Устройство для заполнения твэлов газом и способ его использования
Использование: для изготовления тепловыделяющих элементов, стержней с выгорающими поглотителями и т.п. Сущность изобретения: проходная микрокамера с системами вакуумирования и заполнения газом располагается непосредственно под сварочной головкой. Корпус микрокамеры снабжен верхней откидной крышкой с торцевым уплотнением, закрепленной под сварочной головкой. В корпусе микрокамеры выполнены раздельные боковые каналы для вакуумирования и заполнения газом. В нижней части микрокамеры установлен стакан с прижимным кольцом, в котором размещен упругий уплотнительный элемент обжимного типа. Устройство содержит также узел вертикального перемещения твэла, размещенный соосно под микрокамерой. Способ заполнения твэлов газом и последующей герметизации предусматривает размещение твэла с заранее установленной заглушкой с осевым отверстием в микрокамере, вакуумирование внутренней полости твэла через осевое отверстие в заглушке, заполнение твэла газом при давлении, более высоком чем требуется в твэле после герметизации, после заполнения твэла газом твэл перемещают к сварочной головке и одновременно с заплавлением отверстия осуществляют сплавление оболочки с заглушкой, образуя единый торцевой шов. Величина требуемого избыточного давления Ризб и время транспортировки твэла к сварочной головке тр связаны соотношением Pизб= Aтр, где А = (0,08-0,12)105 Па/с. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.
Предлагаемое изобретение относится к сварке тепловыделяющих элементов атомных энергетических установок.
Предлагается устройство для заполнения газом и газодуговой сварки неплавящимся электродом тонкостенных труб с концевой деталью (заглушкой), которое может быть использовано при изготовлении таких компонентов активных зон атомных энергетических установок как тепловыделяющие элементы, стержни с выгорающими поглотителями и замедлителями, компенсации реактивности и т.п. Известны устройства для выполнения стержневых твэлом с таблетированным и порошковым топливом, когда после снаряжения оболочек топливом производят их заполнение гелием или другим теплопроводящим газом, а затем герметизируют сваркой. Известно несколько решений: 1 заполнение изделия гелием и герметизация в одной общей рабочей камере, в которой находится весь твэл и сварочная головка, где перед началом процесса осуществляют вакуумирование камеры и внутренней полости твэла с последующим заполнением их гелием, запрессовкой заглушки и приварки последней к оболочке. Таким путем выполняли герметизацию твэлом аппаратов БР-5М (1963 г. ), БОР-60 (1970 г.) и др. Подобный принцип заполнения и герметизации описан в патентах США N 4188521 (1980 г.), Франции N 2167247 (1972 г) и ряде других. В Японии герметизацию твэлов быстрого реактора выполняют в общей камере снаряжения, заполненной гелием (заявка N 60-37978, 1985 г.); 2 заполнение изделия гелием и герметизация, осуществляемые в два этапа на раздельном оборудовании, когда в камере, в которой размещают либо все изделие, либо его часть, осуществляют вакуумирование внутренней полости изделия, заполнение его гелием и постановку сплошной заглушки, а на втором рабочем месте, куда транспортируют изделие, производят герметизацию известными способами. При этом устройство для заполнения гелием и сварочная головка размещаются не на одной оси; 3 другое решение (см. патенты Великобритании N1 174030, 1968 г. и США N 3842238, 1975 г. а также а/з Япония N 56-215088, 1961 г.) основано на реализации приемов, выполняемых в следующей последовательности: постановка в обычной атмосфере заглушки, имеющей осевые или боковые продольные каналы (щели), и сварка ее с оболочкой периметрическим швом (эти операции выполняют после снаряжения твэла), помещение конца таким образом подготовленного твэла в специальную камеру, в которой производят вакуумирование полости твэла, заполнение ее инертным газом под некоторым давлением и сварку в той же камере с образованием торцевого шва, заплавляющего осевой канал. Используют камеру, открываемую лишь с одной стороны, либо две расположенные противоположно надвижные сварочные камеры. В качестве прототипа взят патент США N 3683148 (1972 г на имя Воуко и др. ), в котором изложен способ герметизации в камере твэла с предварительно приваренной, имеющей осевое отверстие заглушкой, с вакуумированием этой камеры и помещенного в ней твэла через названное отверстие, заполнением камеры и твэла инертным газом под некоторым давлением и заполнением отверстия путем сварки плавлением, используя для этой цели сварочную головку, размещенную в той же камере. Недостатком первого варианта является усложнение аппаратуры за счет введения в рабочую камеру большого объема нескольких исполнительных инструментов: органов вакуумирования, механизмов подачи заглушек и их запрессовки в оболочку, сварочной головки. Если же камера является частью сварочной установки, то все эти недостатки остаются. Сложности прогрессивно нарастают, когда переходят к оборудованию, эксплуатируемому дистанционно в больших боксах камерах с биологической защитой, например, в линиях изготовления твэлов со смешанным U(Pu)O2 топливом. И эти сложности определяются, в первую очередь, необходимостью регламентных зачисток оборудования, его ремонта со сменой деталей и узлов. Такие работы приходится выполнять посредством манипуляторов или, в крайней случае, через перчаточные люки. При втором решении отсутствует необходимость в выполнении работ с разборкой рабочих камер. И блок заполнения изделия гелием с одновременной постановкой заглушки, и сама сварочная установка в рабочую технологическую камеру не заключены; они находятся лишь в общей защитной камере. По сравнению с предыдущим вариантом обслуживания рабочих постов облегченно; они становятся более ремонтноспособными. При третьем решении приходится рабочую сварочную камеру располагать в общей технологической защитной камере, что крайне затрудняет проведение наладочных работ и ремонта, а также влечет за собой повышенный расход защитного газа. Для всех названных решений существует один существенный недостаток: при снаряжении твэла и во время его вакуумирования выносится пылевидная фракция топлива, которая частично оседает на стенке оболочки твэла, попадает в зазор между оболочкой и заглушкой и далее, при расплавлении, в шов; оксидная топливная составляющая, попадающая в шов, располагается в нем в виде нитевидных включений, являясь в ряде случаев причиной появления негерметичности у твэла. Авторы предлагают устройство, позволяющее отказаться от конструкции камеры вакуумирования, содержащей системы подачи и запрессовки заглушки, предельно его упростить и минимизировать объем и расход гелия. В камеру опрессовки гелием поступает изделие с заранее поставленной, но не приваренной к оболочке заглушкой, еще на операции снаряжения, когда после введения топлива производят обеспыливание внутренней поверхности оболочки у ее конца, осуществляют постановку заглушки. Сама заглушка имеет осевое отверстие и через него в миниатюрной камере вакуумирования заполнения гелием производят введением последнего в изделие. При вакуумировании газовый поток вместе с топливной пылью проходит через осевое отверстие. Тем самым пыль не оседает на стенке оболочки, а лишь частично в осевом отверстии. И, если оксидные включения в шов попадают, то они располагаются, как правило, в купольной, нерасчетной части шва, не приводят к нарушению герметичности. При передаче изделия с устройства "вакуумирования-заполнения" в позицию сварки неизбежен выход гелия через осевое отверстие. Интенсивность снижения концентрации гелия в изделии (а его в твэле реактора на быстрых нейтронах должно быть при давлении 1,1-0,05 атм не менее 94% объемных) зависит от давления опрессовки, времени между опрессовкой и герметизацией, степени разрежения воздушной атмосферы в общей рабочей камере обычно на 15-20 мм вод.ст. (150-200 Па) меньшего, чем в окружающей атмосфере. Чтобы обеспечить названные требования по содержанию гелия, предложено микрокамеру вакуумирования и опрессовки, внутренний объем которой не более двух объемов части твэла вводимого у уплотняемого в микрокамере, выполнить объем не более 5 см3, расположив ее непосредственно под сварочной установкой по одной оси. Эта микрокамера сделана проходной с уплотнением боковым (снизу камеры) и торцевым (сверху камеры). Заполнение газом следует производить давлением на 0,3 атм (0,3105 Па) выше требуемого. Схематично общий вид устройства приведен на фиг.1. Изделие 1 рукой манипулятора 2 подают на "ось" установки. Закрепленные на стойке 3 хваты-замыкатели 4, которые были до этого раскрытыми, охватывают изделие 1, позволяя руке манипулятора вернуться в исходное или другое не связанное с данным устройством положение. Затем хваты-замыкатели ослабевают, несколько раскрываясь, и твэл под собственным весом, скользя, опускается на подпружиненную грузовую площадку 5. Названные хваты устроены таким образом, что их раскрытие в рабочем цикле обеспечивает свободное перемещение твэла в вертикальном положении, исключая при этом возможности его выпадания из хватов и радиальные смещения на грузовой площадке 5. На стойке находятся два хвата. Узел перемещения (6) твэла в камеру 7 и далее к сварочной установке 9 работает во взаимодействии с механизмом (8), обеспечивающим все действия по уплотнению проходной камеры 7 (по поверхности твэла и торцу камеры). Этот узел перемещения, расположенный под упругим элементом, содержит многоходовой пневмоцилиндр. Управляющая работой пневмоцилиндром система обеспечивает следующие положения цикла: исходное (нижнее), подъем в камеру конца твэла и нахождение последнего в ней во время вакуумирования и заполнения твэла газом, дальнейший подъем изделия к сварочной головке, опускание его по завершению цикла сварки в исходное положение. Назначение упругого элемента под грузовой площадкой исключить ударное соприкосновение конца вольфрамового электрода сварочной головки 9 с торцем заглушки поднимаемого твэла и компенсировать различие в длине твэла (в пределах чертежа). Этот упругий элемент может быть в виде пружины. В составе установки предложено использовать устройство для вакуумирования и заполнения газом, показанное на фиг.2 (цифровые обозначения даны для этой фигуры). Оно состоит из корпуса камеры 1 с патрубками вакуумирования 2 и заполнения газом 3, контактного датчика ограничителя вертикального перемещения твэла 4, торцевого верхнего уплотнения 5 и нижнего торцевого уплотнения 6. Уплотнения срабатывают от одного исполнительного механизма клинорычажного типа, имеющего распределительный клин 7, перемещаемый пневмоцилиндром 8. При перемещении клина вперед, его грань нажимает на шток роликоопоры 9 и через рычаг 10 происходит нажатие кольцом со сферической поверхностью 11 на стакан 12, в котором расположен упругий уплотнительный элемент, обнимающий поданное в корпус изделие. Одновременно названный клин через роликоопору 13 нажимает на крышку 14, в основании которой закреплено торцевое уплотнение 5, обеспечивающее герметизацию корпуса 1, закрепленного на плите 15. При перемещении клина влево крышка поворачивается, откидывается на угол 60 5 o (угол откидывания установлен экспериментальным путем) открывая доступ для прохождения изделия вверх; одновременно освобождается нижнее уплотнение. После вакуумирования и заполнения газом изделие подают к сварочной головке (фиг.1) для выполнения торцевого шва, которым одновременно сплавляют оболочку с заглушкой и заполняют осевое отверстие. Цикл сварки начинается с касания заглушки электрода головки. Во избежание повреждения электрода от удара при подъеме предусмотрена упругая компенсация за счет пружины 5 в узле подъема 6. В качестве сварочной головки может быть использована, например, известная установка для сварки дугой, управляемой магнитным полем (см. "Опыт создания установок для дуговой сварки оболочек из циркониевых сплавов в струе защитного газа". Б.Р. Рябченко, М.С. Гриценко и др. "Вопросы атомной науки и техники. Серия: Сварка в ядерной технологии, вып. 2(15), 1985 г. стр. 14-19). Этого типа установки работают в настоящее время в цикле с независимыми устройствами для опрессовки изделий гелием и последующей постановки заглушек, не имеющих осевых отверстий. Головка сварочной установки и устройства опрессовки гелием постановки заглушек размещают в таком случае параллельно, на некотором расстоянии друг от друга, и связаны дополнительным транспортером - манипулятором. Предлагаемая для установки схема предусматривает расположение сварочной головки и устройства опрессовки газом на одной оси без механизма постановки заглушки. При касании изделием электрода сварочной головки замыкается цепь электрод изделие и выдается команда на отключение механизма подъема и на зажатие изделия в губках сварочной головки. Горелка последней поднимается на заданный уровень дугового промежутка, возбуждается дуга, выполняется торцевой шов. По остывания шва в потоке газа (10-15 с) изделие освобождается из губок и подается ниже на площадке, проходя микрокамеру. Время на разгерметизацию микрокамеры после заполнения твэла гелием, подачу его вверх к сварочной головке и возбуждение дуги оставляет менее 5 с. За время переноса твэла через отверстие в заглушке (диаметром 1,5-2 мм) происходит сброс давления в твэле от 1,3-1,5 атм/(1,3-1,5) 105 Па/ до 1,0-1,05 атм /(1,0-1,05) 105 Па/. Объемное содержание гелия в твэле остается на уровне 94-97% Чтобы обеспечить более стабильное содержание гелия в твэлах, давление этого газа при опрессовке повышают до 2 105 Па. Тогда существенного снижения гелия при транспортировании к сварочной головке не происходит даже в течение 10-15 с. Получают изделия, соответствующие требованиям конструкторской документации. Выбор величины давления опрессовки твэла гелием в зависимости от длительности времени от опрессовки до герметизации осуществляется по следующей эмпирической зависимости: Р А кр, где Р давление опрессовки в Па, А- согласующий коэффициент в пределах (0,08-0,12) o 105 Па/с,время от опрессовки до герметизации в с. Расход гелия на установках с разными вариантами решения (с учетом коммуникаций) показан в таблице. В результате реализации предложенные устройства достигают следующие новые технические результаты:
повышения производительности за счет уменьшения объема работ по сварке и сопутствующей ей операций. Вместо двух сварочных процессов (по прототипному решению сварка заглушки с оболочкой + заплавление отверстия в заглушке) используется один (сварка и заплавление за один прием);
сокращение количества оборудования и рабочих мест;
возможности автоматизации процесса, который требуется при изготовлении изделий с токсичными материалами, в первую очередь твэлов со смешанным (UPuO2) топливом;
повышении качества герметизирующего соединения твэла за счет уменьшения попадания в шов топливной пыли;
уменьшения расхода инертных газов. Во-первых за счет уменьшения числа сварочных операций, проводимых под защитой таких газов; во-вторых, минимизации объема камеры опрессовки твэла.
Формула изобретения
Pизб.=Ap
где Ризб. избыточное давление, Па;
А согласующий коэффициент в пределах (0,08 0,12) 105 Па/с;
p время транспортировки твэла к сварочной головке, с.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3