Изготовление из ниобиевого сплава крупного насосного контура с кипящим калием

Программа по высокотемпературным материалам Окриджской национальной лаборатории предусматривает конструирование, изготовление из тугоплавких металлов и эксплуатацию крупных насосных контуров с кипящим калием в качестве рабочей жидкости. Изготовление этих устройств поручено Лаборатории сварки и пайки Отдела металлов и керамики. В его обязанности входит выбор конструкции, подбор наплавочного материала, освоение сварки, конструирование и изготовление специальных сборочных приспособлений и зажимов, сварка и контроль Качества сварного шва.



Первый насосный контур из тугоплавкого металла представлял собой ячейку, изготовленную из сплава Nb—1Zr для работы с кипящим калием. Схема и условия работы этого контура указаны на фиг. 9.1. К основным узлам этой системы относятся электродинамический насос, колонка перегревателя и испытательная секция, соединенная с конденсаторной колонкой. Испытательная секция содержит три ступени лопастей, изготовленных из сплава Nb—1Zr, моделирующих сопловую турбину. Электродинамический насос и часть вторичного охлаждающего змеевика для эвтектики NaK были изготовлены из нержавеющей стали 316. Это приводило к необходимости производить в четырех местах сварку разнородных металлов (сплава Nb—1Zr с нержавеющей сталью).

В процессе конструирования контура изучалось старение сварных швов в сплаве Nb—1Zr. В качестве наплавочного материала использовали проволоку из нелегированного ниобия. Этот выбор оправдывался результатами первых испытаний, которые показали, что такой шов менее подвержен старению, чем шов, сделанный с наплавкой сплавом Nb—1Zr.

Конструкция и условия работы контура были такими, что некоторое снижение содержания циркония в сварном шве от его растворения при сварке не приводило к недопустимому снижению прочности.



Все 75 соединений в контуре были сварены вручную. Все сварочные работы производили в большой камере из нержавеющей стали, заполняемой инертным газом. Перед каждой операцией сварки камеру вакуумировали до 10в-2 мм рт. ст., затем заполняли спектральночистым аргоном. Чистоту атмосферы внутри камеры проверяли химическим анализом специальных образцов, свариваемых одновременно в этой же камере. В табл. 9.1 приведены данные о содержании элементов, обнаруженных в свариваемых материалах.

В строке таблицы «Сварной шов» указаны результаты анализа контрольных образцов. Как правило, анализ производили только на содержание кислорода, так как содержание этого элемента в атмосфере является наиболее характерным показателем ее загрязненности. Содержание циркония в швах измеряли в отдельных точках.

Все сварные швы контура полностью заполнялись наплавочным материалом. Из-за тугоплавкости и плохой жидкотекучести сплава Nb—1Zr достигнуть полного заполнения шва стандартной формы не удавалось. Надо отметить, что для сплава Nb—1Zr требуется более «открытый» шов, чем для нержавеющей стали.

При проектировании контура потребовалось предусмотреть много двухпроходных сварных соединений в трубах наружным диаметром 48,3 мм и 82,6 мм и толщиной стенки 3,2 мм. Для такой сварки концы свариваемых труб срезали на конус, чтобы при стыковке клиновидная полость сварного шва имела угол при вершине 120°, внутренний зазор 0,8 мм и наружную фаску шириной 2,3 мм. При такой конфигурации канавки получение шва с хорошим заполнением и равномерным контуром не представляло большой трудности.

Условия работы в защитной камере вызывают определенные трудности при перемещении и центрировании свариваемых деталей. В целях облегчения этой работы были сконструированы и изготовлены специальные зажимы и сборочные приспособления, фиксировавшие отдельные узлы в требуемом положении. В фиксированном положении в приспособлениях детали подвергались предварительной сварке нрихваточными швами. Затем зажимы снимали и производили окончательную сварку. Конструкция зажимных приспособлений была несложной.

Для установки термопарных карманов пришлось прибегнуть к такой сварке, когда было очень трудно сделать за один проход хорошо заполненный однородный шов. Термопарные карманы были сделаны из трубы наружным диаметром 6,35 мм и толщиной стенки 1,65 мм. Они проходили сквозь стенку контура радиально. На фиг. 9.2. показано одно такое соединение, две части которого закреплены в зажимах в положении для сварки. Здесь же видно приспособление, с помощью которого удалось добиться наилучших результатов. Коническое отверстие в трубе имело угол при вершине 120° с острыми краями. Минимальный диаметр отверстия, через которое проходил термопарный карман диаметром 6,35 мм, составлял 12,7 мм. Швы такого типа выполнялись в три прохода — два собственно сварных и третий наплавочный. При первом проходе шов наносили только на термопарную трубку. При втором проходе термопарную трубку приваривали к заостренному краю отверстия в трубе, после чего наплавочный шов заполнял оставшуюся канавку.

Как уже отмечалось, контур содержал четыре соединения разнородных металлов (нержавеющей стали со сплавом Nb—1Zr). В качестве таких соединений использовались выпускаемые промышленные элементы с наружным диаметром 19,5 мм и толщиной стенки 1,65 мм. До установки таких соединений в контуре их образцы подвергали термоциклическим и коррозионным испытаниям с изучением характера их разрушения.

Для установки переходных элементов в контуре требуется лишь сварка встык однородных труб из сплава Nb—1Zr диаметром 9,5 мм. Конструкция контура такова, что при его сборке требовались лишь четыре монтажных шва в переходных соединениях со стороны нержавеющей стали.

В процессе конструирования контура была тщательно продумана последовательность выполнения сварных соединений с тем, чтобы не оказалось мест, не доступных для осуществления сварки. Выполнение сварочных швов не вызвало трудностей. Контур собирали в виде двух отдельных колонок — колонки перегревателя и испытательной секции с конденсатором. Последней операцией сварки при монтаже контура эти колонки соединяли вместе. На фиг. 9.3 показан общий вид испытательной секции конденсатора, в котором недостает лишь нижнего закрывающего колпака и выходной трубы диаметром 9,5 мм, соединяющей ее с насосом. Слева видна большая трубка для соединения конденсатора с перегревателем, испытательная секция с лопастями внутри и с четырьмя термопарными трубками, конденсаторная секция с ее рубашкой для NaK и патрубки NaK-линии с двумя переходными элементами от ниобиевого сплава к нержавеющей стали.



В процессе изготовления контура проводили контроль качества шва после каждого прохода и контроль качества готового соединения радиографическим методом и пропиткой красящими веществами. Как показали эксперименты, если принять меры против загрязнения, то сварка сплава Nb—1Zr не сопровождается образованием горячих трещин, грубой пористости и включений. Таким образом, неразрушающий контроль весьма эффективно выявлял включения, образующиеся в процессе сварки. Кроме того, установлено, что наиболее надежным методом проверки качества шва является технический контроль и наблюдение за ходом сварки после каждого второго периода зажигания дуги.



На фиг. 9.4 показан готовый контур, смонтированный на испытательном стенде. Слева видна колонка, испытательная секция — конденсатор, а справа — колонка перегревателя. Контур показан до установки в нем нагревателей, контрольно-измерительной аппаратуры и танталовых отражательных экранов.