DE1752486C - Verfahren zur Erzeugung der Endabmessungen bei der Herstellung eines geschweißten Präzisionsrohres für Kernreaktoren und Dorn zur Ausübung des Verfahrens - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung Die Erfindung wird an Hand von in Figuren dar-

der Endabmessungen bei der Herstellung eines ge- gestellten Beispielen erläutert. In den Figuren zeigt

schweißten Präzisionsrohres für Kernreaktoren, ins- F i g. 1 das Zusammenschweißen von Blechprofilen

besondere eines Mantelrohres für Brennstoffkassetten, zu einem Mantelrohr für eine Brennstoffkassette im

bei dem ein Blech oder mehrere Bleche um einen 5 Querschnitt,

langgestreckten einteiligen Dorn gelegt wird oder F i g. 2 eine Ausrüstung zum gleichzeitigen Walzen

werden, wobei die Blechkanten einen schmalen Spalt von zwei einander gegenüberliegenden Schweißnähten

zwischen sich bestehen lassen, der anschließend mit an einem Mantelrohr in Vertikalansicht,

Schweißmaterial geschlossen wird, und einen Dorn F i g. 3 einen teilweisen Vertikalschnitt nach

zur Verwendung bei diesem Verfahren. io Linie III-III in Fig. 2, wobei dargestellt ist, wie das

Die hier in Rede stehenden Präzisionsrohre sind auf dem Dorn befestigte fvlanielrohr durch die Walzen

bisher aus massiven Rohlingen mittels verschiedener geführt wird, und

Verfahren, z. B. Walz-, Schmiede- oder Ziehverfahren, F i g. 4 in teilweisem Vertikalschnitt nach Linie

hergestellt worden. Diese nahtlosen Rohre sind ver- IV-IV in F i g. 2 eine Stützrolle der Walzausrüstung,

hältnismäßig teuer. i₅ Aus F i g. 1 geht hervor, wie zwei Blechprofile 1'

Rohre mit Naht, die aus bandförmigem Material und 1" durch TIG-Schweißen auf einem Dorn 2 zuhergestellt werden und billiger sind als die nahtlosen sammengefügt werden (s. auch F i g. 3, die das zuRohre, haben bisher nicht die Anforderungen an hohe sammengeschv.eißte Mantelrohr 1 zeigt, das auf dem Genauigkeit hinsichtlich der Abmessungen erfüllen Dorn 2 festsitzt),
können. ao Bei der Herstellung von Mantelrohren für Brenn-

Aufgabe der Erfindung ist es, ohne die Forderung Stoffkassetten benutzt man zweckmäßig das TIG-

nach hoher Genauigkeit der Abmessungen aufzugeben, (Tungsten-Inert-Gas)-Schweißen oder das Elektronen-

mit einem einfachen Verfahren und einer einfachen strahlenschweißen in Vakuum. Der Dorn 2, der ζ. Β.

Vorrichtung längsnahtgeschweißte Präzisionsrohre für 4,5 m lang sein kann, ist mit sehr hoher Präzision

Kernreaktoren herstellen zu können, insbesondere as hergestellt und hat bei dieser Länge eine maximale

Mantelrohre für Brennstoffkassetten. Dies wird gemäß Abweichung von 0,8 mm in bezug auf seine Geradheit

der Erfindung dadurch erreicht, daß das durch das und eine maximale Abweichung von 0,1 mm in bezug

Abkühlen der Schweißnaht oder der Schweißnähte auf Drehung.

auf den Dorn geschrumpfte Rohr, d^s aus einer Legie- Um in einem zweckmäßigen Temperaturintervall rung mit niedrigem Neutroneiiabsorptionsquerschnitt 30 eine plastische Verformung erhalten zu können, ist und einem Längenausdehnungskoeffizienten von hoch- der Längenausdehnungskoeffizient des Domes mit stens 10 · 10-'/⁰C besteht, zusammen mit dem Dom, Vorteil mindestens zweimal größer als der der Bleche dessen Material einen hohen Schmelzpunkt und einen zu wählen. Hier gibt es eine große Anzahl von Kombi-Längenausdehnungskoeffizienten hat. der mindestens nationsmöglichkeiten zwischen dem Material für die 12· 10-·/° C beträgt, jedoch mindestens zweimal so 35 Bleche und für den Dorn. Als Beispiel sei angeführt, groß wie der Längenausdehnungskoeffizient des Rohr- daß es sich bei Herstellung von Mantelrohren für materials ist, der verwindungssteif ausgebildet ist und Brennstoff kassetten aus Zirkoniumlegierungen als dessen Querschnitt etwas geringer ist als der des end- zweckmäßig erwiesen hat, als Material für den Dorn gültigen Rohres, erhitzt wird bis zu einer Querschnitts- einen stabilisierten nichtrostenden Stahl mit einem vergrößerung und plastischen Verformung des Rohres 40 Längenausdehnungskoeffizienten von 12 bis 19 · 10"*/ durch Ausdehnen, die nach der anschließenden Ab- ⁰C zu wählen. Ein anderes geeignetes Material für kühlung von Rohr und Dorn den endgültigen Ab- den Dorn ist eine Legierung, bestehend aus 65,3°/₀ Fe, messungen des Rohres entspricht, aus dem dei Dorn 25°/o Al und 9,7 °/₀ Cr. Diese Legierung hat einen konentfernt wird. stanten Längenausdehnungskoeffizienten von etwa

Vorteilhaft ist es bei der Herstellung von Mantel- 45 40 · 10-·/° C von 0 bis über 1000⁰C.

rohren mit drehsymmetrisch polygonalen, insbeson- Der gezeigte Dorn 2 ist aus einem stabilisierten

dere quadratischem Querschnitt, daß die Bleche aus nichtrostenden Stahl mit einem Längenausdehnungs-

mindestens zwei langgestreckten, geraden und vor- koeffizienten von etwa 16 · 10-·/° C hergestellt und für

zugsweise identischen Blechprofilen aus einer Zirko- die Herstellung von Mantelrohren mit quadratischem

niumlegierung bestehen, die einen abgewinkelten 50 Querschnitt vorgesehen.

Querschnitt haben, z. B. einen L-förmigen oder Nach dem Zusammenfügen der Bleche und dem

U-förmigen Querschnitt. Verschweißen der Kanten schrumpft das Rohr durch

Ein Dorn zur Verwendung bei diesem Verfahren ist die Abkühlung der Schweißnaht oder der Schweiß-

dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem langge- nähte auf den Dom; es wird nach eventueller Walzun§

streckten Zentralkörper besteht, von dem der Zahl der 55 der Schweißnaht dann in einen Ofen eingeführt, vor-

Längsknicke des polygonalen Rohres entsprechende zugsweise einen Vertikalofen, und auf eine Temperatui

Stege radial ausgehen mit der axialen Länge des erwärmt, bei der das Rohr durch den Dorn in einerr

Domes, daß der Zentralkörper mit mindestens einer solchen Grade plastisch deformiert wird, daß nach dei

parallel zu den Stegen verlaufenden Nut zum Auf- Abkühlung die vorausbestimmten Abmessungen er

nehmen eines zwischen dem Rohr und dem Dorn an- 60 halten werden. Diese Temperatur kann 250 bis 95O⁰C

gebrachten Stülzkörpers für die zu verschweißenden sein. Sie beträgt bei Mantelrohren aus Zirkonium

Blechkanten versehen ist. legierungen zweckmäßig 500 bis 550° C, wenn eit

Dus erfindungsgemäße Verfahren eignet sich gut Dorn aus rostfreiem Stahl verwendet wird, und 25(

zur Herstellung von Metallrohren mit einem hohen bis 300°C, wenn ein Dorn aus der obengenanntei

Schmelzpunkt und niedrigen Längenausdehnungs- 65 Eisen-Aluminium-Chrom-Legierung verwendet wird

kueffizienten, besonders Mantelrohren mit einem Die VeiWendung eines Dornmaterials mit einem seh

kreisförmigen, sechseckigen oder quadratischen Quer- hohen Längenausdehnungskoeffizienien ermöglich

u-tiMfi. die Hersteilung von Mantelrohren aus kaltbearbeitetei

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oder gehärteten Zirkoniumlegierungen, die eine bedeutend höhere Streckgrenze als die geglühten haben. Dies bringt mit sich, daß die Dicke der Mantelrohre kleiner gemacht werden kann, was offensichtliche Vorteile bildet. Beispiele der Streckgrenzen für Zirkoniumlegierunger; sind in der Tabelle I angegeben.

Tabelle 1

Material

Zircaloy
Zirciiloy

Zr-2,5°/₀Nb

Behandlung ^Sl{^Hf_o ^r-?{!.^ze

geglüht

kaltbearbeitet

gehärtet

300 bis 350
450 bis 500

etwa 700

N 'mmbei 300 C

100 bis 150 250 bis 300

etwa 500

In der Tabelle I ist mit Zr- 2,5 °/₀ Nb eine Zirkoaiumlegierung gemeint, die 2,5 Gewichtsprozent Niobium enthält. Die Zusammensetzung des Zircaloys ist im Anschluß an die Tabelle Il angegeben. In gewissen Füllen ist es zweckmäßig, daß das Rohr während der Efwärmungsperiode von einer radial stützenden Hülse umgeben ist. Der Längenausdehnungskoeffizient der Hülse muß dann zwischen dem des Dorns und dem des Rohres liegen.

Die Erwärmung geschieht mit Vorteil unter Vakuum oder in Schutzgas, bei Hüllenrohren aus Zirkoniumiegierungen zweckmäßig im Hochvakuum, d. h. einem kleineren Druck als 10-³Torr, oder in Schutzgas aus Helium oder Argon, und soll in der kurzmöglichsten Zeit erfolgen, um unerwünschte Material- und/oder Strukturveränderungen, z. B. Kornzuwachs, zu vermeide". Bei anderem Material kann man andere Schutzgase wählen, z. B. Hj für W und Mo und N₄ für andere Metalle. Nach einer vorzugsweise schnellen Abkühlung löst sich das Rohr im allgemeinen von selbst vom Dorn, oder es kann mit nur geringer Kraft gelöst werden. Wenn man es wünscht, kann man. auch ein Formeinsireichmittel zwischen Dorn und Rohr benutzen, z. B. Glas oder Kupfer. Bei der Herstellung von Mantelrohren für Brennstoffkasseiten wählt man als Material für das Rohr mit Vorteil eine Zirkoniumlegierung mit einem niedrigen Neutronenabsorptionsquerschnitt, z. B. Zircaloy-4 oder Zircaloy-2 mit der im Anschluß an die Tabelle Il angegebenen Zusammensetzung. Zur Herstellung von Mantelrohren mit quadratischem Querschnitt geht man zweckmäßig von

t5 zwei U-Prcfil-Leisten oder vier identischen gleichschenkligen Winkelschienen aus, die zu einem Rohr auf dem Dorn zusammengeschweißt werden. Bei einem sechseckigen Querschott kann man in derselben Weise von zwei, drei oder sechs identischen gleichschenkligen Winkelschienen ausgehen mit einem solchen Querschnitt, daß sie zusammen den gewünschten Querschnitt ergeben. In üblicher Weise vermeidet man es, die Schweißfuge in eine Ecke zu verlegen. Bei kreisförmigem Querschnitt geht man schließlich

as von zwei oder mehreren Profilleisten mit einem kreisbogenförmigen Querschnitt aus.

Das Verfahren eignet sich nicht nur zur stückweisen Herstellung von Mantelrohren für BrennstofTkassetten, sondern auch zur Herstellung von anderen Präzisionsrohren für Kernreaktoren. In diesen Fällen ist das Verfahren besondsrs anwendbar bei der Herstellung von Präzisionsrohren mit einem hohen Schmelzpunkt (über 1500⁰C) und niedrigem Längenausdehnungskoeffizienten (kleiner als 10· 10 » pro 'C). Beispiele solcher Metalle sind in der Tabelle Il ingegeben.

Tabelle II

	Zircaloy-2	Zr-4	Mo	W	Ta	Nh
Schmelzpunkt	1850 6 · 10-«	1850 6 · 10-«	2620 4,v 10-·	3370 4,3 · 10-·	2996 6,5 · 10-·	1950 7,2 · 10-·
Längenausdehnungskoeffizient pro 0C

Die Zusammensetzung von Zircaloy-2 ist: Sn 1,3 bis l,6°/₀, Fe 0,07 bis 0,2°/₀, Cr 0,05 bis 0,15"/₀, Ni 0,03 bis 0,08 °/₀, Zr Rest.

Die Zusammensetzung von Zircaloy-4 ist dieselbe wie bei Zircaloy-2 mit den folgenden Ausnahmen: Fe 0,18 bis 0,24°/₀, Ni ist nicht als Legierungszusatz vorhanden.

Der Dorn ist aus einem hohlen Zentralkörper 3 aufgebaut, von dem vier axial vertaufende Stege 4 mit paralleltrapezförmigem Querschnitt und abgerundeter Spitze radial ausgehen. Eine zu den Stegen 4 parallele Nut 5 im Dorn kann einen Stützkörper auf* nehmen, der unten beschrieben ist,

In der gezeigten Ausführungsform werden zwei U'Profll«Leisten Γ und 1" aus Zircaloy durch TtO' Schweißen zu einem Mantelrohr 1 zusammengeschweißt, tn det F i g. 1 ist mit 6 eine Wolframelektrode bezeichnet, die von einem Mundstück 7 für Schutzgas, z. B. Argon, umgeben ist. Das Mundstück? ruht Über den Leisten 8 an den Klemmbacken 9, die zu einer Befestigungsvorrichtung gehören, um die Profilstangen 1' und 1" in ihrer Lage im Verhältnis zueinander zu halten. Auf der unteren Seite werden die gegeneinander liegenden Kanten der Pron'leisten von einem in der Nut 5 im Dorn ~L angebrachten Stützkörper 10 gestützt. Der Stützkörper 10 weist eine unter der Schweißfuge axial verlaufende Rinne U auf. De. Rinne 11 kann Schutzgas zugeführt werden, und sie trägt zusammen mit dem von den Leisten 8 und den Klemmbacken 9 abgegrenzten, Schutzgas enthaltenden Raum 12 dazu bei, der Schweißfuge eine hohe Qualität zu verleihen. Auf beiden Seiten der Rinne 11 und in den am nächsten der Klemmbacken 9 liegenden Partisn sind parallele und axiale KUhI-wasserkpnäle 13 angeordnet. Die Kühlwasserkanäle 13 sind mit Vorteil so ausgeführt, daß sie federnd an den U'Profll'Stangen Γ und 1" anliegen, wodurch die Leckage von Schutzgas vermindert wird.

ej Um eine gleichmäßige Mantelwand zu erhalten, ist es zweckmäßig, daü die durch das Schweißen gebildete Schweißfuge gewalzt wird, ehe das auf dem Doin aufgeschrumpfte Mantelrohr der Wärmebe*

handlung ausgesetzt wird. In F i g. 2 ist eine WalzausrUstung gezeigt, mit der zwei Schweißfugen gleichzeitig gewalzt werden können. Das Mantelrohr 1 umschließt den Dorn und ruht auf einer Anzahl paarweise angeordneter Stützrollen 14 aus Plastikmaterial. Die Stützrollen 14 sind, wie aus F i g. 4 näher hervorgeht, auf Wellen 15 angebracht, die in den Ständern 16 gelagert sind, die vom Stativ 17 heraufragen. An dem einen Ende des Stativs 17 befindet sich ein Halter 18, an dem zwei langgestreckte Stangen 19 befestigt sind. io~ Die Stangen 19 sind länger als das Mantelrohr 1 und der Dorn 2 und erstrecken sich, in der Nut 5 ruhend, längs der ganzen Schweißfuge und bis zu zwei übereinander in einem Preßstativ 20 angeordneten großen Walzen 21 und 22. Das Preßslativ 20 ist ungefähr mitten auf dem Stativ 17 angeordnet. Die Lage der zweiten Walze 22 ist fest, wogegen die obere Walze 21 in einem Gleitstück 23 gelagert ist, das gegen die Federkraft der Feder 24 vertikal beweglich ist. Der Walzdruck wird durch Drehen des Handgriffes 25 to eingestellt. Jede Stange 19 ist mit einem Paar von kleinen Walzen 26 und 27 versehen, die übereinander auf der vertikalen Verbindungslinie zwischen der oberen großen Walze 21 und der unteren großen Walze 22 angeordnet sind. Diese kleinen Walzen 26 1$ und 27 ragen etwas über die oberen und unteren Begrenzungsflächen der Stangen 19 hinaus, weshalb die Stange 19, wenn der Dorn 2 und das Mantelrohr $0 vorwärts geführt werden, daß das Walzmoment beginnen kann, in der Nut S ohne direkten Kontakt mit deren Boden laufen. Der Boden der Nut 5 kann beim Walzen durch eine Platte aus gehärtetem Werkzeugstahl geschützt sein, welches Material auch für die Walzen 21, 22, 26 und 27 geeignet ist. Wie aus F i g. 3 hervorgeht, sind die Walzen 21 und 22 mit heraus- 3$ ragenden Partien IV und 22" versehen, deren Breite der Breite der Walzen 26 und 27 entspricht.

Nach dem Walzen ist das Mantelrohr bereit, durch die vorhin angegebene Wärmebehandlung plastisch deformiert zu werden. Noch bessere Geradheit kann durch Strecken des Rohres nach der Wärmebehandlung erreicht werden.

Um unter anderem die Anzahl der Schweißnähte herabzusetzen, kann es vorteilhaft sein, von einem Blechband auszugehen und die«« zu einem nicht geschlossenen Hohlkörper zu biegen, der im wesentlichen den gewünschten Querschnitt aufweist, und dann den Hohlkörper durch Schweißen auf dem Dorn zu schließen. Dies bedeutet, daß man statt mindestens zwei Profilteilen einen einzigen Profilteil mit zwei so einander zugekehrten naheliegenden Kanten benutzen kann, die zusammengefügt werden, wonach das erhaltene Rohr der oben angegebenen Nachbehandlung ausgesetzt wird, um die exakten Abmessungen zu erhalten. .

Die vorstehend beschriebenen Anordnungen und Verfahren können leicht geändert werden, um die Herstellung von Mantelrohren mit beispielsweise hexagonalem oder kreisförmigem an Stelle von quadratischem Querschnitt zu ermöglichen.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung der Endabmessungen bei der Herstellung eines geschweißten Präzi- sionsrohres für Kernreaktoren, insbesondere eines Mantelrohres für Brennstoffkassetten, bei dem ein Blech oder mehrere Bleche um einen langgestreckten einteiligen Dorn gelegt wird oder werden, wobei die Blechkanten einen schmalen Spalt zwischen sich bestehen lassen, der anschließend mit Schweißmaterial geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das durch das Abkühlen der Schweißnaht oder der Schweißnähte auf den Dorn (2) geschrumpfte Rohr (1), das aus einer Legierung mit niedrigem Neutronenabsorptionsquerschnitt und einem Längenausdehnungskoeffizienten von höchstens 10 10V⁰C besteht, zusammen mit dem Dorn (2), dessen Material einen hohen Schmelzpunkt und einen Längenausdehnungskoeffizienten hat, der mindestens 12 · 10V⁰C beträgt, jedoch mindestens zweimal so groß wie der Längenausdehnungskoeffizient des Rohrmaterials ist, der verwindungssteif ausgebildet ist und dessen Querschnitt etwas geringer ist als der des endgültigen Rohres, erhitzt wird bis zu einer Querschnittsvergrößerung und plastischen Verformung des Rohres durch Ausdehnen, die nach der anschließenden Abkühlung von Rohr und Dorn den endgültigen Abmessungen des Rohres entspricht, aus dem der Dorn entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißnaht vor der Erwärmung bis zu plastischer Deformierung gewalzt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2 zur Herstellung von Mantelrohren mit drehsymmetrisch polygonalem, insbesondere quadratischem Querschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (Γ, 1") aus mindestens zwei langgestreckten, geraden und vorzugsweise identischen Blechprofilen (V, 1") aus einer Zirkoniumlegierung bestehen, die einen abgewinkelten Querschnitt haben, z. B. einen L-förmigen oder U-förmigen Querschnitt.

4. Dorn zur Verwendung bei dem Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daG er aus einem nichtrostenden Stahl besteht mit einem Längenausdehnungskoeffizienten von vorzugsweise 16 · 10-*/"C.

5. Verfahren nach Anspruch 3 mit einem Dorn nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung bis auf etwa 500 bis 550° C erfolgt.

6. Dorn zur Verwendung bei dem Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß et aus einer Legierung besteht, die etwa 65,3 °/o Fe, 25°/o Al und 9,7 °/₀ Cr enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 3 mit einem Dorn nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung bis auf etwa 250 bis 300⁰C vorgenommen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) nach der Wärmebehandlung gestreckt wird.

9. Dorn zur Verwendung bei dem Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem langgestreckten Zentralkörper (3) besteht, von dem der Zahl der Längsknicke des polygonalen Rohres entsprechende Stege (4) radial ausgehen mit der axialen Länge des Domes, daß der Zentralkörper mit mindestens einer parallel zu den Stegen (4) verlaufenden Nut (S) zum Aufnehmen eines zwischen dem Rohr (i) und dem Dorn (2) angebrachten Stützkörpers (10 oder 19) für die zu verschweißenden Blechkanten versehen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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