專利名稱:對燃料管管塞的改進的制作方法
本發(fā)明涉及核反應(yīng)堆燃料管的管塞，在制做核反應(yīng)堆活性區(qū)(堆芯)燃料裝置所用的燃料管時，要用管塞焊在管端將其封閉。本發(fā)明的管塞有利于防止在燃料管塞進到圓周焊接時，尤其是在使用激光焊接工藝進行焊接的時候，所出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)上的缺陷和通常存在的不良特性。但是，在用鎢極保護氣體焊(TIG)方法焊接的情況下，本發(fā)明也可以用于燃料管管塞組合體的制做中。
眾所周知，在核發(fā)電工藝中，一個典型的核反應(yīng)堆設(shè)施或核發(fā)電廠的核反應(yīng)堆活性區(qū)(堆芯)，最少要包括一百個或者更多的燃料裝置，而每一個燃料裝置又可能由幾百個燃料管組成。一個普通的燃料裝置，可能包含一個17×17燃料管，這里有17排燃料管的位置，每一排又有17個燃料管的位置。所以，每一個燃料裝置將有264根燃料管，其余位置用來安裝控制用的套管和檢測用管。這樣，如果反應(yīng)堆活性區(qū)(堆芯)具有至少一百個燃料裝置，那么這個活性區(qū)就將包含25.000根以上的燃料管。
核反應(yīng)堆燃料管通常都是用薄壁管或者復合管制做，管內(nèi)裝以裂變物質(zhì)，并且在反應(yīng)堆運轉(zhuǎn)的時候，整個裝置是封閉起來的。復合管用來避免核燃料與周圍介質(zhì)，如壓水型反應(yīng)堆(PWR)中的冷卻水相接觸而產(chǎn)生化學反應(yīng)。
同時，復合管當然也還用來限制放射性的裂變物質(zhì)。為了達到上述的生產(chǎn)目的，復合管就必須是耐腐蝕的、不起反應(yīng)的和導熱的。通常用來制造燃料管包層的材料，有304不銹鋼、鋯基合金，如鋯錫合金2(Zircaloy-2)或鋯錫合金4(Zircaloy-4)。實際上，鋯基合金比不銹鋼要好，因為鋯合金對于熱中子的俘獲截面比較小。
根據(jù)一般燃料管的實際制做工藝，通常呈圓柱形小塊的核燃料或U-235濃縮的二氧化鈾(UO2)被裝入燃料管或復合管中，接著用管塞將管的兩端封閉使核燃料密閉封在燃料管內(nèi)，此時管塞是靠摩擦力與燃料管或復合管臨時裝配在一起的。接著，管塞用焊接方法將其焊到燃料管上進行永久性密閉。焊接時，可以使用一個自動焊接裝置，該裝置使燃料管相對于一個電極轉(zhuǎn)動，以便沿燃料管和管塞之交界面進行圓周焊接，將燃料管和管塞焊接起來以后，燃料管的裝配工作就算完成了。
到目前為止，在本專利申請的發(fā)明以前，上述的成千根燃料管-管塞的圓周焊接實事上全部是用一般鎢極保護氣體焊(TIG)的方法進行。當然，鎢極保護氣體焊(TIG)方法已有很多年，并且在很多不同領(lǐng)域和環(huán)境中用來進行焊接操作。這種焊接方法實事上是十分可靠的，并且故障很少。不過，隨著激光焊接技術(shù)的出現(xiàn)，由于其生產(chǎn)周期比較短，人們已經(jīng)認識到鎢極保護氣體焊(TIG)方法沒有激光焊接那樣快。所以，為了使焊接工作更加經(jīng)濟和有效，便希望在可能的情況下。采用激光焊接工藝，代替鎢極保護氣體焊接方法。進一步聯(lián)系到核反應(yīng)堆燃料管的特殊加工過程，尤其是考慮到核反應(yīng)堆活性區(qū)所包含的燃料管根數(shù)多，需要焊接的部位多，如果采用激光焊接工藝的話，就會取得相當大的經(jīng)濟效益。遺憾的是，在本專利申請的發(fā)明之前，用激光焊接方法代替通常使用的鎢極保護氣體焊接方法進行燃料管-管塞圓周焊接中，存在著嚴重的結(jié)構(gòu)上的缺陷。
照此，本發(fā)明在于一種設(shè)計成能焊接在管子端頭里的管塞，該管塞有一個用以裝入管子的，軸向伸出的圓柱結(jié)合面部分，以及一個徑向伸出的圓環(huán)臺肩部分，該臺肩以端面接觸的形式與管子的一端結(jié)合，其特征是在上述圓柱面和臺肩的交界處，靠近管塞和管端焊接的位置上做出一個圓周切槽，該切槽具有一定深度，延伸到圓柱面部分的表面以下。
本發(fā)明還包括一根管子，該管子端部裝有一個如上文最后一段所描述的管塞，這個管塞用激光束或鎢極保護氣體焊接聯(lián)接到管端上。
在本發(fā)明的管塞上，在上述的慣用內(nèi)拐角結(jié)構(gòu)處做出一個切口或溝槽以有效地代替該內(nèi)拐角。該切口或溝槽環(huán)繞管塞的整個圓周并限定在管塞的大直徑部分和小直徑部分之間。由于圓周切口或溝槽是部分地由圓環(huán)臺肩或法蘭部分限定，該圓環(huán)臺肩或法蘭部分與慣用的管塞相似，本發(fā)明管塞的圓環(huán)臺肩的徑向向內(nèi)深度要大于慣用的燃料棒管塞上的這個深度。換言之，該溝槽有一個延伸到圓柱面的部分以下的深度，后者并不象慣用的內(nèi)拐角結(jié)構(gòu)那樣與圓環(huán)臺肩垂直相交而形成一個90°的夾角。所希望的是，切口部分地做成一個圓錐面，該圓錐面從臺肩部分向外向前伸到圓柱面部分，夾角β大約是45°。這個徑向向內(nèi)設(shè)置的圓環(huán)切口或溝槽是限定在管塞的側(cè)壁之內(nèi)，位于其小直徑部分和大直徑部分的軸向交界處，設(shè)置這樣一個結(jié)構(gòu)是用來消除由管塞和燒料棒包層或管子所限定的環(huán)狀焊縫內(nèi)部的缺陷或毛病，例如在用激光束焊接情況下的氣孔或球化微氣孔。
很明顯，按照本發(fā)明在焊接區(qū)加工一個環(huán)狀的切槽來代替慣用的加工精度非常嚴格的尖角結(jié)構(gòu)，有利于使任何包圍的氣體或氣泡跑出去。此外，本發(fā)明的管塞還可以放寬在采用鎢極保護氣體焊接方法時，對加工公差的嚴格要求。在核反應(yīng)堆燃料管的制做中，尤其是在使用激光束焊接工藝的時候，可以得到有驚人效果的焊接操作，盡管鎢極保護氣體焊接方法也是可以用的。
為了使本發(fā)明講得更清楚，下面用實例并借助一些附圖將其具體說明一下，圖中表明了相應(yīng)的部件，附圖包括圖1是一般核反應(yīng)堆燃料管管塞的斷面。
圖2是一張放大10倍的照片，表明核反應(yīng)堆燃料管管塞和復合管配合的圓周焊縫的橫斷面，這里用的是圖1所示的一般的管塞，焊接來用了激光束焊接方法。從圖中的照片中可以十分清楚地看到氣孔缺陷。
圖3是一張放大50倍的照片，表明圖2所示焊縫的斷面，這里的氣孔缺陷可以比圖2看得更清楚。
圖4與圖1相似，是本發(fā)明的核反應(yīng)堆燃料管管塞的斷面圖。
圖5是核反應(yīng)堆燃料管管塞-復合管的焊縫的垂直斷面，放大3倍。這里用的是圖4中的管塞。
圖6A和圖6B是放大50倍的照片，分別表示圖5中，燃料管管塞和復合管圓周焊接的左側(cè)焊縫及右側(cè)焊縫的斷面。
圖7是與圖2相似斷面的一半，放大10倍，表明圖5中核反應(yīng)堆燃料管管塞-復合管圓周焊縫的斷面。
圖8所示是燃料管的立面圖，有一部分是斷面圖，表明圖4中的管塞在復合管中的裝配情況。
參照圖1，所示是一個通常用來密封燃料管或復合管管端的長條管塞10，這種燃料管用于17×17活性區(qū)(堆芯)燃料裝置中。管塞10的形狀大體上是一個正圓柱體，包括直徑較大的一段12和直徑稍小的一段14。小直徑的一段14上有一個帶錐度的前端16，錐角2可以是10°左右，管塞10前端的錐角是為了便于將管塞10插到燃料管或復合管中去，燃料管在圖中未表示出。管塞10的小直徑段14向后延伸的一段18呈圓柱形，當管塞10插入燃料管中時，可借摩擦與燃料管的內(nèi)表面相配合，圖上未表示出。由于管塞的兩段12和14具有不同的直徑，因此在其中間就得有一個圓形凸緣或者臺肩20，同時，在管塞10上還得有一個孔22，以便高壓的惰性氣體通入燃料管或者復合管中，這樣就形成一個帶管塞的燃料管。有一個直徑較大的同心孔24，以便在惰性氣體入口，即孔22與燃料管內(nèi)徑之間進行流體的交換，大家知道，在高壓惰性氣體通入燃料管中之后，開孔22就要用一種適當焊接方法加以封閉。
在制做燃料管管塞10時，必須進行嚴格的質(zhì)量控制，對凸緣或者臺肩20以及接觸面18的加工公差，尤其要嚴格要求，使這兩個互相垂直平面的交角是尖銳的方角。同樣，燃料管或復合管與管塞相對應(yīng)表面和拐角相配合的端面也必須精確加工，以避免在這些接觸面之間產(chǎn)生超過允許公差的間隙。這樣的加工公差實質(zhì)上已被證明是十分苛刻的，這是因為如果達不到這種的公差要求，在用鎢極保護氣體焊(TIG)方法焊接的時候就會產(chǎn)生各種內(nèi)部缺陷。比如，在焊縫的熔池中會出現(xiàn)氣孔。而氣孔會造成結(jié)構(gòu)完整性和強度上的問題，同樣，如產(chǎn)生內(nèi)表面咬邊缺陷，此時會使燃料管或復合管在焊縫附近的厚度減少，這種缺陷有可能擴大，它同樣會引起結(jié)構(gòu)完整性和強度上的問題，需要特別注意的是密封的燃料管內(nèi)部有壓力，所以在燃料管管體和焊縫中存在結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)是特別要避免的。由于堅持嚴格的質(zhì)量控制標準，實事上，在使用鎢極保護氣體焊(TIG)方法來制做一般性燃料管的時候，上述結(jié)構(gòu)上的缺陷已經(jīng)減少了。
在研究把激光焊接工藝和技術(shù)用到前面所講的那種燃料管管塞結(jié)構(gòu)中去的時候，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在焊接區(qū)金屬中內(nèi)表面咬邊缺陷并沒有顯陷，但氣孔缺陷實事上已比用鎢極保護氣體焊(TIG)方法焊接時增加了。在圖2和圖3中能夠看到這種氣孔缺陷，照片上暴露出一些球狀氣孔。換句話說是一串氣孔缺陷，照片是從激光焊縫中間平面上攝取，并分別放大10倍和50倍，這些缺陷出現(xiàn)在當用激光焊接工藝焊接一般燃料管管塞(如圖1所示)的情況下，該管塞與一般的燃料管或復合管相配合。上述對于焊縫結(jié)構(gòu)性能不利的現(xiàn)象存在的明確原因，雖然還沒有能夠提出來，但是如果在管塞的尖角附近或拐角處，也就是在臺肩20和圓柱體部分18有氣體存在就會在用激光束焊接時，由于各種蒸發(fā)，凝固以及燃料管管塞和復合管件的收縮等原因而明顯地聚集在金屬熔池中和焊縫中。因此，如果在制做核反應(yīng)堆燃料管-管塞組合體時，采用激光束焊接工藝，就必須防止在焊縫中存在上述這種氣孔缺陷。
如圖4所示，核反應(yīng)堆燃料管管塞一般應(yīng)設(shè)計成100這樣的形狀?？梢钥闯觯胁考蚪Y(jié)構(gòu)特點，對于圖1中的一般管塞10和圖4中的管塞100來說設(shè)計都是相似或相同的，但是管塞100的所有結(jié)構(gòu)件具有100系列的特性。
在管塞100上，圖1中管塞10所需精確加工的拐角結(jié)構(gòu)已經(jīng)用加工的切口或溝槽126代替了，該切槽沿管塞100呈環(huán)形?？梢钥吹剑瑯?gòu)成切口或溝槽126的一個為徑向的環(huán)狀臺肩120，另一個為錐形面128，這個錐形面從臺肩120的最里面向外徑向引伸到圓柱體的表面118，錐形面128與臺肩或平面120相交為一個45°的β角，并伸向管塞100的帶錐度的前端116。
從上面可以看到，一般的核反應(yīng)堆燃料管管塞10的特點是其公差要求嚴格的由環(huán)狀臺肩平面20及圓柱體表面18所限定的內(nèi)拐角結(jié)構(gòu)，在使用鎢極保護氣體焊(TIG)方法進行圓周焊接時，盡管這種管塞10已經(jīng)使無內(nèi)部缺陷的燃料管管塞-復合管的圓周焊接生產(chǎn)有了進步，但在采用一般的管塞10的時候，事實表明氣孔缺陷仍顯現(xiàn)在燃料管管塞-復合管的圓周焊縫中，并且在使用激光束焊接工藝和設(shè)備時，這樣的缺陷可在圖2和圖3中看到。如在管塞-復合管組合體中使用本發(fā)明所提出的新的改進的核反應(yīng)堆燃料管管塞100，同樣用激光束焊接工藝和設(shè)備進行焊接，在管塞和復合管之間所形成的焊縫，完全不存在上述的氣孔缺陷，如圖5和圖6A-6B所示。從這些照片上可以特別清楚地看到，在復合管管壁和管塞的環(huán)狀臺肩120之間，已形成了所希望的角焊縫，并且整個焊縫都不存在氣泡缺陷。圖7所示是使用本發(fā)明的管塞100在激光束焊接的條件下所得到的無缺陷焊接的類似照片。
