RU2085350C1

RU2085350C1 - Переходник для сварки труб из нержавеющих сталей с трубами из циркониевых сплавов

Info

Publication number: RU2085350C1
Application number: RU9595109815A
Authority: RU
Inventors: В.Г. Аден; А.Н. Семенов; В.Н. Тюрин; Е.Ю. Ривкин; Ю.М. Черкашов; 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: RU95109815A; KR100325783B1; CA2224586A1; WO1997001057A1; KR19990028249A

Abstract

Использование: изобретение относится к диффузионной сварке, в частности к конструкции переходника для сварки труб из нержавеющих сталей с трубами из циркониевых сплавов, и может найти применение в ядерной технике и химическом машиностроении как биметаллическая вставка при сварке труб из нержавеющих сталей с трубами из циркониевых сплавов. Сущность изобретения: переходник для сварки труб из нержавеющих сталей с трубами из циркониевых сплавов выполнен в виде нахлесточного диффузионного сварного соединения втулок из металлов, соответствующих металлам свариваемых труб. Охватывающая втулка переходника выполнена из нержавеющей стали, а сопряженные поверхности втулок на всей длине нахлестки имеют чередующиеся между собой выступы и впадины, входящие друг в друга. Нахлесточное диффузионное сварное соединение выполнено с твердым переходным слоем толщиной не более 5 мкм. 6 з.п.ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к области сварки, а более конкретно к переходникам, которые используются как биметаллическая вставка при сварке труб из нержавеющих сталей с трубами из циркониевых сплавов, и может быть применено в ядерной технике и химическом аппаратостроении.

Известен переходник для сварки труб из нержавеющих сталей с трубами из циркониевых сплавов [1] Переходник выполнен в виде нахлесточного диффузионного сварного соединения втулок из нержавеющей стали и циркониевого сплава через прокладку из титанового сплава. При этом охватывающая втулка выполнена из нержавеющей стали, а на свариваемых поверхностях втулок выполнены ступеньки. Втулки установлены так, что ступеньки втулки из нержавеющей стали смещены относительно ступенек втулки из циркониевого сплава.

Недостатком известного переходника является ограниченный ресурс его работы в условиях рабочей воды и пара при температурах до 350 градусов Цельсия из-за снижения осевой прочности нахлесточного сварного диффузионного соединения. Это объясняется тем, что прочность нахлесточного сварного диффузионного соединения обеспечивается строгим соблюдением всех заданных условий сварки. При любом незначительном отступлении от заданных условий сварки, что особенно характерно для массового производства, прочность сварного диффузионного соединения может уменьшаться. Кроме того, недостатком известного переходника является его повышенная стоимость из-за использования большого количества титана и высокая трудоемкость при изготовлении.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является переходник для сварки труб из нержавеющих сталей с трубами из циркониевых сплавов [2] Переходник выполнен в виде нахлесточного диффузионного сварного соединения втулок из нержавеющей стали и циркониевого сплава, при этом охватывающая втулка выполнена из нержавеющей стали, а сопряженные поверхности нахлесточного соединения втулок на всей длине нахлестки имеют чередующиеся между собой выступы и впадины, входящие друг с друга. Нахлесточное диффузионное сварное соединение выполнено с жидкой диффузионное прослойкой толщиной от 10 до 150 мк (жидкая эвтектика цирконий-железо). Механическое зацепление втулок обеспечивает прочностные характеристики переходника, а герметичность (плотность) переходника по всей площади механического зацепления обеспечивается диффузионной прослойкой в виде жидкой эвтектики цирконий-железо.

Недостатком известного переходника является ограниченны ресурс его работы в горячей воде с температурой свыше 150^oC и неработоспособность в горячей воде и паре при температурах от 200 до 350^oC из-за невысоких показателей длительной коррозионной прочности. Под длительной коррозионной прочностью понимается прочность в условиях длительного воздействия коррозионно-активной среды, рабочих и термических напряжений. Нахлесточное диффузионное сварное соединение втулок из циркониевого сплава и нержавеющей стали, выполненное с жидкой диффузионной прослойкой эвтектического состава толщиной (10 150 мкм), характеризуется невысокими прочностными и коррозионными свойствами. В процессе длительной эксплуатации диффузионное сварное соединение разрушается под действием коррозии под напряжением. Это объясняется тем, что для нахлесточных трубчатых диффузионных сварных соединений из разнородных металлов с отличающимися коэффициентами термического расширения характерно образование пиков напряжений в краевых точках нахлестки, величина которых находится в прямой пропорциональной зависимости от жесткости стенок соединяемых втулок и от разницы коэффициентов термического расширения. Чем больше толщина стенок втулок, тем выше их жесткость и, следовательно, выше уровень напряжений в краевых точках нахлестки. При уменьшении толщин стенок втулок в месте нахлестки до величин, меньших толщин стенок концов втулок, свободных от нахлестки, снижается осевая прочность сварного соединения. Сохранение требуемой осевой прочности сварного соединения приводит к увеличению суммарной толщины стенок втулок в месте нахлестки и к увеличению поперечных габаритов переходника, что неприемлемо для стесненных условий эксплуатации, например в активной зоне ядерного реактора. При повышении температуры горячей воды свыше 200^oC увеличиваются прямо пропорционально температуре пики (концентраторы) напряжений в краевых точках нахлестки. Увеличение пиков напряжений до величин, превышающих величину прочности диффузионной прослойки, приводит к надрыву сварного шва в краевых точках. В месте надрыва концентрация напряжения увеличивается, и процесс коррозии под напряжением ускоряется, что приводит к быстрому разрушению толстой жидкой диффузионной прослойки эвтектического состава.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание трубчатого переходника из нержавеющей стали и циркониевого сплава, соединенных внахлестку диффузионной сваркой, который характеризуется малой толщиной нахлестки и длительным ресурсом работы в горячей воде и паре при температурах до 350^oC.

Технический результат, полученный при осуществлении настоящего изобретения, заключается в повышении длительной коррозионной прочности переходника в условиях горячей воды и пара при температурах до 350^oC за счет повышения коррозионной стойкости и прочности диффузионного сварного шва. Диффузионное сварное соединение, выполненное с твердой диффузионной прослойкой толщиной не более 5 мкм, обладает высокой коррозионной стойкостью в горячей воде и паре до 350^oC (установлено экспериментально). Кроме того, в сочетании с механическим зацеплением, выполненным в виде выступов и впадин, твердая диффузионная прослойка толщиной до 5 мкм обеспечивает высокую прочность нахлесточному трубчатому сварному соединению. Из уровня техники известно, что твердая диффузионная прослойка толщиной 3 5 мм обеспечивает торцевому диффузионному сварному соединению титана (металла одной группы с цирконием) и нержавеющей стали достаточно высокую прочность. Однако трубчатые нахлесточные диффузионные сварные соединения вышеуказанных металлов с твердой диффузионной прослойкой в процессе охлаждения самопроизвольно разрушаются из-за высоких остаточных термических напряжений в диффузионной прослойке за счет двухкратной разницы в коэффициентах термического расширения между титаном и нержавеющей сталью (Казаков Н. В. Диффузионная сварка материалов. М. "Машиностроение", 1976, с. 186-190). Из уровня техники известны торцевые сварные диффузионные соединения циркония с нержавеющей сталью с достаточно высокой прочностью за счет введения между свариваемыми поверхностями тонких промежуточных слоев: ниобий, медь, никель, однако эти соединения из-за трехкратной разницы коэффициентов термического расширения циркония и нержавеющей стали не пригодны для трубчатых нахлесточных соединений (K. Bhanumurthy, J. Krishnan, G. B. Kale, S. Banerjee, Journal of Nuclear Materials, V.217 (1994) 67-74. "Transition joints between Jircoloy-2 and Stanless steel by diffusion bondig"). В заявленном переходнике большая часть остаточных термических напряжений воспринимается механическим зацеплением, поэтому твердая диффузионная прослойка практически разгружена от них, несмотря на трехкратную разницу коэффициентов термического расширения циркония и нержавеющей стали.

Сочетание высокой коррозионной стойкости и прочности твердой диффузионной прослойки толщиной не более 5 мкм обеспечивает переходнику длительную коррозионную прочность в условиях горячей воды и пара при температурах до 350^oC.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном переходнике для сварки труб из нержавеющих сталей с трубами из циркониевых сплавов, который выполнен в виде нахлесточного диффузионного сварного соединения втулок из металлов, соответствующих металлам свариваемых труб, при этом охватывающая втулка выполнена из нержавеющей стали, а сопряженные поверхности втулок на всей длине нахлестки имеют чередующиеся между собой выступы и впадины, входящие друг в друга. Нахлесточное диффузионное сварное соединение выполнено с твердой диффузионной прослойкой толщиной не более 5 мкм. Кроме того, для исключения надрывов сварного шва по краям нахлестки, втулки в области нахлестки выполнены с переменной толщиной стенок так, что толщина стенки одной из втулок уменьшается, а другой соответственно увеличивается. Это позволяет в сочетании с высокой коррозионной стойкостью диффузионной прослойки замедлить скорость коррозии, которая неизбежна при длительной работе переходника в условиях горячей воды и пара, до величин, обеспечивающих работоспособность сварного шва в условиях, например ядерного реактора, до полной выработки эксплуатационного ресурса канала ядерного реактора. Выполнение втулок в области нахлестки с переменной толщиной стеной позволит уменьшить радиальные габариты переходника.

Кроме того, минимальная толщина стенки каждой втулки по краю нахлестки составляет не более 25% толщины ее стенки, свободной от нахлестки.

Кроме того, сопряженные поверхности втулок на всей длине нахлестки выполнены ступенчатыми.

Кроме того, сопряженные поверхности втулок на всей длине поверхности выполнены в виде, по крайней мере, двух цилиндрических ступенек, выполненных по одной с каждой стороны нахлестки, и усеченного конуса, плавно соединяющего ступеньки между собой.

Кроме того, для повышения осевой прочности, максимальная толщина стенки каждой втулки по краю нахлестки составляет не менее толщины ее стенки, свободной от нахлестки.

Кроме того, для повышения осевой прочности и повышения герметичности (плотности) диффузионного сварного соединения, выступы и впадины выполнены кольцевыми.

На фиг. 1 представлен продольный разрез переходника со ступенчатыми сопряженными поверхностями втулок; на фиг. 2 показаны в разрезе сопряженные поверхности втулок, выполненные в виде двух цилиндрических ступенек, выполненных по одной с каждой стороны нахлестки, и усеченного конуса, плавно соединяющего ступеньки между собой; на фиг. 3 показана в разрезе часть нахлесточного соединения переходника (в увеличенном масштабе); на фиг. 4 показан фрагмент диффузионного сварного соединения с твердой диффузионной прослойкой (в увеличенном масштабе).

Переходник для сварки труб из нержавеющих сталей с трубами из циркониевых сплавов выполнен в виде нахлесточного диффузионного сварного соединения и содержит охватываемую втулку 1 из циркониевого сплава и охватывающую втулку 2 из нержавеющей стали. Сопряженные поверхности втулок на всей длине нахлестки выполнены ступенчатыми, а именно: на наружной поверхности охватываемой втулки 1 из циркониевого сплава выполнены ступеньки 3, а на внутренней поверхности охватывающей втулки 2 из нержавеющей стали выполнены сопряженные со ступеньками 3 ступеньки 4. Ступеньки 3, 4 выполнены равной длины, а высота ступенек равна приблизительно 10 20% от толщины стенки конца втулки, свободного от нахлестки. Толщина втулок 1 и 2 в месте нахлестки равномерно дискретно уменьшается на всей длине нахлесточного соединения от максимальной, равной или большей толщине стенки одной из втулок, свободной от нахлестки, до минимальной, равной 0,3 0,7 мм или составляющей не более 25% толщины ее стенки, свободной от нахлестки. На ступеньках 3, 4 нахлесточного соединения выполнены равномерно чередующиеся между собой выступы 5 и впадины 6 кольцевого профиля. Выступы 5 сопряженных ступенек 3, 4 плотно без зазора входят в соответствующие впадины 6. Поверхности выступов 5 и впадин 6 соединены между собой диффузионной сваркой и образуют диффузионный сварной шов 7, выполненный в виде твердой диффузионной прослойки толщиной не более 5 мкм. Сопряженные поверхности втулок могут быть выполнены в виде двух цилиндрических ступенек, расположенных по одной с каждой стороны нахлестки, и усеченного конуса, плавно соединяющего ступеньки между собой.

Выполнение втулок в области нахлестки с переменной толщиной стенок позволяет уменьшить уровень термических напряжений в области краевых точек нахлестки и, следовательно, уменьшить уровень концентрации (пик напряжения) термических напряжений в краевых точках сварного диффузионного соединения, что исключает возможность надрыва шва и ускоренную коррозию под напряжением.

Выполнение одной из втулок с минимальной толщиной стенки на краях нахлестки, составляющей не более 20% от толщины ее стенки, свободной от нахлестки, позволяет другой втулке в этой области иметь толщину стенки больше толщины стенки ее свободного конца, что обеспечивает сохранение осевой равнопрочности переходника при уменьшении радиальных габаритов переходника, а именно, толщины стенки переходника в месте нахлестки, а также уменьшение термических напряжений в краевых точках нахлестки.

Выполнение сопряженных поверхностей переходника на всей длине нахлестки в виде ступенек в кольцевыми выступами и впадинами, входящими во взаимное зацепление, позволяет получить уплотнение лабиринтного типа, что обеспечивает сохранение плотности даже при низком качестве диффузионного сварного соединения.

Пример конкретного выполнения.

Был изготовлен переходник, предназначенный для соединения трубы из циркониевого сплава с внутренним диаметром 80 мм и толщиной стенки 4 мм с трубой из нержавеющей стали с внутренним диаметром 80 мм и толщиной стенки 4 мм. Внутренний диаметр переходника равен 80 мм, а толщины стенок его концов, свободных от нахлестки, равны толщинам стенок труб, т.е. 4 мм. Сопряженные поверхности втулок выполнены ступенчатым, с пятью ступеньками. Длина каждой ступеньки равна 24 мм, при этом максимальный диаметр крайней ступеньки втулки из циркониевого сплава без учета выступов и впадин (чистый металл) равен 89 мм, а минимальный диаметр крайней ступеньки (чистый металл) равен 80,8 мм. Кольцевые выступы и впадины выполнены конусной закругленной формы, при этом радиус закругления равен 0,2 мм, а шаг между выступами равен 1,5 мм. Высота выступов (глубина впадин) равна 1 мм. Диаметр переходника в области нахлестки равен 92 мм, а длина каждого его конца, свободного от нахлестки, равна 40 мм. Общая длина переходника равна 200 мм. Максимальная толщина втулки из циркониевого сплава (чистый металл) в месте нахлестки равна 4,5 мм при толщине стенки конца, свободного от нахлестки, 4 мм, а минимальная 0,4 мм, что составляет 10 процентов от толщины ее стенки, свободной от нахлестки. Максимальная толщина втулки из нержавеющей стали равна 4,6 мм (чистый металл), а минимальная 0,5 мм, что составляет 12,5 процентов от толщины ее стенки, свободной от нахлестки.

Используют переходник в качестве биметаллической вставки при сварке труб из нержавеющих сталей с трубами из циркониевых сплавов, что позволяет производить сварку труб из разнородных металлов традиционными, широко известными методами сварки, например аргоно-дуговой и электронно-дуговой сварками. Для этого переходник предварительно изготавливают в вакуумной установке для диффузионной сварки, а потом окончательно обрабатывают до необходимых размеров на токарном станке применительно к свариваемым трубам.

При работе переходника в условиях ядерного реактора при температурах горячей воды и пара от 200 до 350^oC при циклических нагревах и охлаждениях в местах соединения циркониевого сплава с нержавеющей сталью возникают высокие осевые термические напряжения из-за более чем трехкратной разницы в коэффициентах термического напряжения циркония и нержавеющей стали типа ОХ18Н10Т. Однако механическое соединение, выполненное в виде ступенчатого зацепления выступов и впадин, практически полностью принимает на себя эти напряжения и, в значительной степени, освобождает от них диффузионный сварной шов, выполненный в виде коррозионно-стойкой твердой диффузионной прослойки толщиной не более 5 мкм, благодаря чему, в целом, повышаются длительная коррозионная прочность переходника и его работоспособность и надежность.

Claims

1. Переходник для сварки труб из нержавеющих сталей с трубами из циркониевых сплавов, выполненный в виде нахлесточного диффузионного сварного соединения втулок из металлов, соответствующих металлам свариваемых труб, при этом охватывающая втулка выполнена из нержавеющей стали, а охватываемая из циркониевого сплава и сопряженные поверхности втулок на всей длине нахлестки имеют чередующиеся выступы и впадины, входящие друг в друга, отличающийся тем, что нахлесточное диффузионное сварное соединение выполнено с твердым переходным слоем толщиной не более 5 мкм.

2. Переходник по п.1, отличающийся тем, что втулки в области нахлестки выполнены с переменной толщиной стенок, причем толщина стенки одной из втулок уменьшается, а другой соответственно увеличивается.

3. Переходник по п.2, отличающийся тем, что минимальная толщина стенки каждой втулки на краю нахлестки составляет не более 25% толщины ее стенки, свободной от нахлестки.

4. Переходник по п.2 или 3, отличающийся тем, что сопряженные поверхности втулок на всей длине нахлестки выполнены ступенчатыми.

5. Переходник по п.2 или 3, отличающийся тем, что сопряженные поверхности втулок на всей длине нахлестки выполнены в виде по крайней мере двух цилиндрических ступенек, выполненных по одной с каждой стороны нахлестки, и усеченного конуса, плавно соединяющего ступеньки между собой.

6. Переходник по п.2, отличающийся тем, что максимальная толщина стенки каждой втулки на краю нахлестки составляет не менее толщины ее стенки, свободной от нахлестки.

7. Переходник по п.1, отличающийся тем, что выступы и впадины выполнены кольцевыми.