АНАЛИЗ ПОСТАНОВКИ НА ПРОИЗВОДСТВО НА ОАО ЧМЗ ПРОФИЛЬНЫХ ТРУБ ИЗ СПЛАВОВ ЦИРКОНИЯ ДЛЯ АЭСЗубков А.П.ОАО «Чепецкий механический завод», г. Глазов Е-mail: zubkov-ap@yandex.ruВ настоящее время в РФ действует федеральная программа развития атомной энергетики с перспективой выхода на мировой рынок ядерного топлива. ОАО «ТВЭЛ» поставлена задача освоения и постановки на производство ТВС новой конструкции с улучшенными характеристиками надежности для эксплуатации в реакторах западного дизайна типа ТВСА-Т «Темелин» и ТВС «КВАДРАТ». В конструкции системы управления и защиты (СУЗ) тепловыделяющей сборки (ТВС) предусмотрено использование направляющих каналов (НК), которые обеспечивают направление поглощающих стержней для регулирования работы реактора. Кроме того НК являются силовыми элементами сборки. Конструкция СУЗ ТВС западного дизайна предусматривает использование НК с уменьшением внутреннего диаметра в нижней части. Сужение канала играет роль гидротормоза и служит для снижения скорости опускания поглощающих стержней за счет того, что происходит дросселирование охлаждающей жидкости, вытесненной стержнем, между стержнем и узкой зоной. Опускание поглощающих стержней проводится для регулирования мощности реактора или для остановки его работы, которая может быть запланированной или аварийной. Известна конструкция НК, в которой сужение внутреннего канала достигается за счет уменьшения наружного диаметра при сохранении постоянной толщины стенки. Недостатком данной конструкции является то, что уменьшение наружного диаметра приводит к ослаблению участка с гидротормозом, который может деформироваться при эксплуатации. Для предотвращения локального ослабления зона гидротормоза усилена путем увеличения толщины стенки при сохранении постоянного наружного диаметра по длине. Трубы НК с гидротормозом данной конструкции для ТВС «КВАДРАТ» и АЭС «ТЕМЕЛИН» поставлены на производство на ОАО ЧМЗ. Условия эксплуатации направляющих каналов с гидротормозом определяют технические требования к трубам, согласно которым изделия должны иметь: - повышенную точность геометрических размеров; - отсутствие нарушений сплошности свыше определенного уровня; - регламентированный уровень механических свойств; - коэффициент ориентации гидридов не более 0,4 (на основной зоне, послойно). Изготовление труб включает следующие ключевые операции: горячее выдавливание трубной заготовки в толстостенную гильзу, последующую расточку внутреннего диаметра, три цикла холодной прокатки (с деформацией за проход до 60 % и отношением деформации по стенке к деформации по диаметру 1,0…1,6) и промежуточными термообработками с получением трубы постоянного поперечного сечения в осевом направлении. Прокатка с деформацией не более 60 % и преимущественным обжатием по стенке способствует проработке структуры металла с минимальным накоплением дефектов (трещин, складок, закатов, раковин и т.д.). Далее проводят формирование перехода по внутреннему диаметру на трубе за две стадии путем прокатки с получением полуфабриката переменного сечения с переходом по внутреннему диаметру и преимущественно постоянным наружным диаметром. Прокатка на готовый размер проводится с использованием комбинированной ступенчатой оправки. Разработанный алгоритм прокатки позволяет формировать четкий переходный участок по внутреннему диаметру длиной менее 100 мм, с образующей заданной формы. Деформационно-термическая схема обеспечивает после финишной термообработки практически одинаковую степень рекристаллизации и однородность механических свойств в различных сечениях по длине трубы. Финишная прокатка ведется с малым редуцированием внутреннего диаметра и преимущественной деформацией по стенке, что способствует минимальному накоплению поврежденности металла и формированию в соответствии с требованиями тангенциальной ориентации гидридов основной (тонкостенной) зоны. Кроме того удалось получить благоприятную тангенциальную ориентацию гидридов зоны гидротормоза (толстостенной части) трубы НК для ТВС «КВАДРАТ». В процессе изготовления обеспечивается: воспроизводимое качество труб НК с гидротормозом, имеющих: - оптимальное соотношение механических свойств тонкостенного и толстостенного участков с запасом относительно требований; - переходный участок по внутреннему каналу с заданной формой образующей; - отклонения геометрических размеров, не выводящих изделия за пределы допусков; - тангенциальную ориентацию гидридов основной зоны. Разработанная маршрутно-деформационная схема изготовления труб НК с гидротормозом содержит нестандартные инженерные решения и претендует на мировую новизну. Изготовленные опытные партии труб НК с гидротормозом для ТВС «КВАДРАТ» и для АЭС «ТЕМЕЛИН» прошли приемку и направлены заказчику. Экономический эффект от использования представленного решения состоит в освоении новой продукции, предназначенной для выхода РФ на мировой рынок ядерного топлива. Другим перспективным направлением развития в РФ атомной энергетики является строительство плавучих атомных теплоэлектростанций (ПАТЭС). ПАТЭС предназначена для обеспечения энергией удаленных объектов, где строительство наземной АЭС большой мощности экономически не выгодно по причине малого энергопотребления, а работа ТЭС потребует затрат на доставку горючего. Электрическая мощность ПАТЭС 70 МВт. Кроме того тепловыделение плавучего энергоблока (ПЭБ) станции позволит проводить опреснение воды путем испарения и конденсации. ТВС ПЭБ имеет шестиугольную форму поперечного сечения, обеспечивающую максимальный коэффициент заполнения реактора. Снаружи сборка имеет чехол, который представляет собой тонкостенную шестигранную трубу. ОАО «ЧМЗ» изготавливает комплектующие для изготовления ТВС, в том числе шестигранные трубы двух типоразмеров. Выпускаемые шестигранные трубы относятся к изделиям ответственного назначения (большой шестигранник – чехол, малый шестигранник– вытеснитель), что является определяющим при выборе ключевых операций изготовления для обеспечения предъявляемых требований. Бесшовные тонкостенные шестигранные трубы из циркония с указанными характеристиками изготовлены в России впервые. Исходная заготовка из сплава циркония Э110 проходит горячее выдавливание в гильзу. Важным этапом при изготовлении большого шестигранника является механическая обработка внутренней и наружной поверхностей гильзы. Величина съема металла обеспечивает удаление дефектов и позволяет получить приемлемую разнотолщинность стенки. Гильза проходит термообработку для разупрочнения поверхностных слоев, образовавшихся при механической обработке. При изготовлении малого шестигранника механическая обработка гильзы не проводится. Далее проводится многостадийная холодная прокатка с получением круглой трубы-заготовки для формирования шестигранника с обеспечением минимальной разнотолщинности стенки и отсутствия поверхностных дефектов. Формовка шестигранного профиля проводится путем прокатки круглой трубы-заготовки на станах типа ХПТР с трехроликовой клетью за один проход. Инструмент для формовки: шестигранная оправка и профильные ролики. Для улучшения условий трения при прокатке поверхность труб покрывают тонким слоем меди. Для предотвращения образования складок на внутренней поверхности труба-заготовка имеет периметр, близкий к периметру готовой шестигранной трубы. «Большой» шестигранник имеет высокий показатель тонкостенности, определяемый по формуле:где Sн – наружный размер «под ключ», t – толщина стенки.Из-за опасности образования складок внутренний диаметр заготовки уменьшен настолько, что не позволяет свободное введение оправки. Шестигранная оправка изготовлена с обратными скосами на заходном участке, позволяющими вести прокатку путем предформовки шестигранного профиля (без взаимодействия трубы с оправкой) и последующим окончательным формованием с обжатием на оправке. Прокатку труб в готовый размер проводят с использованием центрующей оснастки (удлинителя оправки, стыкователя и центрователя) для уменьшения провисания стержня с оправкой. Меньший показатель тонкостенности «малого» шестигранника (А ≈ 44), позволяет осуществить проведение формовки с бόльшим редуцированием и свободным введением оправки. Далее шестигранные трубы проходят финишные операции для достижения необходимых технических требований. Заключительная термообработка труб проводится в вакууме в вертикальном подвешенном состоянии, во избежание искажений шестигранного профиля. Правка шестигранных труб проводится изгибом на прессе. Для предотвращения искажений геометрии профиля при правке «большого» шестигранника используются прокладки под изгибающий пуансон, внутренняя упругая внутренняя разрезная вставка из полиуретана с распорным механизмом для выбора зазора между внутренней поверхностью трубы и вставкой и концевые вставки из полиамида. Операция раскрутки проводится с целью исправления скрученности. Для раскрутки один конец трубы зажимается в патроне токарного станка, другой конец крепится неподвижно. Фиксация трубы производится с помощью вставок и хомутов. Раскручивание проводится поворотом патрона станка на угол от 9 до 10 с применением гидравлического домкрата (для «большого» шестигранника) или на угол до 20 вручную (для «малого» шестигранника). В процессе изготовления обеспечивается воспроизводимое получение тонкостенных бесшовных шестигранных труб из сплава циркония имеющих: - повышенную точность размеров профиля; - отклонение от прямолинейности не более 0,4 мм по всей длине; - скрученность граней не более 40 по всей длине; - высокую чистоту поверхности. Опытные партии труб, прошедшие приемку, направлены заказчику для строительства первой в мире ПАТЭС, а ЧМЗ приступил к серийному выпуску труб каждого типоразмера. Экономический эффект от использования представленного решения состоит в освоении выпуска новой продукции, предназначенной для строительства энергоблоков ПАТЭС. Дальнейшее совершенствование схем изготовления профильных труб направлено на снижение издержек производства и повышение производительности.Список литературы1 Пат. US005606583A, МПК G21C 21/00, G21C 7/20. Направляющая труба тепловыделяющей сборки ядерного реактора и способ ее изготовления / M. Verdier; заявитель Framatome, Compagnie Generale des Matieres Nuclaires. 2 Пат. EP 0 859 369 B1, МПК G21C 21/00, G21C 7/20, B21B 25/00, B21B 21/00. Способ получения направляющей трубы для тепловыделяющей сборки ядерного реактора, оправка для формирования направляющей трубы и сама труба, таким способом полученная / Drillon Jean, Aubin Jean-Luc; заявитель CEZUS.