CN102959096A - 用于核反应堆主要冷却***的增压器的加热管的处理 - Google Patents

用于核反应堆主要冷却***的增压器的加热管的处理 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于核反应堆主要冷却***的增压器的加热管的处理方法。尤其是，加热管包括安装在大体圆柱形外壳(5)中的加热器(1)。外壳的材质可以由加工硬化的奥氏体不锈钢构成。尤其是，外壳(5)的外表面在加热管的使用过程中易受应力腐蚀。在本发明中，所述方法包括热处理步骤，优选使用感应加热，其中热处理外壳的外表面，从而至少使外壳表面上的材料再结晶。

Description

用于核反应堆主要冷却***的增压器的加热管的处理
技术领域
本发明涉及用于压水核反应堆主要冷却***的增压器的加热管。
背景技术
用于主要冷却***的增压器的加热管，通常包括外金属壳，其具有伸长的圆柱形状(例如直径约为22mm长约为2m)，称为“外壳”，以及安装在外壳内的加热器。
如文献FR-2895206所述，此类管安装在增压器的下半部分，并浸没在包含增压器的主要冷却***的水中。它们用于提高主要冷却***的操作压力。因此，可以理解，管在使用中承受着载荷，尤其是热应力，当结合下面将详述的加工硬化应力时，该热应力可能会导致应力腐蚀。
问题提出
事故显示，现有技术中的加热管可能发生泄漏，特别是管的外壳可能破裂，从而导致管的内部对增压器内的水开放。这可能进一步导致管的加热器的损坏、管的操作的失败，甚至增压器内的压力水通过管的内部空间泄漏到增压器外。
因此，希望寻求一种解决方案，以限制特别是由于外壳承受应力腐蚀而导致的外壳破裂的风险。
上面提到的文献FR-2895206提出了一种解决方案，旨在使用电解在外壳的外表面上沉积保护性的镍镀层。然而，增加材料的方案导致管的几何尺寸的变化，尤其是会增加直径。另外，该方案也不完全是安全的，因为不能排除在碰撞或摩擦的影响下镍层剥落的风险。一旦增加了直径，则该方案就不能用于已经制造好的加热管，因为这样就可能不再与支架的尺寸相匹配。此外，实施起来也很漫长。
本发明的目的是改善上述情况。
发明内容
为了这个目的，本发明提出一种管的处理方法，以减少上述破裂的风险。本发明提出的处理方法一般是管的热处理，用于至少使外壳的外表面再结晶。
因此，本发明涉及用于核反应堆主要冷却***的增压器的加热管的热处理方法。该加热管包括安装在大体圆柱形外壳中的加热器。该外壳包括在管的使用过程中，至少部分易受应力腐蚀的外表面。
尤其是，作为外壳包括钢类材料，例如加工硬化的奥氏体不锈钢，本发明的方法包括至少在外壳的外表面的热处理步骤，以便于至少使外壳表面上的材料再结晶。
因此，相比于现有技术中的管，再结晶的材料不会受应力腐蚀现象的影响，不会损坏，这就消除了破裂的风险并最终延长了管的寿命。
优选的，热处理使用从外壳的外表面开始施加的感应加热。
尤其是，设想的热处理包括将外壳的外表面的温度升高到包括在800℃到1100℃的范围内，并且优选为900℃到1050℃之间，或者950℃到1050℃之间，例如960℃、970℃或者甚至1000℃。
通过实行使用感应加热的热处理，有利于将由该热处理导致的加热器的温度升高限制在900℃的最大值内，从而保持加热器的电阻和绝缘性能。
在下面详细讨论的实施例中，使用感应加热的热处理包括将交流电施加于在环绕着外壳外表面的感应线圈中。交流电的频率可以选择且优选为至少100kHz。根据“集肤效应”，频率越高，使用感应加热传递到外壳上的能量就越多地集中到外壳的一小层厚度上。在本文中给出的频率值下，其中感应线圈的直径在30到50mm之间，且外壳的直径大约在20到25mm之间。
管周围设置有感应器，尤其是，所述感应器优选地至少在沿所述管的平移方向上相对于管有一段相对位移。
在一个实施例中，对于包括在1到50kW之间的感应功率，平移位移的速度包括在每分钟100mm到900mm之间。
优选地，感应器是螺线管类型的。
在一个实施例中，在外壳的外表面上可通入惰性气体，以避免热处理后的氧化。
