способ соединения трубчатых деталей из разнородных материалов, преимущественно направляющих каналов тепловыделяющих сборок ядерного реактора

Формула изобретения

Способ соединения трубчатых деталей из разнородных материалов, преимущественно направляющих каналов тепловыделяющих сборок ядерного реактора, заключающийся в том, что циркониевую трубу с проволочной навивкой устанавливают внутрь внешней трубы из нержавеющей стали и осуществляют ротационное обжатие по наружной поверхности внешней трубы, отличающийся тем, что проволоку предварительно навивают, затем устанавливают на поверхность циркониевой трубы с натягом, характеризующимся тем, что отношение внутреннего диаметра D_спс проволочной спирали из нержавеющей стали в свободном состоянии к внутреннему диаметру D_спн проволочной спирали из нержавеющей стали в навитом состоянии составляет от 0,73 до 0,84, причем диаметр d проволоки из нержавеющей стали выбирают от 0,47 до 0,53, где - толщина стенки циркониевой трубы.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к технологии сборки деталей и узлов, в частности при соединении трубчатых деталей из разнородных материалов, и может быть использовано в различных областях техники: в химическом, авиационном энергетическом машиностроении и пр., особенно в атомном машиностроении при соединении изделий, которые эксплуатируются в условиях повышенных температур и подвергаются воздействию агрессивных сред и нейтронного потока.

Уровень техники

В самых различных областях машиностроения и в быту используется множество способов соединения деталей, в частности, трубчатой формы, выполненных как из однородных материалов, так и из разнородных материалов. Соединения выполняют с помощью клея, сварки трением, электронно-лучевой сварки, диффузионной сварки, при помощи муфт, резьбовых элементов, посредством промежуточных элементов и пр.

Известен способ соединения труб, заключающийся во введении между трубами герметизирующего клеевого состава (SU 1679124, F 16 L 13/04, 1986). Использование клеевого состава упрощает технологию соединения трубчатых деталей и позволяет соединять элементы из разнородных материалов. Однако использовать такое соединение в условиях высоких температур, тем более при значительных механических нагрузках, невозможно в связи с разрушением клеевого состава.

Известен способ холодной сварки разнородных металлов, заключающийся в том, что детали из разнородных металлов помещают между пуансонами сварочного аппарата и сжимают значительным давлением (SU 1727293, В 23 К 20/00, 1989). При повышенных давлениях частицы металлов проникают друг в друга, обеспечивая соединение деталей. Способ не обеспечивает достаточную прочность соединения.

Известен способ сварки трением деталей из разнородных материалов с применением промежуточной вставки из материала, более мягкого, чем свариваемые материалы (SU 1764901, В 23 К 20/12, 1989). Данный способ имеет высокую трудоемкость и не обеспечивает необходимую прочность при эксплуатации соединения в условиях высоких температур.

Способ диффузионной сварки нержавеющих сталей с несвариваемыми составами предполагает установку между соединяемыми поверхностями промежуточной трехслойной переходной прокладки, внешние слои которой свариваются с соединяемыми деталями (SU 1593849, В 23 К 20/16, 1988). Способ позволяет получить качественное соединение при работе в условиях высоких температур и нагрузок.

Наиболее близким по технической сущности к описываемому изобретению является способ соединения трубчатых деталей из разнородных материалов, преимущественно направляющих каналов тепловыделяющих сборок ядерного реактора, заключающийся в том, что на наружную поверхность циркониевой трубы навивают по спирали проволоку из нержавеющей стали, устанавливают циркониевую трубу с проволочной навивкой внутрь внешней трубы из нержавеющей стали и осуществляют ротационное обжатие по наружной поверхности внешней трубы (RU 2127178, В 23 К 20/16, 1999). В известном способе после навивки проволоки из нержавеющей стали на поверхность циркониевой трубы осуществляют фиксацию проволочной спирали путем сварки ее концов с наружной поверхностью циркониевой трубы. Однако фиксация спирали посредством сварки может привести к негативному воздействию в процессе соединения труб при ротационном обжатии и при эксплуатации в условиях высоких нагрузок, особенно в условиях радиационного облучения по следующим причинам. Во-первых, несмотря на приварку концов проволоки к наружной поверхности циркониевой трубы, витки проволоки могут перемещаться вдоль оси циркониевой трубы под действием сил, воздействующих на проволоку в процессе ротационного обжатия. В результате витки проволоки будут внедрены в материалы труб с неравномерным шагом, что снижает прочность соединения. Во-вторых, неравномерный шаг витков проволоки приведет к тому, что при внедрении проволоки в материалы труб будет иметь место неоднородная деформация в различных поперечных сечениях проволоки, что также снизит надежность и прочность соединения. В-третьих, при сварке концов проволоки с наружной поверхностью циркониевой трубы в зоне сварки образуется эвтектика с низкими механическими и коррозионными свойствами, что недопустимо. Кроме того, негативные вышеотмеченные факторы будут усилены в условиях радиационного облучения, а сварка концов проволоки с поверхностью циркониевой трубы увеличивает трудоемкость технологического процесса в целом.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является разработка и создание способа соединения трубчатых деталей из разнородных материалов, упрощающего технологию изготовления и обеспечивающего повышение прочности соединения в условиях высоких температур и силовых нагрузок, особенно в агрессивных средах, под действием давлений и радиационного облучения.

В результате решения данной задачи могут быть получены новые технические результаты, заключающиеся в повышении степени фиксации проволоки на циркониевой трубе, уменьшении неравномерности внедрения проволоки в материалы трубчатых деталей и в исключении образования в соединении зон с низкими механическими и коррозионными свойствами, а также в повышении надежности соединения трубчатых деталей в условиях радиационного облучения.

Данные технические результаты достигаются тем, что в способе соединения трубчатых деталей из разнородных материалов, преимущественно направляющих каналов тепловыделяющих сборок ядерного реактора, заключающемся в том, что циркониевую трубу с проволочной навивкой устанавливают внутрь внешней трубы из нержавеющей стали и осуществляют ротационное обжатие по наружной поверхности внешней трубы, проволоку предварительно навивают, затем устанавливают на поверхность циркониевой трубы с натягом, характеризующимся тем, что отношение внутреннего диаметра D_спс проволочной спирали из нержавеющей стали в свободном состоянии к внутреннему диаметру D_спс проволочной спирали из нержавеющей стали в навитом состоянии составляет от 0,73 до 0,84, причем диаметр d проволоки из нержавеющей стали выбирают от 0,47 до 0,53, где - толщина стенки циркониевой трубы.

Отличительная особенность настоящего изобретения состоит в следующем. Осуществление установки проволоки на наружную поверхность с натягом позволяет, с одной стороны, повысить надежность фиксации всех витков проволоки на циркониевой трубе и исключить смещение витков проволоки в процессе ротационного обжатия. С другой стороны, установка проволоки на циркониевую трубу с натягом исключает необходимость проведения операции приварки концов проволоки к наружной поверхности циркониевой трубы, что исключает образование на циркониевой трубе зон с низкими механическими и коррозионными свойствами. Усилие натяга выбрано экспериментально. Величина натяга характеризуется отношением внутреннего диаметра D_спс проволочной спирали в свободном состоянии к внутреннему диаметру D_спс проволочной спирали в навитом состоянии и составляет от 0,73 до 0,84. Очевидно, что при установке проволоки с натягом на циркониевую трубу после снятия проволочной спирали с трубы ее диаметр уменьшится за счет упругих свойств материала проволоки. Если внутренний диаметр D_спс проволочной спирали в свободном состоянии после установки с натягом и снятии с циркониевой трубы больше 0,84D_спс, то величина натяга мала для надежной фиксации спирали. Если внутренний диаметр D_спс проволочной спирали в свободном состоянии после установки с натягом и снятии с циркониевой трубы будет меньше 0,73D_спс, то возможна существенная пластическая деформация проволоки, а также формоизменение циркониевой трубы при установке проволоки на циркониевую трубу с натягом. Естественно, что внутренний диаметр D_спс проволочной спирали в навитом состоянии равен наружному диаметру D_цт циркониевой трубы. При фиксации проволоки за счет натяга существенным является не только величина натяга, но и диаметр d проволоки в зависимости от толщины стенки циркониевой трубы. Если диаметр проволоки меньше, чем 0,47, проволока в меньшей степени внедряется в циркониевую трубу при ротационном обжатии и не создает требуемой прочности соединения. Если диаметр проволоки больше 0,53, то возможно формоизменение циркониевой трубы в процессе ротационного обжатия, поскольку навивка проволоки на трубу осуществляется с натягом, при котором циркониевая труба подвергается механическому нагружению.

На фиг. 1 показан общий вид соединения, получаемого при реализации описываемого способа.

На фиг. 2 изображена часть проволочной спирали, установленной с натягом на поверхность циркониевой трубы.

На фиг.3 изображена проволочная спираль в свободном состоянии.

На фиг.4 приведена картина внедрения в металл трубчатых деталей.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Соединение состоит из внешней трубы 1, выполненной из нержавеющей стали, в которую установлена циркониевая труба 2. На наружной поверхности циркониевой трубы установлена по спирали проволока 3 из нержавеющей стали. Проволоку из нержавеющей стали устанавливают на поверхность циркониевой трубы с натягом. Величину натяга определяют несложными экспериментами исходя из получаемых отношений внутреннего диаметра D_спс проволочной спирали из нержавеющей стали в свободном состоянии к внутреннему диаметру D_спн проволочной спирали из нержавеющей стали в навитом состоянии в зависимости от усилия натяга. Усилие натяга выбирают таким образом, чтобы указанное отношение составляло от 0,73 до 0,84. При изготовлении трубчатых деталей из нержавеющей стали и цирконийсодержащих материалов путем установки проволоки с натягом необходимо использовать проволоку с диаметром d, величина которого зависит от толщины стенки циркониевой трубы. Диаметр d проволоки из нержавеющей стали выбирают от 0,47 до 0,53. Предварительно навитую проволоку 3 устанавливают на поверхность циркониевой трубы с натягом на стандартном оборудовании.

Способ осуществляют следующим образом. Предварительно навитую проволоку 3 устанавливают на наружную поверхность циркониевой трубы 2 с натягом, количество витков которой, а следовательно, шаг навивки выбирают путем проведения несложных экспериментов в зависимости от требуемой прочности соединения. Затем циркониевую трубу 2 с установленной на ней проволокой 3 вставляют в трубу 1 из нержавеющей стали и производят окончательную операцию - ротационное обжатие на любом известном оборудовании. В результате происходит деформация проволоки 3 и ее внедрение в стенку трубы 1 из нержавеющей стали и стенку циркониевой трубы 2 (фиг.4).

Надежность фиксации внутренней циркониевой трубы 2 в трубе 1 из нержавеющей стали с промежуточным элементом - проволокой 3, установленной по спирали, подтверждена при нагреве соединения до температуры 350^oС с механическим нагружением до требуемой величины.

Таким образом, использование описываемого способа позволяет за счет простой технологии с использованием стандартного известного оборудования получить надежное соединение трубчатых деталей при обеспечении прочности, надежности и герметичности. Особенно способ рекомендуется использовать при изготовлении направляющих каналов для тепловыделяющих сборок ядерных реакторов, поскольку соединение надежно функционирует в условиях радиационного облучения.