RU2085349C1

RU2085349C1 - Method of manufacture of tubular adapter of zirconium alloy steel

Info

Publication number: RU2085349C1
Application number: RU95109814A
Authority: RU
Inventors: В.Г. Аден; А.М. Блинов; В.А. Котрехов; С.Н. Новожилов; А.Н. Семенов; В.Н. Тюрин; Г.Н. Шевелев
Original assignee: Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники
Priority date: 1995-06-20
Filing date: 1995-06-20
Publication date: 1997-07-27
Also published as: RU95109814A

Abstract

FIELD: nuclear engineering; reactor coolant circulating systems; adapters made of zirconium alloys and steel for use as bimetallic inserts at welding of zirconium alloy channels with steel pipelines. SUBSTANCE: method comes to assembling of blanks, diffusion welding in vacuum and machining of welded joint. After machining, inner and outer surfaces of zirconium portion of adapter are subjected to surface deformation to depth not less than 200 μm and then are subjected to thermal treatment in vacuum for 15 h minimum at temperature of 535 - 565 C. Surface deformation is carried out by multiple pass treatment with roller or ball. During the process relative deformation of surface layer of metal not less than 40 % is provided. EFFECT: improved quality of joints. 6 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области сварки разнородных металлов, а более конкретно циркониевых сплавов и стали, и может применяться при изготовлении переходников из циркониевого сплава и стали, которые используются как биметаллические вставки при сварке каналов из циркониевых сплавов со стальными трубопроводами контура циркуляции теплоносителя в ядерных реакторах. The invention relates to the field of welding dissimilar metals, and more specifically zirconium alloys and steel, and can be used in the manufacture of adapters of zirconium alloy and steel, which are used as bimetallic inserts for welding channels from zirconium alloys with steel pipelines of the coolant circuit in nuclear reactors.

Известен способ изготовления трубчатого переходного соединения из циркониевого сплава и стали (см. Symposium on sone Engineering Aspects of the Winfrith Steam Generating Heavy Water Reaktor. 1967, 18.V. p. 1 137), заключающийся в сборке трубы из циркониевого сплава и концевой втулки из нержавеющей стали, на внутренней поверхности которой выполнены концевые канавки, и последующей раздаче вставленного в концевую втулку конца трубы из циркониевого сплава. Раздача осуществляется с помощью вращающегося устройства для роликовой развальцовки, установленного внутри трубы. Герметичное соединение между циркониевой трубой и стальной концевой втулкой образуется за счет увеличения диаметра конца трубы из циркониевого сплава. A known method of manufacturing a tubular transition connection of zirconium alloy and steel (see Symposium on sone Engineering Aspects of the Winfrith Steam Generating Heavy Water Reaktor. 1967, 18.V. p. 1 137), which consists in assembling a pipe of zirconium alloy and end sleeve stainless steel, on the inner surface of which end grooves are made, and the subsequent distribution of the end of the pipe made of zirconium alloy inserted into the end sleeve. Distribution is carried out using a rotating device for rolling flares mounted inside the pipe. The tight connection between the zirconium pipe and the steel end sleeve is formed by increasing the diameter of the end of the pipe made of zirconium alloy.

Недостатком известного способа является то, что трубчатые переходные соединения, изготовленные известным способом, при эксплуатации в условиях ядерного реактора, имеют ограниченный ресурс работоспособности из-за водородного охрупчивания циркониевых концов труб, которые ввальцованы в концевые втулки из нержавеющей стали. В процессе развальцовки при подаче конуса инструмента происходит раздвижение конусных роликов, что приводит к деформациям циркониевой трубы в месте развальцовки. В процессе деформации в стенке циркониевой трубы возникают высокие напряжения, в том числе и в виде наклепа, которые обеспечивают герметичность вальцованному соединению. Чем выше механические напряжения в трубе, тем лучше обеспечивается герметичность соединения. Уменьшение этих напряжений известным способом, например термообработкой, приводит к снижению надежности соединения. Поэтому в развальцованных соединениях всегда присутствует высокое напряженное состояние. Из металловедения циркония известно, что в циркониевых сплавах при длительной эксплуатации водород имеет склонность к миграции и локальному накапливанию в местах с высоким уровнем напряжения. В связи с этим свойством водорода в зоне развальцовки циркониевой трубы, имеющей высокий уровень напряжения, происходит постепенное нарастание концентрации водорода, который образуется в процессе эксплуатации в результате коррозионных и радиационных процессов. Водород при больших концентрациях образует с цирконием хрупкие гидриды, которые приводят к охрупчиванию и растрескиванию стенок циркониевой трубы и, как следствие, к нарушению герметичности соединения. The disadvantage of this method is that tubular transitions made in a known manner, when operating in a nuclear reactor, have a limited service life due to hydrogen embrittlement of the zirconium pipe ends, which are rolled into stainless steel end sleeves. In the process of flaring, when feeding the cone of the tool, the conical rollers expand, which leads to deformations of the zirconium pipe at the place of flaring. In the process of deformation, high stresses arise in the wall of the zirconium tube, including in the form of hardening, which ensure the tightness of the rolled joint. The higher the mechanical stresses in the pipe, the better the tightness of the connection. The reduction of these stresses in a known manner, for example by heat treatment, reduces the reliability of the connection. Therefore, high tension state is always present in flared joints. From metallurgy of zirconium, it is known that in zirconium alloys during long-term operation, hydrogen has a tendency to migration and local accumulation in places with a high voltage level. In connection with this property of hydrogen in the zone of expansion of the zirconium tube, which has a high voltage level, a gradual increase in the concentration of hydrogen occurs, which is formed during operation as a result of corrosion and radiation processes. Hydrogen at high concentrations forms brittle hydrides with zirconium, which lead to embrittlement and cracking of the walls of the zirconium pipe and, as a result, to a violation of the tightness of the compound.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является способ изготовления трубчатого переходника и циркониевого сплава и стали (см. а. с. СССР N 202404, МПК H 05 B, опубл. 14.09.67 г), включающий сборку (свинчивание) заготовок, которые выполнены в виде резьбовых втулок из циркониевого сплава и стали, диффузионную сварку собранных заготовок, и механическую обработку сваренной заготовки в требуемые размеры. Диффузионная сварка включает нагрев в вакууме до температуры свыше 800 градусов Цельсия, сдавливание свариваемых резьбовых поверхностей, выдержку при температуре сварки и охлаждение в вакууме. Closest to the invention in terms of essential features is a method of manufacturing a tubular adapter and a zirconium alloy and steel (see A. S. USSR N 202404, IPC H 05 B, publ. 14.09.67 g), including the assembly (screwing) of workpieces, which made in the form of threaded bushings of zirconium alloy and steel, diffusion welding of the assembled workpieces, and machining of the welded workpiece to the required dimensions. Diffusion welding includes heating in vacuum to a temperature of over 800 degrees Celsius, squeezing the welded threaded surfaces, holding at a welding temperature and cooling in vacuum.

Недостатком известного способа является то, что трубчатые переходники, изготовленные известным способом, имеют ограниченный ресурс работоспособности, поскольку при эксплуатации переходников в условиях ядерного реактора, где температура теплоносителя превышает 200 градусов Цельсия, они начинают коррозировать. Коррозии подвергается циркониевая часть трубчатого переходника, при этом циркониевая поверхность покрывается белой окисной пленкой, которая при длительной эксплуатации начинает осыпаться. Это объясняется тем, что в процессе диффузионной сварки стальной и циркониевой частей переходника, т.е. при нагреве свыше 700 градусов Цельсия, в цирконии происходят фазовые превращения, а именно альфа-фаза переходит в бэта-фазу, которая характеризуется низкой коррозионной стойкостью в горячей воде (свыше 200 градусов Цельсия). The disadvantage of this method is that tubular adapters made in a known manner have a limited service life, since when operating the adapters in a nuclear reactor, where the coolant temperature exceeds 200 degrees Celsius, they begin to corrode. The zirconium part of the tube adapter undergoes corrosion, while the zirconium surface is covered with a white oxide film, which begins to crumble during long-term operation. This is because in the process of diffusion welding of steel and zirconium parts of the adapter, i.e. when heated above 700 degrees Celsius, phase transformations occur in zirconium, namely the alpha phase passes into a beta phase, which is characterized by low corrosion resistance in hot water (over 200 degrees Celsius).

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа изготовления трубчатого переходника из циркониевого сплава и стали, при котором обеспечивается необходимый ресурс работоспособности переходников при длительной эксплуатации в условиях ядерного реактора. The problem to which the invention is directed, is to create a method for manufacturing a tubular adapter from zirconium alloy and steel, which provides the necessary resource of operability of the adapters during long-term operation in a nuclear reactor.

Технический результат заключается в том, что при осуществлении настоящего способа изготовления трубчатого переходника из циркониевого сплава и стали, наружная и внутренняя поверхности циркониевой части переходника приобретают устойчивое равновесное состояние, характеризующееся высокой коррозионной стойкостью в горячей воде (свыше 200 градусов) за счет поверхностного наклепа циркониевой части переходника, при котором происходит дробление зерен циркониевого сплава, последующего снятия напряжения в этом слое. The technical result consists in the fact that in the implementation of the present method of manufacturing a tube adapter of zirconium alloy and steel, the outer and inner surfaces of the zirconium part of the adapter acquire a stable equilibrium state, characterized by high corrosion resistance in hot water (over 200 degrees) due to the surface hardening of the zirconium part an adapter in which the zirconium alloy grains are crushed, followed by stress relief in this layer.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления трубчатого переходника из циркониевого сплава и стали, включающем сборку заготовок, диффузионную сварку в вакууме и механическую обработку сварного соединения, после механической обработки внутреннюю и наружную поверхность циркониевой части переходника поверхностно деформируют на глубину не менее 200 мкм, а затем термообрабатывают в вакууме при температуре 535 565 градусов Цельсия не менее 15 ч. The specified technical result is achieved by the fact that in the known method of manufacturing a tubular adapter of zirconium alloy and steel, including the assembly of workpieces, diffusion welding in vacuum and machining of the welded joint, after machining the inner and outer surfaces of the zirconium part of the adapter are surface-deformed to a depth of at least 200 microns, and then heat treated in vacuum at a temperature of 535 565 degrees Celsius for at least 15 hours

Кроме того, поверхностную деформацию циркониевой части переходника осуществляют многопроходной обкаткой роликом или шариком. In addition, the surface deformation of the zirconium part of the adapter is carried out by multi-pass rolling by a roller or ball.

Кроме того, при обкатке обеспечивают относительную деформацию поверхностного слоя металла не менее 40 процентов. In addition, during the run-in, the relative deformation of the surface layer of the metal is not less than 40 percent.

Кроме того, термообработку проводят при давлении в вакуумной печи не выше 2•10 мм рт.ст. На фиг. 1 представлен общий вид трубчатого переходника из циркониевого сплава и нержавеющей стали, а на фиг. 2 показано место 1 (в увеличенном масштабе) после поверхностной деформации циркониевой части переходника. In addition, heat treatment is carried out at a pressure in the vacuum furnace of not higher than 2 • 10 mm Hg. In FIG. 1 shows a general view of a tube adapter made of zirconium alloy and stainless steel, and FIG. 2 shows location 1 (on an enlarged scale) after surface deformation of the zirconium part of the adapter.

Трубчатый переходник выполнен в виде нахлесточного диффузионного сварного соединения и состоит из двух втулок: из охватываемой втулки 1 из циркониевого сплава и охватывающей втулки 2 из нержавеющей стали. Циркониевая часть переходника имеет внутреннюю поверхность 3 и наружную поверхность 4, которые характеризуются высокой коррозионной стойкостью в горячей воде за счет поверхностного наклепа циркониевой части переходника, при котором происходит дробление зерен циркониевого сплава на глубине не менее 200 мкм, и последующего снятия напряжения в этом слое. The tube adapter is made in the form of an overlap diffusion welded joint and consists of two bushings: from a male sleeve 1 made of zirconium alloy and a female sleeve 2 made of stainless steel. The zirconium part of the adapter has an inner surface 3 and an outer surface 4, which are characterized by high corrosion resistance in hot water due to the surface hardening of the zirconium part of the adapter, in which the zirconium alloy grains are crushed at a depth of at least 200 μm, and subsequent stress relief in this layer.

Способ изготовления трубчатого переходника из циркониевого сплава и стали осуществляют следующим образом. A method of manufacturing a tubular adapter of zirconium alloy and steel is as follows.

В заготовку из нержавеющей стали в виде втулки 2, с предварительно механически обработанной внутренней поверхностью для сварки, устанавливают заготовку из циркониевого сплава в виде втулки 1 с предварительно обработанной наружной поверхностью для сварки, при этом нахлесточному соединению обеспечивают взаимное прилегание по обработанным поверхностям. Собранное нахлесточное соединение помещают в вакуумную печь, нагревают в вакууме до температуры 900 градусов Цельсия и сжимают свариваемые поверхности между собой в прессформе с усилием, равным 2 кг/мм. Соединение в сжатом состоянии выдерживают 5 мин, после чего охлаждают в вакууме до температуры 300 градусов Цельсия. Охлажденное нахлесточное диффузионное сварное соединение механически обрабатывают на токарном станке в заданный размер переходника. После обезжиривания трубчатого переходника внутреннюю 3 и наружную 4 поверхности втулки 2 из циркониевого сплава подвергают поверхностной многопроходной деформации с помощью обкатки роликом или шариком на глубину не менее 200 мкм при этом обеспечивают относительную деформацию поверхностного слоя металла не менее 40 процентов. Затем трубчатый переходник из циркониевого сплава стали термообрабатывают в вакууме при температуре 535 565 градусов Цельсия не менее 15 часов при давлении в печи не выше 2•10 мм рт.ст. In a stainless steel preform in the form of a sleeve 2, with a pre-machined inner surface for welding, a zirconium alloy preform is installed in the form of a sleeve 1 with a pre-machined outer surface for welding, while the lap joint provides mutual fit on the machined surfaces. The assembled lap joint is placed in a vacuum oven, heated in vacuum to a temperature of 900 degrees Celsius, and the surfaces to be welded are compressed together in a mold with a force of 2 kg / mm. The compound is kept in a compressed state for 5 minutes, after which it is cooled in vacuum to a temperature of 300 degrees Celsius. The cooled lap diffusion welded joint is machined on a lathe to the specified adapter size. After degreasing the tube adapter, the inner 3 and outer 4 surfaces of the zirconium alloy sleeve 2 are subjected to surface multi-pass deformation by rolling with a roller or ball to a depth of at least 200 μm, while providing a relative deformation of the surface layer of the metal of at least 40 percent. Then the tube adapter made of zirconium alloy steel is heat treated in vacuum at a temperature of 535 565 degrees Celsius for at least 15 hours at a pressure in the furnace no higher than 2 • 10 mm Hg.

Claims

1. A method of manufacturing a tubular adapter from zirconium alloy and steel, including the assembly of workpieces, diffusion welding in vacuum and machining of the welded joint, characterized in that after machining the inner and outer surfaces of the zirconium part of the adapter are surface deformed to a depth of at least 200 μm, after wherein the adapter is heat treated in vacuum at 535 565 ^o With at least 15 hours

2. The method according to claim 1, characterized in that the surface deformation of the zirconium part of the adapter is carried out by multi-pass rolling.

3. The method according to claim 2, characterized in that the run-in of the zirconium part of the adapter is carried out by a roller.

4. The method according to claim 2, characterized in that the run-in of the zirconium part of the adapter is carried out by a ball.

5. The method according to claims 1 and 2, characterized in that during the run-in, the relative deformation of the surface layer of the metal is at least 40%
6. The method according to claim 1, characterized in that the heat treatment is carried out at a pressure in the furnace not higher than 2 • 10 mm Hg.