SE463790B

SE463790B - Metod foer framstaellning av kapslingsroer foer braenslestavar i kaernreaktorer

Info

Publication number: SE463790B
Application number: SE8903595A
Authority: SE
Inventors: T Andersson
Original assignee: Sandvik Ab
Priority date: 1989-10-27
Filing date: 1989-10-27
Publication date: 1991-01-21
Also published as: EP0425465A1; JPH03209191A; SE8903595A

Description

10 J. 'ÉI\ 7 Wﬁlﬂ 2 \_j[,a1 Den konventionella metoden för tillverkning av kapslingsrör av Zr-baslegeringar typ Zircaloy för bränslestavar i kärnreaktorer tillgår på följande sätt: Efter det att materialet nedsmâlts och gjutits i form av göt så sker smidning av materialet till stång, varefter materialet undergàr så kallad betasläckning vilket innebär uppvärmning till en temperatur i betafasomrádet och släckning i vatten till rumstemperatur. Därefter varmextruderas materialet vid en temperatur i alfafasomràdet, varefter kallbearbetning sker i en serie stegvalsverk med mellanglödgningar i alfafasomràdet mellan kallbearbetningarna. Den konventionella metoden för kapslingsrörsframställning resulterar i en önskvärd kombination av hâllfasthet/duktilitet samtidigt som resistensen mot nodulär korrosion blir otillräcklig när bränslestavarna utsätts för långa drifttider.

USA-patentet 3,865,635 hänför sig till en metod för framställning av kapslingsrör av Zr-baslegering typ "Zircaloy" för bränslestavar i kärnreaktorer. Vid framställning av rör enligt detta USA-patent 3,865,635 underkastas nedsmälta och gjutna göt en bearbetning i alfafasomràdet följt av betasläckning. Därefter sker en varmextrusion i alfa-området, varefter materialet kallbearbetas till slutdimension, varvid kallbearbetningen inkluderar flera reduktionssteg med mellanliggande rekristallisationsglödgningar. Förfarandet innebär en förbättring såtillvida att materialet upphettas till betafasomrádet före den sista kallbearbetningen, varefter materialet kyls till rumstemperatur.

I den i ASTM STP publicerade rapporten från 1982, sid. 75-95 beskrivs att den i USA-patentet 3,865,635 beskrivna metoden, förutom förbättrad kryphállfasthet, även medför en förbättrad resistens mot nodulär korrosion. Enligt denna metod erhålls emellertid rör med en ojämn struktur hos materialet med en blandning av grova och fina kristallkorn, 3 ¿;. \a ro ca vilket resulterar i försämrad duktilitet.

I USA-patentet 4,238,251 beskrivs en metod där materialet, efter varm- och kallbearbetning med mellanliggande vakuumglödgning till slutprodukt upphettas till en temperatur i (u + ß)- eller ß-området. I enlighet med denna metod erhålls ett material, vars mikrostruktur är extremt grov av typen Widmanstättenstruktur, och vars duktilitet är mycket låg. Dessutom är det svårt att kontrollera uppvärmnings- och svalningsstegen hos den slutliga produkten, och man får problem med restspänningar och med avlägsnandet av oxider som bildats i samband med värmebehandlingen av materialet.

Mot bakgrund härav är det ett starkt önskemål att kunna förbättra resistensen mot nodulär korrosion hos ett kapslingsrör av Zr-baslegering avsett för bränslestavar i kärnreaktorer utan att behöva offra några egenskaper ifråga om struktur, hàllfasthet och duktilitet hos därav framställda rör. Skillnader i korrosionsresistens mellan ett kapslingsrörs inner- och ytteryta kan ernås på flera sätt.

Exempelvis kan man förbättra korrosionsresistensen hos ytterytan genom plätering eller genom att tillverka ett samextruderat kompositrör. Sådan teknik är emellertid dyrbar och det är därför önskvärt att kunna tillverka ett rör av en Zr-baslegering med likformig kemisk sammansättning och med förbättrad resistens mot nodulär korrosion.

Sammanfattning av uppfinningen Enligt föreliggande uppfinning har det befunnits vara möjligt att kunna tillverka kapslingsrör för kärnbränse- stavar, som har minst lika bra resistens mot nodulär korrosion som tidigare kända kapslingsrör och att samtidigt bibehålla kombinationen god duktilitet och god hàllfasthet, som är typisk för konventionellt framställda kapslingsrör.

Uppfinninen avser ett förfarande för tillverkning av ett kapslingsrör av en Zr-baslegering för bränslestavar i en WC: 4 kärnreaktor, där legeringen extruderas och sedan underkastas flera kallvalsningar och glödgningar, såsom mellanglödgning, mellan två på varandra följande kallvalsningar och en betasläckning av en yttre del av rörväggen före det sista kallbearbetningssteget. Extrusionen kan utföras vid godtycklig temperatur inom alfafasomràdet.

Betasläckningen av den yttre rörväggen före det sista kallbearbetningssteget utföres genom upphettning av 5-50 %, företrädesvis 10-30 % av den yttre rörväggen till en temperatur i betafasomrâdet, lämpligen till en temperatur av 950-l250'C, företrädesvis 1000-l150°C med efterföljande snabbkylning till rumstemperatur. Den yttre delen av rörväggen upphettas genom att röret bringas att passera genom en induktionsslinga införd i en kammare med gasflöde för skydd av ytterytan mot oxidation. Vidare tillses att rörets inneryta undergår kylning, företrädesvis med en kylhastighet överstigande 100°C/min med strömmande vatten på insidan för att bibehålla temperaturen av den inre väggytan tillräckligt under 90°C så att inga metallurgiska förändringar sker vid rörväggens inneryta samt för att medge en tillräckligt hög kylhastighet efter rörets passage av induktionsslingan för att omvandla ß-fasen till en struktur av Q-korn med fin fördelning av intermetalliska partiklar i u-kornens korngränser för att därigenom förbättra resistensen mot nodulär korrosion.

Zr-baslegeringen underkastas företrädesvis den sista kallbearbetningen omedelbart efter betasläckning av en yttre del av rörväggen. Det är emellertid möjligt att låta materialet genomgå vakuumglödgning vid 400'-650' före den sista kallvalsningen. Efter det att den sista kallvalsningen genomförts underkastas produkten en slutglödgning vid en temperatur av 400'-650°, företrädesvis 550°-600°C. Zr- baslegeringen utföres företrädesvis av legeringar kända under varumärkena Zircaloy-2 och Zircaloy-4, vilka består av 1.2-1.7 % Sn, 0.07-0.24 % Fe, 0.05-0.15 % Cr, 0-0.08 % Ni, resten Zr och vanligt förekommande föroreningar, varvid \J \O CU ovannämnda halter avser vikts-%.

Zr-baslegeringen utsättes företrädesvis för ß-släckningen före extrusionssteget, dvs. materialet upphettas till en temperatur i ß-området och snabbkyls till en temperatur i u- området. Det är emellertid möjligt att använda Zr- baslegeringen utan att underkasta denna en ß-släckning före extrusionen. ß-släckningen före extrusionen utföres genom uppvärmning av legeringen till en temperatur i intervallet 950-1250°C företrädesvis 1000-1150°C, och genom att därefter snabbkyla materialet till rumstemperatur.

Ett göt av Zircaloy-2 har genomgått smidning till stång med dimensionen ca 150 mm. Stången har härefter underkastats ß- släckning genom uppvärmning till en temperatur av 1050°C under 15 min och efterföljande kylning i vatten, under omröring till rumstemperatur. Extruderande ämnen har härefter bearbetats maskinellt och beklätts med koppar på utsidan och insidan. Åmnena extruderades i Q-fasområdet vid en temperatur av 670-710°C. Efter kopparfodrets avlägsnande har det extruderade röret kallvalsats i ett stegvalsverk i 2 efterföljande stick till avsedd håldiameter före den sista kallvalsningen. Efter varje reduktionssteg har rörämnet genomgått vakuumglödgning vid ca 650°C, 1 timme. Det två gånger kallvalsade och vakuumglödgade röret har härefter förts genom en induktionsslinga under samtidig inverkan av en axialmatnings- och rotationsmekanism. Härvid har vatten strömmat genom rörets inre med en hastighet av ca 16 1/min.

Induktionsslingan har härvid varit verksam medelst ett kraftaggregat på 80 KW, 0.4 MHz. Rörets utsida har i induktionsslingan uppvärmts till en temperatur av ca 1060°C under ca 10 sek, vilket medfört att ca 20% av rörets ytteryta omvandlats till ß-fas. Efter att ha passerat genom slingan har röret på mindre än 5 sek kylts till 100°C medelst strömmande vatten på insidan av röret. Det sålunda partiellt ß-släckta rörämnet har härefter kallvalsats i stegvalsverk till slutlig kapslingsrörsdimension på ca 12.3 mm i ytterdiameter och med en väggtjocklek av ca 0.8 mm. Det 1/-9 ﬁﬂJü sålunda erhållna kapslingsröret har underkastats slutlig v-ynm 5 ;ïíU vakuumglödgning vid 565°C. Provrörsbitar av kapslingsrör som framställts enligt uppfinningen, har korrosionstestats i ånga vid en temperatur av 500°C under 24 timmar. Som jämförelse har rörämnen, tillverkade med konventionell metodik, även testats. Dessa tester har väl visat sig motsvara de förhållanden som råder i kokande vattenreaktorer under drift. De kapslingsrörsprover som framtagits i enlighet med uppfinningen visade en viktökning på utsidan av 60-70 mg/dm2, under det att viktökningen på de rörprover som framtagits med känd teknik uppvisade en viktökning på utsidan uppgående till 300-3000 mg/dmz. De rörprover, som framtagits enligt uppfinningen, undersöktes även med avseende på draghållfasthet vid 300'C tillsammans med de på konventionellt sätt tillverkade rörproverna. Nedanstående resultat visar att båda rörtyperna uppvisar ungefär samma hållfasthets- och duktilitetsnivåer.

