KR102074090B1 - 연료 요소 케이스와 플러그 사이의 용접 접합 - Google Patents

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스테이트 에토믹 에너지 코퍼레이션 “로사톰”온 비핼프 오브 더 러시안 페더레이션
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Abstract

본 발명은, 원자력 공학에 관한 것이며, 그리고 원자로들을 위한 연료 요소들의 제조에 사용될 수 있다. 제조 프로세스를 단순화하도록 용접 이음선의 열처리에 대한 필요성을 동반하지 않는, 케이스와 플러그 사이의 고품질 용접 접합부의 형성의 결과로서, 원자로 연료 요소들의 밀봉의 증가된 내구성을 제공하는, 고-크롬 강으로 이루어지는 플러그와 연료 요소 케이스 사이의 용접 접합부에 대한 실시예들이 제안된다. 이는, 다양한 조합의 페라이트-마르텐사이트 강 및 페라이트 강으로 이루어지는 케이스와 플러그 사이의 접합의 구조를 조절함에 의한 그리고 페라이트 상의 형성을 보장하기 위한 사이즈 비율의 필요한 범위들을 유지함에 의한, 이음선의 금속 내에서의 페라이트 상의 형성을 통해, 달성된다.

Description

연료 요소 케이스와 플러그 사이의 용접 접합부
본 발명은, 원자력 발전에 관한 것이며, 그리고 발전 원자로들을 위한 연료 요소들의 제조에 사용될 수 있다.
연료 요소들의 작동 내구성은, 대부분 용접 접합부의 품질에 의해 결정된다. 현재, 고-크롬 페라이트-마르텐사이트 강으로 이루어지는 케이스들을 갖는 고속-중성자 원자로들을 위한 연료 요소들은, 비-소모성 텅스텐 전극의 사용을 동반하는 아르곤-아크 용접(AW)의 방법에 의해 밀봉된다.
공지의 용접 접합부는, 케이스와 플러그로 이루어지며, 그리고 플러그 상에 배열되는 가용성 쇼울더부와의 맞대기-도구 접합(butt-tool joint)을 갖는다(레쉐트니코프 박사에 의해 편집된 책, "원자로들의 연료 요소들의 개발, 제조 및 운영" 2판, 에너가토미즈닷, 페이지 185-186, 표 20.1а 참조). 이러한 용접 접합부들은, 고-크롬 페라이트-마르텐사이트 강들을 포함하는, 동일 등급의 재료들을 사용한다. 용접 접합부에 대한 요건은, 러시아 산업 표준 OST 95 503-2006에 정의된다.
고-크롬 페라이트-마르텐사이트 강들의 용접에서의 교유의 주된 결점은, 용접의 완료 시 일정 기간의 시간 이후에 담금질 구조들 및 냉간 균열들을 형성하는, 이러한 강들의 경향이다.
그러한 강들의 고품질 용접 접합부를 생성하기 위해, 용접 작업과 후속 템퍼링 사이의 시간을 가능한 한 짧게 유지하는 가운데, 740-760℃에서 20-30분 동안 수행되는, 용접 접합부 템퍼링의 부가적인 작업이, 요구된다. 이러한 용접 후 템퍼링 작업을 실행하는 것은, 특히 템퍼링이 연료가 장전된 연료 요소를 밀봉하는 용접된 이음선에 적용될 때, 비용 및 연료 요소 제조 기술의 복잡성을 증가시킨다.
본 발명의 기술적 효과는, 제조 프로세스를 단순화하도록 용접 이음선의 후속 열처리를 동반하지 않는 가운데 케이스와 플러그 사이의 고품질 용접 접합부를 제공함에 의해, 고-크롬 강들로 이루어지는 케이스들을 갖는 원자로 연료 요소들의 밀봉의 내구성을 제공하는 것이다.
기술적 효과는, 양자 모두 고-크롬 강으로 이루어지며 그리고 아르곤-아크 용접 방법에 의해 연결되는, 연료 요소 케이스 및 플러그 사이의 용접 접합부로서, 상기 케이스는 페라이트-마르텐사이트 강으로 이루어지고, 상기 플러그는 페라이트 강으로 이루어지며, 그리고 상기 케이스 및 상기 플러그에 대한 파라미터들은, 뒤따르는 비율에 따라 선택되는 것인, 용접 접합부에 의해 제공된다:
δ ≤ a ≤ 2δ
δ ≤ b ≤ 1.5δ,
여기서: а는, 플러그 쇼울더부 너비이고,
b는, 관통 깊이이며,
δ는, 케이스 두께이다.
기술적 효과는, 양자 모두 고-크롬 강으로 이루어지며 그리고 아르곤-아크 용접 방법에 의해 연결되는, 연료 요소 케이스 및 플러그 사이의 용접 접합부로서, 상기 케이스는, 1:1 또는 1:2의 두께비를 갖는 페라이트 강으로 이루어지는 외측층 및 페라이트-마르텐사이트 강으로 이루어지는 내측층을 구비하는 이종금속 케이스이고, 상기 플러그는 페라이트-마르텐사이트 강으로 이루어지며, 그리고 상기 케이스 및 상기 플러그에 대한 파라미터들은, 뒤따르는 비율에 따라 선택되는 것인, 용접 접합부에 의해 제공된다:
δ1 ≤ а ≤ 1.5 δ1
(δ1 + δ2) ≤ b ≤ 1.2(δ1 + δ2),
여기서: а는, 플러그 쇼울더부 너비이고,
b는, 관통 깊이이며,
δ1은, 이종금속 케이스의 외측층의 두께이고,
δ2는, 이종금속 케이스의 내측층의 두께이다.
기술적 효과는, 양자 모두 고-크롬 강으로 이루어지며 그리고 아르곤-아크 용접 방법에 의해 연결되는, 연료 요소 케이스 및 플러그 사이의 용접 접합부로서, 상기 케이스는 페라이트-마르텐사이트 강으로 이루어지고, 상기 플러그는, 페라이트 강으로 이루어지는 외측층 및 페라이트-마르텐사이트 강으로 이루어지는 내측층을 구비하는 이종금속 플러그이며, 그리고 상기 케이스 및 상기 플러그에 대한 파라미터들은, 뒤따르는 비율에 따라 선택되는 것인, 용접 접합부에 의해 제공된다:
δ1 ≤ а ≤ 2δ1
0.2δ ≤ δ1 ≤ 0.5δ
(δ + 0.2δ1) ≤ b ≤ (δ + 0.5δ1),
여기서: а는, 플러그 쇼울더부 너비이고,
b는, 관통 깊이이며,
δ는, 케이스 두께이고,
δ1은, 이종금속 플러그의 외측층의 두께이다.
기술적 효과는, 양자 모두 고-크롬 강으로 이루어지며 그리고 아르곤-아크 용접 방법에 의해 연결되는, 연료 요소 케이스 및 플러그 사이의 용접 접합부로서, 뒤따르는 비율에 따라 선택되는 파라미터들을 갖는 가운데, 상기 케이스 및 상기 플러그는, 고-크롬 페라이트-마르텐사이트 강으로 이루어지며, 그리고 상기 케이스와 상기 플러그 사이에 페라이트 강 링이 존재하는 것인, 용접 접합부에 의해 제공된다:
0.8δ ≤ а ≤ δ
δ ≤ b ≤ 1.2δ
а ≤ c ≤ 2a
여기서: а는, 플러그 쇼울더부 너비이고,
b는, 관통 깊이이며,
с는, 링 두께이고,
δ는, 케이스 두께이다.
용접 접합부를 형성하기 위해, 양자 모두 고-크롬 페라이트 강 페라이트-마르텐사이트 강으로 이루어지는, 케이스 및 플러그의 상대적인 위치들이, 용접 이음선에 대한 후속 열처리의 단계를 생략하는 것을 허용하는, 용접 이음선의 금속 내에서의 페라이트 상의 형성으로 이어지도록 변경되고 있는, 연결 계획이 사용된다(G.A. 니콜라예프 등에 의해 편집된 책, "기계 공학에서의 용접: 참조 매뉴얼. 4판" 모스크바, 마시노스트로에니, 1978 - 2판/A.I. 아쿠로바에 의해 편집된, 페이지 179-183 참조). 그로 인해, 원자로 연료 요소들의 제조 프로세스가, 단순화된다.
플러그 쇼울더부 너비, 케이스 두께(이종금속이 사용될 때를 포함), 링 두께 및 관통 깊이와 같은, 그러한 파라미터들에 대한 비율들의 범위는, 용접 접합 이음선의 금속 내에서 페라이트 상을 얻기 위해 필요한 조건으로서 선택된다.
도 1은, 페라이트-마르텐사이트 강으로 이루어지는 케이스(1) 및 페라이트 강으로 이루어지는 플러그(2)를 포함하는, 용접 접합 구조의 실시예를 도시한다.
용접 접합 구조의 이러한 실시예에 따른 용접 이음선의 금속 내에서 페라이트 상을 얻기 위해, 뒤따르는 비율에 따라 선택되는 파라미터들을 따르도록 요구된다:
δ ≤ a ≤ 2δ
δ ≤ b ≤ 1.2δ,
여기서: а는, 플러그 쇼울더부 너비이고,
b는, 관통 깊이이며,
δ는, 케이스 두께이다.
도 2는, 페라이트 강으로 이루어지는 외측층(3), 페라이트-마르텐사이트 강으로 이루어지는 내측층(4)을 구비하는, 이종금속 케이스(1), 및 페라이트-마르텐사이트 강으로 이루어지는 플러그(2)를 포함하는, 용접 접합 구조의 다른 실시예를 도시한다.
용접 접합 구조의 이러한 실시예에 따른 용접 이음선의 금속 내에서 페라이트 상을 얻기 위해, 뒤따르는 비율에 따라 선택되는 파라미터들을 따르도록 요구된다:
δ1 ≤ а ≤ 1.5 δ1
(δ1 + δ2) ≤ b ≤ 1.2(δ1 + δ2),
여기서: а는, 플러그 쇼울더부 너비이고,
b는, 관통 깊이이며,
δ1은, 이종금속 케이스의 외측층의 두께이고,
δ2는, 이종금속 케이스의 내측층의 두께이다.
도 3은, 페라이트-마르텐사이트 강으로 이루어지는 케이스(1) 및, 페라이트 강으로 이루어지는 이종금속 플러그(2)의 외측층(5) 및 페라이트-마르텐사이트 강으로 이루어지는 이종금속 플러그(2)의 내측층(6)을 구비하는, 이종금속 플러그(2)를 포함하는, 용접 접합 구조의 다른 실시예를 도시한다.
용접 접합 구조의 이러한 실시예의 용접 이음선의 금속 내에서 페라이트 상을 얻기 위해, 뒤따르는 비율에 따라 선택되는 파라미터들을 따르도록 요구된다:
δ1 ≤ а ≤ 2δ1
0.2δ ≤ δ1 ≤ 0.5δ
(δ + 0.2δ1) ≤ b ≤ (δ + 0.5δ1),
여기서: а는, 플러그 쇼울더부 너비이고,
b는, 관통 깊이이며,
δ는, 케이스 두께이고,
δ1은, 이종금속 플러그의 외측층의 두께이다.
도 4는, 페라이트-마르텐사이트 강으로 이루어지는 케이스(1)와 플러그(2) 그리고, 페라이트 강으로 이루어지며 그리고 용접 접합부의 영역에서 케이스와 플러그 사이에 배치되는, 링(7)을 포함하는, 용접 접합 구조의 다른 실시예를 도시한다.
용접 접합 구조의 이러한 실시예의 용접 이음선의 금속 내에서 페라이트 상을 얻기 위해, 뒤따르는 비율에 따라 선택되는 파라미터들을 따르도록 요구된다:
0.8δ ≤ а ≤ δ
δ ≤ b ≤ 1.2δ
а ≤ c ≤ 2a,
여기서: а는, 플러그 쇼울더부 너비이고,
b는, 관통 깊이이며,
c는, 링 두께이고,
δ는, 케이스 두께이다.
용접 접합부들을 개발할 때 그리고, 플러그 쇼울더부 너비, 케이스 벽 두께 및 관통 깊이와 같은, 용접 접합부에 대한 본질적인 구조적 파라미터들을 계산할 때, 뒤따르는 기술적 특징들이 고려되었다:
- 케이스 두께는, 0.4 내지 0.5 mm이고,
- 쇼울더부 너비는, 0.2 내지 1 mm이며,
- 관통 깊이는, 케이스 두께 이상 그리고 케이스 두께의 1.2 배 이하이고,
- 전극 축의 위치는, 케이스와 플러그 사이의 맞대기 영역이다.
본 발명에 따른 구조들에서 용접 이음선의 금속의 사전 결정된 상 조성을 갖는 용접 접합부의 요구되는 품질을 제공하는 용접 모드들은, 뒤따르는 것과 같다:
용접 전류는 14-20 A이고,
용접 속도는 12-15 m/h이며,
아크 전압은 9-10 V이고,
아르곤 유량은 7-8 l/min이다.
예 1
연료 요소 케이스는 페라이트-마르텐사이트 강(EP-823)으로 이루어졌고, 케이스의 직경은 9.3 mm이었으며, 그리고 벽 두께는 0.5 mm이었고, 플러그는, 페라이트 강(05Х18С2ВФАЮ: 05Cr18Si2WVNAl)이었으며, 플러그의 쇼울더부 너비는 0.8 mm이었고, 쇼울더부의 직경은 케이스 직경에 대응했다(도 1 참조).
연료 요소는, 뒤따르는 파라미터들과 더불어 AW 방법에 따라 밀봉되었다:
용접 전류 15A,
용접 속도 14 m/h,
아크 전압 9 V,
아르곤 유량 8 l/min.
예 2
연료 요소 케이스는, 두께비가 1:2인, 강(05Х18С2МВФАЮ: 05Cr18Si2MoWVNAl)으로 이루어진 외측층 및 강(EP-823)으로 이루어진 내측층을 구비하는, 0.5 mm 두께의 이종금속 케이스이었다. 플러그는, 강(EP-823)으로 이루어졌으며, 그리고 쇼울더부 너비는 0.8 mm이었다(도 2 참조). 케이스 및 플러그는, 예 1과 동일한 파라미터들을 따라 함께 용접되었다.
예 3
연료 요소 케이스는, 0.5 mm 두께를 갖는 강(EP-823)으로 이루어졌고, 이종금속 플러그의 외측층은, 강(05Х18С2МВФАЮ: 05Cr18Si2MoWVNAl)으로 이루어졌으며, 그리고 이종금속 플러그의 내측층은, 강(EP-823)으로 이루어졌다(도 3 참조) 용접 영역에서의 강(05Х18С2МВФАЮ: 05Cr18Si2MoWVNAl)으로 이루어진 플러그 외측층의 두께는, 0.2 mm이었다. 케이스 및 플러그는, 예 1과 동일한 파라미터들을 따라 함께 용접되었다.
예 4
케이스 및 플러그는, 강(EP-823)으로 이루어졌다. 케이스 두께는 0.4 mm이었으며, 그리고 플러그 쇼울더부 너비는 0.45 mm이었다. 0.75 mm의 두께를 갖는 강(05Х18С2МВФАЮ: 05Cr18Si2MoWVNAl)으로 이루어진 링이, 플러그 쇼울더부와 케이스 사이에 배치되었다(도 4 참조). 용접 모드는 예 1에서와 동일한 것이었다.
이상에 설명된 기술에 따라, 연료 요소 시뮬레이터들이 만들어졌다.
도 1 내지 도 4에 도시된 그리고 선택된 기술적 파라미터들에 기초한, 다양한 실시예들에 따른 용접 접합부에 대한 야금학적 연구들은, 모든 용접 접합부의 실시예들에서, 페라이트 상이 용접 이음선의 금속 내에 생성되었다는 것을, 보여 주었다.
표 1은, 본 발명에 따른 접합 구조의 실시예들에 따른 용접 접합부의 기계적 특성들을 나타낸다.
기계적 강도 시험들이, 샘플들의 파열이 연료 요소 시뮬레이터들의 케이스를 가로질러 발생한다는 것을 보여 주었다.
용접 접합부들이, 4000시간 동안 납 냉각제 내에서 부식에 대해 시험되었다. 용접 접합부들의 내부식성이, 연료 케이스의 내부식성의 레벨로 유지된다는 것이, 확인되었다.
용접 접합 구조 이종금속 케이스 두께의 비율 실험 온도 ℃ 인장 강도,
σB MPa		 파괴 지점
도 1 -- 20 818 케이스를 따름
도 2 1:1 20 695 케이스를 따름
도 2 1:2 20 728 케이스를 따름
도 3 -- 20 815 케이스를 따름
도 4 -- 20 821 케이스를 따름
(표 1 - 용접 접합부들의 기계적 특성들)
실온에서 질량 분광법에 의해 헬륨 누출 검출기를 사용하여 수행된 누출 저항성에 대한 용접 접합부들의 시험들이, 모든 접합부들이 기밀하게 밀봉된다는 것을 보여 주었다.
고-크롬 강들로 이루어지는 케이스와 플러그 사이의 용접 접합부의 실시예들의 사용은, 그들의 품질을 개선할 것이며, 그리고 제조 프로세스를 상당히 단순화시킬 것이다.

Claims (4)

  1. 양자 모두 고-크롬 강으로 이루어지며 그리고 아르곤-아크 용접 방법에 의해 서로 연결되는, 연료 요소 케이스 및 플러그 사이의 용접 접합부로서,
    상기 케이스는 페라이트-마르텐사이트 강으로 이루어지고, 상기 플러그는 페라이트 강으로 이루어지며, 상기 케이스 및 상기 플러그는, 뒤따르는 비율에 따라 선택되는 특성들을 갖는 것을 특징으로 하는 용접 접합부:
    δ ≤ a ≤ 2δ
    δ ≤ b ≤ 1.5δ,
    여기서: а는, 플러그 쇼울더부 너비이고,
    b는, 관통 깊이이며, 그리고
    δ는, 케이스 두께이다.
  2. 양자 모두 고-크롬 강으로 이루어지며 그리고 아르곤-아크 용접 방법에 의해 서로 연결되는, 연료 요소 케이스 및 플러그 사이의 용접 접합부로서,
    상기 케이스는, 1:1 또는 1:2의 두께비를 갖는 페라이트 강으로 이루어지는 외측층 및 페라이트-마르텐사이트 강으로 이루어지는 내측층을 구비하는 이종금속 케이스이고, 상기 플러그는 페라이트-마르텐사이트 강으로 이루어지며, 그리고 상기 케이스 및 상기 플러그는, 뒤따르는 비율에 따라 선택되는 특징들을 갖는 것을 특징으로 하는 용접 접합부:
    δ1 ≤ а ≤ 1.5 δ1
    (δ1 + δ2) ≤ b ≤ 1.2(δ1 + δ2),
    여기서: а는, 플러그 쇼울더부 너비이고,
    b는, 관통 깊이이며,
    δ1은, 이종금속 케이스의 외측층의 두께이며, 그리고
    δ2는, 이종금속 케이스의 내측층의 두께이다.
  3. 양자 모두 고-크롬 강으로 이루어지며 그리고 아르곤-아크 용접 방법에 의해 서로 연결되는, 연료 요소 케이스 및 플러그 사이의 용접 접합부로서,
    상기 케이스는 페라이트-마르텐사이트 강으로 이루어지고, 상기 플러그는, 페라이트 강으로 이루어지는 외측층 및 페라이트-마르텐사이트 강으로 이루어지는 내측층을 구비하는 이종금속 플러그이며, 그리고 상기 케이스 및 상기 플러그는, 뒤따르는 비율에 따라 선택되는 특성들을 갖는 것을 특징으로 하는 용접 접합부:
    δ1 ≤ а ≤ 2δ1
    0.2δ ≤ δ1 ≤ 0.5δ
    (δ + 0.2δ1) ≤ b ≤ (δ + 0.5δ1),
    여기서: а는, 플러그 쇼울더부 너비이고,
    b는, 관통 깊이이며,
    δ는, 케이스 두께이며, 그리고
    δ1은, 이종금속 플러그의 외측층의 두께이다.
  4. 양자 모두 고-크롬 강으로 이루어지며 그리고 아르곤-아크 용접 방법에 의해 서로 연결되는, 연료 요소 케이스 및 플러그 사이의 용접 접합부로서,
    상기 케이스 및 상기 플러그는 페라이트-마르텐사이트 강으로 이루어지며, 그리고 페라이트 강의 링이, 상기 케이스와 상기 플러그 사이에 배치되고, 상기 케이스, 상기 플러그, 및 상기 링은, 뒤따르는 비율에 따라 선택되는 특성들을 갖는 것을 특징으로 하는 용접 접합부:
    0.8δ ≤ а ≤ δ
    δ ≤ b ≤ 1.2δ
    а ≤ c ≤ 2a
    여기서: а는, 플러그 쇼울더부 너비이고,
    b는, 관통 깊이이며,
    с는, 링 두께이며, 그리고
    δ는, 케이스 두께이다.
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