DE3243423A1

DE3243423A1 - Doppelwandiges waermetauschrohr

Info

Publication number: DE3243423A1
Application number: DE19823243423
Authority: DE
Inventors: Thomas R. Greensburg Pa. Padden; Craig F. St. Petersburg Fla. Uber
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1982-04-08
Filing date: 1982-11-24
Publication date: 1983-10-13
Also published as: FR2524967A1; JPS58178102A; GB2119056A

Description

Die Erfindung betrifft ein doppelwandiges Wärmetauschrohr für Dampferzeuger in Verbindung mit flüssigmetallgekühlten schnellen Brutreaktoren.

Bei einer bekannten Bauart eines Dampferzeugers für flüssigmetallgekühlte schnelle Brutreaktoren finden doppelwandige Wärmetauschrohre für den Wärmeaustausch zwischen Natrium und Wasser Anwendung. Dabei führt das Innenrohr Wasser, während das Außenrohr von flüssigem Natrium umspült ist. Dabei erfolgt die Wärmeübertragung von dem das Primär-Kühlmittel des Reaktorbildenden flüssigen Natrium auf das die Wärmetauschrohre durchströmende Wasser. Zwischen Innenrohr und Außenrohr der Wärmetauschrohre befindet sich ein gasgefüllter Zwischenraum. Sollte Natrium durch das Außenrohr oder Wasser durch das Innenrohr hindurchlecken, erfolgt eine Leckmeldung, bevor eine Natrium-Wasser-Reaktion stattfindet. Der genannte Zwischenraum zwischen Innenrohr und Außenrohr ist mit strömendem Helium

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ausgefüllt, dessen Druck im Bereich zwischen dem Druck des im Innenrohr befindlichen Wassers oder Dampfes und dem Druck des im Dampferzeugergehäuse befindlichen Natriums liegt. In die den Zwischenraum zwischen Innenrohr und Außenrohr begrenzenden Wandungsflächen sind vier sich über die ganze Rohrlänge erstreckende Längsnuten eingearbeitet, die mit einem räumlich von den Rohren getrennten Gasraum in verbindung stehen. Dieser Gasraum ist unter Verwendung doppelter Verbindungen zwischen Wärmetauschrohren und Rohrboden gebildet.

Außerdem ist dieser Gasraum seinerseits an eine Leckwasser-Detektoreinrichturig angeschlossen, die zur Innenrohr-Lecküberwachung dient. Der das Natrium enthaltende Gehäuseraum des Dampferzeugers ist an eine Helium-Detektoreinrichtung angeschlossen, die zur Außenrohr-Lecküberwachung dient.

Diese bekannte doppelwandige Rohrkonstruktion ist hinsichtlich der Verhütung von Natrium-Wasser-Reaktionen sehr zuverlässig, jedoch besteht bei dieser bekannten Konstruktion die Möglichkeit,eines an den einander zugewandten Wandungsflächen von Innenrohr und Außenrohr auftretenden Verschleißes. Diese einander zugewandten Wandflächen von Außenrohr und Innenrohr kommen trotz des zwischen ihnen konstruktiv vorgesehenen Spaltes unvermeidlich an manchen Stellen miteinander in Berührung. Innerhalb des Dampferzeugers treten jedoch sowohl in Längsrichtung als auch in radialer Richtung über den Wärmetauschrohren stehende Temperaturgradienten auf. Infolgedessen treten relative axiale Wärmebewegungen zwischen Innenrohr und Außenrohr und folglich Gleiterscheinungen in Rohrlängsrichtung an den einander zugewandten Wandflächen von Innenrohr und Außenrohr auf. Dies führt dazu, daß bei den beim Anfahren, bei Leistungserhöhungen, Leistungsreduzierungen und anderen thermischen übergangszuständen auftretenden Rohrtemperaturänderungen zyklische Verschleißerscheinungen

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an den einander zugewandten Wandflächen von Innenrohr und Außenrohr auftreten. Infolge der gegebenen Geometrie der doppelwandigen Rohre werden bei diesem Verschleiß gebildete Metallabriebteilchen in dem Zwischenraum zwischen Innenrohr und Außenrohr festgehalten und können die örtliche Reibung und Belastung an den Verschleißstellen noch-verstärken. Die Tatsache, daß ein derartiger Verschleiß auftreten kann, ist durch entsprechende Versuche nachgewiesen worden.

Eine mögliche Lösung dieses Problems des Auftretens von Gleiterscheinungen und Verschleiß zwischen Innenrohr und Außenrohr besteht darin, im Zuge der Herstellung der Rohre eine Vorspannung derselben zu erzeugen. Der Zweck

Ib dieser Vorspannung liegt in der Verhinderung einer relativen Gleitbewegung an den einander zugewandten Wandungsflächen von Innenrohr und Außenrohr. Außerdem läßt eine solche Vorspannung auch eine Verbesserung des Wärmeübergangs erwarten. Jedoch bestehen gegenwärtig noch Unsicher-

2ü heiten hinsichtlich der Frage, ob eine solche Vorspannung der Rohre tatsächlich zur Beseitigung des Problems relativer Gleiterscheinungen zwischen Innenrohr und Außenrohr ausreichend ist.· Es ist auch nicht bekannt, in welchem Maße während der Standzeit der Rohre ein Spannungs-

2b abbau im Werkstoff der ursprünglich vorgespannten Rohre auftritt.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neue Rohrkonstruktion for doppelwandige Wärmetausch-JO rohre zu finden, welche das Problem des Gleitens und des Verschleißes an den einander zugewandten Wandflächen von Innenrohr und Außenrohr vollständig beseitigt,' ohne daß die Wärmeübergangseigenschaften oder die Lecküberwachung beeinträchtigt werden.

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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Konstruktion gelöst.

Ein Verfahren zur Herstellung eines doppelwandigen Wärmetauschrohres nach der Erfindung ist Gegenstand der Ansprüche 2 bis 4.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird naclvstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben, in welchen zeigt:

Fig. 1 Zum Vergleich eine schematische

Darstellung der herkömmlichen Konstruktion doppelwandiger

Wärmetauschrohre,

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung einen

Ausschnitt aus Fig. 1, und 20

Fig. 3 in Form eines schematischen Ausschnittes entsprechend Fig. 2 die Konstruktion eines doppelwandigen Rohres nach der Erfindung. 25

Fi. 1 zeigt in schematischer Darstellung die herkömmliche Konstruktion eines doppeiwandigen Wärmetausch~ rohres für Dampferzeuger in Verbindung mit flüssigmetall-

gekühlten schnellen Brutreaktoren. 30

Das doppelwandige Rohr besteht aus einem Innenrohr und einem Außenrohr 3 mit einem dazwischenliegenden Grenzbereich 5. Durch das Innere T des ·Innenrohres strömt Wasser bzw. Dampf, während das Äußere des Außenrohres von flüssigem Natrium umgeben ist. In der Innenwandung des Außenrohres gebildete Nuten 4 sind mit Gas gefüllt und stehen mit einer nicht dargestellten Gaskammer in Verbindung.

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Die in Fig. ·1 eingezeichneten Pfeile deuten die bei Temperaturänderungen auftretenden relativen Wärmebewegungen zwischen Innenrohr und Außenrohr an. Bei einem geraden doppelwand!gen Rohr mit gleichförmigen Wänden ist die Hauptbelastungsfläche die zusammen mit der Außenwandfläche des Innenrohres 2 den Grenzbereich 5 bildende Innenwandfläche des Außenrohres 3. Bei der gegenwärtig üblichen vorgespannten Rohrkonstruktion befindet sich der Grenzbereich 5 zwischen Innenrohr und Außenrohr unter Druckspannung, um ein Gleiten zwischen den beiden Rohren und somit einen Verschleiß weitgehend zu unterbinden. Der Widerstand gegen ein Gleiten zwischen Innenrohr und Außenrohr resultiert dabei aus der Oberflächenreibung und der Scherfestigkeit der Oberflächenunebenheiten 6 der Innenrohr-Außenwandflache bzw. der Außenrohr- Innenwandfläche, wie sie in Fig. 2 angedeutet sind. Die tatsächliche Berührungsfläche zwischen Innenrohr und Außenrohr beträgt bei einem vorgespannten Rohr etwa 5 % der Gesamtfläche, wobei eine nominelle Spaltdicke im Grenzbereich zwischen den einzelnen Berührungspunkten von etwa 0,0025 mm bis 0,0063 mm vorhanden ist. Eine sehr kleine Änderung der Abmessungen und/oder ein Verlust an Druckspannung im Grenzbereich 5 aufgrund eines Spannungsabbaus im Rohrwerkstoff oder aufgrund im Betrieb auftretender großer Temperaturgradienten würde ein relatives Gleiten zwischen Innenrohr und Außenrohr ermöglichen.

Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung das grundsätzliche Prinzip der Erfindung, nämlich eine mechanische Verzahnung der Außenwandung des Innenrohres 2 mit der Innenwandung des Außenrohres 3 im Grenzbereich 5. Bei dieser Konstruktion kann mit Sicherheit kein Gleiten im Grenzbereich 5 auftreten, ohne daß eine Scherung einer beträchtlichen Werkstoffmenge des Grundmetalls nahe des

Grenzbereichs auftritt. Es ist lediglich notwendig/ daß die Verzahnung eine solche Gestalt hat, daß eine Scherbewegung in der Längsrichtung des Rohres unterbunden wird. Dagegen ist es nicht notwendig, in radialer Richtung auftretende Temperaturgradienten zu berücksichtigen, vorausgesetzt, daß die Spaltdickenähderungen im Grenzbereich aufgrund radialer Temperaturgradienten klein sind im Vergleich zur Größe der gegenseitigen Eindringtiefe der Verzahnung der Rohrwandflächen im Grenzbereich. Das er--" forderliche Maß der Grenzflächenverzahnung kann im Makrobereich oder im"Mikrobereich liegen und kann, wie in Fig. beispielsweise dargestellt ist, als einfache wellenförmige Verzahnung ausgebildet sein.

Die Herstellung einer solchen Oberflächenverzahnung gemäß Fig. 3 ist nicht schwierig. Aufgrund der mikrostrukturellen Eigentümlichkeiten verschiedener doppelwandiger Rohre ergibt sich der experimentelle Nachweis, daß die gewünschte Oberflächenverzahnung im Zuge eines als Duplexen bezeichneten Verfahrens hergestellt werden Kann. Beim Duplexen wird, ausgehend von einem Außenrohr mit relativ glatter Innenwandung und einem Innenrohr mit profilierter Außenwandung, nach dem Ineinanderschieben der beiden Rohre eine LängsStreckung der beiden Rohre vorgenommen. Dabei wird das Außenrohr in einem Ziehvorgang unter uurchmesserverringerung auf das Innenrohr aufgezogen, wobei die profilierte Außenfläche des Innenrohres die ursprünglich relativ glatte Innenfläche des aufgezogenen Außenrohres bleibend verformt. Es ist beobachtet worden, daß als Ergebnis des Ziehvorgangs bei dem Duplexverfahren gegenwärtiger Fertigungsprozesse die Oberfläche des Innenrohres um 1,6 iJ m bis etwa 2 υ m in den Raum der in der Innenwandung des Außenrohres vorgefertigten Längsnuten hineinragt. Dies zeigt, daß selbst bei dem gegenwärtigen

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Verfahren ausreichend viel Metall während des Duplexvorgangs fließen würde, um eine Oberflächenverzahnung herbeizuführen, wenn die Außenfläche des Innenrohres vor diesem Vorgang entsprechend profiliert würde.
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Die Erzeugung von in Umfangsrichtung verlaufenden Oberflächenwellen und -tälern auf der Außenfläche des Innenrohres unter Beibehaltung einer glatten Rohrinnenwandfläche, der Rundheit des Rohres und des gewünschten Rohrdurchmessers kann durch Umlaufschmieden oder einfach durch Grobschleifen der Außenfläche des Innenrohres vor dem Duplexverfahren erfolgen»

Im Zuge eines Programmes zur Entwicklung vorgespannter doppelwandiger Rohre wurden zwei Proben solcher Rohre mit einem Berührungsbereich von 20 mm Länge mit Belastungen bis zu 4 3000 N getestet und mit Kräften von 41000 N oder mehr zyklisch über mindestens 95 Lastzyklen bei 400°C belastet. Eine Probe wurde dabei im ursprünglichen vorgespannten Zustand und die andere Probe nach einer spannungsabbauenden Wärmebehandlung untersucht. Beide Proben zeigten zufällige mechanische Verzahnungen im iMikrobereich. Keine Probe zeigt irgendwelche Gleiterscheinungen, und es trat kein Verschleiß auf. Ähnliche Proben ohne Oberflächenverzahnungen zeigten bereits bei Belastungen von nur 400 N Gleiterscheinungen und Verschleiß im Grenzbereich.

Die Herstellung einer mechanischen Verzahnung zwischen Innenrohr und Außenrohr doppelwandiger Rohre läßt auch den Verzicht auf eine Vorspannung der Rohre zu.

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Claims

Patentansprüche

1. Doppelwandiges Wärmetauschrohr für Dampferzeuger in Ve^eoindung mit flüssigmetallgekühlten schnellen Brutreaktoren, dadurcn gekennzeichnet, daß die einander zugewandten Oberflächen von Innenrohr und Außenrohr derart mechanisch miteinander verzahnt sind, daß ein Gleiten des Innenrohres mit Bezug auf das Außenrohr ausgeschlossen ist.

2. Verfahren zur Herstellung einer mechanischen Verzahnung der Innenrohr- Außenfläche mit der Außenrohr- Innenfläche eines doppelwandigen Rohres nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Innenrohr eine nichtglatte Außenfläche erzeugt und das Innenrohr in das eine glatte Innenfläche aufweisende Außenrohr eingesetzt wird, und daß anschließend beide Rohre gemeinsam einem Ziehvorgang unterzogen werden, während welchem die Außenfläche des Innenrohres die Innenfläche des Außenrohres im Sinne der Herstellung

der Verzahnung verformt.
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3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtglatte Außenfläche des Innenrohres durch Grobschleifen dieser Außenfläche erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Schmieden eine wellige Außenfläche des Innenrohres erzeugt wird.