Egenskap Rör enl. uppfinningen Rör enl. känd teknik Draghållfasthet, N/mm2 320 325 300 296 Förlängning, % 41 40 ~ 42 45 Med hänsyn till det faktum att innerytan och en inre del av rörväggen intill ett djup av minst 50 % av total väggtjocklek bibehållits vid låg temperatur i u-fasområdet under hela utövandet av uppfinningen har inga påtagliga förändringar av mikrostrukturer konstaterats i detta område.

Detta betyder att uppfinningen år tillämpbar även på rör bestående av skilda inre komponenter, t.ex. ren Zr eller en Zr-baslegering med små tillsatser av Sn upp till 0,5 vikts- %, som utgör en inre barriär som kan utstå varierande driftsförhållanden i en kärnreaktor. En sådan kapsling, vanligen kallad barriärkapsling eller liner-foder, är företrädesvis bundna till varandra genom samextrusion av två komponenter. 40

Claims

10 15 20 25 30 35 \a 09 f) Patentkrav

1. Metod för framställning av kapslingsrör av en Zr- baslegering innehållande i vikts-% 1.2 - 1.7 % Sn, 0.07 - 0.24 % Fe, 0.05 - 0.15 % Cr, 0 - 0.08 % Ni och resten väsentligen Zr och vanliga föroreningar, i syfte att åstadkomma förbättrad resistens mot nodulär korrosion under drift av kokande nukleära vattenreaktorer med eller utan barriärskikt av Zr och en Sn-tillsats av 0 - 0.5 vikts-%, som bundits till kapslingens insida, k ä n n e t e c k n a d av följande steg: (a) extrusion av ett ihâligt ämne av en Zr-baslegering i u- fasområdet för erhållande av ett rör (b) kallvalsning av röret genom kallvalsning i flera steg till önskad slutdimension samt glödgning av röret vid en temperatur i u-fasområdet efter varje kallvalsningssteg, (c) uppvärmning av den yttre delen av rörväggen till ß- fasomrádet under en tid som är tillräcklig för att materialet i den yttre delen av rörväggen skall omvandlas till B-fas under samtidig kylning av innerväggen till en temperatur, som är tillräckligt låg så att väsentligen inga metallurgiska förändringar sker vid den inre rörväggen varefter röret kyls tillräckligt snabbt för att omvandla ß-fasen i strukturen till m- korn med en fördelning av intermetalliska partiklar i Q-kornens korngränser i och för förbättring av resistensen mot nodulär korrosion, (d) kallvalsning av det sålunda partiellt ß-släckta röret till slutlig kapslingsrörsdimension, och (e) glödgning av det kallvalsade röret vid en temperatur av 400-650°C. 10 15 20 25 30 35 Å f 7 L-lg. E.) v 79% 8

2. Metod enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av, att den innefattar en begynnande ß-släckning av Zr-baslegeringen före extrusionen till extruderad produkt.

3. Metod enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av, att den yttre delen av rörväggen under ß-släckningen uppvärms till åtminstone 950°C.

4. Metod enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av, att den yttre delen av rörväggen under ß-släckningen uppvärms till åtminstone en temperatur av 950°C intill ett djup av 5- 50 % av den totala väggtjockleken.

5. Metod enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av, att den inre delen av rörväggen under B-släckningen kyls medelst kontinuerligt framströmmande kylmedium inuti röret medan den yttre delen av rörväggen uppvärms till ß-fasomràdet.

6. Metod enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av, att röret under ß-släckningen kyls efter uppvärmning med en kylhastighet överstigande 100°C/min medelst kylmedium, som bringas att framströmma igenom rörets inre.

7. Metod enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av, att uppvärmningen avpassas så att innerytan under ß-slâckningen inte överstiger 90°C.

8. Metod enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av, att den yttre ytan hos röret under ß-släckningen skyddas mot oxidation genom att en inert gas bringas att strömma på rörets utsida.

9. Metod enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av, att det partiellt B-släckta röret underkastas en glödgning vid 400 - 650°C före den sista kallvalsningen till slutlig rördimension. 10 15 9 Lišﬁašš

10. Metod enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av, att ß-släckningen av en yttre del av rörväggen, före den sista kallbearbetningen, utföres genom uppvärmning av ytterväggen till en temperatur av 950° - 1250°C.

11. Metod enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a d av, att den yttre delen av rörväggen under ß-släckningen uppvärms till en temperatur av 1000 - 1150°C.

12. Metod enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av, att den yttre delen av rörväggen under ß-släckningen uppvärms till åtminstone en temperatur av 950°C intill ett djup av 10-30 % av rörväggens yttre parti.

13. Metod enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av, att glödgningen av det kallvalsade röret utföres genom uppvärmning till en temperatur av 550°-600°C.