УЗЕЛ ГЛУШЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ТЕПЛООБМЕННОЙ ТРУБЫ В УСТАНОВКАХ С ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ

Область техники
Полезная модель относится к элементам устройств теплообменных каналов Фильда, конструкция наружной трубы в модулях испарителя парогенераторов атомных станций в установках с жидкометаллическим теплоносителем, и может быть использована при разработке и изготовлении теплообменного оборудования в энергетическом и химическом машиностроении при использовании различных сред, например, с одной стороны пар, вода, а с другой жидкий металл, например, сплав свинец-висмут или другая агрессивная среда.
Уровень техники
Известна конструкция колпачковой заглушки для глушения трубного отверстия барабана котла, которая изготавливается из отрезка трубы путем обжатия в горячем состоянии одного конца и его заварки («Руководящий документ РД 153-34 1-003-01. Сварка, термообработка и контроль трубных систем котлов и трубопроводов при монтаже и ремонте энергетического оборудования (PTM-1c)», п.20.5). Недостатком такой конструкции для глушения биметаллической трубы является, то что в процессе горячего обжатия конца биметаллической трубы с толщиной слоя 0,75 мм и его заварки невозможно сохранить целостность слоев и одинаковый химический состав слоев, особенно в месте заварки отверстия, что не обеспечит работоспособность теплообменной трубы.
Известна заглушка с приварным донышком. Недостатками такой заглушки для глушения биметаллической трубы является то, что их применение, например в котлах, разрешается до давления 1,3 мПа, что в современных парогенераторах неприемлемо, и при малой толщине слоев биметаллической трубы (0.75 мм) в процессе сварки донышка с трубой невозможно обеспечить в сварном шве химический состав слоев, близкий к соответствующему химическому составу соответствующих слоев трубы («Руководящий документ РД 153-34 1-003-01. Сварка, термообработка и контроль трубных систем котлов и трубопроводов при монтаже и ремонте энергетического оборудования (PTM-1c)», п.20.5).
Известна сварка деталей из двухслойных сталей, при которой в процессе подготовки к сварке с деталей снимают плакирующий слой на участках, прилегающих к подлежащим сварке кромкам, далее выполняют сварку основного слоя, после чего восстанавливают плакирующий слой сварочными материалами, предназначенными для сварки плакирующего слоя («Оборудование и трубопроводы атомных энергетических установок. Сварка и наплавка. Основные положения. ПНАЭ Г 7-009-89», подраздел 6.4., Энергоатомиздат, 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб. 10, 1991 г.). При малой толщине слоев биметаллической трубы (0,75 мм) невозможно обеспечить в сварном шве химический состав его слоев, аналогичный химическому составу слоев биметаллической трубы, что не обеспечит стойкость сварного шва к различным средам, находящимся с внутренней и наружной стороны трубы.
Наиболее близким аналогом к полезной модели (прототипом) является конструкция канала Фильда состоящая из наружной трубы 32×2 (после ремонта 32×3) и внутренней трубы 16×1,4. К нижнему концу наружной трубы приварено сферическое донышко выполненное из одного материала стали 10Х2М. Донышко приварено к трубе аргонодуговой сваркой. (Федоров Л.Ф., Титов В.Ф., Рассохин Н.Г. «Парогенераторы атомных электростанций» Москва, ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1992 г, стр.72, 78). Недостатком такого узла глушения трубы является то, что при стыковой сварке биметаллической трубы с малыми толщинами слоев (например 0,75 мм) невозможно обеспечить химический состав слоев сварного шва близкий к химическому составу биметаллической трубы и обеспечить стойкость его к работе в различных агрессивных средах с внутренней и наружной стороны трубы.
Раскрытие полезной модели
Задача полезной модели выполнить простой и надежный узел глушения биметаллической трубы, обеспечивающий качественное и надежное сварное соединение биметаллической трубы с заглушкой, состоящей из внутренней заглушки из материала, аналогичного материалу внутреннего слоя трубы и наружной заглушки из материала, аналогичного материалу наружного слоя трубы.
Поставленная задача решается тем, что внутренняя, наружная заглушка и биметаллическая труба имеют общую разделку, глубина которой больше толщины стенки биметаллической трубы, разделка биметаллической трубы, имеет притупление равное толщине внутреннего слоя трубы, при этом в сварном соединении предусмотрен первый проход сварного шва внутреннего слоя биметаллической трубы с внутренней заглушкой.
Общая разделка биметаллической трубы, внутренней и наружной заглушки с глубиной большей толщины стенки биметаллической трубы и притуплением, равным толщине внутреннего слоя, исключает влияние микронадрывов в корне шва за счет предусмотренного первого прохода сварного шва внутреннего слоя биметаллической трубы с внутренней заглушкой и увеличения фактической толщины шва более, чем толщина стенки биметаллической трубы. При выполнении первого прохода сварного шва внутреннего слоя биметаллической трубы с внутренней заглушкой обеспечивается химический состав в корне шва аналогичный химическому составу внутреннего слоя трубы, т.к. свариваются однородные материалы сварочной проволокой по химическому составу близкой первому слою биметаллической трубы. В рассматриваемом примере осуществления полезной модели внутренний слой трубы и внутренняя заглушка выполнена из сплава на железоникелевой основе 03Х21Н32М3Б, а в качестве сварочного материала для аргонодуговой сварки использована сварочная проволока Св-03Х15Н35Г7М6Б. Сварочная проволока Св-03Х15Н35Г7М6Б рекомендована нормативной документацией для сварки железоникелевых сплавов 03Х21Н35М3Б и разнородных сварных соединений 03Х21Н35М3Б со сталью 10Х15Н9С3Б1-Ш и сварные соединения обеспечивают работоспособность в диапазоне необходимых рабочих температур с обеспечением стойкости против межкристаллитной коррозии. Малое сечение первого прохода сварного шва (катет сварного шва равен толщине внутреннего слоя трубы, в рассматриваемом примере осуществляемой полезной модели 0,75 мм), и сварка биметаллической трубы с внутренней заглушкой без зазора или с предварительным натягом обеспечивают отсутствие микронадрывов в корне шва.
Для обеспечения качественной сборки в одной из заглушек предусмотрен цилиндрический выступ, а в другой соответствующее глухое отверстие.
После выполнения слоя, сваривающего внутренний слой биметаллической трубы с внутренней и частью наружной заглушки, растягивающие напряжения от сварки за счет угловых деформаций внутренней части заглушки в зоне корня шва первого прохода сварного соединения внутреннего слоя трубы с внутренней заглушкой уменьшаются растягивающее напряжение и снижается вероятность появления микронадрывов. Небольшие несплошности (до 0,4 мм) в корне шва, идущие от конца конструкционного зазора между внутренней и наружной заглушкой допустимы нормативной документацией (Оборудование и трубопроводы атомных энергетических установок. Сварные соединения и наплавки. Правила контроля. ПНАЭ Г-7-010-89, пункт 11.11.2, Энергоатомиздат, 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб.10, 1991 г.) и учитывая увеличенную фактическую толщину шва по сравнению с толщиной стенки трубы не влияет на рабочий ресурс сварного соединения.
При выполнении слоя, сваривающего наружный слой трубы с наружной заглушкой, имеющими одинаковый состав стали, сварочной проволокой по химическому составу идентичной наружному слою биметаллической трубы обеспечивается стойкость сварного шва к среде, омывающей наружную часть трубы.
В рассматриваемом примере осуществления полезной модели наружный слой трубы и наружная заглушка выполнена из стали аустенитного класса 10Х15Н9С3Б1-Ш, а в качестве сварочного материала для аргонодуговой сварки использована сварочная проволока Св-08Х14Н8С3Б. Сварочная проволока Св-08Х14Н8С3Б рекомендована нормативной документацией для сварки стали аустенитного класса 10Х15Н9С3Б1-Ш и сварное соединение обеспечивает работоспособность в диапазоне необходимых температур с обеспечением необходимой стойкости при работе в жидкометаллическом теплоносителе типа свинец-висмут.
Совокупность заявленных признаков: биметаллическая труба, внутренняя и наружная заглушка имеет общую разделку, глубина которой больше толщины стенки трубы обеспечивают качественное сварное соединение, исключающие влияние микронадрывов в зоне сплавления биметаллической трубы с внутренней заглушкой. Наличие притупления на биметаллической трубе, которое равно толщине внутреннего слоя и наличие первого прохода сварного шва внутреннего слоя биметаллической трубы с внутренней заглушкой обеспечивает необходимую для эксплуатации стойкость к среде, находящейся внутри трубы (в рассматриваем случае пар, вода). Наличие цилиндрического выступа на внутренней заглушке и глухого отверстия на наружной заглушке обеспечивают качество сборки.
Сочетание заявленных признаков с известными, что внутреннюю и наружную заглушку необходимо выполнить из материалов, аналогичных по свойствам с внутренним и наружным слоем биметаллической трубы, и что для сварки внутреннего слоя трубы с внутренней заглушкой и наружной заглушкой от корня шва до наружного диаметра внутреннего слоя биметаллической трубы применяется сварочный материал, предназначенный для сварки внутреннего слоя трубы, а для сварки наружного слоя трубы с наружной заглушкой применяется сварочный материал, предназначенный для наружного слоя трубы, обеспечивают получение качественного и надежного узла глушения биметаллической трубы, работающего в различных средах (в рассмотренном примере внутри вода, пар, а снаружи жидкий сплав свинец-висмут).
Краткое описание чертежей
Заявленный узел глушения биметаллической трубы изображен на фиг. 1 Узел глушения биметаллической трубы (фиг. 1) состоит из следующих частей: внутренняя заглушка (поз.1), наружная заглушка (поз.2) и биметаллическая труба (поз.3) имеет общую разделку сварного соединения, при этом глубина разделки больше толщины стенки биметаллической трубы. Разделка биметаллической трубы имеет притупление, равное толщине внутреннего слоя (поз.4) биметаллической трубы. В биметаллическую трубу (поз.3) установлена внутренняя заглушка без зазора или с натягом. Первый проход сварного шва (поз.5) внутреннего слоя биметаллической трубы (поз.4) с внутренней заглушкой (поз.1) выполнена сварочным материалом, предназначенным для сварки материалов внутреннего слоя трубы.
+1,5
-0,5
На цилиндрический выступ (поз.6) внутренней заглушки установлена наружная заглушка (поз.2) без зазора по диаметру и с зазором (поз.11) между притуплением внутренней заглушки и наружной заглушки равной 1  мм, при этом цилиндрический выступ внутренней заглушки является подкладным кольцом в сварном соединении.
Заполнение разделки в корне шва (поз.7) до уровня наружного диаметра внутреннего слоя биметаллической трубы выполнено с присадочным сварочным материалом, предназначенным для сварки внутреннего слоя биметаллической трубы. Сварку наружного слоя биметаллической трубы (поз.8) с наружной заглушкой и выпуклость сварного шва - наружный слой сварного шва (поз.9), выполнены с присадочным сварочным материалом, предназначенным для сварки наружного слоя биметаллической трубы. Для удобства сборки и с целью уменьшения остаточных напряжений между наружной поверхностью донышка внутренней заглушки и внутренней поверхности донышка наружной заглушки предусмотрен зазор (поз.10).
Осуществление полезной модели.
-0,2
Узел глушения биметаллической трубы (фиг. 1) выполнен на биметаллической трубе (поз.3) с размерами ⌀12×1,5 мм. Наружный слой (поз.8) биметаллической трубы (поз.3) сталь аустенитного класса 10Х15Н9С3Б1Ш толщиной 0,75 мм. Внутренний слой (поз.4) биметаллической трубы (поз.3) - сплав на железоникелевой основе 03Х21Н32М3Б толщиной 0,75 мм. Внутренняя заглушка (поз.1) выполнена из сплава на железоникелевой основе 03Х21Н32М3Б общей длиной 11 мм. Цилиндрическая часть (поз.6) внутренней заглушки (поз.1) диаметром 9 мм установлена без зазора в биметаллическую трубу (поз.3) на глубину 4 мм. Для удобства сборки внутренней и наружной заглушки внутренняя заглушка (поз.1) имеет цилиндрический выступ (поз.6) ⌀6 мм. Биметаллическая труба (поз.3), внутренняя заглушка (поз.1) и наружная заглушка (поз.2) имеют общую разделку под сварку с углом скоса кромок 45° и притуплением 0,5 мм глубиной 3 мм (больше толщины стенки биметаллической трубы), при этом на трубе выполнено притупление на толщину внутреннего слоя биметаллической трубы (0,75 мм).
Первый проход сварного шва (поз.5) внутреннего слоя (поз.4) биметаллической трубы (поз.3) с внутренней заглушкой (поз.1) выполнен аргонодуговой сваркой с присадочной проволокой Св-03Х15Н35Г7М6Б, которая рекомендована нормативной документацией для сварки железоникелевого сплава 03Х21Н32М3Б.
+1,5
-0,5
Наружная заглушка (поз.2) выполнена из стали аустенитного класса 10Х15Н9С3Б1Ш наружным диаметром 12 мм и общей длиной 7 мм имеет глухое отверстие со сферическим окончанием ⌀6 мм на общую глубину 5,5 мм. Наружная заглушка (поз.2) глухим отверстием собрана на цилиндрический выступ (поз.6) внутренней заглушки (поз.1) с обеспечением зазора в корне шва (поз.11) равным 1  мм и зазором (поз.10) между внутренней и наружной заглушкой (размеры зазора не имеют значения). Разделка заполнена до наружного диаметра внутреннего слоя (поз.4) биметаллической трубы (поз.3) за два прохода аргонодуговой сваркой с присадочной проволокой Св-03Х15Н35Г7М6Б.
Сварка наружного слоя (поз.8) биметаллической трубы (поз.3) с наружной заглушкой (поз.2) выполнена аргонодуговой сваркой с присадочной проволокой Св-08Х14Н8С3Б, рекомендованной нормативной документацией для сварки стали 10Х15Н9С3Б1Ш, за два прохода. После каждого прохода сварное соединение охлаждалось до температуры ниже 100°C.
По результатам радиографического, капиллярного контроля и металлографических исследований подтверждено, что качество сварного соединения соответствует требованиям нормативной документации.