ШЕСТИГРАННАЯ ТРУБА ИЗ БОРИСТОЙ СТАЛИ

Область техники
Полезная модель относится к области производства труб сваркой, а именно, сварных труб особой формы для изделий атомного оборудования с повышенными требованием к нейтронному поглощению, в частности, оборудования для хранения отработанного ядерного топлива.
Уровень техники
Существует способ производства чехловых шестигранных труб-заготовок из низкопластичной стали с содержанием бора 1,3-1,8% для уплотненного хранения отработанного ядерного топлива [1], включающий прокатку передельных труб-плетей изначальным размером 290×12×22000-23000 мм, имеющий до десяти операций перед получением шестигранных заготовок, с размером "под ключ" 257±2×6+1,75/-1,0 мм, а также несколько операций по исправлению участков, имеющих размеры, выходящие за плюсовое поле допуска.
Недостатком указанного способа производства чехловых шестигранных труб является достаточно высокая стоимость конечного продукта, обусловленная сложностью технологии изготовления. Кроме того, при существующей технологии получения труба может иметь явные или скрытые дефекты, особенно в области соединения граней, что требует постоянного контроля качества заготовки на стадиях передела, а также ремонта выявленных дефектов и повторения технологических операций. Это, в конечном счете, снижает надежность, как самой трубы, так и оборудования, в котором она используется.
Существует также способ производства передельных труб размером 290×11-12 мм с использованием трубопрокатной установки ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами из низкопластичных сталей марок 04Х14Т3Р1Ф-Ш и 04Х14Т5Р2Ф-Ш [2], который, как указано в его реферате «может быть использован для изготовления шестигранных труб для уплотненного хранения в бассейнах выдержки АЭС и транспортировки отработанного ядерного топлива». Это способ включает в себя отливку слитков электрошлаковым переплавом, обточку слитков по наружной поверхности до удаления дефектов литейного происхождения с получением слитков-заготовок, нагрев слитков-заготовок до температуры пластичности, прошивку слитков-заготовок в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы, зарядку дорна с дорновым кольцом в дорновую головку пилигримового стана, одевание на дорн цилиндрического подкладного углеродистого кольца, ввод дорна в гильзу, одевание на дорн подкладного углеродистого кольца, выполненного в виде цилиндра с коническим участком, причем подкладное углеродистое кольцо одевают на дорн цилиндрическим участком к дорновому кольцу, а коническим участком в строну гильзы, центрирование коническим участком подкладного углеродистого кольца переднего конца гильзы относительно оси дорна и деформацию сборной гильзы в валках с переменным профилем калибра в передельную трубу с выведением затравочного конца и пилигримовой головки на подкладные углеродистые кольца.
Недостатком указанного способа производства передельных труб также является многостадийность производства, приводящая к достаточно высокой стоимости конечного продукта, обусловленная сложностью технологии изготовления.
Существует патент на полезную модель на стеллаж для хранения отработавших топливных кассет реактора и поглощающая трубка шестигранного сечения для стеллажа [3], в формуле которого указано, что поглощающие трубки имеют шестигранное сечение, их минимальная длина соответствует длине активной части топливных кассет, при этом поглощающие трубки изготовлены из аустенитной стали с примесью от 1% до 1,8% бора, образованны шестью полосами, взаимно соединенными сварным соединением.
Недостатком указанного патента является то, что в нем нет описания, как именно изготовлены трубки шестигранного сечения.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому техническому результату является шестигранная труба из бористой стали [4], выполненная сварной со швом, полученным лазерной сваркой, размещенным в средней части одной из граней трубы параллельно ее ребру, причем соединение ребер выполнено с наружным радиусом закругления 20±1,75 мм. Данная труба имеет наружный размер «под ключ», составляющий 257±2,0 мм и толщину стенки граней 6±2,0 мм. При этом шестигранная труба и сварной шов выполнены из бористой стали, содержащей углерод, хром, бор, титан, ванадий, кремний, марганец, алюминий, никель, фосфор и железо при следующем содержании компонентов, мас. %: углерод 0,02-0,06; хром 13,0-16,0; бор 1,3-3,6; титан 2,3-6,5; ванадий 0,15-0,35; кремний не более 0,5; марганец не более 0,5; алюминий не более 0,5; никель не более 0,5; фосфор не более 0,03, железо - остальное.
Недостатком указанного патента является то, что предусмотрен только один вариант изготовления шестигранной трубы из бористой стали путем вальцовки и последующей лазерной сварки. Недостатком также является то, что указанный типоразмер не позволяет обеспечить более эффективный захват тепловых нейтронов, а, следовательно, не дает возможность использования более обогащенного топлива при хранении или транспортировке.
Описанные недостатки в значительной мере устраняются предлагаемым техническим решением. Предлагаемый типоразмер позволяет обеспечить более эффективный захват тепловых нейтронов, а, следовательно, дает возможность использования более обогащенного топлива при хранении или транспортировке.
