DE1911029C - Fittingeinheit für einen Brennstoffkanal eines Atomkernreaktors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Fittingeinheit für einen Verbindung zwischen dem Fittingkörper und dem

Brennstoffkanal eines Atomkernreaktors zur Her- Rohr bei Verwendung einer nur geringen Menge teuren,

stellung einer dichten Verbindung zwischen einem hochfesten Werkstoffs erreicht, indem dort ein hoch-

hohlzylindrischen Fittingkörper und einem dünn- fester Werkstoff verwandt wird, wo eine hohe mecna-

wandigen Rohr, wobei der Fittingkörper an seiner 5 nische Festigkeit erforderlich ist, während dort ein

zylindrischen Innenfläche mindestens eine Nut zur weniger fester Werkstoff verwandt wird, wo in der

Herstellung einer mechanischen Verbindung mit dem Hauptsache die Abdichtung erfolgt und mechanische

Ende des dünnen Rohres aufweist, das in die Nut(en) Starrheit erforderlich ist.

rollbar ist. An Hand eines in der Zeichnung dargestellten^ us-

Die Brennstoffkanaleinheiten nehmen bekanntlich io führmgsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert

den Spaltstoff und das Kühlmittel im Gitter des werden. Es zeigt

Reaktorkerns auf und bestehen aus einem dünnen " F f g. 1 einen Schnitt durch ein Ende einer Fitting-

Mittelrohr, das durch den Reaktorkern verläuft und einheit gemäß der Erfindung und

schwereren Endfittings, die die Einheit haltern. Diese F i g. 2 eine perspektivische Ansicht, teilweise im

Kanäle sind Spannungen infolge Temperatur und 15 Schnitt dargestellt, einer fertigen Verbindung zwischen

Fluiddruck ebenso wie hoher nuklearer Bestrahlung einem Druckrohr und dem Fitting von Fig. 1.

ausgesetzt, weshalb es sehr wichtig ist, daß die Brenn_: In F i g. 1 ist eine Fittingeinheit 10 mit einem

Stoffkanäle sowohl mechanisch fest als auch dicht sind. Fittingkörper 11 abgebildet. Der Körper 11 ist ein

Ferner sollten die Mittelrohre die gewünschten nukle- länglicher Hohlzylinder mit einer Innenbohrung 12.

aren Eigenschaften wie einen niedrigen Neutronen- ao Ein Abschnitt 14 mit großem Innendurchmesser hat

einfangquerschnitt haben, um die Kernreaktionen Umfangsnuten 15, die für ein Zusammenwirken mit

möglichst wenig zu stören. Ein für die Mittelrohre einem dünnen Rohr vorgesehen sind, um eine mecha-

besonders geeigneter Werkstoff ist eine Zr-Nb-Legie- nische Verbindung mit dem Ende des Rohres zu bil-

rung. Eine kritische Stelle der Konstruktion des Brenn- den, das in die Fittingeinheit 10 eingesetzt wird. Ein

stoffkanals ist die Verbindung zwischen dem dünnen 25 zylindrischer Einsatz 16 mit einer Nut 17 und einer zu

Mittelrohr und dem Fating. Es ist ziemlich schwierig, dem Abschnitt 14 des Fittingkörpers 11 zylindrisch

die erforderliche mechanische Festigk ^:t und Dichtig- verlaufenden Innenfläche wird durch einen Sicherungs-

keit zu gewährleisten. ring 18 festgehalten, der mechanisch, z. B. durch Ein-

Bei einer bekannten mechanischen Verbindung der schrauben in das zum Einsatz 16 benachbarte Ende des eingangs genannten Art (vgl. »J. Brit. Nucl. Energy 30 Fittingkörpers 11 gesichert ist. Der Fittingkörper 11 Joe«, Oktober 1962, S. 345/346) besteht die Schwierig- kann z. B. durch Maschinenschmieden aus rostfreiem keit, daß auf Grund dt.r hohen Streckfestigkeit des Stahl (z. B. aus einer Stahlqualität der American So-Rohrs beim Einrollen die Ecken der Nuten in dem ciety for Testing Materials) hergesHl? werden. Der weicheren Fittingwerkstoff abgebrochen werden kön- Einsatz 16 wird vorzugsweise ebenfalls aus derartigem nen. Die Verwendung von Fittingwerkstoff mit höherer 35 rostfreiem Stahl hergestellt, der so behandelt ist, daß Festigkeit wäre deshalb wünschenswert, würde aber er eine sehr kleine Oberflächenhärte mit einer Brinellsehr beträchtliche Mehrkosten verursachen. Härtezahl von 350 bei einer 0,2%-Streckzugfestigkeit

Bei weiteren bekannten mechanischen Verbindungen von 10 546 kp/cm² aufweist. Derartige Eigenschaften

dieser Art, bei welchen ebenfalls das dünnwandige des Einsatzes 16 können durch Anlassen von der-

Rohr mit der mit Nuten oder dergleichen versehenen 40 artigem rostfreiem Stahl bei einer Temperatur von

Innenfläche des hohlzylindrischen Fittingkörpers me- 876 ±15°C für 3 Stunden, Ofenkühlung auf 593°C

chanisch verbunden ist (französische Patentschrift und anschließender Luftkühlung gewonnen werden.

1 487 567 und »Proceedings of the Third Int. Conf. Der Einsatz 16 wird dann durch öl von 1980 ±15°C

on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, FoI. 9, 1965, abgeschreckt und dann bei 344 bis 371°C für 3 Stun-

S. 5, Fig. 5), bestehen ebenfalls entsprechende Schwie- 45 .den getempert und anschließend luftgekühlt. Während

rigkeiten, insbesondere, wenn kein kostspieligerer des Zusammenbaus wird der Sicherungsring 18 so be-

Fittingwerkstoff mit besonders hoher Festigkeit Ver- arbeitet, daß er mit dem Ende 19 des Fittingkörpers 11

Wendung findet. fluchtet, und die endgültige BearbeitungdesSicherungs-

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine mecha- rings 18 kann insbesondere durch Anziehen des Rings nisch festere und dichtere Verbindung zwischen dem 5" 18 im Fittingkörper 11 bestehen, um den Einsatz 16 dünnen Rohr und dem Fittingwerkstoff zu ermöglichen, im Fitting fest zu verklemmen,
ohne daß es erforderlich ist, den gesamten hohl- F i g. 2 zeigt eine Fittingeinheit 10 gemäß der Erzylindrischen Fittingkörper aus kostspieligerem Werk- findung, die auf ein dünnes Rohr 20 gepaßt ist, das stoff mit höherer Festigkeit herzustellen. z. B. aus einer Zr-Nb-Legierung bestehen kann. Da-

Diese Aufgabe wird bei einer Fittingeinheit der ein- 35 durch wird eine mechanisch feste und flüssigkeitsdichte gangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch Dichtung erreicht. Das dünne Rohr 20 ist mechanisch einen zylindrischen Einsatz in dem Fittingkörper mit in den genuteten Abschnitt 14 des Fittings 10 vereiner zu der zylindrischen Innenfläche konzentrischen formt und gegen diesen durch Rollen abgedichtet, so Fläche, die eine Nut aufweist, wobei der Einsatz eine daß der Werkstoff des Rohrs 20 in die Nuten 15 und 17 größere Härte als das Rohr aufweist. Der Fittingkörper βο des Fittingkörpers 11 und des Einsatzes 16 gepreßt kann aus rostfreiem Stahl, das Rohr aus einer Zirkon- wird. Ein befriedigendes Rohrrollverfahren ist durch Niob-Legierung und der Einsatz aus oberflächengehär- die Kesselfertigungsindustrie zum Verbinden von Kestetem rostfreiem Stahl bestehen. Der Einsatz kann eine selrohren mit Rohrblechen entwickelt worden. Grund-Oberflächenhärte mit einer Brinell-Härtezahl von min- sätzlich umfaßt das Verfahren die mechanische Dedestens 350 haben. Zweckmäßigerweise wird der Ein- 65 formation des Rohrs, um eine starke, fluiddichte Verlatz in dem Fittingkörper durch einen Sicherungsring bindung zwischen dem Rohr und dem Rohrblech zu festgehalten, der an dem Fittingkörper befestigt ist. erzeugen. Ein Rollwerkzeug besteht aus mehreren

Auf diese Weise wird eine billige, feste und dichte konischen Rollen, die auf einem verjüngten Mittel-

<f

311 029

dorn laufen. Die Rollen sind unter einem kleinen Win- >. Heliumleckprüfung bei Zimmertemperatur,

kel zur Mittelachse des Doms gehaltert, so daß wäh- _{6 Ah7U}„_oriif_un„

rend des Rollens der Verbindung der Dorn bei seiner «ozugpruiung

Drehung sich vorwärts bewegt, so daß die Rollen nach ^a> ^Keine Druckbeiastung der Einheit,

außen bewegt werden. Wenn die Rollen nach außen 5 ^b) Erwärmung der einen Verbindung auf 285 C.

bewegt werden, drücken sie das dünne Rohr 20 gegen c) Ziehen der Einheit in axialer Richtung, bis

die Innenfläche 14 des Fittings und verringern die ein Fehler auftritt. Unterbrechen des Ziehens,

Wanddicke des Rohrs. Diese mechanische Deforma- wenn die maximale Festigkeit erreicht ist.

tiqn des Rohre bewirkt, daß" ein Teil des Rohrwerk- d) Erwärmen der anderen Verbindung auf 285°C.

Stoffs in die Nuten 15 und 17 in dem Fitting deformiert io e) Ziehen der Einheit in axialer Richtung, bis ein

wird und erzeugt einen hohen Resianlagedruck zwi- Fehler auftritt.

sehen dem Rohr und dem Fitting. Ein fertiger Brenn- _? Zerschneiden beider Verbindungen für eine V-stoffkanal fur das aktive Gitter eines Kernreaktors . „ ,, _t „ . _P »„„,κ-~η
besteht aus einem dünnen Rohr 20, mit dessen bei- ^{SUelIe Kontrolle und} Fotografieren,
den Enden jeweils eine Fittingeinheit 10 dicht verbun- 15 Die Tabellen I und TI zeigen die Untersuchungsden ist. ergebnisse, die Berechnung und Rollergebnisse für In einem typischen Ausführungsbeispiel der Erfin- beide Einheiten. Das wärmebehandelte Zirkon-2,5°/_odung hat das Rohr 20 einen Innendurchmesser von Niob-Rohr, das für die Einheiten verwendet wurde, 10,033 cm und eine Wanddicke von 0,229 bis 0,254 cm wurde au? einem einzigen Längsstück hergestellt. Die und besteht aus einer Zirkonlegierung mit 2,5% 20 Prüflinge für die Zuguntersuchungen wurden durch Niob. Der Fittingkörper H selbst besteht aus rost- Bearbeiten eines Versuchsstücks des Rohrs gewonnen, freiem Stahl, der eine O,2°/_O-Streckfestigkeit von etwa Die Prüflinge wurden bei 285"C geprüft, und die Er-7000 kp/cm² bei Zimmertemperatur hat. Das Zr-Nb- gebnisse sind in Tabelle I angegeben.
Rohr 20 hat eine Streckfestigkeit von 9100 kp/cm² bei Der Fittingwerkstoff für die beiden Einheiten war Zimmertemperatur. Bei dieser Kombination von Streck- 25 rostfreier Stahl. Der gleiche Werkstoff mit den gleifestigkeit war es in der Vergangenheit schwierig, eine chen Eigenschaften wurde für die beiden anderen Fitbefriedigende Verbindung zu erreichen, da der ."estere tingausführungen verwendet. Die Ergebnisse der Rohrwerkstoff die Ecken der Muten in dem weicheren Zugprüfung eines Versuchsstücks des Werkstoffs Fittingwerkstoff abbricht. Um diese Schwierigkeiten sind in Tabelle I angegeben. Die Einsatzringe für die zu überwinden, wird der Einsatz 16 gemäß der Erfin- 30 Fitting-I-Einheit wurde von dem gleichen Werkdung, der aus Werkstoff mit einer 0,2%-Streckfestig- stoff genommen, aber wärmebehandelt, um bessere keit von 10500 kp/cm¹ besteht, in das Fitting einge- Eigenschaften zu ergeben, wie aus der Tabelle I ersetzt. Der Einsatz 16 hat eine Verbindungsnut 17, die sichtlich ist.

in seine Innenfläche eingearbeitet ist. Die Versuchsergebnisse sind in Tabelle II zusam-

Um Jie durch die Erfindung erreichten Vorteile zu 35 mengefaßt. Die Α-Verbindung des Fittings II war die

prüfen, wurden zwei Sätze von Fittings angefertigt, einzige Verbindung, die zu einer Leckanzeige nach

der erste Satz (Fitting I) gemäß F i g 1 und der zweite dem Rollen führte. Das Leck betrug 7,8· 10 ⁷ cm³

Satz (Fitting H) mit dem gleichen Innenaufbau wie atmosphärischer Luft/Sek. und stieg nach 3 Stunden

.. die Fittingeinheit 10 von F i g. 1, aber aus einem einzi- noch an. Diese Verbindung wurde 20%ig gerollt,

, gen Werkstück gefertigt und ohne den Einsatz 16 und 40 während die B-Verbindung des Fittings II 12,5⁰/₀ig

den Sicherungsring 18. Diese Fittings wurden dann gerollt wurde. Es scheint, daß das zusätzliche Rollen

j mit identischen Zr-Nb-Rohrstücken durch Rollen ver- die Leckdichtigkeit zerstörte, jedoch wurde die Aus-

' bunden, wobei an beiden Enden des Rohrs das gleiche zugsfestigkeit erhöht.

■ Fitting angebracht wurde. Das eine Ende jedes Rohrs, Die B-Verbindung des Fittings II zeigte ein Leck,

j Ende A genannt, wurde bei einer 20%-Dickenverrin- 45 nachdem d?e Einheit in Luft Wärmezyklen ausgesetzt

gerun« der Rohrwand gerollt, während das andere worden war. Das Leck in der A-Verbindung des Fit-

Ende, das Ende B genannt, bei einer 12,5%-Verringe- tings (I stieg etwas an, und in beiden Fällen wurde

rung der Dicke der Rohrwand gerollt wurde. Norma- die Prüfung unterbrochen, bevor die Anzeige maxi-

Ierweise wird für Rollverbindungen ein Rollen bis malen Lecks erreicht wurde.

zu einer 12,5%-Verringerung der Rohrwanddicke vor- 50 Kein Leck wurde für die Verbindungen des Fit-

ί genommen. Die 20%-Verringerung wurde vorgenom- tings 1 festgestellt. Dabei konnte das Instrument Lecks

men, um mehr Werkstoff in die Nut zu drücken und von größer als 1 · 10» cm³ atmosphärischer Luft/Sek.

damit eine höhere Auszugfestigkeit zu erreichen. Die feststellen. Die Ergebnisse zeigen, daß die hochfesten

'^ für diese Untersuchungen verwendete Nuttiefe betrug Einsatzringe in den Fittings gemäß der Erfindung die

j 0,101 cm. 55 Dichtheit der Verbindungen stark verbessern.

Die beiden Einheiten wurden gemäß folgendem Die Fitting-II-Verbindungen zeigten Fehler bei

ΐ Programm geprüft: 38300 kp und 34900 kp. Die Α-Verbindung, die 20%ig

1. Heliumleckprüfung jeder Verbindung bei Zimmer- groHt wurde, hatte die höhere Auszugfestigkeit. Das

temneratur 20%ige Ende A der Fitting-I-Einheit zeigte Fehler bei

.; icmpcfdiur. _{fa 43{χχ)} ^ ^ ^ ^^ _{ß ß} ^^ ^.

2. Innendruckbelai.tung der Einheit mit einem Gas- _{ejnem n}*j_{edrigeren Wert von 4}1200kp. Die höhere

druck von 137 kp/cm» bei Zimmertemperatur. Festigkeit der Fitting-I-Verbindungen ist auf das Vor-

3. Heliumleckprüiiuig jeder Verbindung bei Zimmer- handensein des hochfesten Einsatzringes in den Fit-

temperatur. tings zurückzuführen. Die Rohrbruchfestigkeit bei

4. Wärmezyklus der Einheit fünfmal von 93°C auf S₃ 285⁰C bezog sich auf die Rohrquerschnittsfläche, und

285°C in Luftatmosphäre. Beim ersten Zyklus die Rohrwerkstoff-Bruchzugfestigkeit betrug 73500 kp.

wurde die Einheit auf 285°C 1 Woche lang gehal- Die tatsächliche Auszugfestigkeit betrug 47,5% und

ten. 58,5% dieses Werts.

Tabelle I

Fitting 11 Verbindung Λ ^: Verbindung B

Fitting 1 Verbindung A I Verbindung H

Messungen und Berechnungen Mittlerer Fitting-Innendurchmesscr (cm) Mittlerer Fitting-Außendurchmesscr (cm) Mittlerer Rohr-Innendurchmesser (cm) Mittl.rer Rohr-Außendurchmesser (cm)

Fit'.ing:

lnnendurchmesscr-Oberflächenfmish

Nutflächen-Finish

Härte (Rb)

Bruchzugfestigkeit (kp/cm*)

0,2°/₀-Streckfestigkeit (kp/cm*)

Verlängerung (°/₀)

Härte (Rb)

Bruchzugfestigkeit (kp/cm¹)

0,27₀-Streckfestigkeit (kp/cm*)

Verlängerung (%) Oberflächenfinish

Härte (Rb)

Bruchzugfestigkeit (kp/cm¹)

0,2 °/₀ Streckfestigkeit (kp/cm*)

Verlängerung (°/₀) Mittlerer Rohr-Außendurchmesser (cm) Mittlerer Rohr-Innendurchmesser (cm) Wandstärke: Durchmesserdifferenz α (cm) Mittlerer Fitting-lnnendurchmesser (cm) Mittlerer Rohr-Außendurchmesser (cm) Verbindungsspiel: Differenz b (cm) Wandstärken verringerung 20°/· und 12,5 °/o. Gesamtausdehnung Summe a Mittlerer Rohf-Innendufchinessef

Erforderlicher Rohr-Innendurchmesser nach dem Rollen: Summe b

Rollmoment (kp · m) Aufdrücken

1. Rolle

2. Rolle

3. Rolle

4. Rolle

• Mittlerer Fertig-Innendurchmesser (cm)

Vorgenommenes Rollen: (%)

gemessen

theoretisch

Fittingwanddicke nach dem Rollen (cm) Verringerung der Fittingwanddicke (cm)

Fitting-AuBendurchmesser nach dem Rollen (cm). Vergrößerung des Fitting-Außendurchmessers (cm)

Rohrlänge (cm) vor dem Rollen Rohrlänge (cm) nach dem Rollen Drehung des Rohres im Fitting

11,138 15,230 10,356 11,110

bis 22 96

11,138 15,240 10,356 11,110

bis 40

96

11,138 16,510 10,356 11,108

20

96

11,140 16,510 10,358 11,108

bei Zimmertemperatur bei Zimmertemperatur "/ο bei Zimmertemperatur

109 bis 111 12 655 bei Zimmertemperatur

11952 bei Zimmertemperatur

39 bis 63 bei Zimmertemperatur

gebeizt und in einem Autoklav behandelt j 103 I 103 j bei 285° C bei 285° C 21% bei 285° C

103

11,110

10,356

0,754

11,138

11,110

0,028

0,150

0,018

10,356

10,533

3,48 27,1 52,8 48,7 38,9 10,531

18,5 20,4

2,045

< 0,003

15,235

0,005

11,110

10,356

0,754

11,138

11,110

0,028

0,094

0,122

10,356

10,477

3,48 59,0 27,8

10,475

11,8 12,8

2,053

< 0,003

15,245

0,005 37,464 39,052 6-15'

11,108

10,356

0,752

11,138

11,108

0,030

0,150

0,020

10,356

10,535

2,08 66,8 61,2 75,1 52,8 10,535

20,0

2,687

< 0,003

16,515

0,005 37,464 38,734 8° 19'

11,108

10,358

0,749

11,140

11,108

C,tJ3

0,094

0,127

10,358

10,485

5,56 55,6 64,0

10,485

12,5 12,5

2,687

< 0,003

16,515

0.005 38,734 39,290 5° 35'

Tabelle II (Vorsuchsergcbnisse)

He-Leekprüfung nach dem Rollen (cm¹ atmosphärischer Luft/Sck.) ...

l'rüfzeit

l'rüfbelastung bei 21C 0,0668 kp/ciii"²

Hc-Leekprüfung nach Prüfbclastung (cm' atmosphärische Luft/Sek.) ....

I'rüf/eit (Std.)

5 Wärme/yklen in Luft

Mc-Lcckprüfung nach Zyklen (cm³ atmosphärische Luft/Sek.)

l'rüf/cit (Std.)

Zugprüftcmperatur Festigkeit (kp/cm*) Verbindungswirksamkeit Art des Querschnittsfchlers

filling Il Verbindung Λ Verbindung '·

IO

10

- 7.3 · 10 ·

3 I

keine sichtbare Undichtigkeit

Fitling I Verbindung Λ Verbindung Il

6.2· 10 ■'
6

> 2,0 · 10 ·
ι

C
5941

52ⁿ/„

10 ⁹ I < 10 ⁹

I
265 Stunden bei 284 C

• I.«)· 10 ^β

285 C

5414

47,5 ·/„

abgescherte Ringe

< 10 ⁹

285 C

6665

58.5%

K)

IO

< 10 ⁹ I

285 C 6370 56¹V₀

abgescherte Ringe

Obwohl keine der Fitting-I- und Fitting-il-Verbindungen die Rohrfcstigkeitcrreichte.warensie bedeutend fester als das Vierfache der axialen Nennbelastung, die 20100 kp betrug. Daher sind im Hinblick auf die Festigkeit allein beide Konstruktionen für die Verwendung in einem Kernreaktor zufriedenstellend, während nur das Fitting gemäß der Erfindung eine zufriedenstellende Dichtheit zeigte.

Claims (4)

Patentansprüche: 35

1. Fittingeinheit für einen Brennstoffkanal eines Atomkernreaktors zur Herstellung einer dichten Verbindung zwischen einem hohlzylindrischcn Fittingkörper und einem dünnwandigen Rohr, wobei der Fitiingkörper an seiner zylindrischen Innenfläche mindestens eine Nut zur Herstellung einer mechanischen Verbindung mit dem Ende des dünnen Rohres aufweist, das in die Nut(en) rollbar ist, gekennzeichnet durch einen zylindrischen Einsatz (16) in dem Fittingkörper (!!} mit einer zu der zylindrischen Innenfläche konzentrischen Fläche, die eine Nut (17) aufweist, wobei der Einsatz (16) eine größere Härte als das Rohr (20) aufweist.

2. Fittingeinheit nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Fittingkörper (11) aus rostfreiem Stahl, das Rohr (20) aus einer Zirkon-Niob-Legierung und der Einsatz (16) aus oberflächengehärtetem rostfreiem Stahl besteht.

3. Fittingeinheit nach Anspruch 2, dadurch gekcprwichnet, daß der Einsatz (16) eine Ober-

' flächenhärte mit einer Brinell-Härtezahl von mindestens 350 hat.

4. Fittingeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (16) in dem Fittingkörpcr(ll) durch einen Sicherungsring(18) festgehalten wird, der an dem Fittingkörper befestigt ist

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

209 639/306