以上所述的核反應(yīng)堆燃料管管塞-復合管組合體實際上都是用RA-YTHEON 550 YAG這種激光方法焊接的。切口或溝槽126是在管塞100的側(cè)壁上加工出來，如果從圓柱體118外表面測量其徑向深度達0.100英寸，不過實事上這個切槽最終成為完全焊透的焊縫，另外，如果環(huán)狀切槽126的加工深度只有0.05-0.07英寸，那么也能得到適當?shù)臒嵊绊憛^(qū)。同時也可以看到，目前在實際生產(chǎn)中，用本發(fā)明的燃料管管塞和燃料管已可得到滿意的焊接。采用本發(fā)明管塞100帶來的另一個好處是，由于在管塞100上加工了一個切槽126，可以避免管塞有效熱損失的大約一半。所以還發(fā)現(xiàn)，在采用激光束焊接方法進行管塞-復合管的焊接時，在其它參數(shù)是標準的情況下，為了得到滿意的焊接，通常使激光焊接機以400W功率運轉(zhuǎn)。按照本發(fā)明管塞100所用的焊接方法，由于可以得到充分的焊透，就有可能使用額定功率僅為340W的激光焊機設(shè)備。在制做管塞-復合管組合體時，可以得到很好的效果，因為激光焊機設(shè)備不需要在其最大功率下運轉(zhuǎn)，從而可以延長其使用壽命。
最后，提出本發(fā)明的管塞，實事上是為了克服核反應(yīng)堆燃料管管塞-復合管用激光束焊接工藝焊接時，所存在的各種缺點，可以消除生產(chǎn)中的缺陷或結(jié)構(gòu)上的缺陷，本發(fā)明的特殊結(jié)構(gòu)的管塞，也可以用鎢極保護氣體焊(TIG)焊接工藝進行焊接。應(yīng)該記住，鎢極保護氣體焊接工藝到目前為止，能夠成功地用于核反應(yīng)堆燃料管-復合管組合體的焊接生產(chǎn)中，僅僅是因為在管塞及與其配合的復合管的加工中，嚴格控制質(zhì)量，不過在采用本發(fā)明以后，上述的嚴格條件或加工公差就再不是必須執(zhí)行的了。這樣一來，在加工管塞-復合管組合體的管塞和復合管時，機械加工的成本可能會顯著下降。從鎢極保護氣體焊接方法所需輸入功率高于激光束焊接這一特點來說，本發(fā)明管塞100上的切槽126可能需要加寬加深，也許還需要進行改變，使其具有不同的幾何形狀，比如采用方形斷面，而不象圖4中所示那種在用激光束焊接工藝時已經(jīng)有效地采用了的三角形的切槽。
可以看出，本發(fā)明的管塞比過去的核反應(yīng)堆燃料管管塞有很大優(yōu)點。由于在本發(fā)明的管塞100上加工了一個切槽126，不論用鎢極保護氣體(TIG)焊接方法還是用激光束焊接方法，都可以消除焊縫中的氣孔缺陷或結(jié)構(gòu)上的缺陷。需要強調(diào)指出，最初本發(fā)明主要是解決核反應(yīng)堆燃料管管塞-復合管組合體用激光束焊接時缺陷顯現(xiàn)的問題。但是實事上本發(fā)明也同樣能用鎢極保護氣體(TIG)焊接方法，其原因如上所述。不過這里需要特別強調(diào)一下，根據(jù)鎢極保護氣體焊接方法在核反應(yīng)堆燃料管管塞-復合管組合體加工過程的發(fā)展中，本發(fā)明必須被認為是一種不同于以往的驚人的概念。在核反應(yīng)堆燃料管管塞-復合管組合體，在用鎢極保護氣體焊接工藝制做的時候，氣孔缺陷實際上已經(jīng)顯現(xiàn)，但是如果嚴格控制加工公差，就有可能使這些缺陷得到控制以至有效地避免。所以如果在用激光束焊接工藝焊接的管塞-復合管組合體中，也有類似缺陷顯現(xiàn)的問題，就必須繼續(xù)控制加工公差或者在加工公差更加嚴格時，可以解決激光束焊接區(qū)存在氣孔缺陷的問題。不過，已經(jīng)證明并不存在這種情況。因此，提出了本發(fā)明，在本發(fā)明中已發(fā)展出一種與過去熟知的方法完全相反的技術(shù)工藝，取代提高加工尺寸精度要求和嚴格控制質(zhì)量的情況下，本發(fā)明實事上已經(jīng)有效地放松了這方面的要求。
在介紹本發(fā)明的管塞在角度和尺寸方面的特殊要求時，應(yīng)認為這樣的角度和尺寸是所推薦的和大概的，另外，如圖8所示，一個典型的核反應(yīng)堆燃料管200(裝入核燃料小球204)包括一個圖4所示的那種管塞100，這個管塞被焊到復合管202的一端，還有一個管塞100(如圖4所示)沒有中間的孔122和124(也就是說這是一個實心的管塞)被焊到復合管202的另一端。最后，再在中心孔122的外面206將其焊住，密封起來。
權(quán)利要求
1.一個管塞用來焊接到管端上，該管塞具有一個圓柱體部分用來裝入上述的管端中，還有一個環(huán)狀臺肩部分用來與上述管端對接，管塞的特征是在上述圓柱體表面與臺肩的交界處、靠近上述管塞和上述管端焊接的位置上加工出一個圓周切槽，該切槽具有一定的深度，在圓柱體部分的表面以下。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1中提出的管塞，其特征是切槽的一面是由一個錐形面構(gòu)成，錐形面從臺肩部分向外向前引伸到圓柱體表面部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2中提出的管塞，其特征是錐形面相對于臺肩部分成45°角。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1、2或3提出的管塞，其特征是其切槽在徑向切入到0.100英寸的深度。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1～4中任何一項制做的管塞，其特征是管塞由不銹鋼或鋯合金制成。
6.一端與管塞配合的管體，管塞與該管端用激光束或鎢極保護氣體(TIG)焊接方法焊接，其特征是上述管塞是按前面權(quán)利要求
中任何一項制做的。
7.在核反應(yīng)堆燃料管復合管的每一端焊接一個管塞，管塞由一個直徑較小的正圓柱體和一個直徑較大的正圓柱體構(gòu)成，兩者同軸相連接，上述直徑較小的部分與上述的管體靠摩擦軸向配合，上述直徑較大的部分具有一個倒棱的自由端并且從較小直徑和較大直徑部分交界處到上述倒棱的自由端具有一定的直徑，其特征是在上述的交界處具有一個向內(nèi)引伸的圓周切槽，切槽具有一定的深度，在較小直徑部分的表面以下。
8.一個核反應(yīng)堆燃料管由一個復合管組成，許多核燃料小球裝入該管中，有一個管塞焊到上述燃料管的每一端，其特征是上述管塞是按權(quán)利要求
7制做的。
專利摘要
一個核反應(yīng)堆燃料管塞(100)用激光來焊接到反應(yīng)堆燃料棒復合管端[雖然鎢極保護氣體焊(ITG)也可以]。在管塞(100)外面圓周上有一個環(huán)狀切槽(126)，該切槽在圓柱體表面(118)和臺肩部分(120)交界處附近徑向切入圓柱體部分表面(118)內(nèi)，管塞(100)和復合管之間的圓周焊縫就在這個位置上。在使用激光來焊接法進行管塞(100)和復合管之間的圓周對焊時，切槽(126)可以避免在焊縫中產(chǎn)生氣泡缺陷。
文檔編號G21C3/10GK85101508SQ85101508
公開日1987年1月24日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者羅伯特·諾爾斯·麥克格里亞, 喬治·大衛(wèi)·布克 申請人:西屋電器公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan