RU2223558C2

RU2223558C2 - Method for manufacturing fuel-assembly spacer grids

Info

Publication number: RU2223558C2
Application number: RU2002101533/06A
Authority: RU
Inventors: И.Г. Чапаев; Н.А. Бычихин; М.Г. Зарубин; В.И. Батуев; Е.В. Юдина; О.А. Никишов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Новосибирский завод химконцентратов"
Priority date: 2002-01-14
Filing date: 2002-01-14
Publication date: 2004-02-10

Abstract

FIELD: nuclear power engineering. SUBSTANCE: method for manufacturing spacer grids from stainless steel tubes includes thermal treatment or stabilizing annealing. The latter is given to original thin-walled tubes prior to vacuum cutting them into metered billets for subchannels of spacer grids at residual pressure and for time sufficient to raise corrosion resistance of stainless steel. Separate subchannels are formed from billets after cutting the tubes by cold deformation of about 80-90% with yield point and flexibility characteristics simultaneously rising at high plasticity maintained. After resistance spot welding of subchannels to each other and to rim spacer grids are not given thermal treatment. Tubes are annealed at T = 860-890 C for 40-45 minutes at residual pressure P = 0.002 mm Hg. At same pressure they are cooled down to T = 100-120 C followed by air cooling. EFFECT: enhanced quality of space grid manufacture. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к атомной энергетике и может найти применение на предприятиях, изготавливающих дистанционирующие решетки из нержавеющей стали для тепловыделяющих сборок ядерного реактора. The invention relates to nuclear energy and may find application in enterprises manufacturing stainless steel spacer grids for fuel assemblies of a nuclear reactor.

Известна дистанционирующая решетка (ДР) тепловыделяющей сборки (ТВС) водо-водяного энергетического реактора (ВВЭР), изготовленная из нержавеющей стали и собранная из отдельных фигурных ячеек, сваренных между собой в точках и скрепленных ободом, содержащая в каждой ячейке внутренние выступы, прочно, с натягом фиксирующие пропущенные сквозь ячейки тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) и предупреждающие радиальные перемещения их под воздействием потока теплоносителя (см. "Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических ядерных реакторов". Под ред. Ф.Г. Решетникова, кн.1М.: Энергоатомиздат, 1995 г., табл. 7.1 на с.189 и с.187). Known spacer grid (DR) of the fuel assembly (FA) of a water-to-water power reactor (WWER), made of stainless steel and assembled from separate curly cells welded together at points and fastened by a rim, containing internal protrusions in each cell, firmly, with tight fit fixing the fuel elements (TVELs) passed through the cells and preventing their radial displacements under the influence of the heat carrier flow (see "Development, production and operation of energy elements eticheskih nuclear reactors ". Ed. FG Reshetnikov kn.1M .: Energoatomisdat, 1995, Tab. 7.1 on p.189 and p.187).

Наиболее близким по техническим условиям и достигаемому эффекту является способ изготовления дистанционирующих решеток для тепловыделяющих сборок (см. заявку 96103549/25 от 22.02.96 г., опубликованную в 13 Бюллетеня изобретений за 1998 г. , МПК6 G 21 С 3/34, 3/344, 21/00. Способ изготовления дистанционирующих решеток для тепловыделяющих сборок) из нержавеющих сталей аустенитного класса, включающий механическую формовку отдельных ячеек, химическую обработку, сварку ячеек, химическую обработку, сварку ячеек в решетку и термическую обработку. The closest in technical specifications and the achieved effect is a method of manufacturing spacer grids for fuel assemblies (see application 96103549/25 of 02.22.96, published in 13 Bulletin of inventions for 1998, IPC 6 G 21 C 3/34, 3 / 344, 21/00. A method of manufacturing spacer grids for fuel assemblies) of austenitic stainless steels, including mechanical forming of individual cells, chemical treatment, welding of cells, chemical treatment, welding of cells into a grid and heat treatment.

По указанной заявке для стабилизации вписанного диаметра ячеек и шага их расположения термообработку дистанционирующих решеток осуществляют с установленными одним концом в ячейки, а другим концом в поддерживающие плиты вкладышами, при этом материал вкладышей выбирают с температурным коэффициентом линейного расширения большим, чем материала для ячеек. Это является следствием того, что материал ячеек не был подготовлен к формовке, т.е. не был достаточно пластичен при формовке, что не давало возможности соблюсти заданные геометрические размеры ячеек и соответственно требовало дополнительных мер в виде применения вкладышей и поддерживающих плит с соответствующими температурными коэффициентами линейного расширения. Способом-прототипом предусматривалась термическая обработка уже готовых дистанционирующих решеток, при которой в нержавеющей стали, из которой изготовлены дистанционирующие решетки, происходят диффузионные процессы, выравнивающие содержание хрома по сечению зерна и приводящие структуру нержавеющей стали в стабильное состояние, т.е. повышается сопротивление металла к межкристаллитной и общей коррозии (см. Материалы комиссии по атомной энергии США. Ядерные реакторы III. Материалы для ядерных реакторов. Перевод с английского. Издательство иностранной литературы, М., 1956 г., с 221). According to this application, in order to stabilize the inscribed diameter of the cells and the step of their location, the heat treatment of the spacer grids is carried out with one end installed in the cells and the other end in the support plates of the inserts, while the material of the inserts is selected with a temperature coefficient of linear expansion greater than the material for the cells. This is a consequence of the fact that the material of the cells was not prepared for molding, i.e. it was not sufficiently plastic during molding, which did not make it possible to comply with the given geometric cell sizes and, accordingly, required additional measures in the form of inserts and supporting plates with the corresponding temperature coefficients of linear expansion. The prototype method provided for the heat treatment of ready-made spacer grids, in which diffusion processes occur in the stainless steel from which the spacer grids are made, aligning the chromium content over the grain cross section and bringing the stainless steel structure to a stable state, i.e. metal resistance to intergranular and general corrosion increases (see Materials of the US Atomic Energy Commission. Nuclear Reactors III. Materials for Nuclear Reactors. Translation from English. Publishing House of Foreign Literature, M., 1956, p. 221).

При термообработке диффузионные процессы, выравнивающие концентрацию хрома в зерне, идут с большой скоростью, что исключает обеднение границ зерен хромом, происходит снятие напряжений, так называемое "умягчение" нержавеющей стали, которое характеризуется низким значением предела текучести, невысокой прочностью и очень высокой пластичностью. Согласно требованиям, каждая ячейка дистанционирующей решетки должна прочно с натягом фиксировать пропущенный через ее ТВЭЛ в тепловыделяющей сборке и быть достаточно упрочненной при высокой пластичности, а иначе эти требования могут быть нарушены уже при сборке ТВЭЛ в ТВС. Прослабленная сборка ТВЭЛ в ячейки дистанционирующих решеток или с зазором при работе ТВС в активной зоне ядерного реактора вызовет возникновение феттинг-коррозии в местах касания оболочек ТВЭЛов с металлом ячеек и разрушение ТВЭЛа (см. "Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических ядерных реакторов". Под ред. Ф.Г. Решетникова, кн.1. М.: Энергоатомиздат, 1995 г., табл. 7.1 на с. 189 и с.187). During heat treatment, diffusion processes that equalize the concentration of chromium in the grain proceed at high speed, which eliminates the depletion of grain boundaries by chromium, and stress relief occurs, the so-called “softening” of stainless steel, which is characterized by a low yield strength, low strength, and very high ductility. According to the requirements, each cell of the spacer grid must firmly fix with an interference fit the fuel elements passed through its fuel assembly in the fuel assembly and be sufficiently hardened with high ductility, otherwise these requirements may be violated even when assembling the fuel elements in the fuel assembly. Weakened assembly of fuel rods into the cells of the spacer grids or with a gap during operation of the fuel assemblies in the active zone of a nuclear reactor will cause fetting corrosion at the points of contact between the cladding of the fuel rods and the metal of the cells and the destruction of the fuel rod (see "Design, production and operation of fuel elements of nuclear power reactors". Edited by F.G. Reshetnikov, book 1. M .: Energoatomizdat, 1995, table 7.1 on p. 189 and p. 187).

Технической задачей изобретения является повышение качества изготовления дистанционирующих решеток, качества сборки тепловыделяющих сборок и надежности их работы в активной зоне ядерного реактора. An object of the invention is to improve the quality of manufacturing spacer grids, the quality of the assembly of fuel assemblies and the reliability of their work in the active zone of a nuclear reactor.

Эта техническая задача решается тем, что в способе изготовления дистанционирующих решеток для тепловыделяющих сборок из трубок нержавеющей стали аустенитного класса, включающем механическую формовку отдельных ячеек, химическую обработку, сварку ячеек в решетку и термическую обработку, согласно изобретению термической обработке - стабилизирующему отжигу подвергают исходные тонкостенные трубки перед резкой их на мерные заготовки для ячеек дистанционирующих решеток под вакуумом при остаточном давлении, температуре и времени, достаточном для повышения коррозионной стойкости нержавеющей стали, снятия внутренних напряжений, низкого значения предела текучести, невысокой прочности и высокой пластичности, формование отдельных ячеек из заготовок после резки трубки осуществляют холодной деформацией порядка 80-90% с одновременным возрастанием предела текучести, прочности упругих характеристик при сохранении высокой пластичности, а после контактно-точечной сварки ячеек друг к другу и к ободу термообработку дистанционирующих решеток не проводят. This technical problem is solved by the fact that in the method for manufacturing spacer grids for fuel assemblies from austenitic stainless steel tubes, including mechanical molding of individual cells, chemical treatment, welding of cells into a grid and heat treatment, according to the invention, the initial thin-walled tubes are subjected to heat treatment by stabilizing annealing before cutting them into dimensional blanks for spacer grid cells under vacuum at residual pressure, temperature and time, it is enough nom to increase the corrosion resistance of stainless steel, relieve internal stresses, low yield strength, low strength and high ductility, the formation of individual cells from blanks after cutting the pipe is carried out by cold deformation of about 80-90% with a simultaneous increase in yield strength, elastic strength while maintaining high plasticity, and after contact spot welding of the cells to each other and to the rim, the heat treatment of the spacer grids is not carried out.

Другим отличием является то, что отжиг трубок проводят при температуре 860-890^oС в течение 40-45 мин при остаточном давлении Р=0,002 мм рт.ст., затем проводят при указанном остаточном давлении охлаждение до 100-120^oС с дальнейшим охлаждением на воздухе.Another difference is that the annealing of the tubes is carried out at a temperature of 860-890 ^o C for 40-45 min at a residual pressure of P = 0.002 mm Hg, then cooling at a specified residual pressure to 100-120 ^o C with further cooling on air.

Предложенный способ позволяет на стадии перед резкой трубки на заготовки придать ей такие механические свойства, которые дают возможность при формовании ячеек не иметь отклонений геометрических размеров ячеек от заданных, повысить качество изготовления дистанционирующих решеток. The proposed method allows at the stage before cutting the tube on the workpiece to give it such mechanical properties that make it possible to form deviations of the cells to not have deviations of the geometric dimensions of the cells from the set, to improve the manufacturing quality of the spacer grids.

Термообработка трубок перед их резкой на заготовки и формованием с последующей холодной деформацией позволит придать ячейке такие свойства, которые заложены в требованиях фиксации в них ТВЭЛов с натягом, что дает возможность осуществлять качественную сборку ТВС. Heat treatment of the tubes before cutting them into billets and molding with subsequent cold deformation will allow the cell to give such properties that are laid down in the requirements for fixing tensioned fuel rods in them, which makes it possible to carry out high-quality assembly of fuel assemblies.

При холодной деформации - формовании ячеек - возникают напряжения, наклеп, приводящий к повышению прочностных и упругих свойств характеристик ячеек и в целом достигается поставленная техническая задача. During cold deformation - cell formation - stresses arise, hardening, which leads to an increase in the strength and elastic properties of the characteristics of the cells, and in general the technical task is achieved.

Точечная сварка - процесс, который проходит в доли секунды, не может повлиять на структурное состояние нержавеющей стали, т.к. для прохождения диффузионных процессов перераспределения состава твердого раствора необходим значительно больший период времени и при этом не происходит снижения коррозионной стойкости, требующего проведения стабилизирующего отжига. Проведение отжига ДР в этом случае является нежелательной операцией, снижающей механические свойства изделия. Spot welding - a process that takes place in a split second, cannot affect the structural state of stainless steel, because for diffusion processes to redistribute the composition of the solid solution, a significantly longer period of time is required, and at the same time there is no decrease in corrosion resistance, which requires stabilizing annealing. Conducting annealing of the DR in this case is an undesirable operation that reduces the mechanical properties of the product.

На фиг. 1 представлен способ изготовления дистанционирующих решеток для тепловыделяющих сборок. In FIG. 1 shows a method for manufacturing spacer grids for fuel assemblies.

На фиг. 2 представлен чертеж дистанционирующей решетки из нержавеющей стали к тепловыделяющей сборке модели 0401.01.02.030. In FIG. Figure 2 shows a drawing of a stainless steel spacer grid for a fuel assembly model 0401.01.02.030.

Способ изготовления дистанционирующих решеток для тепловыделяющих сборок включает следующие позиции:
1. Длинномерные трубки из нержавеющей стали.A method of manufacturing spacer grids for fuel assemblies includes the following items:
1. Long stainless steel tubes.

2. Мерные заготовки ячеек из нержавеющей стали. 2. Measured blanks of stainless steel cells.

3. Ячейки из нержавеющей стали. 3. Stainless steel cells.

4. Обод из нержавеющей стали. 4. Stainless steel rim.

5. Контактно-точечная сварка. 5. Contact spot welding.

Способ осуществляют следующим образом. The method is as follows.

Длинномерные трубки 1 из нержавеющей стали подвергают стабилизирующему отжигу при температуре 860-890^oС в течение 40-45 минут при остаточном давлении Р=0,002 мм рт.ст., затем производят охлаждение при указанном остаточном давлении до температуры 100-120^oС с дальнейшим охлаждением на воздухе.Long stainless steel tubes 1 are subjected to stabilizing annealing at a temperature of 860-890 ^o C for 40-45 minutes at a residual pressure of P = 0.002 mm Hg, then they are cooled at a specified residual pressure to a temperature of 100-120 ^o C with further air cooled.

Отжиг позволяет повысить коррозионную стойкость нержавеющей стали, произвести снятие напряжений, обеспечить низкое значение предела текучести, требуемую прочность и высокую пластичность. Трубку 1 подвергают резке на мерные заготовки 2, которые подвергают холодной деформации порядка 80-90% в ячейки 3 с одновременным увеличением предела текучести, прочности и упругих характеристик при сохранении высокой пластичности. Осуществляют химическую обработку и контактно-точечную сварку 5 ячеек 3 между собой и к ободу 4 из нержавеющей стали. Термообработку готовых дистанционирующих решеток не проводят. Параметры взяты оптимальными. Любое превышение или уменьшение их не решит поставленную техническую задачу. Annealing makes it possible to increase the corrosion resistance of stainless steel, relieve stresses, and provide a low yield stress, required strength, and high ductility. The tube 1 is subjected to cutting into dimensional blanks 2, which are subjected to cold deformation of the order of 80-90% in cells 3 with a simultaneous increase in yield strength, strength and elastic characteristics while maintaining high ductility. Carry out chemical processing and contact spot welding of 5 cells 3 between each other and to the rim 4 of stainless steel. Heat treatment of finished spacer grids is not carried out. The parameters are optimal. Any excess or reduction of them will not solve the technical problem.

Claims

1. A method of manufacturing spacer grids for fuel assemblies from austenitic stainless steel tubes, including the mechanical molding of individual cells, chemical treatment, welding the cells into a grid and heat treatment, characterized in that the initial thin-walled tubes are subjected to heat treatment-stabilizing annealing before being cut into dimensional blanks for spacer grid cells under vacuum at a residual pressure, temperature and time sufficient to increase corrosion resistance stainless steel, stress relief, low yield strength, low strength and high ductility, the formation of individual cells from blanks after cutting the pipe is carried out by cold deformation of about 80-90% with a simultaneous increase in yield strength, elastic strength while maintaining high ductility, and after contact-spot welding of the cells to each other and to the rim does not conduct heat treatment of the spacer grids.

2. The method according to claim 1, characterized in that the annealing of the tubes is carried out at a temperature of T = 860-890 ° C for 40-45 min at a residual pressure of P = 0.002 mm Hg, then cooling to a specified residual pressure T = 100-120 ° C with further cooling in air.