專利名稱：一種用于實(shí)驗(yàn)包層模塊系統(tǒng)集成的異材管道的連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種異材管道的連接方法，具體涉及一種用于解決國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)的實(shí)驗(yàn)包層模塊(TBM)本體與其附屬系統(tǒng)(氦冷系統(tǒng)、氚提取系統(tǒng))之間的管道連接的異材管道連接方法。
背景技術(shù)：
國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃是規(guī)劃建設(shè)中的一個(gè)為了驗(yàn)證全尺寸可控核聚變技術(shù)的可行性而設(shè)計(jì)的國(guó)際實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)包層模塊(TBM)是ITER國(guó)際合作組織各成員國(guó)自行發(fā)展、在ITER上開展物理和工程實(shí)驗(yàn)的部件，用來模擬和測(cè)試與未來聚變堆包層相關(guān)的技術(shù)。根據(jù)ITER相關(guān)文件要求，ITER-TBM計(jì)劃目的在于檢驗(yàn)和驗(yàn)證未來聚變示范堆的氚增殖技術(shù)和能量提取技術(shù)。而ITER-TBM計(jì)劃所要測(cè)試的是一套由產(chǎn)氚實(shí)驗(yàn)包層模塊本體(TBM)、氦冷卻系統(tǒng)(HCS)及相關(guān)冷卻劑純化系統(tǒng)、氚提取系統(tǒng)(TES)及相關(guān)氚測(cè)量系統(tǒng)、屏蔽塊、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)等幾部分組成的TBM系統(tǒng)(TBMS)，其中HCS和TES將與TBM模塊本體有直接的管道連接。在ITER裝置中，實(shí)驗(yàn)包層模塊系統(tǒng)將面對(duì)高能量高通量中子和高熱負(fù)荷的條件，在此極端工況下如何能保證管道的安全連接、連接效果不受環(huán)境影響并且不影響ITER裝置正常運(yùn)行，具有非常重大的挑戰(zhàn)性。根據(jù)目前的TBMS設(shè)計(jì)，氦冷系統(tǒng)HCS和氚提取系統(tǒng)TES的管道部件主要選用奧氏體不銹鋼(AISI 316LN，或中國(guó)等效型號(hào)的材料)作為結(jié)構(gòu)材料，設(shè)計(jì)要求具有充實(shí)的安全裕度。這是根據(jù)為了便于安裝和替換CN HCCB TBM實(shí)驗(yàn)包層模塊，采用標(biāo)準(zhǔn)化遠(yuǎn)程切割和重新焊接操作程序的考慮為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的做出的選擇。另外氚提取系統(tǒng)選用316LN鋼作為結(jié)構(gòu)材料也使考慮到316LN鋼的低氚滲透率。而TBM模塊本體因?yàn)橐M可能地接近聚變示范堆DEMO中的運(yùn)行條件，其選用的結(jié)構(gòu)材料必須滿足低活性，低的中子輻照腫脹率和高溫下的組織穩(wěn)定性，ITER所有七個(gè)成員國(guó)的TBM大部分都選用低活性鐵素體/馬氏體鋼(RAFM)作為TBM模塊本體的結(jié)構(gòu)材料。因此，在ITER TBM系統(tǒng)集成中需要解決RAFM與316LN的連接問題。RAFM鋼為馬氏體相組織，316LN為奧氏體相組織，兩種鋼直接焊接存在幾個(gè)問題:
(I)兩種鋼的熱膨脹系數(shù)差別較大，帶來的熱應(yīng)力問題；(2)兩者的碳含量差造成碳的擴(kuò)散，RAFM側(cè)會(huì)出現(xiàn)脫碳，316LN側(cè)出現(xiàn)碳富集，影響接頭的力學(xué)性能；(3) RAFM鋼的焊接需要進(jìn)行預(yù)熱和后期熱處理，而TBM模塊本體與附屬系統(tǒng)的管道連接需要載ITER現(xiàn)場(chǎng)窗口單元內(nèi)的狹小空間內(nèi)完成，而ITER現(xiàn)場(chǎng)的窗口單元內(nèi)由于空間限制，僅能進(jìn)行簡(jiǎn)單的焊接操作。

發(fā)明內(nèi)容
為解決實(shí)驗(yàn)包層模塊系統(tǒng)集成中的馬氏體鋼與奧氏體鋼的管材連接問題，本發(fā)明提供了一種用于實(shí)驗(yàn)包層模塊系統(tǒng)集成的異材管道的連接方法，該方法解決了氏體鋼與奧氏體鋼的熱膨脹系數(shù)不匹配帶來的熱應(yīng)力問題。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案:一種用于實(shí)驗(yàn)包層模塊系統(tǒng)集成的異材管道的連接方法，它包括以下步驟:(I)制備鎳合金球形粉末和奧氏體鋼球形粉末；(2)在實(shí)驗(yàn)包層模塊后板一側(cè)的馬氏體鋼管道口上制備過渡接頭；所述的過渡接頭由步驟(I)所述的鎳合金球形粉末和奧氏體鋼球形粉末，過渡接頭由鎳合金層、鎳合金和奧氏體鋼的復(fù)合層、奧氏體鋼層構(gòu)成；(3)過渡接頭的奧氏體鋼層與實(shí)驗(yàn)包層模塊附屬系統(tǒng)的奧氏體鋼連接管焊接，即實(shí)現(xiàn)了異材管道的連接。所述的步驟(I)中制備鎳合金球形粉末和奧氏體鋼球形粉末的方法具體如下:將鎳合金鍛棒或奧氏體鋼鍛棒采用等離子體旋轉(zhuǎn)電極法制備成球形粉末。所述的鎳合金球形粉末和奧氏體鋼球形粉末烘干，以清除粉末中的水分。所述步驟(2)的制備過渡接頭的具體步驟如下:(2.1)將鎳合金球形粉末沉積在馬氏體鋼管道口的表面上；(2.2)當(dāng)馬氏體鋼管道口表面上的鎳合金層厚度達(dá)到要求后，開始沉積奧氏體鋼球形粉末，鎳合金球形粉末和奧氏體鋼球形粉末沉積形成金屬復(fù)合層；(2.3)當(dāng)金屬復(fù)合層厚度達(dá)到要求后，停止沉積鎳合金球形粉末；(2.4)繼續(xù)沉積奧氏體鋼球形粉末，當(dāng)奧氏體鋼層厚度達(dá)到要求后，停止沉積奧氏體鋼球形粉末，即完成了過渡接頭的制備。在所述步驟(2.1)之間首先對(duì)馬氏體鋼管道口進(jìn)行表面處理。所述的表面處理包括先用砂紙拋光，再用有機(jī)溶劑清洗干凈。所述的制備過渡接頭的過程是在充滿氬氣保護(hù)的腔室內(nèi)，所述的沉積方法是采用激光成形方法。本發(fā)明的有益效果為:(I)通過在馬氏體RAFM鋼管道端口上形成一個(gè)具有過渡結(jié)構(gòu)的接頭，將馬氏體RAFM鋼與奧氏體316LN的異材焊接問題轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體鋼之間的同種材料焊接；(2)采用鎳合金作為中間過渡層解決了馬氏體鋼與奧氏體鋼的熱膨脹系數(shù)不匹配帶來的熱應(yīng)力問題；(3)用鎳合金作為中間過渡層解決了馬氏體鋼與奧氏體鋼由于碳含量差異大而帶來焊縫兩側(cè)局部脫碳和局部富碳影響連接處力學(xué)性能的問題；(4)通過預(yù)制過渡接頭，降低了在ITER現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行管道焊接的工藝難度；(5)過渡接頭采用激光立體成形技術(shù)逐層生長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)材料成分的平滑過渡，確保過渡接頭的力學(xué)性能。


圖1為本發(fā)明所提供的一種用于實(shí)驗(yàn)包層模塊系統(tǒng)集成的異材管道的連接方法的在RAFM鋼管道口表面制備過渡接頭的示意圖。圖中:1.第一送粉機(jī)，2.第二送粉機(jī)，3.激光束，4.實(shí)驗(yàn)包層模塊后板，5.實(shí)驗(yàn)包層模塊本體與氦冷系統(tǒng)連接的進(jìn)出管口，6.實(shí)驗(yàn)包層模塊本體與氚提取系統(tǒng)連接的進(jìn)出管□。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
如圖1所示，一種用于實(shí)驗(yàn)包層模塊系統(tǒng)集成的異材管道的連接方法，包括以下步驟:(I)制備鎳合金球形粉末和奧氏體鋼球形粉末,并將鎳合金球形粉末裝入第一送粉機(jī)I內(nèi)，將奧氏體鋼球形粉末裝入第二送粉機(jī)2內(nèi)所述的鎳合金選用Inconel718。將標(biāo)號(hào)為Inconel718 (國(guó)標(biāo)GH4169)的鎳合金鍛棒，直徑60-65mm，長(zhǎng)400-800mm，采用等離子體旋轉(zhuǎn)電極法制備球徑為50-200微米的Inconel718的球形粉末,并將Inconel718球形粉末裝入第一送粉機(jī)I內(nèi)。Inconel718鎳合金鍛棒的優(yōu)選參數(shù)為直徑60mm、長(zhǎng)400mm,制備出的Inconel718球形粉末的球徑為50微米?；蛘逫nconel718鎳合金鍛棒的優(yōu)選參數(shù)為直徑62mm、長(zhǎng)600mm,制備出的Inconel718球形粉末的球徑為100微米?；蛘逫nconel718鎳合金鍛棒的優(yōu)選參數(shù)為直徑65mm、長(zhǎng)800mm，制備出的Inconel718球形粉末的球徑為200微米。所述的奧氏體鋼選用316LN超低碳不銹鋼鍛棒,直徑60_65mm,長(zhǎng)400-800mm,米用等離子體旋轉(zhuǎn)電極法制備球徑為50-200微米的316LN鋼球形粉末，并將16LN鋼球形粉末裝入第二送粉機(jī)2內(nèi)。316LN超低碳不銹鋼鍛棒的優(yōu)選參數(shù)為直徑60mm、長(zhǎng)400mm，制備出的316LN鋼球形粉末的球徑為50微米?；蛘?16LN超低碳不銹鋼鍛棒的優(yōu)選參數(shù)為直徑62mm、長(zhǎng)600mm，制備出的316LN鋼球形粉末的球徑為100微米?；蛘?16LN超低碳不銹鋼鍛棒的優(yōu)選參數(shù)為直徑65mm、長(zhǎng)800mm，制備出的316LN鋼球形粉末的球徑為200微米。為了清除粉末中的水分，鎳合金球形粉末和奧氏體鋼球形粉末在真空室中烘干24小時(shí)。(2)在實(shí)驗(yàn)包層模塊后板4 一側(cè)的四個(gè)馬氏體鋼管道口上制備過渡接頭；過渡接頭的制備在LSF-1I激光成形系統(tǒng)上完成，該系統(tǒng)包含PRC2000C02激光器，氣氛控制系統(tǒng)，送粉系統(tǒng)和噴嘴等。(2.1)對(duì)實(shí)驗(yàn)包層模塊后板4 一側(cè)的四個(gè)馬氏體RAFM鋼管道口進(jìn)行表面處理如圖1所示，四個(gè)馬氏體RAFM鋼管道口包括兩個(gè)實(shí)驗(yàn)包層模塊本體與氦冷系統(tǒng)連接的進(jìn)出管口 5、兩個(gè)實(shí)驗(yàn)包層模塊本體與氚提取系統(tǒng)連接的進(jìn)出管口 6。上述表面處理包括先用砂紙拋光，再用有機(jī)溶劑清洗干凈。(2.2)將進(jìn)行表面處理后的實(shí)驗(yàn)包層模塊后板4送入LSF-1I激光成形系統(tǒng)的充滿iS氣保護(hù)的腔室；(2.3)按照馬氏體鋼管道口的二維輪廓，啟動(dòng)裝有鎳合金球形粉末的第一送粉機(jī)1，將第一送粉機(jī)I內(nèi)的鎳合金球形粉末分別沉積在四個(gè)馬氏體鋼管道口的表面上；(2.4)當(dāng)馬氏體鋼管道口表面上的鎳合金層厚度達(dá)到要求后，啟動(dòng)裝有奧氏體鋼球形粉末的第二送粉機(jī)2，繼續(xù)沉積鎳合金球形粉末和奧氏體鋼球形粉末形成金屬復(fù)合層；(2.5)當(dāng)復(fù)合層厚度達(dá)到要求后，關(guān)閉第一送粉機(jī)I內(nèi)，即停止沉積鎳合金球形粉末；(2.6)繼續(xù)沉積奧氏體鋼球形粉末，當(dāng)奧氏體鋼層厚度達(dá)到要求后，關(guān)閉第二送粉機(jī)2，即停止沉積奧氏體鋼球形粉末；即完成了過渡接頭的制備。過渡接頭包括鎳合金層、鎳合金和奧氏體鋼的復(fù)合層、奧氏體鋼層
在鎳合金球形粉末和奧氏體鋼球形粉末形成的金屬復(fù)合層中，鎳合金和奧氏體鋼的摩爾比為1: 1，且兩者均勻混合而成。鎳合金層即InConel718層厚度達(dá)到2_即達(dá)到要求。鎳合金球形粉末和奧氏體鋼球形粉末的金屬復(fù)合層，即為鎳合金Inconel718與奧氏體鋼316LN的金屬復(fù)合層，當(dāng)該金屬復(fù)合層厚度達(dá)到2mm即達(dá)到要求；該金屬復(fù)合層采用摩爾比為1:1的Inconel718與SS316LN-1G均勻混合而成。奧氏體鋼316LN層厚度達(dá)到IOmm即達(dá)到要求。上述沉積方法均采用激光成形方法，激光成形的具體參數(shù)如下所示:激光能量2000W，激光束直徑3mm，激光掃描速率5mm/s，送粉速率10g/min。(3)過渡接頭的奧氏體鋼層與氦冷系統(tǒng)的奧氏體鋼連接管或氚提取系統(tǒng)的奧氏體鋼連接管焊接氦冷系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)包層模塊本體的連接管為奧氏體鋼316LN，氚提取系統(tǒng)的奧氏體鋼與實(shí)驗(yàn)包層模塊本體的連接管也為奧氏體鋼316LN。過渡接頭的奧氏體鋼316LN端與氦冷系統(tǒng)或氚提取系統(tǒng)的316LN管道焊接，此處采用氬弧焊技術(shù)。本發(fā)明所提到的低活性馬氏體鋼RAFM由Fe、Cr、V、Mn、W和Ta元素組成,各元素成分質(zhì)量百分比為:Fe占86%以上，Cr在7.5-9.5%之間，V在0.1-0.3%之間，W在1.0-2.0%之間，Mn在0.1-0.6%之間，Ta在0.01-0.3%之間，國(guó)內(nèi)可選型號(hào)有CLF-1和CLAM，國(guó)外可選型號(hào)有Eurofer和F82H。上面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施例，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識(shí)范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。本發(fā)明中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容均可以采用現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種用于實(shí)驗(yàn)包層模塊系統(tǒng)集成的異材管道的連接方法，它包括以下步驟: (1)制備鎳合金球形粉末和奧氏體鋼球形粉末； (2)在實(shí)驗(yàn)包層模塊后板(4)一側(cè)的馬氏體鋼管道口上制備過渡接頭； 所述的過渡接頭由步驟(I)所述的鎳合金球形粉末和奧氏體鋼球形粉末，過渡接頭由鎳合金層、鎳合金和奧氏體鋼的復(fù)合層、奧氏體鋼層構(gòu)成； (3)過渡接頭的奧氏體鋼層與實(shí)驗(yàn)包層模塊附屬系統(tǒng)的奧氏體鋼連接管焊接，即實(shí)現(xiàn)了異材管道的連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于實(shí)驗(yàn)包層模塊系統(tǒng)集成的異材管道的連接方法，其特征在于:所述的步驟(I)中制備鎳合金球形粉末和奧氏體鋼球形粉末的方法具體如下:將鎳合金鍛棒或奧氏體鋼鍛棒采用等離子體旋轉(zhuǎn)電極法制備成球形粉末。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于實(shí)驗(yàn)包層模塊系統(tǒng)集成的異材管道的連接方法，其特征在于:所述的鎳合金球形粉末和奧氏體鋼球形粉末烘干，以清除粉末中的水分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種用于實(shí)驗(yàn)包層模塊系統(tǒng)集成的異材管道的連接方法，其特征在于:所述步驟(2)的制備過渡接頭的具體步驟如下: (2.1)將鎳合金球形粉末沉積在馬氏體鋼管道口的表面上； (2.2)當(dāng)馬氏體鋼管道口表面上的鎳合金層厚度達(dá)到要求后，開始沉積奧氏體鋼球形粉末,鎳合金球形粉末和奧氏體鋼球形粉末沉積形成金屬復(fù)合層； (2.3)當(dāng)金屬復(fù)合層厚度達(dá)到要求后，停止沉積鎳合金球形粉末； (2.4)繼續(xù)沉積奧氏體鋼球形粉末，當(dāng)奧氏體鋼層厚度達(dá)到要求后，停止沉積奧氏體鋼球形粉末，即完成了過渡接頭的制備。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于實(shí)驗(yàn)包層模塊系統(tǒng)集成的異材管道的連接方法，其特征在于:在所述步驟(2.1)之間首先對(duì)馬氏體鋼管道口進(jìn)行表面處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于實(shí)驗(yàn)包層模塊系統(tǒng)集成的異材管道的連接方法，其特征在于:所述的表面處理包括先用砂紙拋光，再用有機(jī)溶劑清洗干凈。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于實(shí)驗(yàn)包層模塊系統(tǒng)集成的異材管道的連接方法，其特征在于:所述的制備過渡接頭的過程是在充滿氬氣保護(hù)的腔室內(nèi)，所述的沉積方法是采用激光成形方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種異材管道的連接方法，具體公開一種用于解決國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)的實(shí)驗(yàn)包層模塊(TBM)本體與其附屬系統(tǒng)(氦冷系統(tǒng)、氚提取系統(tǒng))之間的管道連接的異材管道連接方法，它包括以下步驟(1)制備鎳合金球形粉末和奧氏體鋼球形粉末；(2)在實(shí)驗(yàn)包層模塊后板一側(cè)的馬氏體鋼管道口上制備過渡接頭；所述的過渡接頭由步驟(1)所述的鎳合金球形粉末和奧氏體鋼球形粉末，過渡接頭由鎳合金層、鎳合金和奧氏體鋼的復(fù)合層、奧氏體鋼層構(gòu)成；(3)過渡接頭的奧氏體鋼層與實(shí)驗(yàn)包層模塊附屬系統(tǒng)的奧氏體鋼連接管焊接，即實(shí)現(xiàn)了異材管道的連接。該方法解決了氏體鋼與奧氏體鋼的熱膨脹系數(shù)不匹配帶來的熱應(yīng)力問題。
文檔編號(hào)B23K9/16GK103157895SQ201110408508
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2011年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月9日
發(fā)明者羅天勇 申請(qǐng)人:核工業(yè)西南物理研究院