CN1198575A - 核反应堆燃料组件导向管及其制造方法 - Google Patents

核反应堆燃料组件导向管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

管坯(22)在周期式轧管机的芯棒(14)上轧制。在第一步轧制阶段,第一段坯料(22)在芯棒(14)的第一段(18、19)上轧制,使管坯(22)的外径减小到导向管的外径,以及坯料(22)的壁厚减小到第一个壁厚(e2)和大于第一个壁厚的第二个壁厚(e2)中的某一个,芯棒(14)沿轴向前进,第二段坯料在轴向离开第一段的第二段芯棒(20、21)上轧制,使管坯的外径减小到导向管的外径,以及坯料(22)的壁厚减小到第一个壁厚(e1)和第二个壁厚(e2)中的另一个。

Description

核反应堆燃料组件导向管 及其制造方法
本发明关于核反应堆燃料组件导向管的制造方法，制造导向管的芯棒以及所得到的导向管。
燃料组件，特别是水冷核反应堆燃料组件，通常包括一个维持燃料棒束互相平行的***式框架，特别是该框架包括设计成平行于棒束的导向管，该棒束不仅构成框架的结构元件而且是引导用于调节核反应堆堆芯反应性的吸收棒和控制棒的元件，并列的燃料组件构成了核反应堆。燃料组件在核反应堆堆芯中呈竖向位置，即棒束组件和导向管是竖向位置，引导核反应堆控制棒束中吸收棒的导向管，有一端部用作在堆芯中所使用的燃料组件导向管的下端部，其直径变小或截面的变窄，其目的是在计划停止或事故停止核反应堆而要求落下控制棒的情况下，形成反应堆控制棒中吸收棒的急停区或减速区，通过对在控制棒的吸收棒和直径变小的导向管下端部之间的反应堆冷却介质的节流，急停控制棒的这种设备靠被称之为阻尼效应的急停效应而动作。
燃料组件导向管的下端部在落下控制棒时、特别是在直径变小的区域，由于对与燃料组件导向管内壁相接触的冷却介质的压缩应力很高。当整个管长的壁厚基本不变，颈缩管子来实现减少导向管下部直径时，在核反应堆运行的过渡期间，冷却介质可能会使组件稍稍抬起，而且燃料组件下降时的惯性力可能会引起形成管子薄弱部分的直径变小的部分导向管的弯曲和/或扭曲。
因此有人建议使用下端部或底部经过加强的导向管，这样以承受控制棒下落引起的且发生在过渡期间过程中的应力。第一个解决办法可能包括采用与导向管同轴的套管衬住且两头焊到导向管上的办法来加强导向管的下部。然而，锆合金导向管加强段的焊接会引起残余应力，会减小导向管的机械阻力和防腐能力。还有，在两根管子的组装段上可能会出现对中方面的缺陷。
因此FR-A-2714516中建议生产强化底部的整件导向管。除了将导向管固定到燃料组件终端元件的端部区域外，导向管筒体外表面直径基本不变，长度在整个管长的10％到30％之间管子下部的管壁厚增大。
生产且制得一种壁厚基本相同的管坯，在70％～90％之间的长度上将该壁厚减小，同时保持其内径不变。然后将保持着其原壁厚的坯料部分向内加厚以形成具有恒定外径的管子。这种壁厚的减小和加厚可以采用转锻操作实现。
这种获得锆合金导向管的方法，可以看出实施起来是难以处理的。
还有，在称之为主体或本体部分的、通过减小坯料厚度而得到的具有第一个壁厚的管段和向内加粗的第二个管段之间，有一个内表面呈圆锥、其锥顶角约10°的过渡区。导向管内筒体表面出现的这种不连续可能会降低吸收棒的引导质量且限制了控制棒的落下速度。甚至，该过渡区可能是导向管的薄弱区。
就制造核反应堆燃料棒组件的锆合金保护管而言，通常的方法是在周期式或皮尔格轧制机上轧制形成一根管坯。经过几次连续的轧制操作，能轧制得到具有最终尺寸的保护管。
该方法也可以用于锆合金导向管的成形。
然而，这种方法在这以前从来没有用于制造圆筒形的具有相同直径外表面的导向管，该导向管的本体或主体部分具有第一个厚度、且导向管下端部具有的第二个厚度比主体部分的壁厚大。
本发明的目的是提供一种制造核反应堆燃料组件导向管的方法，该导向管外径基本相同，而且至少包括一个具有第一个壁厚的主体部分，以及在导向管的部分长度上具有比上述第一个壁厚要大的第二个壁厚的加强段。该方法包括在一种周期式轧制机的芯棒上轧制管坯。
为此，该方法进一步包括：
第一步，在芯棒的第一段上轧制坯料的第一段，将坯料的外径减小到导向管的外径且将坯料的壁厚减小到上述第一个壁厚和第二个壁厚中的一个壁厚；
在坯料的轴向上移动芯棒；
第二步，在芯棒的轴向上离开上述第一段位置的第二段芯棒上轧制第二段坯料，将坯料的外径减小到导向管的外径，而且将坯料的壁厚减小到上述第一个壁厚和第二个壁厚的另一个壁厚。
为了解释本发明，通过附图借助于一个非限制性的示例，将描述本发明的方法、用于实施该方法的锻造芯棒以及所得到的导向管。
图中，
图1是根据已有技术，将强化的底部制成一体的导向管轴向剖面图。
图2是在管坯轧制过程中周期式轧管机械的立面和剖面视图。
图3是本发明的制造导向管的方法中所用的模锻芯棒的侧立面视图。
图4A和4B是根据本发明的导向管制造方法的两个阶段，芯棒和管坯在管坯的制造过程中的侧立面视图，只示出了部分断面。
图5是根据本发明在导向管制造过程中于周期式轧管机械输出端处所制成的产品的轴向剖面视图；
图6是对制得导向管进行切割操作过程中，在周期式轧制机械输出端处所轧成的产品的轴向剖面视图。
图1中所示的是用总标号1表示的压水核反应堆燃料组件的导向管。导向管1是锆合金的且具有圆筒形外表面，其直径沿管道长度方向是相同的，带承插口和例如带丝锥内孔的管道上部2除外。该管道的上部，可选用能拆卸的固定设备，将导向管固定在燃料组件的上端构件中。导向管1进一步还包括带内攻丝的下端，通过它导向管可以固定到燃料组件的下端构件上。
导向管1包括主要或主体部分1a和下端部1b，它们的不同在于主体部分1a具有第一个壁厚e1，而下端部1b具有的第二个壁厚e2，比壁厚e1要大，因此1b段形成导向管的加强段。
有时候，导向管可以包括在两个主体之间的壁厚增加的加强段，以取代强化的端部。主体部分的壁厚小于加强段。
导向管的外径是不变的，导向管主体部分的外径等于被加强的部分1b的外径。
因此，主体部分1a的管内径大于1b部分的管内径，且在部位1a和1b之间有一过渡区1c。在过渡区1c，导向管的内表面形成一圆锥或锥顶角约10°的圆锥倒角。
导向管下端壁上可以有象3一样的通孔，在导向管引导吸收棒掉下时，它能限制住导向管下部反应堆冷却剂的超压，棒束的掉下会导致吸收棒受到进一步的阻碍。
在控制棒束中的吸收棒落下时以及在核反应堆过渡期，导向管下端部1b中导向管壁经增加的厚度e2使导向管下部得到加强，因此避免了由于超压效应引起的下部损坏。然而，就在导向管中引导吸收棒而言，中间区1c的存在，其内壁具有的圆锥形或圆锥倒角产生一种不连续。甚至，中间区可能是导向管的薄弱区。
而且，为了制造如图1所示的管子，必须使用一种制造工艺如旋转锤锻，以减少导向管主体部位的壁厚，也即沿导向管主体部位的长度方向，然后向内镦粗导向管下部的壁厚。
这种制造方法是难于执行的且要求相当长的操作时间。
本发明的方法使用周期式或皮尔格轧机的轧制技术，能够制造整体管且该管具有加强段。
图2中简要示出了一种周期式轧管机从管坯加工导向管的主要部件。
以总标号5表示的周期式轧管机主要包括用花键套装能够绕其轴转动的第一个模具6a和第二个模具6b，以及具有对称回转形的一只芯轴7。
模具6a和6b以可移动的套装方式借助于其各自的轴8a和8b可转动地连接于驱动设备以便能在心轴7的轴向上以恒定的幅度朝一个方向或另一个方向移动，如双向箭头9所示。
每个模具6a和6b包括相应的周边处的称之为模槽的沟槽10a或10b，在模具的径向上沟槽的剖面形状接近于半圆形。
模具6a和6b的沟槽10a和10b的剖面尺寸沿沟槽周边连续变化，在沟槽的进口部位具有最大尺寸而在沟槽的出口部分具有最小尺寸。
在以双向箭头9简要表示的往复位移时，由于套筒在一个方向或另一方向上的这种位移，模具6a和6b受驱动绕各自的轴在一个或另一个方向上转动。
如图2所示的周期式轧管机实施其轧制管坯壁功能时，使管坯贴合住芯棒以这种方式来逐步减少坯料的直径和壁厚，且在轧机的输出端获得管12的直径和壁厚都小于管坯11的直径和壁厚。由于轧制，管坯11在轴向上可以被延长很多。
贴住芯棒7的管坯11与棒13连接，该棒使芯棒7作直线移动或绕其轴转动。
周期式轧管机5进一步包括一只拖架(未示出)，用夹具将其固定到管坯11上。在周期式轧管机完成每道工序之后，拖架使坯料在轧制方向上前行。在每道轧制工序完成之后，使坯料前行的设备还能使坯料绕其轴线转动。
芯棒7包括第一级圆筒段7a，其直径小于管坯11的内径，第二级回转对称段7b，其子午向曲线基本是抛物线型的，以及稍微呈圆锥形或锥形段7c，其直径是要制造的管子最终的内径或接近于该最终内径。
模具6a和6b位于芯棒7的相对侧，在轧制过程中管坯11和管子12与之贴合，这样在模具轴向移动和转动时，槽10a和10b构成一个近乎于圆形截面的锻管表面。由于槽10a和10b的断面尺寸沿模具的外周边连续变化，在外罩和模具位移时，管子自身的筒形面的尺寸在最大尺寸和最小尺寸之间变化。
外罩在轴向上沿减少管坯的7b区和标定管道12的7c区移动，其幅度基本上对应于芯棒的长度，管坯11的直径和壁厚被逐步减小到管12的管径和壁厚值。
在轧制外罩每一次移动之后，坯料在轴向上沿芯棒以一定幅度推进，然后将坯料绕其轴线转过一定角度，同时用棒13将芯棒也绕其轴转动。
轧制基本上可以连续地进行，依次一个接一个地将坯料啮合在棒13和棒芯7上，然后在轧制机的输出端接取管子12。
刚刚描述过的周期式轧管机，可以用在下端部相对于主体部分的壁厚具有增大了壁厚的导向管的制造上。
根据本发明，实施该方法制造导向管时，使用了一种包括一个如图3所示的具有特殊形状的芯棒的周期式或皮尔格轧管机。
具有对称回转体形状的芯棒14包括一螺纹端15，它将芯棒与支持驱动杆相连。在轴向16上紧接着螺纹段的芯棒包括第一级圆筒段17，其直径小于锻制导向管所用的起始坯料的内径；第一段18，它包括截面逐渐减小的对称回转体，且其轮廓线具有抛物线型或接近于抛物线；以及第三级稍微呈锥体或锥形的段部21，其直径约等于要制造的导向管加强的下端部的内径。
因此，芯棒14包括几个轴向上连续的锻制段，它构成不同的导向管锻制阶段。
在分别用图4A和4B表示的以这个顺序或相反的顺序实施的两个连续阶段的过程中，此阶梯式锻造芯棒被用于制造导向管，该顺序可能根据管坯的连续段来进行以一步操作制造轧制的产品，通过切割该产品可以得到几个带加强段的导向管。
图4A所示的是管状坯料22在第一个周期式轧制阶段的过程中的芯棒，该管坯的直径和壁厚大于要制造的导向管的直径和壁厚。
周期式轧管机包括2个模具10a和10b，它们和图2中所示的周期式轧管机5的情形中所描述的模具相似。
用作实施本发明方法的如图4A和4B所示的周期式轧管机，与图2中所示的传统型的周期式轧管机的不同之处只在于使用阶梯式芯棒14和芯棒轴向位移的机械化。
安装在支持罩中自由转动的模具10a和10b可以在芯棒14的轴向16上位移，从而使坯料22的直径和壁厚得以减少。
由预加工和预成形操作而得到的坯料22，其加工本身亦可包括周期式轧制操作。
管坯22的内径稍大于芯棒14的圆筒段17的外径，且其壁厚比最大壁厚处的下端部导向管壁厚还要大。
如图4A中所见到的那样，在实施周期式轧制的第一个轧制阶段，芯棒14的设置是这样的，即安装在轧机支持罩中的能转动的模具10a和10b沿芯棒14的18段和19段以往复运动的方式设置。
这样，在轧管机输出端，也即在芯棒14的19区下游侧得到的管状产品24的内径和外径等于要制造的导向管主体部分的内径和外径。特别是，芯棒14的19段构成标定产品24的一个部分，这样其内径具有制造导向管所要求内径的精确尺寸。
模具10a和10b的尺寸和布置是这样的，即在轧机输出端处的产品24的外径将十分精确地与所制造的导向管所要求的外径相对应。
通过进行几道连续轧制工序来完成第一步轧制阶段，在轧制工序之间，模具22向前推行且绕其轴转动，在该连续轧制工序之间，芯棒14也被转过一定角度。
与周期式轧管机相关的一种编程设备可以能精确地决定在轧管机输出端处得到的产品24的长度。当在轧管机输出端处得到事先确定的长度的产品时，编程设备发出一个使芯棒14轴向位移的信号，以及可能的使轧机停止工作的信号。
如图4B所示的第二步轧制阶段，是在将芯棒14沿轴向朝周期式轧管机的上游端移动之后才真正实施，移动是为了将芯棒的20和21段放在轧机的工作区，即放在模具10a和10b的位移区。
将芯棒14从图4A中所示的进行第一步轧制阶段的位置移动到图4B中所示的进行第二步轧制阶段的位置是在将周期式轧制操作停止之后完成的，此时安装有模具10a和10b的支持罩是静止的，或者不停止轧制，这时安装有模具10a和10b的支持罩是运动的。
在第二步轧制阶段，轧机支持罩使转动的模具沿轴向移动，以这种方式减小坯料的尺寸从而在轧机输出端，即在芯棒的段21的下游侧获得轧制后的管状产品25，由段21标定的该产品的内径等于所制造的导向管下部加强区要求的内径。
产品25的外径等于在第一步轧制阶段得到的产品24的外径，因为事实上所用的模具10a和10b和第一步轧制阶段所用的模具是一样的。
通常，芯棒14必须包括一个第一段，其断面直径沿轴向从小于坯料内径的某一值减小到所要制造的管子的主要部位的内径，以及一个第二段，其断面直径沿芯棒轴向从与要制造的管子主体部位的内径相等的某一值减小到与要制造的管子下端部的内径相等的某一值。
在轧机输出端处的产品25的壁厚与要制得的导向管下端部的壁厚非常精确地相一致。同上面一样，一旦在轧机的输出端得到预定长度的产品25时，编程设备使第二步轧制阶段停止。然后将芯棒从第二位置移到第一位置。
就完整地轧制一根坯料22而言，第一步轧制阶段，芯棒的第一道位移，第二步轧制阶段，芯棒的第二道位移可以根据需要重复进行许多次。而且，显然可以将第一步轧制阶段和第二步轧制阶段倒过来。
这样在周期式轧管机输出端处获得的轧制过的管状产品包括连续段24，其内径和壁厚等于要制造的导向管主要部分的内径和壁厚；和25，其内径和壁厚等于要制造的导向管下端部的直径和壁厚。
图5中所示的是在轧机输出端获得的这种产品，图中厚度之差被放大许多。
就压水核反应堆燃料组件导向管制造而言，导向管主体部分24的壁厚e1可以为0.5mm，导向管经加强的下端部壁厚e2为1.2mm级。
根据用周期式轧管机的本发明的制造方法，该制造方法可以在主体部分和加强段之间获得一个长度l为180mm级的过渡区。任何时候，该过渡区的长度都大于100mm。由于导向管本身有12.5mm级的直径，相应地在主体部分和加强段之间导向管的内径是逐渐变化的。在管子内表面的不同直径段之间的过渡区不同于倒角，这一点构成本发明的导向管与现有技术的导向管之间的不同。
还有，连续的锻管方法能得到无缺陷金属过渡区，所以该过渡区不会形成管子的薄弱区。
如图6中所示，在轧管机的输出端处得到的且包括有不同壁厚的连续区24和25的管状产品26具有相同的外径。
另外，锻造时24和25区段的长度选择是根据这样的方式，即在一定的区域内切割或分断管子26，以提供若干导向管27，每个导向管包括具有所要求长度和壁厚的一个主体部分27a和经加强的下端部27b。最好，区段24和25的长度分别约等于要生产导向管的二倍的主体部分的长度和二倍的加强段的长度。
工具29必须连续进行切割锻造后的管状产品26，所沿的切割线28的位置根据使用一种设备精确地确定在管状产品26不同厚度的段之间的过渡区27的位置来获得。连接到180mm长的过渡区27c上的管状产品的区25的端部被精确地确定。沿过渡区壁厚从第一个壁厚e1变化为第2个壁厚e2。使用空气表30可以得到区25的端部和区27c的精确位置，空气表包括一个管道31，它轴向啮合在管状产品26内且在管道端部包括一个管嘴32。可以由空气表30确定的经过管嘴32的空气流动特性很精确地决定厚度为e2的区25的端部以及不同厚度的管状产品的段之间的过渡区27c的位置。
由切割片制成的切割工具29放在距沿线28割管所在的位置一定距离处。
切割工具29可能是一种飞轮切割设备，它与管状产品26在轧管机输出端处同步移动。
也可以用包在管子周围且构成一只涡流传感器的线圈33，来确定区25的端部和过渡区27的位置。
通过对轧制后的管状产品26的连续区25和过渡区27c的端部定位，可以将连续的管状产品26制成的导向管27，27’，27”切割开来。
可以想象，坯料和周期式轧管操作允许从经过周期式轧制机轧制后的每根坯料22中得到4m级长度的4-5根导向管。
也可以使用一飞轮或移动切割设备，它根据轧制阶段之间，经一定时间延迟的芯棒的前送和后撤而动作，或者由如前所述的设备来确定过渡区的端部，在轧机的输出端和轧制操作过程中将轧制后的产品切割成导向管。通过过渡区的精确定位和在轧制输出端处用飞轮切割设备切割导向管，可以避免轧制后的产品不同壁厚的连续区24和25出现不期望的长度变化，以及可用简单切割的方法获得导向管。
通常，壁厚大于导向管主体段壁厚的下端区管的长度占导向管总长的10-30％。
本发明采用一种容易实现自动化且导致很高生产率的轧制方法，能够获得如在下端部得到加强的整段导向管。
必须看到：本发明的范围不仅限于所述的实施例。
因此，实施周期式轧制的芯棒也可以有不同于所述的形状。
本方法也可以用在制造锆合金之外的材料所制造的导向管。
总之，本发明适用于制造因阻尼效应而使控制棒移动减慢的任何形式的燃料组件导向管。

Claims (11)

1.制造核反应堆燃料组件导向管的方法，该导向管的外径基本相同，而且至少包括一个具有第一个壁厚的主体部分，以及在导向管的部分长度上的加强段，该加强段具有比上述第一个壁厚要大的第二个壁厚，该方法包括在一种周期式轧管机的芯棒上轧制管坯，其特征在于上述方法进一步包括：
第一步，在芯棒的第一段上轧制坯料的第一段，将坯料的外径减小到导向管的外径，且将坯料的壁厚减小到上述第一个壁厚和第二个壁厚中的二个壁厚；
在坯料的轴向上移动芯棒；和
第二步，在芯棒的轴向离开上述第一段位置的第二段芯棒上轧制第二段坯料，将坯料的外径减小到导向管的外径，而且将坯料的壁厚减小到上述第一个壁厚和第二个壁厚的另一个壁厚。
2.根据权利要求1的方法，包括沿同一根管坯的长度方向重复和连续地进行第一步轧制阶段，芯棒的第一个中间过程位移，第二步轧制阶段和在与第一个位移相反方向上的芯棒的第二次位移，在第一个位置和第二个位置之间沿轴向进行的芯棒的第一次中间过程位移使得坯料的直径和壁厚分别在第一阶段和第二阶段得到减少，
在周期式轧管机的输出端得到的经轧制后的管状产品包括分别具有第一个壁厚和第二个壁厚的连续区，
在某个区域内将轧制后的管状产品切割成几段以得到几段导向管，每个管子包括具有第一个壁厚的主体部分和具有第二个壁厚大于第一个壁厚的加强段。
3.根据权利要求2的方法，其中该管子是用飞轮切割设备切割的。
4.根据权利要求2或3的方法，包括在切割轧制后的管状产品之前，将轧制后的管状产品定位在分别具有第一个壁厚和第二个壁厚的轧制后的管状产品之间的过渡段一端的位置。
5.根据权利要求4的方法，包括使用空气表确定过渡段的端部位置，该空气表用管道连接到***管状产品内的管嘴上。
6.根据权利要求4的方法，包括使用涡流传感器确定轧制后管状产品过渡段的端部位置，该涡流传感器用绕在轧制后的管状产品上的线圈制成。
7.根据权利要求1到6中任何一个的实施该方法所用的周期式轧管机的芯棒，其特征在于它沿长度方向顺次包括第一个对称回转体，其横截面直径沿芯棒的轴向从小于管坯内径的第一个值减小到等于要制造的导向管主体部分内径的值，以及第二个对称回转体，其横截面直径沿芯棒的轴向从等于导向管主体部分内径的值减小到等于导向管加强段内径的第二个值。
8.根据权利要求7的芯棒，其中芯棒的每个段顺次包括一个具有对称回转表面及子午线是抛物线型的芯棒段，以及构成标定导向管主体段和加强段的稍呈锥体的部分。
9.根据权利要求7和8的芯棒，还包括直径小于管坯内径的筒形初始段。
10.具有基本恒定外径的核反应堆燃料组件的导向管，至少包括具有第一个壁厚的主体段和具有第二个壁厚、该壁厚大于第一个壁厚的加强段，特征在于在主体段和加强段之间导向管至少包括长度大于100mm的过渡段，在过渡段导向管的壁厚在第一个壁厚和第二个壁厚之间逐步变化。
11.根据权利要求10的导向管，其中具有第二个壁厚的导向管加强段的长度在整个导向管长度的10％到30％之间。
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