Дуговая сварка в среде повышенного давления изделий атомной техники из сплава циркония
|
Введение 3
1 Анализ исходных данных и известных решений 7
1.1 Физические и химические свойства материала 7
1.2 Описание конструкции изделий и условий эксплуатации 9
1.3 Сварка циркония 12
1.4 Защита сварного соединения при сварке циркония 22
1.5 Дефекты, возникающие при сварке циркониевых сплавов 24
2 Технологическая часть 27
2.1 Описание установки сварки под давлением 27
2.2 Ключевые моменты при сварке в среде повышенного давления 33
2.3 Описание системы центровки электрода 34
2.4 Описание сварки кольцевых швов дуговой сваркой неплавящимся электродом 36
2.5 Анализ опасных и вредных производственных факторов 39
2.6 Техника безопасности и организация рабочего места 42
3 Экспериментальная часть 48
3.1 Общие сведения об экспериментальном образце 48
3.2 Исследование характеристик 49
3.3 Подготовка под сварку 57
3.4 Сварка 58
3.5 Контроль качества сварных соединений 60
3.5.1 Требования к сварным соединениям 60
3.5.2 Проведение контроля качества 61
Заключение 68
Список используемых источников 70
1 Анализ исходных данных и известных решений 7
1.1 Физические и химические свойства материала 7
1.2 Описание конструкции изделий и условий эксплуатации 9
1.3 Сварка циркония 12
1.4 Защита сварного соединения при сварке циркония 22
1.5 Дефекты, возникающие при сварке циркониевых сплавов 24
2 Технологическая часть 27
2.1 Описание установки сварки под давлением 27
2.2 Ключевые моменты при сварке в среде повышенного давления 33
2.3 Описание системы центровки электрода 34
2.4 Описание сварки кольцевых швов дуговой сваркой неплавящимся электродом 36
2.5 Анализ опасных и вредных производственных факторов 39
2.6 Техника безопасности и организация рабочего места 42
3 Экспериментальная часть 48
3.1 Общие сведения об экспериментальном образце 48
3.2 Исследование характеристик 49
3.3 Подготовка под сварку 57
3.4 Сварка 58
3.5 Контроль качества сварных соединений 60
3.5.1 Требования к сварным соединениям 60
3.5.2 Проведение контроля качества 61
Заключение 68
Список используемых источников 70
Использование тугоплавких материалов широко распространено во многих отраслях промышленности для производства продукции различного характера, например в ракетной и реактивной технике используются лопатки турбин изготовленных из жаропрочной стали, в атомной промышленности тугоплавкие сплавы используются для производства оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов), изделий радиоизотопной продукции и т.д.
В АО «ГНЦ НИИАР» производство такой продукции выполняется на протяжении более трёх десятков лет. Спектр производимых изделий обширен. Например, источники ионизирующего излучения на основе различных изотопов, применяются при лечении онкологических заболеваний разной тяжести, так же они применяются и в технике, ярким примером является применение в радиационной дефектоскопии в переносном гамма- дефектоскопе типа Гаммарид 192/120.
Так же институтом регулярно заключаются контракты со сторонними организациями, например, такими как АО «Наука и инновации», АО «ВНИИНМ» и др., по разработке методик реакторных испытаний и исследований перспективных конструкционных материалов. Технология производства изделий по договорам, из различных сплавов, предусматривает выполнение бездефектной сварки комплектующих изделий на производственных мощностях института.
Все исследования, изложенные в данной диссертации, проведены на базе АО «ГНЦ НИИАР» в службе главного сварщика. Службой выполняются все ключевые работы по сварке изделий, она была создана для выполнения и организации технологических, исследовательских, надзорных и ремонтных работ в вопросах сварки, при изготовлении различных изделий, по основным направлениям деятельности института.
Служба осуществляет методическое руководство, надзор и контроль над работами, выполняемыми в области сварки в подразделениях института. СГС занимается разработкой и внедрением стандартов по сварке на предприятии, участвует в научно-исследовательских работах в области сварки, оказывает методическую и консультационную поддержку, проводит аттестацию сварщиков, специалистов, оборудования и технологий, осуществляет контроль за состоянием сварочного производства в институте. При столь разнообразном производстве в НИИАРе наличие службы главного сварщика значительно упрощает работу на местах. СГС взаимодействует с подразделениями в вопросах сварки через назначенных и аттестованных специалистов - ответственных за выполнение сварочных работ (рисунок 1).
Рисунок 1 - Схема организационной структуры сварочного производства в АО «ГНЦ НИИАР»
К сварным соединениям изделий атомной промышленности предъявляются особые повышенные требования по прочности, коррозионной стойкости и жаростойкости из-за высокой вероятности возникновения чрезвычайных ситуаций, так как изделия активной зоны ядерного реактора являются наиболее ответственными и самыми напряженными конструкциями. Генерируемая, в них, за счет расщепления ядер делящихся нуклидов тепловая энергия отводится теплоносителем. Изделия активной зоны ядерного реактора считаются работоспособными, если в течение всего времени эксплуатации не была потеряна герметичность конструкции, а так же не возникло значительных изменений в его геометрических размерах, которые приводят к нарушению гидравлических характеристик тепловыделяющей сборки, в которой он находится.
Перед производством изделий активной зоны ядерного реактора требуется провести испытание материала на длительную прочность и ползучесть при облучении, поэтому внутриреакторные испытания проводятся в материаловедческих сборках реактора на специальных экспериментальных газонаполненных образцах. Так же на данных изделиях проводятся внереакторные исследования, например, проверка влияния термообработки на свойства материала, исследования на стойкость к МКК и т.д.
Для производства такой продукции применяется широкий спектр сплавов, например сплавы алюминия, различные феррито-мартенситные стали, сплавы титана, в том числе и различные тугоплавкие металлы, ярким примером которых являются сплавы на основе циркония [15].
На сегодняшний день проблема сварки изделий из циркониевых сплавов является актуальной, так как сплавы на его основе являются весьма перспективными для конструкций изделий, которые применяются в атомной энергетике, так как они в малой степени поглощают медленные нейтроны, что является весомым преимуществом для отрасли. Однако при герметизации подобных малогабаритных тонкостенных изделий с малым замкнутым внутренним объемом аргонодуговой сваркой не всегда обеспечивается требуемое качество сварных соединений, к примеру, на сварном соединении возникают трещины, свищи, нарушается геометрическая форма шва или образуются дефекты в виде газовой полости в торцевом шве.
Исследований на тему сварки тугоплавких материалов великое множество. Однако широкое распространение из всех перечисленных элементов получили все элементы кроме циркония, из-за его высокого сродства ко всем химически активным газам. До недавнего времени цирконий считался весьма хрупким металлом, однако оказалось возможным изготавливать его более пластичным добавляя в состав сплава легирующие элементы, например ниобий. Чем выше наличие кислорода, азота, углерода, водорода и железа в составе сплава, тем менее он пластичный, но более твердый. Поэтому сварка в среде инертных газов позволяет сваривать данный металл.
«Эксплуатационная надежность ампул во многом определяется качеством выполненных сварных соединений. Она прямым образом связана со свариваемостью используемых конструкционных материалов, с конструкцией соединений, технологическими процессами их выполнения и изменяемостью свойств, при эксплуатации под влиянием температуры, потока нейтронов, напряжений, среды (теплоносителя и внутри ампульной). Главная задача герметизации - сохранить герметичность изделия в течение всего срока эксплуатации» [24, с.5].
Газонаполненные образцы, по требованию заказчиков и конструкторов, заполняются инертным газом - гелием. Давление, создаваемое внутри изделий, варьируется, как правило, от 0,1 МПа до 15 МПа, однако бывают заказы, в которых требуется создать и большее давление.
Заполнение внутреннего объёма газа производится через капилляр, который выполнен в одной из заглушек изделия, после чего он герметизируется торцевым швом. В данный момент существует проблема, связанная с возникновением дефектов в сварном соединении.
Таким образом, можно сформулировать цель данной работы. Целью данной магистерской диссертации является повышение стабильности качественного выполнения сварных соединений изделий используемых в атомной технике выполненных из циркония и его сплавов в среде повышенного давления инертных газов.
В АО «ГНЦ НИИАР» производство такой продукции выполняется на протяжении более трёх десятков лет. Спектр производимых изделий обширен. Например, источники ионизирующего излучения на основе различных изотопов, применяются при лечении онкологических заболеваний разной тяжести, так же они применяются и в технике, ярким примером является применение в радиационной дефектоскопии в переносном гамма- дефектоскопе типа Гаммарид 192/120.
Так же институтом регулярно заключаются контракты со сторонними организациями, например, такими как АО «Наука и инновации», АО «ВНИИНМ» и др., по разработке методик реакторных испытаний и исследований перспективных конструкционных материалов. Технология производства изделий по договорам, из различных сплавов, предусматривает выполнение бездефектной сварки комплектующих изделий на производственных мощностях института.
Все исследования, изложенные в данной диссертации, проведены на базе АО «ГНЦ НИИАР» в службе главного сварщика. Службой выполняются все ключевые работы по сварке изделий, она была создана для выполнения и организации технологических, исследовательских, надзорных и ремонтных работ в вопросах сварки, при изготовлении различных изделий, по основным направлениям деятельности института.
Служба осуществляет методическое руководство, надзор и контроль над работами, выполняемыми в области сварки в подразделениях института. СГС занимается разработкой и внедрением стандартов по сварке на предприятии, участвует в научно-исследовательских работах в области сварки, оказывает методическую и консультационную поддержку, проводит аттестацию сварщиков, специалистов, оборудования и технологий, осуществляет контроль за состоянием сварочного производства в институте. При столь разнообразном производстве в НИИАРе наличие службы главного сварщика значительно упрощает работу на местах. СГС взаимодействует с подразделениями в вопросах сварки через назначенных и аттестованных специалистов - ответственных за выполнение сварочных работ (рисунок 1).
Рисунок 1 - Схема организационной структуры сварочного производства в АО «ГНЦ НИИАР»
К сварным соединениям изделий атомной промышленности предъявляются особые повышенные требования по прочности, коррозионной стойкости и жаростойкости из-за высокой вероятности возникновения чрезвычайных ситуаций, так как изделия активной зоны ядерного реактора являются наиболее ответственными и самыми напряженными конструкциями. Генерируемая, в них, за счет расщепления ядер делящихся нуклидов тепловая энергия отводится теплоносителем. Изделия активной зоны ядерного реактора считаются работоспособными, если в течение всего времени эксплуатации не была потеряна герметичность конструкции, а так же не возникло значительных изменений в его геометрических размерах, которые приводят к нарушению гидравлических характеристик тепловыделяющей сборки, в которой он находится.
Перед производством изделий активной зоны ядерного реактора требуется провести испытание материала на длительную прочность и ползучесть при облучении, поэтому внутриреакторные испытания проводятся в материаловедческих сборках реактора на специальных экспериментальных газонаполненных образцах. Так же на данных изделиях проводятся внереакторные исследования, например, проверка влияния термообработки на свойства материала, исследования на стойкость к МКК и т.д.
Для производства такой продукции применяется широкий спектр сплавов, например сплавы алюминия, различные феррито-мартенситные стали, сплавы титана, в том числе и различные тугоплавкие металлы, ярким примером которых являются сплавы на основе циркония [15].
На сегодняшний день проблема сварки изделий из циркониевых сплавов является актуальной, так как сплавы на его основе являются весьма перспективными для конструкций изделий, которые применяются в атомной энергетике, так как они в малой степени поглощают медленные нейтроны, что является весомым преимуществом для отрасли. Однако при герметизации подобных малогабаритных тонкостенных изделий с малым замкнутым внутренним объемом аргонодуговой сваркой не всегда обеспечивается требуемое качество сварных соединений, к примеру, на сварном соединении возникают трещины, свищи, нарушается геометрическая форма шва или образуются дефекты в виде газовой полости в торцевом шве.
Исследований на тему сварки тугоплавких материалов великое множество. Однако широкое распространение из всех перечисленных элементов получили все элементы кроме циркония, из-за его высокого сродства ко всем химически активным газам. До недавнего времени цирконий считался весьма хрупким металлом, однако оказалось возможным изготавливать его более пластичным добавляя в состав сплава легирующие элементы, например ниобий. Чем выше наличие кислорода, азота, углерода, водорода и железа в составе сплава, тем менее он пластичный, но более твердый. Поэтому сварка в среде инертных газов позволяет сваривать данный металл.
«Эксплуатационная надежность ампул во многом определяется качеством выполненных сварных соединений. Она прямым образом связана со свариваемостью используемых конструкционных материалов, с конструкцией соединений, технологическими процессами их выполнения и изменяемостью свойств, при эксплуатации под влиянием температуры, потока нейтронов, напряжений, среды (теплоносителя и внутри ампульной). Главная задача герметизации - сохранить герметичность изделия в течение всего срока эксплуатации» [24, с.5].
Газонаполненные образцы, по требованию заказчиков и конструкторов, заполняются инертным газом - гелием. Давление, создаваемое внутри изделий, варьируется, как правило, от 0,1 МПа до 15 МПа, однако бывают заказы, в которых требуется создать и большее давление.
Заполнение внутреннего объёма газа производится через капилляр, который выполнен в одной из заглушек изделия, после чего он герметизируется торцевым швом. В данный момент существует проблема, связанная с возникновением дефектов в сварном соединении.
Таким образом, можно сформулировать цель данной работы. Целью данной магистерской диссертации является повышение стабильности качественного выполнения сварных соединений изделий используемых в атомной технике выполненных из циркония и его сплавов в среде повышенного давления инертных газов.
В магистерской диссертации были решены задачи связанные со снижением вероятности образования дефектов в сварных соединениях изделий из циркониевых сплавов.
В ходе выполнения работы был проведён литературный анализ существующих технологий сварки изделий из циркониевых сплавов, на основе которого были выбраны самые технологичные и рациональные способы для изделий с заданными геометрическими параметрами.
В ходе работы на базе материаловедческой лаборатории ОАО «ГНЦ НИИАР» получены основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, позволяющие сделать выводы, что:
• Длина дуги и давление инертного газа являются основными параметрами при сварке и оказывают значительное влияние на стабильное формирование сварного шва;
• Пренебрежение повышением энерговыделения с ростом давления может привести к нарушению качественного формирования сварного шва;
• При длине дуги в 2 мм процент образования дефектов сварных соединений, меньше чем при других значениях.
Так же было выявлено, что на проплавляющую способность влияет мощность дуги, которая увеличивается вместе с давлением внутри изделия, поэтому для каждого диапазона давления требуется выполнять регулировку сварочного тока. Чем выше давление, тем ниже сварочный ток.
На основе проведённого литературного анализа и экспериментальных исследований были рассчитаны основные параметры, влияющие на процесс сварки торцевых швов. Разработанная технология сварки кольцевых периметрических и торцевых швов экспериментальных газонаполненных образцов, позволяет получать сварные соединения удовлетворяющие требованиям конструкторской и технологической документации.
Целесообразно продолжить дальнейшие исследования в области сварки изделий атомной промышленности из циркониевых сплавов для повышения производительности. При этом необходимо рассмотреть другие методы уменьшения вероятности образования дефектов в сварных соединениях. Например, актуальным является вопрос о возникновении газового пузыря в торцевом соединении из-за увеличения внутреннего объёма газа при нагреве изделия в процессе сварки.
В ходе выполнения работы был проведён литературный анализ существующих технологий сварки изделий из циркониевых сплавов, на основе которого были выбраны самые технологичные и рациональные способы для изделий с заданными геометрическими параметрами.
В ходе работы на базе материаловедческой лаборатории ОАО «ГНЦ НИИАР» получены основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, позволяющие сделать выводы, что:
• Длина дуги и давление инертного газа являются основными параметрами при сварке и оказывают значительное влияние на стабильное формирование сварного шва;
• Пренебрежение повышением энерговыделения с ростом давления может привести к нарушению качественного формирования сварного шва;
• При длине дуги в 2 мм процент образования дефектов сварных соединений, меньше чем при других значениях.
Так же было выявлено, что на проплавляющую способность влияет мощность дуги, которая увеличивается вместе с давлением внутри изделия, поэтому для каждого диапазона давления требуется выполнять регулировку сварочного тока. Чем выше давление, тем ниже сварочный ток.
На основе проведённого литературного анализа и экспериментальных исследований были рассчитаны основные параметры, влияющие на процесс сварки торцевых швов. Разработанная технология сварки кольцевых периметрических и торцевых швов экспериментальных газонаполненных образцов, позволяет получать сварные соединения удовлетворяющие требованиям конструкторской и технологической документации.
Целесообразно продолжить дальнейшие исследования в области сварки изделий атомной промышленности из циркониевых сплавов для повышения производительности. При этом необходимо рассмотреть другие методы уменьшения вероятности образования дефектов в сварных соединениях. Например, актуальным является вопрос о возникновении газового пузыря в торцевом соединении из-за увеличения внутреннего объёма газа при нагреве изделия в процессе сварки.
Подобные работы
- Дуговая сварка в среде повышенного давления изделий атомной
техники из сплава циркония
Магистерская диссертация, машиностроение. Язык работы: Русский. Цена: 5500 р. Год сдачи: 2021