DE69302308T2

DE69302308T2 - Verfahren zur Herstellung von Rohren auf Zirkoniumbasis bestehend aus Schichten unterschiedlicher Zusammensetzungen

Info

Publication number: DE69302308T2
Application number: DE69302308T
Authority: DE
Inventors: Yvon F-49070 Beaucouze Millet; Jean F-71100 Chalon/Saone Van Wittenberghe
Original assignee: Compagnie Europeenne du Zirconium Cezus SA
Current assignee: Compagnie Europeenne du Zirconium Cezus SA
Priority date: 1992-03-04
Filing date: 1993-03-01
Publication date: 1996-09-19
Anticipated expiration: 2013-03-02
Also published as: JPH0615350A; FR2688232A1; FR2688232B1; EP0559588B1; US5249730A; EP0559588A1; DE69302308D1; JPH0783895B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von aus Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung gebildeten Rohren auf Zirkoniumbasis.
Die Forschung zur Verbesserung der Eigenschaften der Hülsenmaterialien für die Nuklearindustrie führte zur Entwicklung eines neuen Produkttyps: Rohre aus zwei Schichten oder Duplex und Rohre aus drei Schichten oder Triplex.
Duplex-Rohre bestehen aus einem Kernblock aus Zircaloy 2 oder Zircaloy 4, dessen Dicke 80 bis 95 % der Gesamtdicke des Rohrs ausmacht und der außen mit einer Schicht oder Hülle aus einer Zirkoniumlegierung überzogen ist, die gegen Korrosion in Siedewasser-Kernreaktoren oder Druckwasser- Kernreaktoren widerstandsfähig ist.
Der mit seiner Hülle versehene Kernblock ist im Falle des Triplex-Rohres innen mit Zirkonium oder einer anderen Zirkoniumlegierung beschichtet, die zur Bildung einer Barriere für die Spaltprodukte im Spaltmaterial bestimmt sind, die auf den Kern aus Zircaloy versprödend wirken.
Die beiden Rohrarten werden üblicherweise als Trex-Verbände bezeichnet.

Stand der Technik

Die französische Patentschrift 2 624 136 und entsprechend die US-Patentschrift 4 981 527 beschreiben ein Verfahren zur Herstellung von Triplex-Rohren, das folgende Schritte umfaßt:
- Herstellung von drei rohrförmigen Rohlingen durch Heißverformung und ihre Bearbeitung, so daß das Montagespiel zwischen den Rohlingen in einem Bereich von 0,2 bis 0,5 mm liegt;
die Heißverformungen der zu beschichtenden Rohlinge umfassen vorteilhafterweise nach einer Grobbearbeitung ein Extrudieren im α-Bereich eines durchbohrten Knüppels oder auch ein inverses Strangpressen im α-Bereich, wobei das erste Verfahren vorzugsweise bei einem Rohling aus unlegiertem Zirkonium und das zweite Verfahren bei einem Rohling mit größerem Durchmesser angewendet wird;
- Zusammenfügung der drei Rohlinge durch Elektronenbeschuß;
- Abschrecken in Wasser der zusammengefügten Rohlinge, nachdem sie im β-Temperaturbereich, vorzugsweise in einem Bereich von 920 bis 1050 ºC, vorgeheizt wurden;
- Extrudieren der zusammengefügten Rohre im α-Bereich; und
- Kaltwalzen, zwischenzeitliche thermische Behandlung im α-Bereich und partielles Endausglühen.

Aufgabe

Nach dem oben beschriebenen Stand der Technik wird also ein inverses Strangpressen im α-Bereich eines durchbohrten Knüppels durchgeführt, um einen die Hülle bildenden Rohling mit größerem Durchmesser zu erhalten.
Im übrigen beinhalten bis heute alle vorgeschlagenen Vorgehensweisen zur Herstellung der zusammengesetzteh Rohre die Verwendung einer Hülle ohne Schweißen, so daß sichergestellt ist, daß sie eine homogene Struktur aufweist.
Denn es ist bekannt, daß die Erzeugung einer Stoßnaht zweier Bleche aus einer Zirkoniumlegierung eine wesentliche Strukturschwankung zwischen der Schweißungszone, die durch wärmeeinwirkung zur Bildung einer β-Phase führt, dem Bereich, der durch das Schweißen thermisch betroffen ist und wo die beiden α- und β-Phasen nebeneinander vorliegen, und dem übrigen Bereich, der in α-Phase verbleibt, bewirkt.
Diese heterogene Struktur bewirkt nun unvermeidlich Schwankungen in der Dicke der Hülle des fertigen Rohrs und im weiteren Verlauf Unterschiede im Verhalten während späterer Verformungen, wie auch von einem Punkt des Rohrs zum anderen schwankende metallurgische Eigenschaften und daher eine Verminderung des Korrosionswiderstandes des so fertiggestellten zusammengesetzten Rohrs in Siedewasser- oder Druckwasser-Kernreaktoren.
Man versteht indessen, daß die Verwendung rollgebogener Bleche interessanter sein kann als die Verwendung hohler Knüppel, und sel es nur, weil die Herstellung letzterer zur Bildung eines wesentlichen Anteils an Spänen bei ihrer Durchbohrung und daher zum Verlust relativ teuerer Materialien führt, deren Teilrückgewinnung die Gestehungskosten stark belastet.

Vorstellung der Erfindung

Um die durcb die Strukturheterogenität infolge des Schweißens augetretenen Schwierigkeiten zu überwinden und so zu den wirtschaftlichen Vorteilen dieser Technik zu kommen, hat die Anmelderin ein Verfahren zur Herstellung von aus Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung gebildeten Rohren auf Zirkonbasis entwickelt, bei dem man einen rohrförmigen Rohling, der zur Bildung der äußeren Schicht des Rohres oder der Hülle bestimmt ist, und einen rohrförmigen Rohling oder Kernblock kleineren Durchmessers herstellt, der eventuell innen mit einer Plattierung beschichtet ist und durch Bearbeitung einer Stange im Zustand eines hohlen Strangpreßknüppels erhalten wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Hülle durch Rollbiegen/Schweißen eines Blechs erhalten wird, das Ganze nach deren Aufschieben auf den Block an seinen Enden verschweißt, dann durch Erhitzen einer Lösungsglühbehandlung in β-Phase unterworfen, in Wasser abgeschreckt und stranggepreßt wird.
Die Erfindung lehrt also im Gegensatz zum Stand der Technik, wo der äußere Rohling durch ein Verfahren des inversen Strangpressens erhalten wird, die Verwendung eines Verfahrens des Rollbiegens/Schweißens eines Blechs.
Dieses Blech kann aus irgendeiner üblicherweise bei der Herstellung von Hüllen zusammengesetzter Rohre verwendeten Zirkoniumlegierung hergestellt werden.
Es kann durch die bekannten Mittel der Grobbearbeitung von Blöcken in Platinen !nit einer Dicke von ungefähr 100 mm erhalten werden, die bis auf eine Enddicke von ungefähr 10 mm heißgewalzt werden.
Das so erhaltene Blech wird anschließend rollgebogen, dann an seinen gegenüberliegenden Enden durch ein Verfahren, das als TIG-Verfahren bekannt ist, oder durch Elektronenbeschuß verschweißt. Nach dem Schweißen wird die innere Oberfläche des Zylinders bearbeitet und die Schweißnaht an der äußeren Mantellinie nivelliert.
Unter diesen Bedingungen wird das Ausbringen von Zirkonium deutlich verbessert.
Wie bei den anderen Verfahren zur Herstellung zusammengesetzter Rohre wird die Hülle dann senkrecht auf den gegebenenfalls beschichteten Kernblock aufgeschoben, anschließend wird das Ganze mit einem bekannten Schweißverfahren, wie beispielsweise Elektronenbeschuß, an seinen Enden verschweißt.
Das Verfahren des Rollbiegens/Schweißens wird zudem mit einer Lösungsglühbehandlung in β-Phase durch Erhitzung auf eine Temperatur von 1020 bis 1150 ºC verbunden, auf die ein Abschrecken in Wasser folgt, wodurch die Struktur einheitlich in ß gestaltet und nachfolgend eine homogene Korrosionswiderstandsfähigkeit der gesamten Oberfläche der äußeren Rohrhülle gewährleistet werden kann.
Die β-Behandlung wird während eines kurzen Zeitraums, in einem Bereich von 30 bis 180 s vorzugsweise unter Verwendung einer Vorrichtung zur Induktionsheizung durchgeführt, um eine zu große Vergrößerung des β-Korns zu vermeiden und die Oberflächenoxidation zu minimieren.
Unter diesen Bedingungen kann das Verfahren des Heißstrangpressens durchgeführt werden, ohne daß es notwendig ist, die Oxidschicht zu entfernen, wobei dieses Reinigungsverfabren dann schließlich am Ende der Heißumformung vor der Kaltumformung durchgeführt wird.
Anchließrnd ist die Vorgehensweise der Herstellung herkömmlich:
- Heißstrangpressen bei einer Temperatur von 550 bis 750 ºC entsprechend den in einem Rohling mit festgelegtem Durchmesser verwendeten Legierungsarten;
- ggf. thermische Behandlung des Rohlings entweder zum Abbau von Spannungen oder zur Rekristallisation,
- Pilgerschritt-Kaltwalzen mit, und
- Glühen im Vakuum oder unter Neutralgas.
Die beiden letzten Maßnahmen können einmal oder mehrmals wiederholt werden, bis die gewünschten Abmessungen erreicht werden.
Das erhaltene Produkt wird anschließend konditioniert und geprüft, um den Produktspezifikationen zu entsprechen (Größenspezifikationen aller Komponenten, metallurgische und Reinheits-Spezifikationen)
Durch Prüfung mit Ultraschall oder mit Wirbelströmen kann eine gleichmäßige Dicke der Komporenten des Rohrs wie auch das Fehlen von Loslösung an den Grenzflächen zwischen den verschiedenen inneren oder äußeren Schichten festgestellt werden.

Anwendungsbeispiel

Die Erfindung kann mit Hilfe des folgenden auf Triplex-Rohre bezogenen Ariwendungsbeispiels erläutert werden.
-Herstellung des äußeren Rohlings:
Es wurde ausgehend von einer Zirkoniumlegierung, die als Hauptelemente 0,5 Gew.-%- Zinn, 0,25 Gew.-% Eisen und 0,10 Gew.-% Chrom enthält, ein Block gegossen, der in eine Platine mit einer Dicke von 100 mm vorgeschmiedet und anschließend heißgewalzt wurde, bis ein Blech mit einer Enddicke von 10 mm erhalten wurde.
Dieses Blech wurde anschließend auf mechanischem Wege gereinigt und dann geätzt.
Darauf wurde es zu einem Zylinder mit einem Außendurchmesser von 168 mm und einer Länge von 430 mm gerollt und durch Elektronenbeschuß verschweißt.
Die innere Oberfläche des Zylinders wurde bis zu einem Durchmesser von 152 mm bearbeitet und die Schweißnaht wurde an der äußeren Mantellinie nivelliert.
-Herstellung des Kernblocks:
Der Kernblock besteht aus einem rohrförmigen Block aus Zircaloy 2, der innen mit von Hafnium befreitem Zirkonium beschichtet ist. Dieser Block wird durch Schmieden eines Rohblocks in Stangenform und anschließendes Bearbeiten dieser Stangen zur Herstellung eines Knüppels mit folgenden Abmessungen erhalten:
- Außendurchmesser 152 mm,
- Bohrung: 79 mm,
- Länge: 430 mm.
Dieser Knüppel wurde innen mit einer Hülse aus von Hafnium befreitem Zirkonium plattiert, die durch Strangpressen eines Knüppels von 168 mm Durchmesser, einer Bohrung von 48 mm und einer Länge von 450 mm in ein Rohr mit einem Außendurchmesser von 81 mm und einem Innendurchmesser von 47 mm erhalten wurde, wobei das Rohr anschließend in Form mit einem Außendurchmesser von 78,8 mm, einem Innendurchmesser von 48 mm und einer Länge von 430 mm bearbeitet wurde.
Die beiden Komponenten aus Zircaloy 2 und von Hafnium befreitem Zirkonium wurden auffolgende Weise zusammengefügt:
- Reinigung der Oberflächen,
- Ätzen mit Flußsäure,
- vertikales Anbringen der Hülle aus von Hafnium befreitem Zirkonium auf den Kern aus Zircaloy 2 durch Schwerkraft,
- Schweißen der beiden Komponenten an beiden Enden durch kreisförmiges Schweißen mit Elektronenbeschuß unter Vakuum.
-Herstellung des Triplex:
Die äußere Hülle und der Kernblock wurden auf die gleiche Weize zusammengefügt wie die beiden Komponenten des Kernblocks, wobei ein Spiel beim Zusammenbau blieb, das kleiner oder gleich 0,2 mm war.
Anschließend wurden in einem Induktionzofen durch Erhitzung eine Lösungsglühbehandlung bei 1100 ºC während 60 s und ein Abschrecken in Wasser durchgeführt.
Anschließend wurde das Ganze auf eine Temperatur von 700 ºC erhitzt und in einen Rohling mit einem Außendurchmesser von 80 mm und einer Dicke von 17 mm stranggepreßt. Der Rohling wurde nach einer thermischen Behandlung zum Abbau von Spannungen und nach dern Entfexnen des Oberflächenoxids durch Pilgerschritt- Kaitwalzen in seine endgültigen Abmessungen überführt (Außendurchmesser 63,5 mm, Dicke 10,9 mm) und dann einem Glühen im Vakuum bei 650 ºC unterworfen.
Obiges Beispiel beschreibt ein Triplex-Rohr das für Siedewasser-Reaktoren bestimmt ist.
Das gleiche Verfahren wird für Duplex-Rohre angewendet.
Die Erfindung wird für die Anfertigung von zusammengesetzten Rohren mit vermindertem Zirkoniumverbrauch verwendet, wobei eine gute Haftung zwischen den Komponenten dieses Rohres erhalten wird.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von aus Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung gebildeten Rohren auf Zirkoniumbasis, bei dem man einen rohrförmigen Rohling, der zur Bildung der äußeren Schicht des Rohres oder der Hülle bestimmt ist, und einen rohrförmigen Rohling oder Kernblock kleineren Durchmessers, der eventuell innerlich mit einer Plattierung beschichtet ist und durch Bearbeitung einer Stange im Zustand eines hohlen Strangpreßknüppels erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle durch Rollbiegen-Schweißen eines Blechs erhalten wird, das Ganze nach deren Aufschieben auf den Block an seinen Enden verschweißt, dann durch Erhitzen einer Lösungsglühbehandlung in Betaphase unterworfen, in Wasser abgeschreckt und stranggepreßt wird.

2. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Erhitzung im Bereich von 30 bis 180 Sekunden ist.

3. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung in einem Induktionsofen durchgeführt wird.

4. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzungstemperatur im Bereich von 1020 bis 1150 ºC liegt.