在热处理之后，也有可能通过将流体(例如空气)吹送至外壳的外表面来实施冷却。
本发明还涉及例如由本发明方法所获得的加热管。尤其是，管的外壳至少包括外表面上的再结晶材料层，该层的厚度优选大于或约等于1mm。该层的厚度有利于包括在约为1mm和管的外壳总厚度之间，并且更确切的是，在约1.5mm到约3mm之间，例如约2mm。
“再结晶材料”是指通过实施热处理，重新将具有高硬度的晶粒剧烈变形重组，以形成具有高或中等硬度的等轴晶粒。因此，本发明的管的处理方法包括外壳的外表面硬度低于现有技术中的标准管。典型的，本发明中处理过的管的外壳的外表面上可测得的硬度值小于或等于约240维氏硬度或者甚至小于约200维氏硬度。这些硬度值分别对应于厚度大于或约等于1mm、或者约为1.5mm至2mm的再结晶材料。
如下文将介绍的，加热器最初是通过卷边安装在管的外壳上的，对外壳的外表面进行型锻，使得外壳的外表面加工硬化。如下文将看到的，本发明中加工硬化与热处理之间形成了协同效应。
在本发明的热处理之前，可以在管上观察到型锻后加工硬化的痕迹，特别是在外壳的外表面上。有利的，在本发明的处理之后，加工硬化的结果(特别是根据抗应力腐蚀性)会全部消失。
本发明的优势
因此，本发明选择的热处理优选为使用感应加热的处理，旨在促进构成外壳的材料的再结晶，特别是外壳的外表面上的材料。作为非限制性的示例，外壳的材料可以典型的是奥氏体钢(基本包括铁、16％至20％的铬、8％至14％的镍、以及碳(小于1％)和可选的钼、铌或钛)。
事实上，可以观察到，管的外壳受腐蚀的风险可以与其通过型锻而导致材料实质上加工硬化的制造方法联系起来，特别是在外壳的外表面上。图3表示管的外壳的表面SUR的放大图，其特别示出了靠近外壳的外表面SUR的加工硬化晶粒。
第一个理由是，原则上，使用感应加热的热处理是有利的，因为首先这会促进温度升高，特别是在使用感应加热处理的材料的外表面上。
使用感应加热的处理也是有利的至少因为第二个理由：整个热处理(在大约1050℃，其用于使管的外壳再结晶)可能导致管的电学性能的恶化，特别是安装在外壳内部的加热器。因此，在本发明的一个实施例中，优选的是，仅对管进行表面热处理，可选的是，特别对外壳进行热处理。因此，使用感应加热进行热处理是合适的。当加热器的温度在900℃以上时，实际上可能会发生电学性能的恶化。
因此，使用感应加热的处理，特别是在外壳的表面上进行的，可以改善外壳表面的形态缺陷(显著的塑化、位错和局部应力)，特别是与管的加工过程中外壳的加工硬化相关的形态缺陷。
另外，当采用环绕着管的螺线管进行热处理时，可以实现再结晶热处理，而不会产生任何热处理的中断。
轴向上，连续且有规律的热处理可以通过感应器内管的连续且有规律的位移来获得，反之亦然。
径向上，热处理在整个外壳的周围同时以大体相同的强度进行，从而在再结晶处理过程中形成径向应力不均的风险也较低。
尤其是，在管的加工过程中由于外壳的加工硬化而产生的应力在整个管的周围被均匀地吸收。
在表面热处理过程中，如果外壳在再结晶处理中一些区域在更小的范围内承受了更显著的加工硬化，而管的外壳的其他区域则承受较为不显著的加工硬化，就会产生应力不均。径向应力不均使得管的一侧形成应力较高的区域，而在管的另一侧则形成应力较低的区域，这样会导致管的弯曲。
另外，加工硬化的钢再结晶所需的能量(其温度)比未经加工硬化的钢要少。例如，未经加工硬化的钢从1050℃开始再结晶，而同样的表面加工硬化的钢只需更小的温度升高，例如960℃，还考虑到所述钢的表面不是全部都加工硬化，且在外壳的整个层的厚度上加工硬化是不均匀的。这就有可能降低外壳再结晶所需的温度，从而也降低了外壳内部的加热器所必须承受的温度。
使用包括在900℃到1050℃之间的表面温度，更确切的在950℃到1050℃之间，例如960℃、970℃或者甚至1000℃，这就使得当外壳的表面的一些区域较其他区域加工硬化不显著时，可以确保表面再结晶。尤其是，这些表面温度使得比起外表面加工硬化较不显著的外壳区域也可以再结晶，例如靠近中心的区域。
如上所述，本发明中的加工硬化与热处理之间有协同效应。尤其是，最初提出的加工硬化有可能降低处理所需的温度。另外，根据本发明的热处理有可能克服管在加工中由于加工硬化所产生的缺陷。根据本发明的热处理可以吸收外壳中的大部分应力，包括由加工硬化产生的残余应力和存在于外表面之下外壳内部深处的应力。
当沿着大约为上述层的厚度进行再结晶热处理时，特别是约1.5mm或约2mm的厚度，外壳的大部分厚度都被处理了，从而管在加工过程中由于加工硬化在外壳上产生的大部分应力都被吸收了。因此，外壳的外表面在外壳内部更深的那部分层上承受的应力极小。
通过吸收外壳上由于加工硬化所产生的应力，根据本发明的方法可以将整个管中所存在的应力值降低到约100MPa之下，或者甚至约80MPa以下。因此，整个管中所存在的应力明显小于应力极限值，超过该应力极限值就会在使用中产生应力腐蚀，即对于由奥氏体钢制成的具有外壳的管来说，应力范围大约在300MPa到400MPa。
附图说明
本发明的其它特征和优势将在以下结合附图的非限制性的实施例的具体描述中变得更加明显，其中：
-图1是管的剖视图，特别示出了本发明的管的内部；
-图2是图1具有多个不同点的具体视图，在这些点上，与使用感应加热的处理相关的各点处的温度都是根据图4和5估算的；
-图3示出了管的外壳表面的显微视图；
-图4是在使用300kHz频率、双线圈2000安培感应器感应加热、停止加热4.6秒不保温的处理条件下，在管的不同点(具体如图2所示)根据时间所估算的温度曲线图；
-图5是在使用200kHz频率、双线圈3000安培感应器感应加热、不保温的处理条件下，在管的不同点(具体如图2所示)所估算的温度曲线图；
-图6是执行本方法的装置的示意图。
具体实施方式
首先，参照图1，其示出了待浸没在增压器中的管的一部分。在这种情况下，其包括由不锈钢制成的圆柱形外壳5。因此，可以理解，本发明的方法可以适用于任何外壳由常规“不锈钢”(无需特别限定所述钢的合金成分)制造的管。
管的中央包括芯棒2，其通常由铜制成，在外壳5的内部，沿着外壳的中心轴线，还具有绕芯棒2螺旋环绕并插在芯棒2和外壳5之间的电热丝1。该电热丝构成上述发明内容部分所提到的加热器。
电热丝1包括电导电阻金属芯部3，例如由铜或镍铬合金制成。芯部3周围包覆有由钢6(具体见图2)构成的保护性的金属层。层6通过绝缘体4例如氧化镁(MgO)与芯部3电隔离。连续翻转地环绕在芯部2上的电热丝1用于连接到一个连接器上，该连接器与在导线1中产生电流的发电机连接。文献FR-2895206中具体介绍了此类加热管的连接及其在核反应堆主要冷却***中的使用。
现在参照图2，在一个非限定性的实施例中，外壳5的厚度(点A与C之间)是2.45mm。电热丝1的保护层6的厚度是0.5mm(图2中的点C与D之间)。氧化镁线4的厚度是0.4mm(图2中的点D与E之间)。因此，可以理解，图1与2中并没有必要按比例表示。最终，电热丝的导电芯部3的直径大约是1.5mm(点E与F之间)。
另外，被外壳5包围的元件根据步骤被卷曲到外壳内部，该步骤通过型锻来收缩外壳，这会产生易于影响抗应力腐蚀性的机械应力。在收缩之后，外壳5与加热元件的线圈1紧密接触，具体如图2所示。
根据所实施的第一系列测试，为了实现再结晶，谋求外壳5的外表面的温度升高大约在1050℃。参照图4，估算出外壳的外表面(曲线A)呈现出的温度升高的峰值为1050℃，以此来促进再结晶。在点J处，相应于感应(在使用感应加热的处理中已知的“集肤效应”)获得约83％的能量，温度升高大约是1000℃。曲线B具体表示距外壳的外表面(图2中的点B)1.5mm处的温度曲线图。很明显，当温度升高到900℃时，就已经可以在外壳的材料中进行再结晶。因此，所述第一系列的测试可以实现几乎整个外壳的再结晶，包括其体积。然而，可以发现，在标记为E的曲线上，电热丝的芯部3的温度没有超过800℃，使得电热丝的芯部3有可能保持其导电性能，从而确保本发明的处理不会在管上产生任何损坏。
整体上来说，外壳的外表面的温度升高在800℃到1100℃之间，并且优选的在900℃到1050℃之间，这是足以使外壳的材料充分进行再结晶的温度范围。为了确保电热丝的芯部3的温度升高较小，氧化镁4的温度升高最大限制在850℃(图2中的点D)。
考虑到上述限制，有利的是系列感应参数至少选自下列：
-流过感应器(参考图6中的IND)线圈中的交流电的频率f(Hz)，可以理解，所述频率越高，限定在外壳5表面上(通过集肤效应)所感应的能量就越大，
-功率P(W)或者等同为与所选择的频率对应的电流安培数，
-热处理操作的持续时间，在图6的示例中，以感应器IND与管的外壳5的相对位移的速度V(mm/min)来表示。
当然，感应器相对管的速度越低，温度升高越快。
图5由此示出了这些不同的效应，其示出对移动速度更高但能量密度也更高的温度升高的估算。值得注意的是，电热丝的保护层与氧化镁(点D)之间的界面承受的温度升高要低于750℃。
根据实施的系列测试，可以得知提供的交流电的频率优选大于150kHz，以便保护氧化镁4和/或电热丝1的导电芯部3，并将温度升高的阈值限定在800℃至900℃之间。所提供的功率可以在1到50kW之间。感应器IND与管的相对移动速度可以在100到900mm/min的范围内。在这些条件下，优选的是，提供内径为30到50mm的螺线管感应器，可以理解，在所给出的实施例中，管的直径是22mm。
优选的，如图6所示，在热处理过程中，为了使外壳的热处理均匀，管是环绕其中心轴线旋转的(箭头R)。
当然，使用感应加热处理的各项参数，例如尤其是频率、功率以及移动速度，在图6所示的处理装置中可以根据构成管的元件的具体尺寸、根据其材质或者其它限制来进行调节。通常，可以理解，为了在管的外壳的外表面上产生感应电流，使用感应加热的处理中寻求的效应是产生交变磁场(使用感应器中的交变电流)。所述感应电流立刻对产生该电流的区域进行加热。另一方面，管的内部元件，例如外壳的内表面，以及特别是电热丝1和芯棒2，原则上仅通过热传导(如图4和5中清晰可见的曲线E到I)进行加热。因此，可以理解，处理的厚度基本上是所选择的频率值(对应于集肤效应)和处理时间的函数，或者等同为感应器相对管的移动速度(通过热传导)。
然后，至少在管的外壳5的外表面上实现再结晶。再结晶可具体从当再结晶时材料***的现象中看出。典型的是，可以通过对采用本发明的方法进行处理过的管的外壳5的外表面上使用5kg压力的圆锥形金刚石进行穿透测试，来测得小于或等于约240维氏硬度的硬度。再结晶外壳的厚度至少为1mm。
因此，可以理解，在处理的管上追踪本发明的方法包括测量小于或等于约240维氏硬度的硬度，例如距离管的外壳5的外表面至少1mm的厚度处。
图6示出了在使用感应加热的处理后，立即向管上吹送B流体。确实，为了降低构成管的元件的温度，在外壳再结晶后，可以进行冷却处理(例如通过空气)。这样在曲线的端部温度会降低，如图4和5所示。
该管也可以安装用于供给惰性气体(例如氩气、氦气或者氮气)的包裹装置(围绕管的石英套筒)来避免氧化(在温度升高之后的)。所述供给惰性气体(图6中未示出)的包裹装置可以在图中的感应器IND与吹风装置B之间起作用。
在一种变型实施例中，热处理可以在充满惰性气体的腔体中进行，以避免外壳的表面氧化。
另外，本发明不限于上述给出的实施例，它可以衍生到其它的变型中。
因此，可以简单地去除图6中用于冷却管的吹风装置B。
另外，将惰性气体应用于外壳上也是可选的。由于处理的持续时间短暂，也限制了可能产生的管的氧化。可以注意到，至多外壳5的外表面稍微有点发蓝。所述氧化可以简单地通过最终的酸洗步骤(在管的常规加工方法中已经规划并实施)来去除。在所述的酸洗步骤中，使用感应加热进行处理形成的薄氧化层被去除，从而可以避免供给惰性气体的吹送或避免在如上所述的惰性气体腔中实施热处理。
另外，如上所述，图4和5中给出的示例的温度升高值可以有各种变化。通常，假设，由于外壳的再结晶可以在800℃至1100℃之间进行，使用感应加热的处理条件旨在相应地提高外壳的外表面的温度，同时将电热丝的温度升高限制在最高约900℃。另外，优选的是，外壳的外表面的温度升高不超过阈值，例如1100℃以上，或者热处理的持续时间也可以限定在一个阈值，以便不会催生所谓的“二次再结晶”。总的来说，二次再结晶是因为晶粒的尺寸不均匀，从而使材料变弱。
