DE1911029A1 - Fittingeinheit fuer Brennstoffkanal eines Kernreaktors - Google Patents

Fittingeinheit fuer Brennstoffkanal eines Kernreaktors

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DE1911029A1
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Atomic Energy of Canada Ltd AECL
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Description

Pi· 1-,"PHYS. W, EINDL.ICH ?°?
26 2 1969 PATENTANWALT WM^fl- ' ~* ' ^/^
IQI Λ Π O Q TELEFON: IMffNCHEN) 843698
TELEGRAM MADBESSE: PATENDUICH MÜNCHEN
AQPBES?: PATENQUCH MUNICH
Meine Akte: Α-234β
Anmelderin:Atomic Energy of Canada Limited,
150 Kent Street, Ottawa 4, Ontario, Canada
Fittingeinheit für Brennstoffkanal eines Kernreaktors
Die Erfindung hetrifft eine Fitting- oder Nabeneinheit für Brennstoffkanäle eines Kernreaktors.
Die Brennstoffkanaleinheiten nehmen den Spaltstoff und das Kühlmittel im Gitter des Kernreaktorkerns auf und bestehen aus einem dünnen Mittelrohr, das durch den Reaktorkern verläuft und schwereren Endfittin§s,die die Einheit haltern. Diese Kanäle sind Spannungen infolge Temperatur und Fluiddruck ebenso wie hoher nuklearer Bestrahlung ausgesetzt, weshalb es sehr wichtig ist, daß die Brennstoffkanäle sowohl mechanisch fest, als auch dicht sind. Ferner sollten die Mittelrohre die gewünschten nuklearen Eigenschaften wie einen niedrigen Neutroneneinfangquerschnitt haben, um die Kernreaktionen möglichst wenig zu stören.· Ein für die Mitteirohre besonders geeigneter Werkstoff ist eine Zr-Nb-Legierung. Eine kritische Stelle der Konstruktion des Brennstoff känals ist die Verbindung zwischen dem dünrienMittelrohr ! und dem Fitting. Es ist ziemlich schwierig, die erforderliche mechanische Festigkeit und Dichtigkeit- zu gewähr 1 eiste.n.
Durch die Erfindung wird eine mech'äli-disGh·-feste-und dichte Verbindung zwischen dem dünnen Rohr und dem Fitting erreicht. Durch die Erfindung wird eine zusammengesetzte Fittingeinheit angegeben, bei der im Bereich der Verbindung ein hochfester Werkstoff dort verwendet wird, wo eine hohe mechanische Festigkeit erforderlich ist, während ein weniger fester Werkstoff dort verwendet wird, wo die Fluiddichtung hergestellt wird und mechanische Starrheit erforderlich ist. Auf diese Weise wird eine billige, feste und dichte Dichtung zwischen dem Fitting und dem
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/ *- ' 191
Rohr bei Verwendung einer nur. geringen Mfjftge teuren Werkstoffes erreicht. ' *' ' *'■■-
Die Fittingeinheit für einen BrennstQffkanal ad^ies ^einp* reaktor? gemäß der Erfindung hat einen hoh^ylindrischen f körper mit einer zylindrischen Innenfläche, mit mindestens*eäiiesr Umfangsnut in der Innenfläche/ndie das Ende eines dünnen RoHrS-mechanischI 'deformiert werden kann, und einen zylindrischen Einsatz in dem Fitting mit einer Fläche, die konzentrisch zu der zylindrischen Innenfläche verläuft und mindestens eine Ümfangsnut hat, in die das Rohr mechanisch deformiert werden kann, wobei die Härte des Einsatzes größer als die Härte des Rohrs ist. ·....".- ·
Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig.l einen Schnitt durch ein Ende einer Fittingeinheit gemäß der Erfindung; und
Fig.2 eine perspektivische Ansicht, teilweise im Schnitt einer fertigen Verbindung zwischen einem Druckrohr und dem Fitting von Fig.l. .„ -., ;. - . ■
In Fig.l ist eine Fittingeinheit 10 mit einem Fittingkörper 11 abgebildet. Der „Körper 11 ist ein länglicher Hphlzylinder mit, einer Innenbohrung .12. Ein Abschnitt .14 jnit großem Innendurchmesser hat Umfangsnuten 16, die für ein Zusammenwirken mit einem dünnen Rohr vorgesehen sind, um eine mechanische Verbindung mit dem Ende des Rohres zu bilden, das in die Fittingeinheit 10 eingesetzt wird. Ein Fittingeinsatz 16 mit einer. Ümfangsnut 17 und einer zu dem Abschnitt 14 des Fittingkörpers 11 zylindrisch . ; verlaufenden Innenfläche wird durch einen Sicherungsring ,18 fes-f ^ehalten, der mechanisch, z.B. durch Einschrauben in das ,„ · zum Einsatz JL6 benachbarte Ende des Fittingkörpers -Il , gesichert ist. Der Fittingkörper 11 kann z.B. durch Maschinenschmieden auf. Stahl wie dem rostfreien Stahl 403 oder 410 entsprechend der ASTM-Specificatipn A 276-63 Tp410 hergestellt werden. Der Einsatz. 16 s, wird vorzugsweise aus rostfreiem Stahl 410 oder 403 hergestellt,, der so behandelt ist, daß er eine sehr kleine^Oberflächenhärten, ,>. mit einer Brinell-Härtezahl von 350 bei einer 0,2%-Streckzugr-,,,^- festigkeit von 10 546.kp/cm (}50 QQO psi.) aufweist. Derartige :..% Eigenschaften des Einsatzes 16 können durch Anlassen von rost-
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freiem Stahl 410 oder 4O3 bei einer Temperatur von 876± 15 0C (1610*25 °?) für 3 hr Ofenkühlung auf 593 0C (1100 0F) und anschließender Luftkühlung gewonnen werden. Der Einsatz 16 wird dann durch öl von 1980* 15 0C (1800± 25 0P) abgeschreckt und dann bei 344-371 0C (650-700 0F) für 3 h getempert und anschließend luftgekühlt* Während des Zusammenbaus wird der Sicherungsring 18 so bearbeitet, daß er mit dem Ende 19 des Fittingkörpers 11 fluchtet, und die endgültige Bearbeitung des Sicherungsrings kann insbesondere durch Anziehen des Rings 18 im Fittingkörper 11 bestehen, um den Einsatz 16 im Fitting fest zu verklemmen.
Fig.2 zeigt eine Fittingeinheit 10 gemäß der Erfindung, die
auf ein dünnes Rohr 20 gepaßt 1st, das z.B. aus einer Zr-Nb-Legierung bestehen kann. Dadurch wird eine mechanisch feste und flüssigkeitsdichte Dichtung erreicht. Das dünne Rohr 20 ist mechanisch in den genuteten Abschnitt 14 des Fittings 10 verformt und gegen diesen durch Rollen abgedichtet, so daß der Werkstoff des Rohrs 20 in die Nuten 15 und 17 des Fittingkörpers 11 und des Einsatzes 16 gepreßt wird. Ein befriedigendes Rohrrollverfahren ist durch die Kesselfertigungsindustrie zum Verbinden von Kesselrohren mit Rohrblechen entwickelt worden. Grundsätzlich umfaßt das Verfahren die mechanische Deformation des Rohrs, um eine starke, fluiddichte Verbindung zwischen dem Rohr und dem Rohrblech zu erzeugen. Ein Rollwerkzeug besteht aus mehreren konischen Rollen, die auf einem verjüngten Mitteldorn laufen. Die Rollen sind unter einem kleinen Winkel zur Mittelachse des Doms gehaltert, so daß während des Rollens der Verbindung der Dorn bei seiner Drehung sichvorwärtsbewegt, so daß die Rollen nach außen bewegt werden. Wenn die Rollen nach außen bewegt werden, drücken sie das dünne Rohr 20 gegen die Innenfläche 14 des Fittings und verringern die Wanddicke des Rohrs. Diese mechanische Deformation des Rohrs bewirkt, daß ein Teil des Rohrwerkstoffs in die Nuten 15 und 17 in dem Fitting deformiert wird und erzeugt einen hohen Restanlagedruck zwischen dem Rohr und dem Fitting. Ein fertiger Brennstoffkanal für das aktive Gitter eines Kernreaktors besteht aus einem dünnen Rohr 20, mit dessen beiden Enden jeweils eine Fittingeinheit IO dicht verbunden ist.
In einem typischen Ausführungsbeispiel der Erfindung hat
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If
das Rohr 20 einen Innendurchmesser von 10,033 cm (4,070 ) und eine Wanddicke von 0,229 - 0,254 cm (0,090-0,100 ".) und bestehtaus einer Zirkon-Legierung mit 2,5% Niob. Der Fittingkörper 11 selbst besteht aus rostfreiem Stahl 403, der eine 0,2%-Streck-
festigkeit von etwa 7000 kp/cm (100 000 psi) bei Zimmertemperatur hat. Das Zr-Nb-Rohr hat eine Streckfestigkeit von 9 100
2
kp/cm (130 000 psi) bei Zimmertemperatur. Bei dieser Kombination von Streckfestigkeit war es in der Vergangenheit schwierig, eine befriedigende Verbindung zu erreichen,da der festere Rohrwerk« stoff die Ecken der Nuten in dem weicheren Fittingwerkstoff abbricht. Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, wird der Einsatz 16 gemäß der Erfindung, der aus Werkstoff mit einer 0,2%-Streckfestigkeit von 10 500 kp/cm2 (150 000 psi) besteht, in das Fitting eingesetzt. Der Einsatz 16 hat eine Verbindungsnut 17, die in seine Innenfläche eingearbeitet ist.
Um die durch die Erfindung erreichten Vorteile zu prüfen-.*-' wurden zwei Sätze von Fittings angefertigt, der erste Satz (Fitting I) gemäß Fig.l und der zweite Satz (Fitting II) mit dem gleichen Innenaufbau wie die Fittingeinheit 10 von Fig.l, aber aus einem einzigen Werkstück gefertigt und ohne den Einsatz 16 und den Sicherungsring 18. Diese Fittings wurden dann mit identischen Zr-Nb-Rohrstücken durch Rollen verbunden, wobei an beiden Enden des Rohrs das gleiche"Fitting angebracht wurde. Das eine Ende jedes Rohrs, Ende A genannt, wurde bei einer 20%-Dickenverringerung der Rohrwand gerollt, während das andere Ende, das Ende B genannt, bei einer 12,5%-Verringerung der Dicke der Rohrwand gerollt wurde. Normalerweise wird für Rollverbindungen ein Rollen bis zu einer 12,5%-Verringerung der Rohrwanddicke vorgenommen. Die 20%-Verringerung wurde vorgenommen, um mehr Werkstoff in die Nut zu drücken und damit eine höhere Aüszugfestigkeit zu erreichen. Die für diese Untersuchungen verwendete Nuttiefe betrug 0,101 cm (0,040 ").
Die beiden Einheiten wurden gemäß folgendem Programm geprüft:
1. Heliumleckprüfung jeder Verbindung bei Zimmertemperatur.
2. Innendruckbelastung der Einheit mit einem Gasdruck von 137
2
kp/cm (1950 psi) bei Zimmertemperatur.
._ ... 909847/0460
1 §11029
3. Heliumleckprüfung jeder Verbindung bei Zimmertemperatur.
4. Wärmezyklus der Einheit fünf mal von 93 0C auf 285 0C (200 0F auf 545 0F) in Luftatmosphäre. Beim ersten Zyklus.
wurde die Einheit auf 285 0C (545 0F) eine Woche lang gehalten.-
5. Heliumleckprüfung bei Zimmertemperatur.
6. Abzugprüfung.
a) Keine Druckbelastung^der Einheit.
b) Erwärmung der einen Verbindung auf 285 0C (545 °F).
c) Ziehen der Einheit in axialer Richtung, bis ein Fehler auftritt. Unterbrechen des Ziehens, wenn die maximale Festigkeit erreicht ist.
d) Erwärmen der anderen Verbindung auf 285 0C (545 0F).
e) Ziehen der Einheit in axialer Richtung, bis ein Fehler auftritt.
7. Zerschneiden beider Verbindung für eine visuelle Kontrolle und Fotografieren.
Die Tabellen I und II zeigen die Untersuchungsergebnisse, die Berechnungen und Rollergebnisse für beide Einheiten. Das wärmebehandelte Zirkon-2,5%-Niob-Rohr, das für die Einheiten verwendet wurde, wurde aus einem einzigen Längsstuck hergestellt. Die Prüflinge für die Zuguntersuchungen wurden., durch. Bearbeiten eines Versuchsstücks des Rohrs gewonnen. Die Prüflinge.wurden bei 285 0C(545 0F) geprüft, und die Ergebnisse sind in Tabelle I angegeben. . . . ., ,,__.._- -,-....
Der Fittingwerkstoff für die beiden.Einheiten war rost-, freier Stahl 403 gemäß ASTM A276. Der. gleiche Werkstoff mit den gleichen Eigenschaften wurde für die beiden anderen Fittingausführungen verwendet. Die Ergebnisse der.Zugpr.üfung. eines Versuchsstücks des Werkstoffs sind in Tabelle I angegeben;. Die Einsatzringe für die Fitting-I-Einheit wurde yon dent gleichen Werkstoff genommen, aber wärmebeha.ndelt, um bessere,Eigenschaften zu ergeben, wie aus der Tabelle I ersichtlich ist..
Die Versuchsergebnisse sind in Tabelle II zusammengefaßt. Die Α-Verbindung des Fittings II war die einzige Verbindung, die zu einer Leckanzeige nach dem Rollen:führte. .Das-Leck.be-.
— Ί 3
trug 7,8*10 cm atmosphärischer Luft/sec und stieg nach.3 h.
Prüfen noch an. Diese Verbindung wurde 20%ig gerollt, während
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die B-Verbindung des Fittings II 12,5%ig gerollt wurde. Es scheint, daß das zusätzliche Rollen die Leckdichtigkeit zerstörte; jedoch wurde die Auszugsfestigkeit erhöht. - ■ --.■--
Die B-Verbindung des Fittings II zeigte ein Leck, nachdem die Einheit in Luft Wärmezyklen ausgesetzt worden war. Das Leck in der Ä-Verbindung des Fittings IT stieg etwas an und in beiden Fällen wurde die Prüfung unterbrochen, bevor die Anzeige maBimalen Leck* erreicht wurde.
Kein Leck wurde für die Verbindungen des Fittings I festgestellt. Dabei konnte das Instrument Lecks von größer als 1-10 Stmos«* phärischer Luft/sec feststellen. Die Ergebnisse zeigen, daß die hochfesten Einsatzringe in den Fittings gemäß der Erfindung die Dichtheit der Verbindungen stark verbessern.
Die Fitting II-Verbindungen zeigten Fehler bei 38 300 kp (84 500 Pfund) und 34 900 kp (77 000 Pfund). Die A-Verbindung", \;r die 20%ig gerollt wurde, hatte die höhere Auszugfestigkeit. Das 20%ige Ende A der Fitting-I-Einheit zeigte Fehler bei 43 QOO kp . (94 800 Pfund) und das 12,5%ige Ende B zeigte Fehler bei einem niedrigeren Wert von 41 200 kp (90 600 Pfund). Die höhere Festigkeit der Fitting !-Verbindungen ist auf das Vorhandensein des ;;;/■ hochfesten Einsatzringes in den Fittings zurückzuführen." Die . ' Rohrbruchfestigkeit bei 285 0C (545 0F) bezog sich auf die Rohrquerschnittsfläche und die Rohrwerkstoff-Bruchzugfestigkelt .-"--. betrug 73 500 kp (162 000 Pfund). Die tatsächliche Auszugfestig-^ keit betrug 47,5% und 58,5% dieses Werts. ·
Obwohl keine der Fitting I- und Fitting II-Verbindungen die Rohrfestigkeit erreichte, waren, sie. bedeutend fester als das vierfache der axialen Nennbelästung, die 20 100 kp (44, .400 Pfund); betrug. Daher sind im Hinblick ^uf die Festigkeit allein beide ■ Konstruktionen für die Verwendung in einem Kernreaktor ■zufriedenstellend, während nur das Fitting gemäß der Erfindung eine ζμ-ΐ * friedenstellende Dichtheit zeigte. . .,.
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- 7 Tabelle I
Fitting II
Verbin- Verbindung A dung B
Fitting I
Verbin- Verbindung A dung B
Messungen und Berechnungen
Mittlerer Fitting-Xnnendurchmesser [cm (" )J
Mittlerer Fitting-Außendurchmesser [cm(")]
Mittlerer Rohr-Innendurohmesser [cmC
Mittlerer Rohr-Außendurchmesser (_cm(n)J
Fittingt Innendurchmesser-Ober flächenfinieh Nutflächen-Finieh Hirt·(RL·) Bruohsu^festigkeit [kp/cmz(psi)J O,2%-Streckfeetigkeit [kp/oar (pel)] Verlängerung
Ringt Härte I Bruchzugfeetigkeit Ckp/cmz(pei)J
O,2%-Streckfeetigkeit fkp/cmz(pei)J
Verlängerung f%J Rohr t Oberflächenfinish
Härte [Rb] Bruchiugfestigkeit
tpQ 0,2% Streckfestigkeit fkp/cm2 (psiO Verlängerung [%j
Mittlerer Rohr-,Außendurchmesser £cm(")J
Mittlerer Rohr-Innendurchmesser £cm(")J
11,138
(4,385)
11,138
(4,385)
11,138
(4,385) ·
11,140
(4,386)
15,230
(5,996)
15,240
(6,000)
16,510
(6,500)
16,510
(6,500)
10,356
(4,077)
10,356
(4,077)
10,356
(4,077)
10,358
(4,078)
11,110
(4,374)
11,110
(4,374)
11,108
(4,373)
11,108
(4,373)
18-22 30-40 20 15
96 96 96 96
9156 bei Zimmertemperatur (103 200)
5793 bei Zimmertemperatur (82 400)
23% bei Zimmertemperatur
J09 - 111
12 655bei Zimmerei 80000) temperatur
11 952 bei Zimmer-(170 000)temperatur
39-63
bei Zimmertemperatur
gebeizt und in einem Autoklaven behandelt
103 103 . 5 798 bei 285 0C (82 470) (545J3F) 4 537 bei 285 0C (64 53OJ (5|5 0F)
103
103
21% bei 285 WC
11,110 11,110 (4,374) (4,374)
10,356 10,356 (4,077) (4,077)
Wandstärke: Durchmesserdif- 0,754 0,754 ferenz a [cm(")J (0,297) (0,297)
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(545 0F)
11,108 (4i373)
10,356 (4,077)
0,752 (0,296)
11,108 (4,373)
10,358 (4,078)
0,749 (0,295)
Mittlerer Fitting-
Innendurchmesser fcm(")J
11,138
(4,385)
11,138
(4/385)
11,138
(4,385)
11,140
(4,386)
Mittlerer Rohr-
Außendurchmesser j[cm(")}
11,110
(4,374)
11,110
(4,374)
11,108
(4,373)
11,108
(4,373)
Verbindungsspiel:
Differenz b [OmC)]J
0,028
(0,011)
0,028
(0,011)
0,030
(0,012)
0,033
(0,013)
Wandstärkenverrin-
gerung 20% und 12,5%
0,150
(i>,059)
0,094
(0,037)
0,150
(0,059)
OV 09 4
(0,037)
Gesamtausdehnung Summe a 0,018
(0,070)
0,122
(0,048)
0,020
(0,071)
0,127
(0,050)
Mittlerer Rohr-
Innendurchmesser
10,356
(4,077)
10,356
(4,077)
10,356
(4,077)
10,358
(4,078)
erforderlicher Rohr
innendurchmesser nach
dem Rollen: Summe b
10,533
(4,147)
10,477
(4/125)
10,535
(4,148)
10,485
(4,128)
Rollmoment fkp.m (Ib * f t Jl 3,48
(25)
3,48
(25)
2,08
(15)
Aufdrücken 27,1
(195)
59,0
(425)
66,8
(480)
5,56 .
(40)
1. Rolle 52,8
(380)
27, a,
(200)
61,2
(440)
55,6
(400)
2. Rolle 48,7
(350)
—— 75,1
(540)
64,0
(460)
3. Rolle 38,9
(280)
52,8
(380)
■»WM
4. Rolle 10,531
(4,146)
10,475
(4,124)
10,535
(4,148)
Mittlerer Fertig
innendurchmesser Jjcrn (")]
18,5
20,4
11,8
12,8
20,0 10,485
(4,128)
Vorgenommenes Rollen £%];
gemessen
theoretisch
12,5
12,5
Fittingwanddicke nach dem Rollen £3
Verringerung der Fittingwanddicke ["cm (") ]
Fitting-Außendurchmesser nach dem Rollen [cm(")J
Vergrößerung des Fittingaußendurchmessers £
2,045 2,053
(0,805) (0,808)
<O,003 <0,003 «0,001) «0,001)
15,235 15,245
(5,998) (6,002)
0,005 0,005
(0,002) (0,002)
2,687 2,687
(1,058) (1,058)
<0,003 <0,003 «0,001) «0,001)
16,515 16,515
(6,502) (6,502)
0,005 0,005
(0,002) (0,002)
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Rohrlänge fcm(")l37,464 37,464 38,734
vor dem Rollen ~ (14 3/4) (14 3/4)(15 1/4)
nach dem Rollen — 39,o52 38,734 39,290
(15 3/8) (15 1/4) (15 15/32)
Drehung des Rohrs ,o.,., DolQI ,ο,,.,
im Fitting "" ... 615 8 19 5 35
9098 477 0460
Tabelle II (Versuchsergebnisse)
Fitting II Fitting I
Verbin- Verbin- Verbin- Verbindung A dung B dung A dung B
He-Leckprüfung nach dem
Rollen fcm atmosphärischer _ q q q
Luft/sec] >7,3·1Ο~ <1O <1O <1O
Prüfzeit fh] 3 1 11
Prüfbelastung bei 21 °C(69°F) keine sichtbare Undichtigkeit 0,0668 kp/cm (0,950 psi)
He-Leckprüfung nach Prüfbelastung fan atmosphä- 7 q q q rische Luft/sec] >6,2·1θ"'<1Ο < 10-y <10~
Prüfzeit fh] 6 1 1 1
5 Wärmezyklen in Luft 265 h bei 284 0C (543 0F)
He-Leckprüfung nach
Zyklen Dan atmosphä- K ^ q q
rische Luft/sec} > 2,Ο·1θ"° >l,9-lo"b <1O <io"y
Prüfzeit [h] 2 4 11'
Zugprüftemperatur 285 0C 285 0C 285 0C 285 °C
(545 0F) (545 0F) (545 0F) (545 °F)
Festigkeit 5 941 5 414 6 665 6
£kp/cnr (psi)j (84 500) (77 000) (94 800) (90 600)
Verbindungswirksamkeit 52% 47,5% 58,5% ; -56%
Art des Querschnittsfehlers abgescherte Ringe abgescherte Ringe
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Claims (4)

- 11 - 27.2.1969 EH/Kü Meine Akte: 2346 Patentansprüche
1.) Fittingeinheit für einen Brennstoffkanal eines Kernreaktors '■ zur Herstellung einer dichten Verbindung mit einem dünnen Rohr, gekennzeichnet durch einen hohlzylindrischen Fittingkörper (11), der eine zylindrische Innenfläche (14) mit mindestens einer Nut (15) zur Herstellung einer mechanischen Verbindung mit dem Ende des Rohrs (20) hat, das In die Nut rollbar ist, und durch einen zylindrischen Einsatz (16) in dem Fittingkörper mit einer zu der zylindrischen ä Innenfläche konzentrischen Fläche, die eine Nut (17) hat, Wobei der Einsatz eine größere Härte als das Rohr hat.
2. Fittingeinheit nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß der Fittingkörper (11) aus rostfreiem Stahl, das Rohr (20) aus einer Zirkon-Niob-Legierung und der Einsatz (16) aus oberflächengshärtetem rostfreien Stahl besteht.
3. Fittingeinheit nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η ζ eich η e t, daß der Einsatz (16) eine Oberflächenhärte mit einer Brinell-Härtezahl von mindestens 350 hat.
4. Fittingeinheit nach Anspruch 1, dadurch ge k e η nz e-i c h η e t,'daß der Einsatz (16) in dem Fittingkörper (11) durch einen Sicherungsring (18) festgehalten wird, der an dem Fittingkörper befestigt ist.
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