Необходимо отметить, что для существенного удешевления производства шестигранных труб из бористой стали без потери их качества необходимо упростить и тем самым удешевить производство исходных деталей, из которых последующей сваркой получают конечную продукцию. Не маловажную роль играет и выбор вида сварки. При использовании именно лазерной сварки состав металла сварного шва не отличается от состава использованной бористой стали.
Раскрытие полезной модели
Технический результат достигается тем, что шестигранная труба из бористой стали, выполнена сварной со швом параллельно ее ребру, полученным лазерной сваркой, при этом она и сварной шов выполнены из бористой стали, содержащей бор 1,3-3,6 мас. %, с наружным размером «под ключ» 254±3,0 мм с толщиной стенки граней 5±2,0 мм, при этом труба сформована заранее из одного листа бористой стали таким образом, что сварочный шов организован на ребре или в средней части грани шестигранной трубы, а затем осуществлена его лазерная сварка.
Технический результат также достигается тем, что шестигранная труба из бористой стали, выполнена сварной со швом параллельно ее ребру, полученным лазерной сваркой, при этом она и сварной шов выполнены из бористой стали, содержащей бор 1,3-3,6 мас. %, с наружным размером «под ключ» 254±3,0 мм с толщиной стенки граней 5±2,0 мм, при этом труба выполнена сварной из нескольких одинаковых деталей, изготовленных заранее из листов бористой стали, а затем осуществлена их лазерная сварка.
Технический результат также достигается тем, что шестигранная труба из бористой стали изготовлена лазерной сваркой из двух одинаковых деталей. Один из вариантов такой трубы соответствует случаю, когда обе одинаковые детали сформованы так, что сварочные швы размещены в средней части одной из пар противоположных граней трубы параллельно ее ребру, а второй вариант - сварочные швы размещены вдоль одной из пар противоположных ребер трубы.
Технический результат также достигается тем, что шестигранная труба из бористой стали изготовлена лазерной сваркой из трех одинаковых деталей, сформованных в виде уголков с углом раскрытия 120 градусов, а лазерная сварка осуществлена вдоль трех сомкнутых ребер трубы.
Технический результат также достигается тем, что шестигранная труба из бористой стали изготовлена лазерной сваркой из шести одинаковых деталей, являющихся гранями трубы, а сварка осуществлена вдоль шести сомкнутых ребер трубы.
Технический результат также достигается тем, что шестигранная труба из бористой стали сварена из двух, трех или шести изготовленных заранее деталей, продольные края которых имеют скос 60 градусов.
Технический результат также достигается тем, что шестигранная труба из бористой стали сварена из трех или шести изготовленных заранее деталей, продольные края которых имеют скос 120 градусов.
Краткое описание чертежей
Описание предлагаемой шестигранной трубы из бористой стали пояснено на чертежах, перечисленных ниже, на которых изображено:
фиг. 1 - сечение шестигранной трубы из бористой стали для случая, когда она сформована заранее из одного листа бористой стали таким образом, что сварочный шов организован на ребре, а затем осуществлена его лазерная сварка,
фиг. 2 - сечение шестигранной трубы из бористой стали для случая, когда она изготовлена лазерной сваркой из двух одинаковых деталей, так, что сварочные швы размещены в средней части одной из пар противоположных граней трубы параллельно ее ребру,
фиг. 3 - сечение шестигранной трубы из бористой стали для случая, когда она изготовлена лазерной сваркой из двух одинаковых деталей, так, что сварочные швы размещены вдоль одной из пар противоположных ребер трубы,
фиг. 4 - сечение шестигранной трубы из бористой стали для случая, когда она изготовлена лазерной сваркой из трех одинаковых деталей, сформованных в виде уголков с углом раскрытия 120 градусов, а лазерная сварка осуществлена вдоль трех сомкнутых ребер трубы,
фиг. 5 - сечение шестигранной трубы из бористой стали для случая, когда она изготовлена лазерной сваркой из шести одинаковых деталей, являющихся гранями трубы, а сварка осуществлена вдоль шести сомкнутых ребер трубы, при этом продольные края изготовленных заранее деталей имеют скос 60 градусов,
фиг. 6 - сечение шестигранной трубы из бористой стали для случая, когда она изготовлена лазерной сваркой из шести одинаковых деталей, являющихся гранями трубы, а сварка осуществлена вдоль шести сомкнутых ребер трубы, при этом продольные края изготовленных заранее деталей имеют скос 120 градусов.
Осуществление полезной модели
Изготовление трубы по предлагаемой полезной модели осуществляли следующим образом. Сляб из бористой стали по стандартной технологии прокатывали на валках до достижения необходимого типоразмера 5±2,0 мм. Использовали бористую сталь содержащую углерод, хром, бор, титан, ванадий, кремний, марганец, алюминий, никель, фосфор и железо при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,037; хром 13,8; бор 1,73; титан 3,65; ванадий 0,24; кремний 0,41; марганец 0,32; алюминий 0,26; никель 0,21; фосфор 0,007, сера 0,003, железо остальное. После прокатки осуществляли правку листа на роликовых агрегатах, обработку кромок и точный раскрой. Затем на листогибочном прессе формировали шестигранный профиль трубы с наружным размером «под ключ» 254±3,0 мм. Сварку кромок вели с использованием лазерной сварки, причем шов был размещен в средней части грани трубы параллельно ее ребру, либо вдоль ребра. Состав металла сварного шва не отличался от состава использованной бористой стали.
Для существенного удешевления производства шестигранных труб из бористой стали, они были выполнены сварными из нескольких одинаковых деталей, изготовленных заранее из листов бористой стали с толщиной 5±2,0 мм, а затем осуществлена их лазерная сварка. При этом заранее изготовленные детали были такими, чтобы получить трубу с наружным размером «под ключ» 254±3,0 мм.
Вариант изготовления шестигранной трубы из бористой стали лазерной сваркой из двух одинаковых деталей предусматривал правку листа на роликовых агрегатах, обработку кромок и точный раскрой. Затем на листогибочном прессе формировали заготовку с профилем в виде половины поперечного сечения трубы с наружным размером «под ключ» 254±3,0 мм. Один из вариантов такой трубы соответствует случаю, когда обе одинаковые детали сформованы так, что сварочные швы размещены в средней части одной из пар противоположных граней трубы параллельно ее ребру, а второй вариант - сварочные швы размещены вдоль одной из пар противоположных ребер трубы. Причем во втором варианте продольные края двух, изготовленных заранее деталей, обрабатывались так, что имели скос 60 градусов. Сварку кромок вели с использованием лазерной сварки, причем швы были размещены в средней части двух противоположных граней трубы параллельно ее ребру для первого варианта, либо вдоль двух противоположных ребер для второго варианта.
Вариант изготовления шестигранной трубы из бористой стали лазерной сваркой из трех одинаковых деталей предусматривал правку листа на роликовых агрегатах, обработку кромок и точный раскрой. Затем на листогибочном прессе формировали заготовку с профилем в виде уголков с углом раскрытия 120 градусов, с наружным размером, предусматривающим после сварки получить размер «под ключ» 254±3,0 мм. Один из вариантов такой трубы соответствует случаю, когда продольные края трех, изготовленных заранее деталей, обрабатывались так, что имели скос 60 градусов, а второй вариант - скос 120 градусов. Сварку кромок вели с использованием лазерной сварки вдоль трех сомкнутых ребер трубы.
Вариант изготовления шестигранной трубы из бористой стали лазерной сваркой из шести одинаковых деталей предусматривал правку листа на роликовых агрегатах, обработку кромок и точный раскрой с наружным размером, предусматривающим после сварки получить размер «под ключ» 254±3,0 мм. Один из вариантов такой трубы соответствует случаю, когда продольные края шести, изготовленных заранее деталей, обрабатывались так, что имели скос 60 градусов, а второй вариант - скос 120 градусов. Сварку кромок вели с использованием лазерной сварки вдоль шести сомкнутых ребер трубы.
Изготовление шестигранных труб по полезной модели из бористой стали позволяет использовать их в конструкциях атомной промышленности, требующих повышенного нейтронного поглощения, обусловленного наличием бора в составе стали. Использование лазерной сварки не приводит к уменьшению содержания бора в сварном шве, снижению его равномерного распределения в объеме сварного шва, возникновению заметных внутренних напряжений в объеме труб и потере коррозионной стойкости.
Полученные шестигранные трубы по полезной модели не имели дефектов в области соединения граней и сварного шва, а также различия химического состава трубы и сварного шва. Это обеспечивает устойчивость к межкристаллитной коррозии и надежность работы сварных труб в условиях воздействия нейтронного облучения.
Промышленная применимость
Практическим назначением предлагаемого решения является использование для хранения отработавших топливных кассет атомных реакторов под слоем теплоносителя и при транспортировке.
Литература, принятая во внимание при составлении заявки:
1. Способ производства чехловых шестигранных труб-заготовок из низкопластичной стали с содержанием бора 1,3-1,8% для уплотненного хранения отработанного ядерного топлива. Патент на изобретение № RU 2317866, 27.02.2008.
2. Способ производства передельных труб размером 290×11-12 мм с использованием трубопрокатной установки ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами из низкопластичных сталей марок 04Х14Т3Р1Ф-Ш и 04Х14Т5Р2Ф-Ш, Патент на изобретение № RU 2502571, 27.12.2013.
3. Стеллаж для хранения отработавших топливных кассет реактора и поглощающая трубка шестигранного сечения для стеллажа. Патент на полезную модель № RU 105512, 10.06.2011.
4. Шестигранная труба из бористой стали, Патент на полезную модель № RU 121760, 10.11.2012.