另外，如上所述，如果外壳的外表面整体都加工硬化了，外壳的外表面的最大温升(图4或5中曲线A的峰值)可以降到1000℃以下，例如960℃。
更普遍的是，通过上述示例介绍了使用感应加热的热处理，但是本发明可以使用能选择性地限制主要是管的外壳的温度升高的任何类型的热处理，例如通过激光扫描或外壳表面的环形焊枪来加热也可以列入考虑范围。采用环形焊枪的处理，使热处理与采用圆柱形螺线管处理具有同样的优点，因此特别有利。

Claims (15)

1.加热管的处理方法，其中所述加热管用于核反应堆的主要冷却***的增压器中，所述加热管包括安装在大体圆柱形外壳(5)中的加热器(1)，所述外壳包括在管的使用过程中，至少部分易受应力腐蚀的外表面，所述外壳包括钢类材料，其特征在于，所述方法包括至少在所述外壳的外表面的热处理步骤，用于至少使在所述外壳的表面上的材料再结晶。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热处理使用从所述外壳的外表面开始施加的感应加热。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述热处理包括将所述外壳的外表面的温度升高到包括在900℃至1050℃的范围内。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，由所述热处理导致的所述加热器的温度升高限定在900℃的最大值内。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，使用感应加热的再结晶处理中施加于感应线圈的交流电频率至少是100kHz，对于环绕着所述外壳的外表面的直径在30到50mm之间的线圈，所述外壳的直径在大约20至25mm之间。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述管周围设置有感应器(IND)，并且所述感应器至少在沿所述管的平移方向上相对于所述管有一段相对位移。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，对于包括在1到50kW之间的感应功率，平移位移的速度包括在每分钟100到900mm之间。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述热处理使用设置在所述管周围的螺线管类型的感应器(IND)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，还包括在所述外壳的外表面上通入惰性气体，以避免所述热处理后的氧化。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，还包括在所述热处理之后，将流体吹送至(B)所述外壳的外表面上的冷却步骤。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述热处理步骤之前，在所述外壳的外表面上至少有加工硬化的痕迹。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述外壳的材料是加工硬化的奥氏体不锈钢类型。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法生产的加热管，其特征在于：所述管的所述外壳(5)在其外表面上至少包括再结晶材料层。
14.根据权利要求13所述的管，其特征在于，所述层的厚度大于或约等于1mm。
15.根据权利要求13或14所述的管，其特征在于，所述管具有小于或等于约240维氏硬度的硬度。
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