Изготовление жидкометаллического контура из ниобиевого сплава

15.11.2019

Введение

Турбогенераторные энергетические системы, действующие по циклу Ренкина, со щелочными металлами в качестве рабочей жидкости весьма перспективны в космической технике. В таких системах щелочные металлы (натрий и калий) должны циркулировать в однофазном или двухфазном состоянии при гораздо более высоких температурах, чем это было исследовано прежде. В задачу настоящей работы входило изучение теплопередачи в таких системах и приобретение основных данных по конструкции перегревателя и конденсатора. Для экспериментального исследования высокотемпературного перегрева и конденсации было сконструировано устройство из ниобия с добавкой 1% циркония. Система представляла собой замкнутый контур (петлю) с принудительной конвекцией, работающую в защитной вакуумной камере с нагревом жидкого металла до 1200° С. Контур состоял из перегревателя, конденсатора и электромагнитного насоса со смесителем и паровым дросселирующим краном, расположенными между перегревателем и конденсатором. Перегреватель и выходной патрубок насоса изготовлены из трубы диаметром 9,5 мм, а конденсатор — из трубы диаметром 19 мм. Насос и смеситель имеют переходники от одного размера трубы к другому.

Поскольку конструкция контура позволяла производить основную сборку вне вакуумной камеры, контур собирали на зажимном приспособлении в лаборатории. Затем его переносили в защитную камеру и устанавливали в крепежной раме. Камера имела два внешних соединения — герметичное соединение к загрузочному боксу и подвод инертного газа к дросселирующему крану. Сварку всех швов, кроме четырех сборочных, производили в предварительно вакуумированной и затем заполненной инертным газом сварной камере. Четыре сборочных шва сваривали в пластиковых мешках, заполненных гелием. Все соединения сваривали дуговой сваркой вольфрамовым электродом, и только сильфон дросселя приваривали электронно лучевой сваркой.

Поскольку ниобий под воздействием кислорода и азота охрупчивается, его нужно сваривать либо в вакууме, либо в абсолютно инертной защитной атмосфере, чтобы свести к минимуму загрязнение шва. Толстые части сваривали в атмосфере гелия мощной дугой. Предварительные исследования ниобия после сварки показали, что в вакуумированной и заполненной гелием сварочной камере получаются пластичные швы. Эвакуация камеры до 10в-4 мм рт. ст. и заполнение ее проходящим через охлаждаемую ловушку гелием создавали атмосферу, предотвращавшую заметное загрязнение шва. Листы из сплава Nb—1Zr непосредственно после сварки весьма пластичны. После работы при температурах от 815 до 980° С их пластичность при комнатной температуре значительно снижалась, что вызывалось выпадением по границам зерен тонкого слоя второй фазы (карбидов циркония или окислов). Как установлено, швы после часового отжига при 1150—1200° С сохраняли пластичность после 100-часовой выдержки при 815° С. В процессе отжига включений коагулируют Внутри зерен и пленок по их границам не образуют. Следовательно, при изготовлении контура сварные изделия и сварные швы в трубах нужно подвергать локальному часовому отжигу при 1150—1200° С.

Технология сварки и отжига


Технология сварки и отжига была разработана еще до начала работ по проектированию контура. В качестве наплавочного материала из сплава Nb—1Zr протянули проволоку диаметром 1,6 мм. Были сделаны два соединения встык в трубах наружным диаметром 25,4 мм и толщиной стенки 4 мм, в секциях контура, изготовленных из сплава Nb—1Zr. Соединения сваривали в вакуумной камере дуговой сваркой с вольфрамовым электродом. Кромки на капсулах свариваемых труб были скошены под углом 45° с поверхностью кромки 0,8 мм. Камеру откачивали и заполняли гелием, который проходил через змеевик, охлаждаемый сухим льдом для вымораживания влаги. Сварку производили вручную, подавая наплавочную проволоку в шов. Наплавочную проволоку и свариваемую трубу промывали ацетоном и травили водным раствором смеси азотной и плавиковой кислот по 20%. Через сварочную горелку гелий не пропускали.

Из места сварки вырезали образцы для испытания на поперечный изгиб (сварной шов поперек длины в середине). Половину образцов непосредственно после сварки подвергали старению в течение 100 час при 815° С в вакуумной печи; другую половину подвергали перед старением часовой термообработке при 1090 С. Образцы, подвергавшиеся старению непосредственно после сварки, удавалось сгибать при комнатной температуре на угол менее 12° по радиусу, равному 1,5 толщины пластины. Предварительно термообработанные и остаренные образцы удавалось сгибать по такому же радиусу без растрескивания на 105°, что свидетельствовало об исключительно высокой пластичности такого материала. Эти испытания подтвердили, что использование вакуумной сварочной камеры и предварительный отжиг обеспечивают хорошее качество сварных швов.

Для локальной термической обработки сварных швов в трубе пользовались танталовым ленточным спиральным нагревателем. К танталовой ленте толщиной 0,64 мм и шириной 6,35 мм с каждого конца приваривали токоподводы. Спираль вставляли в трубу из плавленой окиси алюминия длиной 100 мм, а вокруг этой трубы устанавливали радиационные экраны из танталовой фольги. Там, где возникала опасность соприкосновения танталового нагревателя с ниобиевой трубой в ходе отжига, внутрь нагревательной спирали вставляли алундовую трубку. Соединения в трубах, сваривавшиеся в вакуумной камере, отжигали в этой же камере, помещенной в печи с танталовым нагревателем, который питали от сварочного трансформатора. Монтажные швы отжигали после того, как контур устанавливали в своей защитной вакуумной камере с помощью таких же танталовых нагревателей, питаемых от энергетического оборудования перегревателя. Температуру измеряли термопарой, спай которой приваривали точечной сваркой к шву.

Переходные соединения между нержавеющей сталью и ниобиевым сплавом


При изготовлении контура требовалось сделать четыре переходных соединения между нержавеющей сталью и ниобиевым сплавом. Одно из них нужно было для соединения сливного канала с вакуумной камерой, другое — для соединения дросселирующего вентиля с линией инертного газа, два других — для присоединения измерительных датчиков к секции перегревателя. Воспользовавшись опытом, накопленным при разработке переходного соединения между молибденом и сплавом хейнес-25, был выбран способ пайки вшпунт. Шпунт делали в стальной трубе, а канавку — в ниобиевой трубе. Соединение пропаивали в вакууме при 1175° С фирменным припоем («Дженерал электрик» J8400) на кобальтовой основе (21% Cr, 21% Ni, 3,5% W, 8,0% Si, 0,8% В и 0,4% С).

Переходные швы больших напряжений не испытывают и работают при температуре приблизительно не выше 650° С. Ho из-за неодинакового теплового расширения нержавеющей стали и ниобиевого сплава швы подвержены разрушению от термической усталости.

С целью испытания на усталость два паяных соединения в трубе диаметром 3,2 мм подвергали действию тепло-смен между 980 и 370° С с 2 часовой длительностью цикла в вакууме 10в-5 мм рт. ст. После 136 таких циклов паяные соединения течи не дали и признаков разрушения не обнаружили.

Элементы и сборочные узлы


Для того чтобы обеспечить возможность производить сварку всех соединений в вакуумной сварочной камере, контур собирали в виде трех основных сборочных узлов, состоявших из следующих частей: 1) парового дросселирующего вентиля; 2) канала электромагнитного насоса; 3) секции смесителя; 4) узла конденсатора с дросселем; 5) канала низкого давления; 6) узла перегревателя. Гибочные операции для придания нужной конфигурации трубчатым деталям проводили на стандартных гибочных прессах. Кромки на концах скашивали под углом 45° с шириной кромки 0,8 мм. Перед сваркой каждую деталь промывали ацетоном, место сварки или всю деталь подвергали химическому травлению водным раствором, содержавшим по 20% азотной и плавиковой кислот. Соблюдались предосторожности для предотвращения загрязнения шва пылью, жиром или маслом после очистки. Сварку труб производили в два прохода. Для более полного проплавления шва сварку осуществляли с зазором между свариваемыми кромками от 0,8 до 1,6 мм. Швы заглаживали напильником для последующего радиографического и ультразвукового контроля.

Дросселирующий вентиль. Основные узлы вентиля показаны на фиг. 8.1. Вентиль приводится в действие давлением аргона изнутри на сильфон. Чтобы предотвратить схватывание поршня со втулкой при высоких температурах, на направляющую поверхность поршня напыляли окись алюминия и шлифовали до нужного размера (толщина покрытия Al2O3 составляла около 0,13 мм). Этот узел собирали в следующем порядке:

1) приваривали сильфон к диску и поршню в вакууме электронно лучевой сваркой (качество шва проверяли гелиевым течеискателем; сам узел подвергали часовому отжигу при 1200° С в вакуумной печи);

2) приваривали кромку сильфона к диску;

3) приваривали к корпусу вентиля патрубки диаметром 19 мм;

4) приваривали к корпусу вентиля узел диска;

5) кран подвергали часовому отжигу при 1200° С в вакуумной печи и вновь проверяли герметичность всего сильфона;

6) приваривали к поршню с противоположной стороны переходную трубу от ниобиевого сплава к нержавеющей стали диаметром 6,35 мм.

Канал электромагнитного насоса. Этот узел состоит из шести частей: внутреннего ребристого канала, корпуса, двух крышек и входного и выходного патрубков. Канал и крышки точили из болванки, а корпус — из толстостенной трубы. Узел собирали в следующем порядке:

1) приваривали входную трубу диаметром 19 мм, проходящую через крышу, торцовым швом изнутри и угловым швом снаружи;

2) приваривали выходную трубу диаметром 9,5 мм угловым швом к концу ребристого канала;

3) устанавливали ребристый канал в корпусе в строго определенном положении, а корпус тщательно шлифовали и пригоняли под размер ребристого канала с минимальным зазором;

4) надевали крышку (с приваренной входной трубой) на выходную трубу и приваривали к корпусу пятипроходным сварным швом с разделкой кромок;

5) приваривали к крышке угловым швом выходную трубу;

6) приваривали вторую крышку к корпусу сварным швом с U-образной разделкой кромок.

Кольцевые сварные швы на крышках зачищали вручную. Рентгенографический и ультразвуковой контроль показал, что качество швов было хорошим. Канал насоса в собранном виде показан на фиг. 8.2.

Канал отжигали в вакуумной ретортной печи. Его обертывали танталовой фольгой и помещали в печь, температуру которой выдерживали равной 1200° С. Поскольку' канал по своим размерам был больше зоны равномерного нагрева печи, термопары, установленные на его концах, показывали температуру 1040° С. Поэтому для обеспечения равномерности старения канала длительность прогрева увеличили до 4 час. Давление в печи в процессе отжига не превосходило 10в-4 мм рт. ст.
Изготовление жидкометаллического контура из ниобиевого сплава

Конденсаторный змеевик. Труба конденсаторного змеевика состояла из 10 отрезков диаметром 19 мм и длиной от 1,82 до 2,13 м с общей длиной 19 м. Кромки на концах свариваемых труб скашивали под углом 45° с шириной кромки 0,8 мм. Эти трубы приваривали друг к другу встык и затем изгибали в виде спирали.

При сварке в вакуумной камере трубы должны проходить сквозь стенки камеры. Для этого на противоположных стенках камеры между окнами для перчаток были установлены два фланца диаметром по 76 мм с сальниковыми уплотнениями. Отрезки труб вводили через сальниковые уплотнения и сваривали встык внутри камеры. Центровку свариваемых труб производили посредством губок с U-образным вырезом и отверстиями для точечной скрепляющей сварки. От вакуумной камеры к концу одной из труб протягивали вакуумный шланг. Конец другой трубы закрывали резиновой пробкой. В этой же камере трубу пропускали сквозь танталовую ленточную печь для термической обработки сварного шва. Камеру откачивали и заполняли гелием. Чистота атмосферы контролировалась плавлением титана (по изменению цвета жидкой капли). Затем делали проплавление на полоске сплава Nb—1Zr с размерами 1х12х125 мм для контроля качества. Трубы соединяли точечной сваркой, центрирующие губки снимали и производили полную сварку. В процессе сварки трубу вращали вручную снаружи камеры.

Затем камеру открывали и к сварному шву методом точечной сварки сопротивлением приваривали термопару. На место сварки надевали печь для отжига. Контрольный образец помещали внутрь трубы вблизи сварного шва. Сварочную камеру и трубу откачивали до 10в-4 мм рт. ст., а швы выдерживали в течение 1 час при температуре около 1175° С.

Таким образом 10 отрезков труб соединяли попарно. После термообработки контрольные полосы разрезали на две части. Одну из них подвергали старению в течение 60 час при 815° С в вакууме. Обе половины всех пяти испытуемых полос гнули на оправке радиусом, равным двойной толщине полосы. При этом никакого растрескивания не наблюдалось. После этого 5 спаренных отрезков труб приваривали концами друг к другу. С учетом большой длины трубы один ее конец для ускорения откачки подсоединяли к вспомогательному вакуумному насосу. Все сварные соединения контролировали портативным ультразвуковым дефектоскопом, причем опасных дефектов обнаружено не было. Путем последовательного изгибания трубы и сворачивания ее в спираль трубе придавали форму конденсаторного змеевика.

Узел конденсатора. Узел конденсатора состоял из конденсаторного змеевика и дросселирующего вентиля. Патрубок дросселя, представляющий собой трубку диаметром 19 мм, приваривали снизу к конденсаторному змеевику в вакуумной сварочной камере. Для размещения этого узла к основной камере присоединяли ее удлинительную часть. Последовательность сварки была такой же, как и при сборке конденсаторного змеевика из труб.

При подготовке к сварке на конденсаторную трубу надевали печь с танталовым нагревателем для отжига сварного шва. Печь была сделана из разрезных труб плавленой окиси алюминия, устанавливаемых как снаружи, так и изнутри танталовой нагревательной спирали. После сварки печь надвигали на соединение и подвергали его термической обработке. Полосы танталовой фольги, установленные в печи, после отжига сохраняли свою пластичность. Печь удаляли, предварительно разобрав ее. Качество сварных швов проверяли ультразвуковым методом. Собранный узел проверяли на герметичность гелиевым течеискателем.

Канал насоса и сливной канал. Этот узел, показанный на фиг. 8.3, состоял из канала электромагнитного насоса, тройника диаметром 19 мм (выточенного из сплошной болванки), подводящих труб (диаметром 19 мм) к сливному баку и к конденсатору и соединительной трубы диаметром 9,5 мм, идущей от насоса до испытываемого перегревателя. Ниобиевый трубопровод сливного канала проходил через стенку вакуумной камеры в сливной бак. Вакуумное уплотнение между ниобиевой трубой и стенкой сливного бака из нержавеющей стали осуществлялось с помощью упоминавшегося припоя для биметаллических соединений. Из ниобиевой болванки вытачивали стакан с наружным диаметром 46,0 мм, толщиной стенки 4 мм и отверстием в дне. Из нержавеющей стали 316 вытачивали стыковое кольцо с наружным диаметром 48,3 мм и толщиной стенки 5 мм. Стакан надевали на прямую трубу сливного канала диаметром 19 мм. Стальное кольцо удерживало его соосно с трубой. Стакан приваривали к трубе угловым швом в вакуумной сварочной камере. Сварной шов отжигали в вакуумной печи с герметичным вводом для трубы.

В этой же вакуумной печи припаивали к ниобиевому стакану стальное кольцо. Чтобы удостовериться в том, что зазор между канавкой и шпонкой хорошо пропаян, соединение оплавляли и пропаивали дважды. После пайки сборку проверяли на герметичность гелиевым течеискателем. Затем ниобиевую трубу гнули для придания ей нужной конфигурации. Трубу диаметром 9,5 мм, соединяющую электромагнитный насос с секцией перегревателя, пропускали через расходомер. В месте расположения расходомера перпендикулярно к этой трубе приваривали два штыря из сплава Nb—1Zr диаметром 1,6 мм. Место сварки подвергали термообработке в вакууме. Для электрической изоляции расходомера по обе стороны от штырей на расстоянии около 150 мм на трубу наносили газопламенным напылением слой Al2O3 толщиной 0,25 мм.

Все трубы сваривали в вакуумной сварочной камере по установленной технологии. Тройник приваривали к отводной линии, идущей к насосу, после чего собранный узел отжигали в вакуумной печи. Все сварные швы отжигали отдельно с помощью печи с танталовым нагревателем, питаемым от сварочного трансформатора. Этот узел собирали в следующем порядке:

1) приваривали трубу диаметром 19 мм, изогнутую под прямым углом к тройнику;

2) приваривали к этому же тройнику патрубок сливного канала диаметром 19 мм;

3) приваривали к входной трубе электромагнитного насоса патрубок тройника диаметром 19 мм;

4) приваривали к трубе перегревателя диаметром 9,5 мм выходную трубу насоса.

Перед последующей сваркой сварной шов подвергали каждый раз рентгенографическому контролю. Все сварные швы были качественными, и, как показали результаты проверки гелиевым течеискателем, собранный узел был герметичным.

Сборка перегревателя. Узел перегревателя состоял из собственно перегревателя диаметром 9,5 мм из сплава Nb—1Zr, смесителя и согнутой под прямым углом коленчатой трубы диаметром 19 мм с лапкой для крепления. Лапку к колену приваривали в сварочной камере, а место сварки отжигали в этой же камере. Сварку отдельных деталей между собой и термообработку производили обычными методами.

Сборка контура. Три рассмотренных выше крупных узла сваривали вместе в готовый контур, устанавливаемый в защитной вакуумной камере. Поскольку контур по своим размерам не вмещался в сварочной камере, три монтажных шва, соединяющих эти узлы, пришлось варить вне вакуумной камеры с использованием передвижного перча точного бокса, открывающегося сзади. Поскольку расположение труб в местах сварки не было одинаковым, сзади к боксу присоединяли пластиковый мешок, чтобы не нарушить его герметичности. Использование полукруглого плексигласового бокса с двумя перчатками спереди и вольфрамовым электродом для дуговой сварки расширяло возможности наблюдения за ходом сварки.

В процессе выполнения монтажных швов проводили контрольную сварку труб из сплава Nb—1Zr диаметром 19 мм. Степень чистоты атмосферы в пластиковом мешке контролировали по изменению цвета жидкой капли при оплавлении титановой полосы. Считалось, что атмосфера достаточно чистая, если плавленый титан не изменял своего цвета.

Химический анализ металла шва при таком методе сварки показал, что содержание кислорода в нем возрастало с 0,01 до 0,02%, а содержание азота — от 0,002 до 0,004%. В том случае, когда внутри пластикового мешка устанавливалась спираль из медной трубки, через которую подавали инертный газ для дополнительной защиты места сварки, содержание кислорода и азота в металле шва было еще меньше. Монтажные сварочные работы выполнялись в следующем порядке:

1) заполняли около часа пространство внутри пластикового мешка и свариваемых труб проходящим через охлаждаемую ловушку гелием и промывали его, пока цвет оплавляемых капель титана оставался неизменным;

2) заваривали швы с обдувом гелием из медной спиральной трубки (при этом необходимо принять меры против чрезмерного перегрева пластикового мешка; небольшое избыточное давление в мешке поддерживали путем погружения выходной трубки для гелия в водяной барботер);

3) зачищали сварной шов до уровня поверхности трубы (отдельные узлы петли устанавливали и кренили в нужном для сварки положении на раме из уголкового железа). На фиг. 8.4 показан собранный на этой раме контур. Сам контур собирали в следующем порядке:

1) крепили болтами на монтажной раме узел конденсатора, узел насоса и сливного канала и сваривали вместе соединительной трубой диаметром 19 мм;

2) крепили болтами к раме узел перегревателя и к нему приваривали входной патрубок вентиля;

3) приваривали узел перегревателя к выходной трубе насоса диаметром 9,5 мм;

4) приваривали к стальным концам испытательной секции перегревателя узел преобразователя давления, сделанный из стальных труб диаметром 6,35 мм;

5) собранный контур тщательно проверяли на герметичность гелиевым масс-спектрометром;

6) проверяли ультразвуковым методом качество трех монтажных швов.

Установка контура в защитной камере


Контур и монтажную раму переносили в высоковакуумную защитную камеру и устанавливали ее для дальнейших испытаний. Это требовало проведения следующих работ:

1) секцию сливного канала из нержавеющей стали приваривали с помощью биметаллического соединения к выходному отверстию вакуумной камеры;

2) ниобиевую коленчатую трубу диаметром 9,5 мм, идущую ко дну сливного бака, приваривали к выходной трубе сливного канала (сварку проводили в пластиковом мешке; этот шов не подвергали ни термообработке, ни контролю, так как он целиком находился внутри сливного бака);

3) устанавливали на свое место и приваривали сливной бак;

4) устанавливали линию (из нержавеющей стали) подачи аргона от крана до баллона;

5) устанавливали газовую линию к клапану конденсатора, управляющую сильфоном;

6) производили отжиг трех монтажных швов в ниобиевых трубах в вакууме с питанием печи от трансформатора перегревателя. Этим сборка и установка контура заканчивалась.

Этот ниобиевый контур с калием и натрием в качестве рабочей жидкости к настоящему времени уже наработал 2500 час при 427° С и около 700 час при 815° С. Максимальная температура расплава в ходе этих испытаний достигала 1374° С. В секции перегревателя была отмечена максимальная температура ниобиевой трубы 1927° С. Испытания контура продолжаются.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна