrohren, insbesondere von Brennstabhüllen, anzugeben, bei dem möglichst in einem einzelnen Fertigungsschritt bzw. Arbeitsgang einerseits die Außenseite des jeweiligen Metallrohrs vergütet, insbesondere oxidiert wird und andererseits die Innenseite des Metallrohrs von dieser Behandlung ausgeschlossen wird. Darüber hinaus sollen durch dieses Verfahren die Endbereiche des Metallrohres, insbesondere an der Außenseite, von der Vergütung ausgeschlossen werden, so dass Nachbehandlungen vermieden werden. Weiterhin soll eine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung angegeben werden.
Hinsichtlich des Verfahrens zum Vergüten von Metallrohren wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Dazu wird die Außenseite eines Abschnitts des Metallrohrs mit einem ersten Prozessgas beaufschlagt, gleichzeitig die Innenseite des Abschnitts mit einem zweiten Prozessgas beaufschlagt, und der Abschnitt gleichzeitig erhitzt, so dass die Oberflächen des Abschnitts mit dem jeweiligen Gas reagieren.
Speziell für den Zweck der Vergütung von Brennstabhüllrohren ist das erste Prozessgas vorteilhafterweise ein mit Sauerstoff angereichertes Gas, insbesondere reiner Sauerstoff, und das zweite Prozessgas vorteilhafterweise ein mit Stickstoff angereichertes Gas, insbesondere reiner Stickstoff. Für andere Zwecke können auch andere Prozessgase zum Einsatz kommen. Dabei kann insbesondere das erste Prozessgas hinsichtlich seiner chemischen Beschaffenheit und/oder seiner physikalischen Parameter wie Druck, Temperatur, Dichte etc. vom zweiten Prozessgas verschieden sein.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass eine nachgeordnete Überarbeitung der behandelten Metallrohre vermieden werden sollte. Dabei sollte an bestimmten Teiloberflächen eine Vergütung, insbesondere durch Oxidieren, möglichst in einem durchgehenden Arbeitsgang verwirklicht werden, während sie an anderen Teiloberflächen im gleichen Arbeitsgang vermieden werden sollte. Hierzu wird in einer vorzugsweise nach dem Grundprinzip eines Autoklaven aufgebauten Vorrichtung die Oberfläche einem bestimmten Gas ausgesetzt, wobei deren Wände eine druckdichte Barriere zwischen Gas und Umwelt schaffen.
Es wurde erkannt, dass auch das Metallrohr, sofern es in einem Abschnitt durchgehend, sprich ohne Durchbrechungen oder Öffnungen ausgestaltet ist, an sich druckdicht ist und somit ebenfalls eine Barriere für Gase darstellt. Mit Hilfe eines Abschnitts des Metallrohrs als Gas-Barriere ist es möglich, die Außenseite des Abschnitts des Metallrohrs einer anderen Gasatmosphäre auszusetzen als dessen Innenseite. Hierbei wurde ferner erkannt, dass verschiedene Reaktionen der Oberfläche mit der jeweiligen Gasatmosphäre durch Erhitzen des Metallrohrs ausgelöst oder unterstützt werden können, bei denen unterschiedliche Reaktionsprodukte erzeugt werden können. Durch das Beaufschlagen der Außenseite des Metallrohrs mit Sauerstoff kann die gewünschte Oxid-Schicht auf der Oberfläche der Außenseite erzielt werden. Gleichzeit kann die Innenseite des Abschnitts mit einem anderen Gas beaufschlagt werden, mit dem die Oberfläche des Abschnitts ebenfalls reagieren kann. Um eine Oxid-Schicht auf der Innenseite zu vermeiden, hat sich es sich als besonders wirksam herausgestellt, die Innenseite des Abschnitts mit Stickstoff zu beaufschlagen. Durch eine gezielte Reaktion der Metalloberfläche mit Stickstoff wird dabei die Oberfläche nitriert, was zudem besonders günstige Eigenschaften für einen Einsatz in Kernkraftwerken hervorruft. Die durch die Reaktion mit Stickstoff erzeugte Deckschicht erweist sich als wirksam, eine Anlagerung von Sauerstoff an der Metalloberfläche zu erschweren.
Um eine Oxidation der Außenseite des Abschnitts besonders zu begünstigen, wird in vorteilhafter Weise die Außenseite des Abschnitts während des Erhitzens mit Sauerstoff in Überdruck in Relation zu dem Atmosphärendruck beaufschlagt. Durch eine Bereitstellung einer im Vergleich zur Normalatmosphäre höheren Menge an Sauerstoff, wird die Reaktion erleichtert und es steht eine größere Menge an Sauerstoff als Reaktionspartner der Metalloberfläche zur Verfügung. Bei einer Beaufschlagung mit reinem Sauerstoff, der etwa einer Gasflasche entnommen wird, ist sichergestellt, dass während der Behandlung keine unerwünschten Gase, Dämpfe, Aerosole und dergleichen, die normalerweise als Bestandteile in der Luft vorhanden sind, mit der erhitzten Reaktionszone in Berührung kommen.
Um eine Nitrierung der Innenseite des Abschnitts besonders zu begünstigen und eine Oxidation zu vermeiden, wird in vorteilhafter Weise die Innenseite des Abschnitts während des Erhitzens mit Stickstoff in Überdruck in Relation zu dem Atmosphärendruck beaufschlagt. Einerseits steht somit eine im Vergleich zur Normalatmosphäre große Menge an Stickstoff, vorzugsweise reinem Stickstoff, als Reaktionspartner zur Verfügung. Andererseits wird bei ähnlichen Druckverhältnissen auf Innen- und Außenseite des Metallrohres ein mögliches Verformen des Metallrohres erschwert, welches ansonsten auf Grund unterschiedlich stark wirkender Kräfte auftreten könnte.
Um sowohl eine Oxidation als auch eine Nitrierung unter gleichzeitiger Wahrung von Form und/oder Stabilität des Metallrohrs mit wünschenswerten Eigenschaften zu erzielen, wird der Abschnitt vorteilhafterweise auf Temperaturen zwischen 350°C und 450°C erhitzt. In manchen Fällen kann auch eine – zumindest kurzzeitige – Erhitzung auf Temperaturen von bis zu 500°C oder sogar bis zu 650°C vorteilhaft sein. Hierdurch ist einerseits eine wirksame Reaktionstemperatur für die einzelnen Reaktionen gegeben und andererseits wird ein Überhitzen des Metallrohres vermieden, woraus unerwünschte Form- und Stabilitätsänderungen resultieren könnten.
Um das Metall gleichmäßig und ohne Ausbilden von Kontaktstellen zu erwärmen, wird vorteilhafterweise der betreffende Abschnitt durch elektromagnetische Induktion erhitzt bzw. erwärmt, wodurch ein ortsgenaues und kontaktloses Heizen des Abschnitts möglich ist. Durch das Vermeiden von Kontaktstellen, an denen die Wärme übertragen wird, können zudem gleichmäßige Temperaturverläufe an den Oberflächen erreicht werden, so dass die Oxidation und die Nitrierung an der Innen- und Außenseite des Abschnitts gleichmäßig erfolgen kann. Zudem würde bei der Anwesenheit von Kontaktstellen die Gaszufuhr in der Regel an diesen Stellen gedrosselt sein, was die Reaktionshäufigkeit oder -rate an diesen Stellen in unerwünschter Weise mindern würde. Dies wird ebenfalls durch die kontaktlose induktive Heizung vermieden.
Um insbesondere die Reaktion von der Oberfläche mit Sauerstoff zu stoppen, hat es sich gezeigt, dass die Zufuhr von Edelgasen, insbesondere von Argon, ein Unterbinden der Reaktion begünstigt. In vorteilhafter Ausgestaltung wird daher die Außenseite des behandelten Abschnitts nach der Reaktion mit Sauerstoff mit Argon oder mit einem anderen Inertgas beaufschlagt. Auf Grund der geringen Reaktivität von Edelgasen, zu denen das in Relation zu anderen Edelgasen preisgünstige Argon zählt, bewirkt ein Hinzufügen von Argon zu einem reaktiveren Gas, wie Sauerstoff, eine tendenziell absinkende Reaktivität des gesamten Gasgemischs, wodurch die Reaktionsrate mit der Oberfläche gesenkt wird und ein Stoppen der Reaktion begünstigt wird.
Eine eventuelle unerwünschte Reaktion der Metalloberfläche nach den gewünschten Reaktionen mit Sauerstoff bzw. Stickstoff soll vermieden werden. Vorteilhafterweise wird dazu der Abschnitt nach der Reaktion gekühlt, so dass die Reaktivität der Metalloberfläche sinkt und weitere Reaktionen, eventuell mit anderen Gasen reduziert werden.
Für eine gleichmäßige und abschnittsweise Behandlung des Metallrohrs, wird das Metallrohr mit vorzugsweise konstanter Geschwindigkeit durch den Reaktionsbereich geführt bzw. geschoben. Hierdurch ist es möglich, eine Reaktion an einem Abschnitt zu bewirken, der nur einen kleinen Teil des gesamten Metallrohrs ausmacht. Einerseits können die weiteren Arbeitsschritte, wie Kühlen, erleichtert werden, da der Abschnitt aus dem Heiz- und Reaktionsbereich herausgeführt wird und beispielsweise in einem prozessmäßig nachgeschalteten Kühlabschnitt gekühlt werden kann. Andererseits können aber auch die Beaufschlagung mit Gas und auch das Erwärmen kontinuierlich erfolgen, so dass ein ständiges Abschalten und Anschalten dieser Verfahrensschritte weitgehend vermieden werden kann.
Bezüglich der Vorrichtung zum Vergüten von Metallrohren wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem die Vorrichtung folgende Komponenten umfasst:

– eine Reaktionskammer mit zwei Öffnungen, die an gegenüberliegenden Wänden der Reaktionskammer liegen und zur gleichzeitigen Aufnahme eines Abschnitts des Metallrohrs geeignet sind,
– ein Heizelement, welches dafür ausgelegt ist, den Abschnitt oder einen Teil des Abschnitts in der Reaktionskammer zu erhitzen,
– eine erste Prozessgas-Leitung, welche strömungsmäßig mit der Reaktionskammer verbunden ist zur Beaufschlagung der Außenseite des Abschnitts, und
– eine zweite Prozessgas-Leitung, welche strömungsmäßig mit der Innenseite des Abschnitts verbunden ist.

In bevorzugter Ausgestaltung, speziell für die Vergütung von Brennstabhüllrohren, ist dabei die erste Prozessgas-Leitung eine Sauerstoff-Leitung und die zweite Prozessgas-Leitung eine Stickstoff-Leitung.
Durch eine solche Vorrichtung ist ein besonders zeitsparendes und effektives Vergüten der Oberflächen eines Metallrohrs möglich. Durch die in genannter Weise ausgestalteten Öffnungen der Reaktionskammer wird das Metallrohr so in die Reaktionskammer geschoben, dass es an beiden Enden übersteht, wodurch eine atmosphärische Trennung und Abdichtung der Reaktionskammer gegenüber der Innenseite des Metallrohrs einerseits und gegenüber der äußeren Umgebung andererseits erzielt wird. Durch das Erhitzen des Metallrohrs bzw. eines Abschnitts des Metallrohrs in der Reaktionskammer durch ein Heizelement wird dabei die Reaktion mit zugeleiteten bzw. beaufschlagten Gasen eingeleitet bzw. begünstigt. Durch die Aufnahme einer Sauerstoff-Leitung, die strömungsmäßig mit der Reaktionskammer und somit strömungsmäßig auch mit der Außenseite des Metallrohrs verbunden ist, sowie der gezielten Nutzung eines Abschnitts des Metallrohrs als Barriere kann Sauerstoff in die Reaktionskammer geleitet werden. Dadurch kann die Reaktion der äußeren Oberfläche mit Sauerstoff begünstigt werden, wobei gleichzeitig die Innenseite des Metallrohrs nicht einer Sauerstoff-Atmosphäre ausgesetzt sein muss.
Vielmehr ist zweckmäßigerweise eine Stickstoffleitung mit der Innenseite des Metallrohrs, welche auch als Hohlbereich oder Hohlraum oder Rohrinnenraum bezeichnet werden kann, strömungsmäßig verbunden, so dass die Innenseite des Metallrohrs bzw. der Abschnitt mit Stickstoff beaufschlagt und somit diese nitriert werden kann. Durch die Gasleitungen kann eine ausreichend hohe Menge an Gas in die beiden Reaktionsbereiche geleitet werden, um sowohl einen Überdruck von Sauerstoff als auch von Stickstoff zu erzeugen, der eine Reaktion der Metallrohroberflächen mit diesen Gasen begünstigt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Öffnungen derart ausgebildet, dass sie das Metallrohr im Wesentlichen passgenau aufnehmen können, so dass sich das Metallrohr in die Öffnungen schieben lässt und über äußere geeignete Auflageflächen geführt und gehalten wird, ohne dabei an die Wandungen der Vorrichtung bzw. an die Begrenzung der Öffnungen zu gelangen. Das Metallrohr und die Reaktionskammer bilden dabei einen vergleichsweise schmalen Ringspalt aus. Hierdurch bildet das Metallrohr ein passendes Gegenstück zu der Reaktionskammer, so dass die Reaktionskammer ohne weitere Hilfsmittel oder Abdichtelemente im Wesentlichen abgedichtet wird.
Um gezielt Reaktionsprodukte und/oder überschüssige Gase aus der Reaktionskammer abzuleiten und gleichzeitig weitere Öffnungen zu vermeiden, weisen die zur Durchführung des Metallrohrs vorgesehenen Öffnungen in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung nach dem Einbringen des Metallrohrs einen Leckagespalt, nämlich vorzugsweise den oben genannten Ringspalt auf. Durch gezielte, kleine undichte Stellen, die aus den geringfügig differenzierten Durchmessern von Metallrohr und Öffnungen resultieren, wird nach Art einer Drossel ein Abbau des Überdrucks im Inneren der Reaktionskammer vermieden, solange Gas in die Reaktionskammer nachströmt, aber gleichzeitig ein Abbau ohne weitere Hilfsmittel ermöglicht, falls die Gaszufuhr bewusst oder unbewusst unterbrochen wird. Das aus dem Leckagespalt ausströmende Prozessgas wirkt dabei als Sperrgas einem Einströmen von Umgebungsluft in die Reaktionskammer entgegen.
Um die Reaktion von Sauerstoff mit der Metalloberfläche wirksam zu verlangsamen oder zu stoppen, weist die Vorrichtung in vorteilhafter Ausgestaltung eine Inertgas-Leitung, insbesondere eine Argon-Leitung auf, die strömungsmäßig mit der Sauerstoff-Leitung oder direkt mit der Reaktionskammer verbunden ist. Durch das Einleiten von Argon in die Reaktionskammer, welches mit einer Argon-Leitung gezielt vorgenommen werden kann, vermischt sich dieses zunächst mit dem in der Reaktionskammer befindlichen Sauerstoff, so dass die Sauerstoffkonzentration sinkt. Bei einem Stoppen der Zufuhr von Sauerstoff kann somit zunächst die Reaktionsrate gesenkt werden und ein Stoppen der Oxidation gezielt eingeleitet werden.
Für eine zumindest teilweise Automatisierung wird das Metallrohr am Reaktionsbereich linear entlanggeführt. Alternativ zu der Möglichkeit, die Position des Metallrohrs zu fixieren und die Reaktionskammer zu bewegen, weist die Reaktionskammer in vorteilhafter Ausgestaltung ein Durchführelement auf, welches das Metallrohr durch die Kammer führt. Einerseits wird das Metallrohr zugeführt, so dass die Reaktion insbesondere auf der Außenseite des Abschnitts nur eine bestimmte Zeitperiode andauert und somit die Schichtbildung begrenzt. Andererseits stehen die bereits vergüteten Oberflächen weiteren Verarbeitungsschritten, wie einer Kühlung, zur Verfügung. Für eine wirksame Schichtbildung auf den Oberflächen hat sich gezeigt, dass ein Vorschub für das Metallrohr zwischen 5 und 20 mm je Sekunde, welcher durch einen Linearantrieb erzeugt wird, geeignet ist.
Um das Metallrohr nach der Reaktion auf eine Normaltemperatur abzukühlen, weist die Vorrichtung in vorteilhafter Ausgestaltung eine Kühlkammer auf, so dass auf Grund der dann geringeren Temperatur weitere Reaktionen mit Gasen unterbleiben bzw. reduziert werden. Diese kann an die Reaktionskammer angrenzend ausgestaltet sein, so dass das Metallrohr direkt nach der Reaktion gekühlt werden kann und ggf. auch durch diese hindurchgeschoben werden kann. Durch einen Mehrfachdurchlauf des Metallrohrs ist es zudem möglich, andersartige Schichten auf der Oberfläche anzubringen, wobei dies einerseits an verschiedenen Stellen bzw. Positionen auf der Oberfläche oder aber andererseits an gleichen Positionen schichtartig erfolgen kann. Auch ist ein Hintereinanderschalten von verschiedenen Reaktionskammern in einer Weiterentwicklung denkbar.
Ein mit einem solchen Verfahren und/oder einer genannten Vorrichtung vergütetes Metallrohr ist aufgrund seiner einfachen Erzeugung und der Vermeidung von einzelnen Schritten in der Weiterbehandlung, insbesondere der Entfernung von Oxiden auf Abschnitten seiner Außenseite, vorteilhaft.
Für eine Verwendung als Brennstabhüllrohr in einem Kernkraftwerk sollte ein Metallrohr in vorteilhafter Ausgestaltung einen Anteil von mehr als 80% an Zirkonium aufweisen, da dies einen kleinen Wirkungsquerschnitt hinsichtlich der Absorption von Neutronen bedeutet und somit den nuklearen kettenartigen Zerfallsprozess nicht übermäßig behindert. So werden viele Brennstabhüllen aus einer Metall-Legierung, die unter den Namen Zirkalloy, Zirkaloy, Zircalloy oder auch Zircaloy bekannt ist und einen Anteil von mehr als 90% an Zirkonium aufweist, erzeugt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch das Vergüten im Durchlaufverfahren, insbesondere mit Induktionsglühen, gezielt Schichten in unterschiedlicher Länge und Position in einem kontinuierlichen Prozess an einem Metallrohr aufgebracht werden können, ohne dass unerwünschte Stoffe und Stoff-Gemische wie Wasserdampf, Wasserstoff oder andere Verunreinigungen in dem jeweiligen Reaktionsbereich vorhanden sind. Auch können beispielsweise die Enden eines Metallrohrs unbehandelt bleiben, so dass bei der Fertigung von teilweise vergüteten Metallrohren oder von Metallrohren, die auf Innenseite (innere Oberfläche) und Außenseite (äußere Oberfläche) unterschiedlich vergütet werden sollen, Arbeitsschritte eingespart werden können. Es ist auch möglich, bei einem mehrfachen Durchlauf durch die Reaktionskammer oder bei einem Durchlauf durch mehrere prozessmäßig in Reihe geschaltete Reaktionskammern übereinander liegende Vergütungsschichten unterschiedlicher Art zu erzeugen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung erläutert. Darin zeigen:
1 eine Vorrichtung zum Vergüten eines Metallrohrs in einer dreidimensionalen Ansicht,
2 eine Reaktionskammer und weitere Elemente der Vorrichtung gemäß 1 in einem Längsschnitt, und
3 ein als Brennstabhülle ausgestaltetes Metallrohr, welches entlang der Längsachse aufgeschnitten ist.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine von einer druckdichten Umschließung begrenzte Reaktionskammer 1 gezeigt, in welche ein Metallrohr 4 durch zwei stirnseitige Öffnungen 6 geschoben ist. Die Öffnungen 6 sind dabei passgenau ausgestaltet, so dass das Metallrohr 4 nur ein relativ geringes Spiel aufweist und sicher die beiden Öffnungen 6 über den Prozessgasüberschuss, sprich über das aus den verbleibenden Leckagespalten aus der Reaktionskammer 1 ausströmende, ggf. mit Reaktionsprodukten angereicherte Prozessgas abschließt. Die Reaktionskammer 1 ist in einer bevorzugten Ausführungsvariante im Wesentlichen aus Zirkontrioxid (ZrO₃) und/oder wärmebeständigem Glas hergestellt, da diese nur eine geringe Reaktivität mit Sauerstoff zeigen. Glas ermöglicht zudem einen vorteilhaften Sichtkontakt mit dem Metallrohr 4.
Im Inneren der Reaktionskammer 1 ist ferner ein Heizelement 4 angeordnet, welches in diesem Fall als Induktionsspule ausgestaltet ist und durch welches das Metallrohr 4 hindurchgeschoben wird. Die einzelnen Induktorschleifen sind dabei aus Kupfer ausgebildet. Durch eine induktive Erwärmung, die bei magnetisierbaren Metallen infolge der induzierten Wirbelströme und der ohmschen Wärmeverluste möglich ist, steht das Heizelement 4 nicht in körperlichem Kontakt mit dem Metallrohr 4, und es kann eine zielgenaue und schnelle Erwärmung mit kurzen Reaktionszeiten erfolgen. Zudem bildet sich eine homogene Wärmeverteilung über den gesamten Induktionsbereich aus. Das Heizelement 4 selbst wird dabei von einem Hochfrequenzgenerator 10 über nach außen geführte elektrische Anschlussleitungen 11 mit einer Wechselspannung versorgt.
In dem sich stirnseitig an die Reaktionskammer 1 anschließenden Öffnungsbereich 12 ist ein Durchführelement 14 für das Metallrohr 4 angebracht. Mittels einer nicht dargestellten elektrischen Antriebseinheit kann das Metallrohr 4 in Richtung seiner Längsachse linear durch die Reaktionskammer 1 transportiert werden. Das Durchführelement 14 und weitere Elemente können dabei aus Keramik (Al₂O₃) hergestellt sein, welches sich als stabiles und belastbares Material erwiesen hat.
Die Beaufschlagung der Reaktionskammer 1 und damit der Außenseite 15 des Metallrohrs 4 bzw. eines Abschnitts des Metallrohrs 4 mit Sauerstoff erfolgt über eine durch die äußere Umschließung in den Innenraum der Reaktionskammer 1 geführte Sauerstoff-Leitung 16. Diese ist mit der Reaktionskammer 1 verbunden und kann wie die weiteren Gasleitungen aus Polypropylen bestehen, welches ein flexibles und druckdichtes Material ist. Während des Erhitzens des Abschnitts 17, vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 350°C und 450°C, wird bei einer gezielten Beaufschlagung der Reaktionskammer 1 mit Sauerstoff die Außenseite 15 des Abschnitts 17 des Metallrohrs 4 oxidiert. Gemäß der Darstellung in 1 kann der mit Sauerstoff beaufschlagte Abschnitt des Metallrohres 4 länger sein als der durch das Heizelement 4 erhitzte Abschnitt 17, der die momentane Reaktionszone definiert. Die Reaktion kann gestoppt werden, indem die Temperatur des Abschnitts 17 gesenkt wird, und/oder indem Argon oder ein anderes Inertgas hinzugeführt und/oder indem die Sauerstoffzufuhr gedrosselt wird. Die Zufuhr von Argon geschieht dabei über eine Argon-Leitung 18, die an die Sauerstoff-Leitung 16 angeschlossen ist und somit bereits für eine homogene Durchmischung der beiden Gase vor Eintritt in die Reaktionskammer 1 sorgt. Alternativ ist auch eine separate Leitungsführung möglich.
Gleichzeitig zur Beaufschlagung mit Sauerstoff wird die Innenseite 19 des Metallrohrs 4 mit Stickstoff beaufschlagt. Die Zufuhr erfolgt über eine Stickstoff-Leitung 20, die in das Rohrinnere führt. Ein druckdichtes Verbindungsstück 21 sorgt dabei für eine druckdichte Verbindung, die Verunreinigungen aus der umliegenden Luft wirksam verhindert. Durch das induktive Erhitzen wird ebenfalls die Innenseite 19 des Metallrohrs 4 abschnittsweise – nämlich im selben Längsabschnitt wie die Außenseite 15 – erhitzt, so dass in dem Abschnitt 17 eine Reaktion der inneren Oberfläche mit Stickstoff, vorzugsweise eine Nitrierung erfolgt.
Die Reaktionsprodukte sowie überschüssige Gase werden über Gasleitungen abgeleitet. Hierzu sind eine Sauerstoff-Ableitung 22 und eine Stickstoff-Ableitung 24 ausgebildet, wobei erstgenannte die Gase – Sauerstoff und ggf. Inertgas, vermischt mit Reaktionsprodukten – aus der Reaktionskammer ableitet und letztgenannte die Gase – Stickstoff, vermischt mit Reaktionsprodukten – aus dem Inneren des Metallrohrs 4 ableitet. Sauerstoff-Ableitung 22 und Stickstoff-Ableitung 24 werden nach einer Teilstrecke zusammengeführt und zusätzlich mit Kohlenstoffdioxid (CO₂) über eine Kohlenstoffdioxid-Leitung 26 angereichert, bevor die Gase in Richtung des Pfeils 28 von einer Pumpe abgesaugt werden. Durch die Wirkung der Pumpe, die als Drehschieberpumpe ausgestaltet sein kann, und durch die Wirkung der Gaszufuhr entsteht infolge des sich einstellenden Druckgefälles eine Vorzugsrichtung der Strömung, die dafür sorgt, dass frisches Gas dem Abschnitt 17 des Metallrohrs 4, welcher erhitzt wird, zugeführt wird. Kohlenstoffdioxid dient dabei als Sperrgas und schützt die Pumpe unter anderem vor Korrosion.
Im Anschluss an die bzw. seitlich neben der Reaktionskammer 1 ist eine Kühlkammer 30 in Gestalt eines Kühltunnels oder einer Kühlmanschette ausgebildet, durch die das Metallrohr 4 ebenfalls hindurchgefahren wird. Zum Zweck der Kühlung können im Mantel der Kühlkammer 30 geeignete Kühlelemente, etwa in Gestalt eines an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossenen Kühlmittelverdampfers, angeordnet sein.
In 2 ist ein Schnitt einer Reaktionskammer 1 dargestellt. Diese weist eine Gesamtlänge 32 von 200–250 mm und eine Gesamtbreite 34 von 90–120 mm auf, so dass Metallrohre 4 in verschiedenen Größen vergütet werden können. Die Reaktionskammer 1 weist als einen Bestandteil ihrer Umschließung an ihren beiden Enden jeweils einen Deckel 36 auf. Durch einen der beiden Deckel 36, hier den linken, ist die Sauerstoff-Leitung 16 geführt, durch welche hindurch die Reaktionskammer 1 mit Sauerstoff und ggf. mit Argon beaufschlagt werden kann. Durch den anderen Deckel 36, hier den rechten, sind die elektrischen Anschlussleitungen 11 des Heizelementes 4 geführt. Der jeweilige Deckel 36 kann dabei aus einem korrosionsresistenten Material wie Edelstahl, beispielsweise Nirosta, hergestellt sein. Der zwischen den beiden Deckeln 36 befindliche Zylindermantel 37 als weiterer Bestandteil der Umschließung kann wie bereits erwähnt aus Zirkontrioxid (ZrO₃) und/oder Glas gefertigt sein. Insbesondere sogenanntes Saphirglas auf Basis des Minerals Korund (Al₂O₃) ist dafür geeignet. Bei einem aus zwei konzentrischen Röhren gebildeten Doppelmantel bzw. einer Doppelverglasung kann in den Zwischenraum zwischen den beiden Röhren bzw. Gläsern ein Gas als Kühlmittel eingeleitet werden. Die gesamte Anordnung ist hier im Ausführungsbeispiel durch außenliegende Zuganker 60 gegeneinander verspannt.
Gase, die aus der Reaktionskammer 1 abgeleitet werden, können zunächst eine Leckagestelle 38, vorzugsweise in Gestalt eines Ringspalts, passieren, die eine gezielte Undichtigkeit zwischen der Außenseite 15 des Metallrohrs 4 und dem Rand der Öffnung 6 darstellt. Anschließend werden diese Gase über eine Sauerstoffableitung 22 aus der Reaktionskammer 1 bzw. aus einer an die Reaktionskammer 1 angrenzenden Sammelkammer 39 abgeführt. Im Ausführungsbeispiel sind derartige Leckagestellen 38 in den zentralen Öffnungen 6 beider Deckel 36 ausgebildet, so dass eine beidseitige Ausströmung aus der Reaktionskammer 1 verwirklicht ist.
Für eine ausreichende Gasversorgung bei einer solch dargestellten Reaktionskammer 1 hat sich in einem Versuch gezeigt, dass ein Gasdurchfluss von 1 Liter pro Minute an Sauerstoff, 1 Liter pro Minute an Kohlenstoffdioxid und 250 Milliliter pro Minute an Stickstoff geeignet ist, um einerseits die Außenseite 15 des Abschnitts 17 zu oxidieren, andererseits die Innenseite 19 des Metallrohrs 4 zu nitrieren und ausreichend Sperrgas bereitzustellen. Natürlich können die Werte bei einer späteren Anlage für den Produktivbetrieb variieren.
Das Metallrohr 4 wird dabei entlang der Richtung des Pfeils 42 von einem Durchführelement 14 in einem Durchlaufverfahren geführt, wobei Führungen ein Verrutschen des Metallrohrs 4 verhindern. Der Vortrieb des Metallrohres 4 wird dabei durch eine hier nicht dargestellte elektrische Antriebseinheit bewirkt. Der Abschnitt 17, der sich im Bereich des Heizelements 8 befindet und mit den Gasen reagiert, verlässt nach einer Zeitspanne, die sich aus der Führgeschwindigkeit ergibt, die Reaktionskammer 1 und erreicht die Kühlkammer 30, wo das Metallrohr 4 abschnittsweise gekühlt wird. Nach Passieren der Kühlkammer 30 befindet sich der Abschnitt 17 auf einer Temperatur, vorzugsweise auf Raumtemperatur, bei der das vergütete Metallrohr 4 auch langfristig nicht mehr mit der umgebenden Atmosphäre reagiert. Alternativ könnte das Metallrohr 4 ortsfest angeordnet sein und die Reaktionskammer 1 sowie ggf. die Kühlkammer 30 verfahrbar.
Die Temperatur des Abschnitts 17 wird mit einem oder mehreren Pyrometern 40 berührungslos gemessen. Durch eine Rückkopplung mit dem Hochfrequenzgenerator 10 kann die Temperatur am Abschnitt 17 eingestellt und geregelt werden. Durch ein Kontrollieren der Temperatur eines Abschnitts nach Verlassen des Heizbereichs ebenfalls durch ein Pyrometer 40 kann die Führgeschwindigkeit ggf. verändert werden, um die Abkühlrate außerhalb des Heizbereiches geeignet einzustellen. Das Heizelement 8 selbst kann ebenfalls durch ein Kühlmittel gekühlt werden, welches in das Innere der Induktorschleifen geleitet wird. Zur Steuerung bzw. Regelung all dieser Vorgänge sind eine hier nicht dargestellte elektronische Steuereinheit sowie entsprechende Messfühler bzw. Sensoren und Stellglieder vorgesehen. Als Eingangsgrößen der Regelung können beispielsweise auch die Gehalte bzw. Konzentrationen der Prozessgase Sauerstoff und Stickstoff sowie der anderen Gase im Ein- und/oder Abströmbereich ermittelt werden.
In 3 ist ein vergütetes Metallrohr 4 als Brennstoffhülle 50, die oftmals auch als Brennstabhüllrohr oder kurz Hüllrohr bezeichnet wird, ausgestaltet und wird entlang seiner Längsachse 52 aufgeschnitten gezeigt. Eine Brennstoffhülle 50 weist typischerweise eine Länge zwischen 0,5 und 6 m und einen Innendurchmesser zwischen 6 mm und 10 mm auf. Die Brennstabhülle 50 weist eine Wandstärke 54 zwischen 0,7 und 1,0 mm auf, vorzugsweise 0,85 mm, um einerseits eine wirksame Barriere für Spaltprodukte darzustellen und andererseits aber einen guten Neutronenfluss zu ermöglichen. Die Innenseite 19 der Brennstoffhülle 50 ist dabei innerhalb der behandelten Abschnitte mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch Nitrieren vergütet worden, während die Außenseite 15 durch Oxidieren behandelt wurde. Die beiden Endbereiche der Brennstabhülle 50 bleiben typischerweise unbehandelt.
Bezugszeichenliste

1: Reaktionskammer
4: Metallrohr
6: Öffnung
8: Heizelement
10: Hochfrequenzgenerator
11: elektrische Anschlussleitung
12: Öffnungsbereich
14: Durchführelement
15: Außenseite
16: Sauerstoff-Leitung
17: Abschnitt
18: Argon-Leitung
19: Innenseite
20: Stickstoff-Leitung
21: Verbindungsstück
22: Sauerstoff-Ableitung
24: Stickstoff-Ableitung
26: Kohlenstoffdioxid-Leitung
28: Pfeil
30: Kühlkammer
32: Gesamtlänge
34: Gesamtbreite
36: Deckel
37: Zylindermantel
38: Leckagestelle
39: Sammelkammer
40: Pyrometer
42: Pfeil
50: Brennstabhülle
52: Längsachse
54: Wandstärke
60: Zuganker

Claims

Verfahren zum Vergüten von Metallrohren (4), insbesondere von Brennstabhüllen (50) für ein Kernkraftwerk, bei dem während einer Erhitzung eines Abschnittes (17) des Metallrohres (4) die Außenseite (15) des Metallrohrs (4) zumindest in diesem Abschnitt (17) mit einem ersten Prozessgas und gleichzeitig die Innenseite (19) des Metallrohrs (4) zumindest in diesem Abschnitt (17) mit einem zweiten Prozessgas beaufschlagt wird, so dass die Oberflächen des Abschnitts (17) mit dem jeweiligen Prozessgas reagieren.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als das erste Prozessgas ein Gas mit hohem Sauerstoffanteil, insbesondere reiner Sauerstoff, und als das zweite Prozessgas ein Gas mit hohem Stickstoffanteil, insbesondere reiner Stickstoff, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Außenseite (15) des Abschnitts (17) mit dem ersten Prozessgas mit Überdruck in Relation zum Atmosphärendruck beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Innenseite (19) des Abschnitts (17) mit dem zweiten Prozessgas mit Überdruck in Relation zum Atmosphärendruck beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Abschnitt (17) durch elektromagnetische Induktion erhitzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Abschnitt (17) auf eine Temperatur zwischen 350°C und 450°C erhitzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Außenseite (15) des Abschnitts (17) nach der Reaktion mit dem ersten Prozessgas mit Inertgas, vorzugsweise Argon, beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Metallrohr (4), vorzugsweise mit konstanter Geschwindigkeit, durch den Reaktionsbereich geschoben wird.
Vorrichtung zum Vergüten von Metallrohren (4), insbesondere von Brennstabhüllen (50) für ein Kernkraftwerk, welche folgende Komponenten umfasst: – eine Reaktionskammer (1) mit zwei Öffnungen (6), die an gegenüberliegenden Wänden der Reaktionskammer (1) liegen und zur gleichzeitigen Aufnahme eines Abschnitts (17) des Metallrohrs (4) geeignet sind, – ein Heizelement (8), welches dafür ausgelegt ist, den Abschnitt (17) oder einen Teil des Abschnitts (17) in der Reaktionskammer (1) zu erhitzen, – eine erste Prozessgas-Leitung (16), welche strömungsmäßig mit der Reaktionskammer (1) verbunden ist zur Beaufschlagung der Außenseite (15) des Abschnitts (17), und – eine zweite Prozessgas-Leitung (20), welche strömungsmäßig mit der Innenseite (19) des Abschnitts (17) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die erste Prozessgas-Leitung (16) eine Sauerstoff-Leitung und die zweite Prozessgas-Leitung (20) eine Stickstoff-Leitung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Öffnungen (6) derart ausgestaltet sind, dass diese den Abschnitt (17) im Wesentlichen passgenau, jedoch mit Leckagespalt aufnehmen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, welche eine Inertgas-Leitung (18) aufweist, die strömungsmäßig mit der ersten Prozessgas-Leitung (16) oder der Reaktionskammer (1) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Inertgas-Leitung (18) eine Argon-Leitung ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei eine Antriebseinheit zur Durchführung des Metallrohres (4) durch die Reaktionskammer (1) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei eine Kühlkammer (30) vorhanden ist, welche an die Reaktionskammer (1) grenzt.