專利名稱:實驗包層模塊氦冷卻管道出口的過渡型接頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于國際熱核聚變實驗堆(ITER)實驗包層模塊(TBM)技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種實驗包層模塊氦冷卻管道出口的過渡型接頭。
背景技術(shù)：
國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃是規(guī)劃建設(shè)中的一個為了驗證全尺寸可控核聚變技術(shù)的可行性而設(shè)計的國際實驗裝置。實驗包層模塊(TBM)是ITER國際合作組織各成員國自行發(fā)展、在ITER上開展物理和工程實驗的部件，用來模擬和測試與未來聚變堆包層相關(guān)的技術(shù)。根據(jù)ITER相關(guān)文件要求，ITER-TBM計劃目的在于檢驗和驗證未來聚變示范堆的氚增殖技術(shù)和能量提取技術(shù)。而ITER-TBM計劃所要測試的是一套由產(chǎn)氚實驗包層模 塊本體、氦冷卻系統(tǒng)(HCS)及相關(guān)冷卻劑純化系統(tǒng)、氚提取系統(tǒng)(TES)及相關(guān)氚測量系統(tǒng)、屏蔽塊、遠程控制系統(tǒng)等幾部分組成的實驗包層模塊系統(tǒng)，其中氦冷卻系統(tǒng)和氚提取系統(tǒng)與實驗包層模塊本體有直接的管道連接。在ITER裝置中，實驗包層模塊系統(tǒng)將面對高能量高通量中子和高熱負荷的條件，在此極端工況下如何能保證管道的安全連接、連接效果不受環(huán)境影響并且不影響ITER裝置正常運行，具有非常重大的挑戰(zhàn)性。
根據(jù)目前的實驗包層模塊系統(tǒng)設(shè)計，通常實驗包層模塊是通過其后板的兩個氦冷管道口與氦冷系統(tǒng)連接的。其中氦冷管道入口的工作溫度為300°C，氦冷管道出口的工作溫度為500°C。實驗包層模塊本體因為要盡可能地接近聚變示范堆DEMO中的運行條件，其選用的結(jié)構(gòu)材料必須滿足低活性，低的中子輻照腫脹率和高溫下的組織穩(wěn)定性，ITER所有七個成員國的實驗包層模塊大部分都選用低活性鐵素體/馬氏體鋼RAFM作為實驗包層模塊本體的結(jié)構(gòu)材料。但氦冷系統(tǒng)的管道部件主要選用奧氏體不銹鋼316L(N)作為結(jié)構(gòu)材料。低活性鐵素體/馬氏體鋼和奧氏體不銹鋼的熱膨脹系數(shù)相差較大，因此在實驗包層模塊的氦冷管道口處會產(chǎn)生較大熱應力。對于氦冷管道入口在300 V的工作溫度下，其由于異材連接產(chǎn)生的熱應力在材料可以承受的范圍內(nèi)；而在氦冷管道出口 500°C的工作溫度下，其由于異材連接產(chǎn)生的熱應力則超出了材料可以承受的范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種實驗包層模塊氦冷卻管道出口的過渡型接頭，該過渡型接頭能夠緩解實驗包層模塊氦冷管道出口處和氦冷系統(tǒng)的管道材料的熱膨脹系數(shù)差，降低由此產(chǎn)生的熱應力。
實現(xiàn)本實用新型目的的技術(shù)方案一種實驗包層模塊氦冷管道出口的過渡型接頭，它依次由低活性鐵素體/馬氏體鋼管、鎳合金管、鎳合金與奧氏體不銹鋼的復合材料管、奧氏體不銹鋼管組成。
所述的鎳合金管的軸向厚度為2mm。
所述的鎳合金與奧氏體不銹鋼的復合材料管的軸向厚度為2mm。
本實用新型的顯著效果在于鎳合金的熱膨脹系數(shù)和碳含量介于低活性馬氏體鋼RAFM鋼與純奧氏體不銹鋼316LN之間，通過鎳合金及鎳合金/純奧氏體不銹鋼316LN鋼過渡層解決了低活性馬氏體鋼RAFM與純奧氏體不銹鋼316LN由于碳含量差異大而帶來焊縫兩側(cè)局部脫碳和局部富碳影響連接處力學性能的問題，以及低活性馬氏體鋼RAFM與純奧氏體不銹鋼316LN的熱膨脹系數(shù)不匹配帶來的熱應力問題。通過在TBM模塊氦冷管道出口處預制本實用新型設(shè)計的接頭，就可以在ITER現(xiàn)場進行TBM系統(tǒng)集成時，回避低活性馬氏體鋼RAFM與純奧氏體不銹鋼316LN焊接所面臨的一系列復雜處理工藝，僅需對接頭處的純奧氏體不銹鋼316LN端與氦冷系統(tǒng)的純奧氏體不銹鋼316L(N)管道采用氬弧焊等簡單焊接工藝即可完成相關(guān)連接。該過渡型接頭可使實驗包層模塊氦冷卻管道出口處由于異材管道連接引起的最大應力下降40%以上。


圖I為本實用新型所提供的一種氦冷卻管道出口的過渡型接頭與實驗包層模塊后板的連接示意圖；
圖2為本實用新型所提供的一種實驗包層模塊氦冷管道出口過渡型接頭的示意圖。
圖中1.后板；2.低活性鐵素體/馬氏體鋼管；3.鎳合金管；4.鎳合金與純奧氏體不銹鋼316LN的復合材料管；5.純奧氏體不銹鋼316LN管。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖及具體實施例對本實用新型作進一步詳細說明。
如圖I所示，低活性鐵素體/馬氏體鋼管2也就是氦冷卻管道接口，實驗包層模塊的后板I上設(shè)有3個氦冷卻管道接口，其中，一個氦冷卻管道接口與旁路系統(tǒng)相連，一個氦冷卻管道接口為氦冷卻管道出口，一個氦冷卻管道接口為氦冷卻管道進口。3個氦冷卻管道接口的內(nèi)徑都為85. 8mm，外徑都為101. 6mm。工作時，8MPa/300°C、I. 3kg/s的氦氣作為冷卻齊U，由氦冷卻系統(tǒng)經(jīng)后板I的氦冷卻管道進口流入實驗包層模塊，后板I的氦冷卻管道進口處的工作溫度為300°C，冷卻劑流經(jīng)實驗包層模塊內(nèi)部帶走熱量，最后經(jīng)由后板I上氦冷卻管道出口流出進入氦冷系統(tǒng)，此處工作溫度為500°C。
如圖I和圖2所示，本實用新型所提供的一種氦冷卻管道出口的過渡型接頭為一段沿軸向方向依次由低活性鐵素體/馬氏體鋼管2、鎳合金管3、鎳合金與奧氏體不銹鋼的復合材料管4、奧氏體不銹鋼管5依次焊接組成的管道。
所述的低活性鐵素體/馬氏體鋼管2的材料是由Fe、Cr、V、Mn、W和Ta元素組成的低活性鐵素體/馬氏體鋼，各元素成分質(zhì)量百分比為Fe占86%以上，Cr在7. 5-9.5%之間，V 在 O. 1-0. 3%之間，W 在 I. 0-2. 0%之間，Mn 在 O. 1-0. 6%之間，Ta 在 O. 01-0. 3%之間，低活性鐵素體/馬氏體鋼的國內(nèi)可選型號有CLF-I和CLAM，國外可選型號有Eurofer和F82H。
鎳合金管3的材料可以選用型號為Inconel718(國標GH4169)或Nimonic80A的
鎳合金。
鎳合金與奧氏體不銹鋼的復合材料管4的材料可以選用具有以下兩種構(gòu)造特征之一的復合材料(I)均勻型，即鎳合金和奧氏體不銹鋼按照某個固定的物質(zhì)量比均勻混合而成，其中奧氏體不銹鋼的質(zhì)量含量在20-80%之間；(2)梯度型，即由純鎳合金沿管口軸向方向逐步過渡到純奧氏體不銹鋼。鎳合金與奧氏體不銹鋼的復合材料管4中的奧氏體不銹鋼選用型號為SS 316L(N)-IG的奧氏體不銹鋼。鎳合金與奧氏體不銹鋼的復合材料管4優(yōu)選Inconel718與316LN的復合材料，該復合材料是由摩爾比為I : I的Inconel718與SS316LN-IG均勻混合而成。
奧氏體不銹鋼管5材料選用型號為SS 316L(N)_IG的奧氏體不銹鋼。
氦冷卻管道出口的 過渡型接頭的管道內(nèi)徑為85. 8mm,外徑為101. 6mm。鎳合金管3的軸向厚度在2_以上，優(yōu)選2_。鎳合金與奧氏體不銹鋼的復合材料管4的軸向厚度在I. 5臟以上，優(yōu)選2臟。
上面結(jié)合具體實施例對本實用新型作了詳細說明，但是本實用新型并不限于上述實施例，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本實用新型宗旨的前提下作出各種變化。本實用新型中未作詳細描述的內(nèi)容均可以采用現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種實驗包層模塊氦冷管道出口的過渡型接頭，其特征在于它依次由低活性鐵素體/馬氏體鋼管(2)、鎳合金管(3)、鎳合金與奧氏體不銹鋼的復合材料管(4)、奧氏體不銹鋼管(5)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的一種實驗包層模塊氦冷管道出口的過渡型接頭，其特征在于所述的鎳合金管⑶的軸向厚度為2mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求
I或2所述的一種實驗包層模塊氦冷管道出口的過渡型接頭，其特征在于所述的鎳合金與奧氏體不銹鋼的復合材料管(4)的軸向厚度為2mm。
專利摘要
本實用新型屬于國際熱核聚變實驗堆(ITER)實驗包層模塊(TBM)技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種實驗包層模塊氦冷卻管道出口的過渡型接頭，它依次由低活性鐵素體/馬氏體鋼管、鎳合金管、鎳合金與奧氏體不銹鋼的復合材料管、奧氏體不銹鋼管組成。本實用新型的過渡型接頭能夠緩解實驗包層模塊氦冷管道出口處和氦冷系統(tǒng)的管道材料的熱膨脹系數(shù)差，降低由此產(chǎn)生的熱應力；該過渡型接頭可使實驗包層模塊氦冷卻管道出口處由于異材管道連接引起的最大應力下降40％以上。
文檔編號G21B1/11GKCN202371342SQ201120511470
公開日2012年8月8日 申請日期2011年12月9日
發(fā)明者羅天勇, 鐘原 申請人:核工業(yè)西南物理研究院導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan