DE69205743T2

DE69205743T2 - Verfahren zur Herstellung eines Wasserkastens oder eines anderen Bauteils eines Kernreaktors.

Info

Publication number: DE69205743T2
Application number: DE69205743T
Authority: DE
Inventors: Hiromasa Hirakawa; Masahisa Inagaki; Hideaki Ishizaki; Hideo Maki; Kouichi Matsumoto; Junjiro Nakajima; Nobuhiro Okazaki; Toraki Sakuma; Iwao Takase; Nobukazu Yamamoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 1991-07-15
Filing date: 1992-07-09
Publication date: 1996-07-04
Anticipated expiration: 2012-07-10
Also published as: JPH0519079A; EP0523914A1; JP2560571B2; DE69205743D1; US5304261A; EP0523914B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Teils zur Verwendung in einem Kernreaktor, das im Gebrauch einem Neutronenfluß ausgesetzt ist, und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, betrifft sie ein Verfahren zum Herstellen eines Wasserkastens für ein Brennstabbündel, das in die Spaltzone eines Siedewasserreaktors zu laden ist.
Die Fig. 1 und 2 der beigefügten Zeichnungen zeigen die Form eines herkömmlichen Wasserkastens für ein Brennstabbündel für einen Siedewasserreaktor. Dieser Wasserkasten ist auch als Kanal bekannt. Er besteht aus einem rohrförmigen Körper 11 mit quadratischem Querschnitt mit abgerundeten Ecken, der dadurch hergestellt wurde, daß zwei zuvor gebogene Platten 11a aus Zirconiumlegierung stumpfgeschweißt wurden. Im Schnitt, wie in Fig. 2 dargestellt, verfügen die vier Ecken und die vier sie verbindenden Seiten über dieselbe, gleichmäßige Dicke. Am oberen Ende des Wasserkastens sind die herkömmlichen angeschweißten Zusatzeinrichtungen vorhanden, nämlich eine Klammer 12 mit einem Loch zur Verwendung beim Positionieren und Fixieren des Wasserkastens an der oberen Verbindungsplatte des Brennstabbündels, und eine Klammer 13 ohne Loch am diagonal gegenüberliegenden Eck, und Kanalabstandshalter 14 an zwei Seiten an der Außenseite des Wasserkastens. Die Abstandshalter 14 stehen dem Steuerstab-Zwischenraum in der Spaltzone des Reaktors gegenüber, und sie dienen dazu, die Zwischenräume zwischen den Wasserkästen benachbarter Brennstabbündel aufrecht zu erhalten.
Fig. 3 zeigt ein Verfahren zum Herstellen des Wasserkastens der Fig. 1 und 2, wobei dieser Prozeß im wesentlichen dem ähnlich ist, der in US-A-4238251 offenbart ist. Zwei ebene Platten 1 aus Zirconiumlegierung sind so gebogen, daß zwei U-förmige Stücke 11a gebildet sind, die dann stumpfgeschweißt werden, um den rohrförmigen Körper 11 herzustellen. Dann erhält der Körper 11 eine Wärmebehandlung in einer Lösung, einschließlich eines Abschreckschritts von einer Temperatur, bei der die Zirconiumlegierung eine β-Phase einnimmt, um für hohe Korrosionsbeständigkeit des Materials zu sorgen. Danach erfolgt ein Kalibrierschritt zum Erzielen einer genauen Größe des Wasserkastens, und schließlich wird ein Endbearbeitungsschritt ausgeführt, bei dem die Klammern 12, 13 und die Abstandshalter 14 angepaßt werden.
Das oben genannte Dokument US-A-4238251 beschreibt insbeson dere den Wärmebehandlungsprozeß in Lösung, dessen Aufgabe es ist, dem Material hohe Korrosionsbeständigkeit zu verleihen. Dieser Wärmebehandlungsprozeß in Lösung beinhaltet das Erwärmen der Zirconiumlegierung bis in einen Bereich, in dem die β-Phase existiert, wobei es sich um den Bereich der β- Phase im Phasendiagramm oder den Bereich der α-Phase und der β-Phase im Phasendiagramm handeln kann, gefolgt von schnellem Abschrecken unter die Phasenübergangstemperatur.
Eine weitere Veröffentlichung zu Wärmebehandlungsprozessen in Lösung, die bei der Erfindung verwendet werden können, ist US-A-4678521 (entsprechend JP-B-61-45699), wobei es sich hauptsächlich um eine Offenbarung eines Prozesses zum Herstellen der in Fig. 3 dargestellten ebenen Platte 1 aus einer Zirconiumlegierung handelt. Jedoch umfaßt der Prozeß Wärmebehandlungsschritte in Lösung, wie sie bei der Erfindung verwendet werden können (sh. speziell Spalte 7, Zeilen 31 - 42).
Da der Wasserkasten in der Reaktorspaltzone einem Neutronenfluß ausgesetzt ist, besteht die Tendenz, daß er aufgrund einer Kriechdehnung eine Ausbeulung seiner Seiten erleidet. Er leidet auch unter Versprödung, Oxidation und Verlängerung. Um das Ausbeulproblem zu verringern, zumindest durch Verlängern der Nutzungslebensdauer des Wasserkastens, wurde es vorgeschlagen, den Wasserkasten mit dünnen Seitenabschnitten 19 zwischen dickeren Eckenabschnitten 20 auszubilden, wie es in den vorliegenden Fig. 4 und 5 dargestellt ist (JP-B-1-13075). Typischerweise sind die dünneren Seitenabschnitte 19 dünner als die gleichmäßige Dicke des Wasserkastens von Fig. 1, und die dickeren Eckabschnitte 20 sind dicker als die gleichmäßige Dicke des Kanals 11 von Fig. 1. Die Wirkung besteht darin, für einen größeren Zwischenraum zwischen den dünnen Abschnitten 19 und dem vom Steuerstab in der Reaktorspaltzone eingenommenen Raum zu sorgen, damit der Spielraum für Ausbeulungen größer ist.
Ein Prozeß zum Herstellen des Wasserkastens von Fig. 4 ist in US-A-4749543 und EP-A-0 283 836 (entsprechend JP-A-63- 253290) offenbart. Dieser Prozeß umfaßt das Herstellen von acht Teilen aus einer Zirconiumlegierung, nämlich vier Eckteilen und vier dünnen Seitenteilen, und ein Verschweißen derselben miteinander entlang Linien, die sich in der Längsrichtung des Wasserkastens erstrecken. Die dünnen Seitenteile können dünnere Nuten aufweisen, die sich über einen Teil der Länge des Wasserkastens erstrecken und durch Bearbeiten hergestellt sind.
Ein anderer Prozeß zum Herstellen des Wasserkastens von Fig. 4 ist in JP-A-1-227991 offenbart, bei dem Bleche aus Zirconiumlegierung zunächst zwischen speziellen Walzen gewalzt werden, von denen die eine Abschnitte mit größerem und kleinerem Durchmesser aufweist, um dickere und dünnere Abschnitte der Platten entsprechend den Ecken und den Seitenabschnitten des Wasserkastens auszubilden, wonach die Eckabschnitte gebogen werden, damit sich zwei Stücke mit U-förmigem Querschnitt ergeben. Diese zwei Stücke werden dann verschweißt, um den Wasserkasten 15 auszubilden. Es erscheint geschickter, diese U-Stücke mit kürzeren Längen als der vollen Länge eines Wasserkastens herzustellen und diese Stücke miteinander zu verschweißen, um ein Stück voller Länge auszubilden, bevor das Verschweißen in Längsrichtung erfolgt.
Der Nachteil des Herstellprozesses gemäß EP-A-0 283 836 ist die Komplizierheit der Herstellung von vier Eckteilen und vier dünnen Seitenteilen und des Verschweißens derselben miteinander entlang acht Linien, was nicht nur zeitaufwendig ist sondern auch die Qualitätskontrolle im Vergleich mit dem Prozeß von Fig. 3 erschwert, gemäß dem zwei Schweißvorgänge erforderlich sind. Das Dokument US-A-4749544 offenbart keinerlei Wärmebehandlung zum Verbessern der Korrosionsbeständigkeit.
Der Prozeß gemäß JP-A-1-227991 ist nachteilig, da es schwierig ist, lange Platten mit dünneren und dickeren Abschnitten aus einer Zirconiumlegierung zu walzen, und wie angegeben, ist es erforderlich, die Teile in Längsrichtung zu unterteilen und sie dann miteinander zu verschweißen.
Obwohl es nicht veröffentlicht ist, kann hier angegeben werden, daß die Erfinder versucht haben, den oben beschriebenen Prozeß mit einer Wärmebehandlung in Lösung auf einen Wasserkasten aus einer Zirconiumlegierung mit Seitenabschnitten verringerter Dicke, d.h. auf den Wasserkasten von Fig. 4, anzuwenden. Es ist nicht schwierig, den Wasserkasten 11 von Fig. 1 einer Wärmebehandlung in Lösung zu unterziehen, um hohe Korrosionsbeständigkeit zu erzielen, jedoch treten Schwierigkeiten dann auf, wenn derselbe Prozeß auf den Wasserkasten von Fig. 3 angewandt wird, der verschiedene Wanddicken aufweist, wenn in Umfangsrichtung gleichmäßige Wärmebehandlung in Lösung erzielt werden soll. Dasselbe Problem tritt dann auf, wenn der Körper Schwankungen der Wanddicke in der Längsrichtung aufweist.
Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Wasserkastens oder eines anderen Teils für einen Kernreaktor zu schaffen, wobei der Kasten oder das Teil ungleichmäßige Wanddicke aufweist und einer Wärmebehandlung in Lösung unterzogen wird, um für zufriedenstellende Verwendung in einem Kernreaktor hohe Korrosionsbeständigkeit zu erzielen .
Gemäß einer Erscheinungsform schafft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Teils zur Verwendung in einem Kernreaktor, das im Gebrauch einem Neutronenfluß ausgesetzt ist, aus einem Blechmaterial, das aus Metallen und Legierungen mit einer durch Abschrecken hergestellten Hochtemperaturphase ausgewählt ist, die sich von einer bei Raumtemperatur existierenden Phase unterscheidet, wobei dieses Verfahren folgende Schritte aufweist:
(a) eine Lösungs-Wärmebehandlung des Blechmaterials einschließlich eines Abschreckens ausgehend von einer Temperatur, bei der die Hochtemperaturphase vorliegt, umfaßt; und
(b) dünneres Ausbilden mindestens eines Abschnitts des Blechmaterials relativ zu anderen Abschnitten durch einen spannungsfreien Schwächungsprozeß, wobei der Schritt (a) vor dem Schritt (b) ausgeführt wird.
So kann die Erfindung im Prinzip auf jedes Metall oder jede Legierung angewandt werden, dessen Eigenschaft oder Eigenschaften, insbesondere die Korrosionsbeständigkeit, die mechanischen Eigenschaften und/oder das Verhalten bei Bestrahlung durch Abschrecken verbessert wird oder werden. Die Erfindung ist insbesondere auf Legierungen anwendbar, deren Hauptkomponente ein Metall der Gruppe IVA des Periodensystems ist, d.h. Zr, Hf und Ti.
In einem Kernreaktor kann für Steuerstäbe alleine eine Hf- Legierung verwendet werden. Die Erfindung kann bei der Herstellung, einschließlich der Dickenverringerung, derartiger Stäbe verwendet werden. Ti hat leichtes Gewicht und kann für Teile einer Steuerstab-Antriebsvorrichtung verwendet werden, und die Erfindung kann bei der Herstellung derartiger Teile verwendet werden.
Die Erfindung ist speziell auf die Herstellung von Wasserkästen aus einer Zr-Legierung anwendbar, und sie wird nachfolgend hauptsächlich in Beziehung hierzu beschrieben, jedoch sind dieselben allgemeinen Prinzipien auf die Herstellung anderer geeigneter Teile für einen Kernreaktor anwendbar.
Gemäß einer anderen Erscheinungsform schafft die Erfindung daher ein Verfahren zum Herstellen eines Wasserkastens zur Verwendung in einem Kernreaktor, bei dem ein Blechmaterial aus einer Zr-Legierung zu einem rohrförmigen Wasserkasten ausgebildet wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
(a) Wärmebehandlung des Blechmaterials aus der Zr-Legierung in einer Lösung, einschließlich des Abschreckens von einer Temperatur, bei der die β-Phase vorliegt;
(b) Dickenverringerung mindestens eines Abschnitts des Blechmaterials aus der Zr-Legierung in bezug auf andere Abschnitte mittels eines spannungsfreien Dickenverringerungsprozesses;
- wobei der Schritt (a) vor dem Schritt (b) ausgeführt wird.
Die durch die Erfindung geschaffenen Hauptvorteile bestehen darin, daß das Blechmaterial aus einer Zirconiumlegierung gleichmäßig wärmebehandelt werden kann, um seine Korrosions beständigkeit durch das Wärmebehandlungsverfahren in einer Lösung zu erhöhen. Demgemäß wird bei der Erfindung das Wärmebehandlungsverfahren in Lösung allgemein auf ein Blechmaterial gleichmäßiger Dicke angewandt. Anschließend an die Wärmebehandlung wird das Blechmaterial dem Dickenverringerungsprozeß unterzogen, der keine Verformung hervorruft, da ein spannungsfreier Dickenverringerungsprozeß verwendet wird. Die Herstellschritte können einfach sein und die Anzahl von Stücken, die zum Zusammenbauen eines Teils erforderlich sind, kann sehr klein gehalten werden. Demgemäß kann ein Wasserkasten mit guter Nutzungslebensdauer in einer Kernreaktor-Spaltzone hergestellt werden.
Unter einem spannungsfreien Dickenverringerungsprozeß ist ein Metallbeseitigungsprozeß zu verstehen, der im wesentlichen keine mechanischen Spannungen auf das Metall ausübt, d.h. keine Schneid- und keine Scherspannungen, wie durch ein Schneidwerkzeug hervorgerufen, das mit dem Metall in Kontakt kommt. Kontakt eines Werkzeugs mit dem Metall ist bei der Erfindung nicht ausgeschlossen, jedoch sollte er dergestalt sein, daß keine wesentliche mechanische Spannung ausgeübt wird.
Demgemäß sollte der Metallverringerungsprozeß nicht zu Dehnung oder irgendwelchen Restspannungen im Blechmaterial führen, das zuvor der Wärmebehandlung in Lösung unterzogen wurde.
Wenn das Herstellverfahren einen Schritt des Verschweißens zweier Abschnitte des Blechmaterials zum Verbinden derselben entlang einer Schweißlinie enthält, ist es bevorzugt, daß der Verschweißungsschritt vor dem Dickenverringerungsschritt ausgeführt wird. Der Verschweißungsschritt kann aus dem Verbinden zweier Abschnitte eines Stücks Blechmaterial bestehen, oder vorzugsweise aus dem Verbinden zweier oder mehrerer Stücke, insbesondere dann, wenn zwei Stücke entlang zwei Schweißlinien verbunden werden.
Es ist auch bevorzugt, daß der Wärmebehandlungsschritt in Lösung nach einem derartigen Verschweißungsschritt oder derartigen Verschweißungsschritten ausgeführt wird, um jegliche Beeinträchtigung des wärmebehandelten Materials beim Verschweißungsschritt zu vermeiden.
Vorzugsweise wird das Blechmaterial vor dem Schritt der Wärmebehandlung in Lösung zu einem Rohr ausgebildet. Das Rohr kann ein solches mit rechteckigem, vorzugsweise quadratischem, Querschnitt sein, mit abgerundeten Ecken, wie es für einen Wasserkasten herkömmlich ist. Alternativ können die Schritte der Wärmebehandlung in Lösung und der Dickenverringerung am Blechmaterial ausgeführt werden, während es in der Form einer ebenen Platte vorliegt. Erneut alternativ kann der Dickenverringerungsschritt an Blechen des Blechmaterials mit U-förmigem Querschnitt ausgeführt werden, bevor diese Bleche zum Ausbilden des Wasserkastens miteinander verbunden werden. Es ist besonders bevorzugt, daß der Wasserkasten aus zwei U-Blechen des Blechmaterials durch Verschweißen entlang Schweißlinien zusammengebaut wird, die in zentralen Abschnitten entgegengesetzter Seiten des Kastens liegen.
Ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Wasserkastens zur Verwendung in einem Kernreaktor umfaßt die folgenden Schritte:
(i) Biegen zweier ebener Platten aus einem Blechmaterial aus einer Zr-Legierung zu Stücken mit U-förmigem Querschnitt;
(ii) Verschweißen der Stücke mit U-förmigem Querschnitt miteinander an Kanten derselben, um einen rohrförmigen Hohlkörper mit Seiten und Ecken auszubilden;
(iii) Ausführen einer Wärmebehandlung des rohrförmigen Hohlkörpers in einer Lösung, einschließlich des Abschreckens desselben von einer Temperatur, bei der die β-Phase vorliegt;
(iv) Dickenverringerung ausgewählter Abschnitte der Seiten des rohrförmigen Hohlkörpers nach dem Schritt (iii) durch chemisches Ätzen.
Ein zweites bevorzugtes erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Wasserkastens umfaßt die folgenden Schritte:
(i) Ausführen einer Wärmebehandlung zweier ebener Platten aus einem Blechmaterial aus einer Zr-Legierung in einer Lösung, einschließlich des Abschreckens derselben von einer Temperatur, bei der die β-Phase vorliegt;
(ii) Dickenverringerung ausgewählter Abschnitte der Platten nach dem Schritt (i) durch chemisches Ätzen;
(iii) Biegen der Platten, nach dem Schritt (ii), zu Stücken mit U-förmigem Querschnitt mit Ecken und Seiten, wobei die dickenverringerten Abschnitte derselben in den Seiten liegen;
(iv) Verschweißen der Stücke mit U-förmigem Querschnitt an Kanten derselben miteinander, um einen rohrförmigen Hohlkörper herzustellen.
Ein drittes erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Wasserkastens umfaßt die folgenden Schritte:
(i) Biegen zweier ebener Platten eines Blechmaterials aus einer Zr-Legierung zu Stücken mit U-förmigem Querschnitt mit Seiten und Ecken;
(ii) Ausführen einer Wärmebehandlung der Stücke mit U-förmigern Querschnitt in Lösung, einschließlich eines Abschreckens derselben von einer Temperatur, bei der die β-Phase vorliegt;
(iii) Verringern, nach dem Schritt (ii), ausgewählter Abschnitte, die in den Seiten der Stücke mit U-förmigem Querschnitt liegen, durch chemisches Ätzen;
(iv) Verschweißen, nach dem Schritt (iii), der Stücke mit U- förmigem Querschnitt miteinander an Kanten derselben zum Herstellen eines rohrförmigen Hohlkörpers.
Ein viertes bevorzugtes erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Wasserkastens umfaßt die folgenden Schritte:
(i) Ausführen einer Wärmebehandlung zweier ebener Platten aus einem Blechmaterial aus einer Zr-Legierung, einschließlich des Abschreckens derselben von einer Temperatur, bei der die β-Phase vorliegt;
(ii) Biegen der zwei Platten, nach dem Schritt (i), zu Stükken mit U-förmigem Querschnitt;
(iii) Verschweißen, nach dem Schritt (ii), der Stücke mit U- förmigem Querschnitt miteinander an Kanten derselben, um einen rohrförmigen Hohlkörper mit Seiten und Ecken herzustellen;
(iv) Dickenverringerung ausgewählter Abschnitte der Seiten des rohrförmigen Hohlkörpers durch chemisches Ätzen.
Ein fünftes bevorzugtes erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Wasserkastens umfaßt die folgenden Schritte:
(i) Biegen zweier ebener Platten aus einem Blechmaterial aus einer Zr-Legierung zu Stücken mit U-förmigem Querschnitt;
(ii) Ausführen einer Wärmebehandlung der Stücke mit U-förmigem Querschnitt in Lösung, einschließlich eines Abschreckens derselben von einer Temperatur, bei der die β-Phase vorliegt;
(iii) Verschweißen, nach dem Schritt (ii), der Stücke mit U- förmigem Querschnitt miteinander an Kanten derselben, um einen rohrförmigen Hohlkörper mit Seiten und Ecken herzustellen;
(iv) Dickenverringerung ausgewählter Abschnitte, die in den Seiten des rohrförmigen Hohlkörpers liegen, durch chemisches Ätzen.
Der spannungsfreie Dickenverringerungsprozeß ist vorzugsweise aus chemischem Ätzen, Elektroentladungs-schleifen, Elektroentladungs-Bearbeitung und Elektroätzen ausgewählt. Beim chemischen Ätzen, das am bevorzugtesten ist, ist es im allgemeinen erforderlich, eine Maske zu verwenden, die nicht zu ätzende Teile bedeckt, und es ist beim vorliegenden Verfahren besonders bevorzugt, als Maske einen Oxidfilm zu verwen den, der durch Oxidation der Zirconiumlegierung hergestellt wurde. Dieser Oxidationsfilm kann als Ergebnis der Wärmebehandlung in Lösung oder als Ergebnis des Herstellprozesses der Zirconiumlegierung vorhanden sein, und diejenigen Abschnitte desselben, die nicht als Maske erforderlich sind, können leicht entfernt werden, z.B. durch Abstrahlen, wobei ein einfaches Klebeband als Maske beim Abstrahlprozeß verwendet wird. Alternativ oder zusätzlich kann während des chemischen Ätzens eine Maske aus einem anderen Material aufgebracht werden, z.B. ein PTFE(Polytetrafluorethylen)-Gewebe. Die Zirconiumlegierungen, die zur Verwendung beim Herstellen eines Wasserkastens gemäß der Erfindung besonders bevorzugt sind, sind solche, die gewichtsbezogen die folgende Zusammensetzung aufweisen:
Sn nicht über 10 %, z.B. 1 - 5 %
Nb nicht über 20 %, z.B. 1 - 5 %
Cr nicht über 50 %, z.B. nicht über 0,2 %
Fe nicht über 5 %, Z.B. nicht über 0,5 %
Ni nicht über 5 %, z.B. nicht über 0,1 %
Mo nicht über 5 %
V nicht über 5 %
Cu nicht über 5 %
Rest Zr und unvermeidliche Verunreinigungen. Vorzugsweise ist mindestens eines der Elemente Sn und Nb vorhanden, z.B. mit einer Menge von mindestens 1 % in jedem Fall.
Die bevorzugteste Zusammensetzung der Zirconiumlegierung, für die die bekannten Materialien Zircalloy 2 und Zircalloy 4 Beispiele sind, ist die folgende:
Sn 1 - 2 %
Fe 0,05 - 0,3 %
Cr 0,05 - 0,2 %
Ni maximal 0,1 %
Rest Zr und unvermeidliche Verunreinigungen.
Es werden nun Ausführungsformen der Erfindung mittels nicht beschränkender Beispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines bekannten Wasserkastens ist, wie oben beschrieben.
Fig. 2 ein Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. ist.
Fig. 3 ein Flußdiagramm ist, das einen bekannten Prozeß für die Herstellung des Wasserkastens der Fig. 1 veranschaulicht.
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines weiteren bekannten Wasserkastens ist.
Fig. 5 eine Schnittansicht des Wasserkastens von Fig. 4 entlang der Linie A-A in Fig. 4 ist.
Fig. 6 ein Flußdiagramm ist, das schematisch ein Verfahren zum Herstellen eines Wasserkastens veranschaulicht, das die Erfindung verkörpert.
Fig. 7 eine Schnittansicht eines Rohrs mit einer darauf befindlichen Maskierung ist, wie im Prozeß der Fig. 6 verwendet.
Fig. 8 ein Flußdiagramm ist, das ein zweites Verfahren zum Herstellen eines Wasserkastens gemäß der Erfindung veranschaulicht.
Fig. 9 ein Flußdiagramm ist, das ein drittes Herstellverfahren für einen Wasserkasten veranschaulicht, das die Erfindung verkörpert.
Fig. 10 ein Flußdiagramm ist, das ein viertes Herstellverfahren für einen Wasserkasten veranschaulicht, das die Erfindung verkörpert.
Fig. 11 eine perspektivische Ansicht eines durch ein die Erfindung verkörperndes Verfahren hergestellten Wasserkastens ist.
Fig. 12 eine perspektivische Ansicht eines weiteren gemäß einem die Erfindung verkörpernden Verfahren hergestellten Wasserkastens ist.
Fig. 13 eine Schnittansicht des Wasserkastens von Fig. 12 entlang der Linie A-A in Fig. 12 ist.
Gemäß Fig. 6 ist das Ausgangsmaterial für dieses die Erfindung verkörpernde Herstellverfahren eine ebene Platte 1 aus einer Zirconiumlegierung, wie Zircalloy 1 oder Zircalloy 4, mit gleichmäßiger Dicke. Eine derartige ebene Platte 1 kann durch einen herkömmlichen Prozeß hergestellt werden, bei dem die Legierung zum Herstellen eines Barrens geschmolzen wird, der Barren warmgeschmiedet wird, um eine Tafel mit einer Dicke von ungefähr 20 mm herzustellen, und ein Wärmebehandlungsprozeß der Tafel in einer Lösung durch Erwärmen in einem Temperaturbereich, bei dem die β-Phase vorliegt, ausgeführt wird, und diese aus diesem Temperaturbereich abgeschreckt wird. Dann wird das wärmebehandelte Material warmgewalzt, kaltgewalzt und getempert.
Fig. 6 zeigt, daß bei diesem die Erfindung verkörpernden Verfahren die ebene Platte 1 zunächst unter Verwendung einer herkömmlichen Presse zu einer Form 11a mit U-förmigem Querschnitt gebogen wird. Zwei derartige U-Stücke 11a werden einer Kantenvorbereitung unterzogen und dann an ihren Kanten stumpfgeschweißt, um einen rohrförmigen Hohlkörper 11 mit gleichmäßiger Dicke herzustellen. Dann wird der Körper 11 aus der Zirconiumlegierung einer Wärmebehandlung in Lösung dadurch unterzogen, daß er in Längsrichtung durch eine Reihe von Hochfrequenz-Induktionsheizspulen geführt wird, um ihn für einige wenige Sekunden auf die gewünschte Temperatur von ungefähr 900 ºC zu bringen, wonach der erwärmte Abschnitt aus ihn umgebenden Wasserstrahlen 5 durch Wasser 4 abgeschreckt wird. Alternativ kann ein anderes geeignetes Kühlmittel anstelle von Wasser verwendet werden. Wie oben angegeben, ist dieser Schritt einer Wärmebehandlung in Lösung bereits aus US-A-4238251 und US-A-4678521 bekannt. Kurz gesagt, liegt die Temperatur, auf die das Metall erhöht wird, im Bereich von 830 bis 960 ºC, was eine teilweise Umwandlung in die β-Phase ermöglicht, so daß auch die α-Phase vor dem Abschrecken vorhanden ist, oder die Temperatur des Metalls wird über 960 ºC erhöht, was für das Abschrecken eine vollständige Umwandlung in die β-Phase ermöglicht. Der erste Prozeß wird als (α + β)-Abschrecken und der zweite als β-Abschrecken. Beide Wärmebehandlungen in Lösung bilden eine hoch-korrosionsbeständige Kristallstruktur innerhalb der Wand des Rohrs aus. Das Erzeugnis des (α + β)-Abschreckens hat höhere Duktilität als das des β-Abschreckschritts, jedoch besteht die Tendenz, daß das Letztere höhere Festigkeit als das Erstere hat.
Nach dem in Fig. 6 dargestellten Wärmebehandlungsschritt wird ein Kalibrierschritt ausgeführt, wie in JP-A-57-131354 beschrieben, um das Rohr 11 auf eine vorgegebene Größe aufzuweiten und es zu formen und um es gleichzeitig zu tempern, um jegliche Restspannungen zu beseitigen.
Danach wird das kalibrierte Rohr 11 einem chemischen Ätzprozeß unterzogen, der ein Beispiel für einen spannungsfreien Dickenverringerungsprozeß ist. Die zweckdienlichen Teile der Wand des Rohrs 11 werden in der Dicke verringert, um die dünnen Seitenabschnitte 19 des Wasserkastens 15 der Fig. 4 und 5 zu erzeugen. Als erstes muß ein Maskieren derjenigen Teile der Wand des Rohrs 11, die nicht in der Dicke zu verringern sind, ausgeführt werden. Das Rohr 11, das dem Schritt der Wärmebehandlung in Lösung unterzogen wurde, weist an seinen Oberflächen eine Oxidbeschichtung auf, und diese Beschichtung kann gut der Ätzflüssigkeit standhalten, so daß sie dadurch als Maskierungsmaterial verwendet werden kann, daß sie auf denjenigen Abschnitten belassen wird, in denen keine Dickenverringerung erforderlich ist. Sie kann durch Abstrahlen von den anderen Abschnitten entfernt werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein säurefestes Band, wie ein PTFE-Band, verwendet werden, das als Maskierungsmaterial wirksam ist. Fig. 5 zeigt den Körper 11, auf dessen Ecken ein säurefestes Band als Maskierungsmaterial 24 geklebt ist.
Um eine Maskierung der Innenfläche des Körpers 11 zu bewirken, werden die beiden Enden des Körpers abgedichtet, um das Eindringen der Ätzflüssigkeit zu verhindern, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, und zwar durch Aufbringen eines Stopfens 22 mit Abdichtung 21 auf jedes Ende mit anschließendem Verklemmen der zwei Stopfen 22 gegeneinander mittels einer Schraube 23, die durch den Körper 11 läuft.
Der so an seiner Außenseite 11 maskierte Körper 11, dessen Enden verschlossen sind, wird mittels an den Stopfen 23 angebrachten Handgriffen 25 in ein Ätzbad 24 eingeführt. Die bei diesem Ausführungsbeispiel verwendete Ätzflüssigkeit ist eine Lösung aus 2 % HF und ungefähr 30 % HNO&sub3;. Für eine Zirconiumlegierung enthält die bevorzugte Ätzflüssigkeit HF und HNO&sub3;, vorzugsweise mit Mengen von 1 - 3 % HF und maximal 50 % HNO&sub3;. Es kann jede beliebige Ätzflüssigkeit verwendet werden, die für eine Zirconiumlegierung wirksam ist. Die Dauer des Ätzprozesses ist durch die erforderliche Verringerung der Wanddicke bestimmt. Typischerweise beträgt die entfernte Menge mindestens 0,5 mm, wenn ein Wasserkasten hergestellt ist. Dies ist deutlich von der Menge von ungefähr 0,05 mm verschieden, die gleichmäßig von der gesamten Oberfläche des Wasserkastens bei einem Abbeizschritt entfernt wird, wie er als Endbearbeitungsschritt verwendet wurde (und wie er auch bei der Erfindung als Endbearbeitungsschritt verwendet werden kann).
Der chemische Ätzvorgang führt so zu einem Rohr mit einem Querschnitt, wie er in Fig. 5 dargestellt ist, mit hinsichtlich der Dicke verringerten Seitenabschnitten 19 und dickeren Eckabschnitten 20 mit unverringerter Dicke. Dann werden Endbearbeitungsschritte ausgeführt, um die Kanten der in der Dicke verringerten Abschnitte zu glätten und um andere herkömmliche Endbearbeitungsschritte auszuführen. Zu den Endbearbeitungsschritten gehört das Hinzufügen der Klammern 12, 13 und der Kanalabstandshalter 14 durch Anschweißen und auch eine abbeizende Oberflächenbehandlung, wie oben angegeben.
Bei einem speziellen Beispiel des Prozesses von Fig. 6 wurde ein langer Körper 11 aus Zircalloy mit einer Innenweite von ungefähr 130 mm, einer Länge von ungefähr 4,5 m und einer Dicke von einigen wenigen mm in ungefähr 50 % seiner Seitenflächen in der Dicke verringert, wobei die nicht in der Dikke verringerten Flächen durch PTFE-Band abgedeckt waren und wobei die oben angegebene Ätzflüssigkeit verwendet wurde. Der Dickenverringerungsprozeß erforderte ungefähr zwei Stunden Ätzzeit, und die vorgegebene, gewünschte Abmessung wurde zufriedenstellend erhalten. Ein ähnlicher Prozeß zum Verringern der Wanddicke wurde durch ein Schneid- und Schleifverfahren ausgeführt; die Abmessungsgenauigkeit war nicht besser als die beim Ätzprozeß, obwohl zumindest das Zehnfache an Zeit benötigt wurde, und zwar wegen der Schwierigkeiten beim genauen Formen eines Körpers dieser Länge.
Es hat sich herausgestellt, daß der Prozeß gemäß der Erfindung, der ein spannungsfreies Dickenverringern verwendet, für ein langgestrecktes Rohr mit einer Länge von 4 m oder mehr mit einer Wanddicke von einigen wenigen mm, z.B. weniger als 5 mm, hochzufriedenstellend ist. Andere Prozesse, wie maschinelles Schleifen, erschweren es, die Abmessungsgenauigkeit aufrecht zu erhalten, und sie haben die Tendenz, zu Verformungen zu führen, wie sie auch lange Zeit benötigen. Eine andere Möglichkeit ist es, die Wand durch Polieren dünner zu machen, jedoch erfordert dies ebenfalls eine sehr lange Prozeßzeit, selbst im Vergleich mit einem Schneidvorgang. Eine Zirconiumlegierung, die einer Wärmebehandlung in Lösung unterzogen wurde, ist relativ hart, so daß sie für maschinelle Bearbeitung, insbesondere Schleifen, nicht geeignet ist. Der bei der Erfindung bevorzugte Ätzprozeß führt insbesondere zu keiner Verformung, und mit ihm kann eine hochgenaue Dickenverringerung erzielt werden, so daß es gemäß der Erfindung möglich ist, die Wärmebehandlung in Lösung und die Kalibrierbehandlung auszuführen und dann den Körper spannungsfrei in der Dicke zu verringern, um einen Wasserkasten mit einem profilierten Querschnitt mit einer Abmessungsgenauigkeit zu schaffen, die genauso gut ist wie die bei einem herkömmlichen Wasserkasten mit gleichmäßiger Wand dicke.
Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 6 hat es sich herausgestellt, daß die Wärmebehandlung in Lösung und der Ätzprozeß in den Schweißzonen des Körpers gut ausgeführt werden, was zu einem homogenen Erzeugnis führt.
Als Alternative zum oben angegebenen säurebeständigen Band kann festes Paraffin mit Säurebeständigkeit dazu verwendet werden, das Rohr für den chemischen Ätzvorgang zu maskieren.
Der chemische Ätzprozeß kann leicht so ausgebildet werden, daß ein Körper 15, wie der in Fig. 11 dargestellt, hergestellt wird, der an den Seiten des Wasserkastens nicht in der Dicke verringerte Endabschnitte 16 und 17 aufweist, und auch einen Wasserkastenkörper 15 herzustellen, wie er in Fig. 12 dargestellt ist, bei dem zwei Ätzschritte ausgeführt werden, ein erster zum Ausbilden in der Dicke verringerter Bereiche 19a an jeder Seite des Wasserkastens und ein zweiter zum Ausbilden zweier Nuten 18, die eine noch kleinere Wanddicke innerhalb jedes der in der Dicke verringerten Bereiche 19a belassen. Fig. 13 zeigt den sich ergebenden Querschnitt. Diese Formen werden leicht dadurch erzielt, daß eine geeignete Maskierung für den chemischen Schritt oder die Schritte erfolgt.
Für Formen wie die der Fig. 11 und 12 schafft das Ausführungsbeispiel der Fig. 6 den weiteren Vorteil, daß der Schweißschritt an einem Material mit gleichmäßiger Dicke über seine ganze Länge ausgeführt wird, so daß Schwierigkeiten vermieden sind, wie sie durch Änderungen der Dicke der verschweißten Kanten hervorgerufen werden.
Es wird darauf hingewiesen, daß die in den Fig. 11 und 12 dargestellten Strukturen in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung mit der Seriennr.: 840939, eingereicht am 25. Februar 1992, Fig. 5 und 6, und in EP-A-0 501 259 (entsprechend den japanischen Patentanmeldungen 3-29789 und 3- 143409) offenbart sind.
Es wird nun auf die Fig. 8 Bezug genommen, in der ein alternatives, die Erfindung verkörperndes Verfahren zum Herstellen des in den Fig. 4 und 5 dargestellten Wasserkastens veranschaulicht ist, bei dem die Wärmebehandlung in Lösung und der Ätzvorgang beide an einer ebenen Platte 1 aus einer Zirconiumlegierung ausgeführt werden. Der erste Schritt beim Prozeß der Fig. 8 besteht darin, die ebene Platte 1 einer Wärmebehandlung in Lösung mit Abschrecken zu unterziehen, wie oben beschrieben, um die wärmebehandelte Platte 1a mit gleichmäßiger Dicke herzustellen. Diese wärmebehandelte Platte 1a wird dann maskiert, wie ebenfalls oben beschrieben und dann dem oben beschriebenen Ätzschritt unterzogen, um eine Platte 1b mit U-Profil mit drei in der Dicke verringerten Abschnitten zu erzeugen.
Die Platte 1b mit U-Profil wird dann in ihren dickeren Abschnitten gebogen, die die Ecken des Kanalkastens werden. Zwei derartige U-Stücke 11b werden dann stumpfgeschweißt, um ein Rohr 15 mit in der Dicke verringerten Seitenabschnitten zu erzeugen. Danach wird eine Kalibrierung ausgeführt, wie oben beschrieben, und es werden die Endbearbeitungsschritte ausgeführt.
Ein Vorteil dieses Prozesses ist es, daß es besonders einfach ist, die Abmessungen der Profuplatte 1b zu überprüfen, um sicherzustellen, daß sie innerhalb zweckdienlicher Toleranzen liegen. Bei diesem Verfahren ist es auch einfach, das Oxid als Maskierungsmaterial zu verwenden. Andererseits kann, obwohl die Zirconiumlegierung durch die Wärmebehandlung in Lösung gute Korrosionsbeständigkeit erhalten hat, etwas Korrosionsbeständigkeit in den Schweißzonen wegen der Auswirkung des Schweißprozesses verloren gehen.
Fig. 9 veranschaulicht noch ein anderes Verfahren zum Ausführen der Erfindung, bei dem sowohl die Wärmebehandlung in Lösung als auch die Dickenverringerungsschritte an U-förmigen Stücken 11a mit gleichmäßiger Blechdicke ausgeführt werden. Als erstes wird eine ebene Platte 1 aus einer Zirconiumlegierung in die Form des U-Stücks 11a gebogen, das dann einer Wärmebehandlung in Lösung unterzogen wird, wie oben beschrieben, gefolgt von einem Ätzprozeß, wie oben beschrieben, zur Dickenverringerung der geeigneten Seitenteile zum Erzeugen des Stücks 11b. Zwei derartige Stücke 11b werden durch Stumpfschweißen miteinander verbunden, um das Rohr 15 zu ergeben. Dieses Rohr 15 wird der Kalibrierung und anderen Endbearbeitungsschritten unterzogen, um den Wasserkasten der Fig. 4 und 5 herzustellen. Dieses Verfahren ermöglicht auch eine genaue Messung der Dicke der in der Dicke verringerten Teile nach dem Ätzprozeß, jedoch hat es den Nachteil, daß die U-Stücke beim Prozeß der Wärmebehandlung in Lösung weniger leicht handhabbar sind.
Die Fig. 10 zeigt noch ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren, bei dem die oben beschriebene Wärmebehandlung in Lösung an zwei U-Stücken 11a ausgeführt wird, die durch Biegen ebener Platten 1 aus einer Zirconiumlegierung hergestellt wurden. Zwei derartige U-Stücke 11a werden nach der Wärmebehandlung miteinander verschweißt, um ein Rohr 11 herzustellen, das dann einem chemischen Ätzvorgang unterzogen wird, auf dieselbe Weise, wie es oben für die Fig. 4 beschrieben ist.
Fig. 11 veranschaulicht ebenfalls ein anderes erfindungsgemäßes Verfahren, bei dem die oben beschriebene Wärmebehandlung in Lösung an der ebenen Platte 1 aus einer Zirconiumlegierung ausgeführt wird. Zwei derartige Platten 1 werden nach dieser Wärmebehandlung so gebogen, daß U-Stücke 11a gebildet sind, und diese werden danach miteinander verschweißt, um ein Rohr 11 herzustellen, das dann einem chemischen Ätzvorgang unterzogen wird, auf dieselbe Weise, wie es oben für die Fig. 6 beschrieben ist.
Als Alternativen zum chemischen Ätzen wurden Elektroentladungsschleifen, Elektroentladungsbearbeiten und Elektroätzen genannt. Beim Elektroentladungsschleifen wird eine sich dre hende Elektrode dicht an der zu beseitigenden Fläche entlangbewegt, wohingegen beim Elektroentladungsbearbeiten die Elektrode sich nicht quer in bezug auf die Fläche bewegt. Diese Techniken üben keinerlei Spannung auf das in der Dicke zu verringernde Metall aus und sie haben im Vergleich mit chemischem Ätzen den Vorteil, daß ein Maskierungsschritt überflüssig ist. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Maskierung an der Innenseite einer Rohrstruktur erfolgte.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Teils (15) zur Verwendung in einem Kernreaktor, das im Gebrauch einem Neutronenfluß ausgesetzt ist, aus einem Blechmaterial (1), das aus Metallen und Legierungen mit einer durch Abschrecken hergestellten Hochtemperaturphase ausgewählt ist, die sich von einer bei Raumtemperatur existierenden Phase unterscheidet, wobei dieses Verfahren eine Lösungs-Wärmebehandlung des Blechmaterials (1) einschließlich eines Abschreckens ausgehend von einer Temperatur, bei der die Hochtemperaturphase vorliegt, umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Lösungs-Wärmebehandlung mindestens ein Abschnitt (19, 19a, 18) des Blechmaterials durch einen spannungsfreien Schwächungsprozeß relativ zu anderen Abschnitten dünner ausgebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Blechmaterial (1) eine Legierung ist, deren Hauptkomponente ein Metall der Gruppe IVA des Periodensystems ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Teil (15) ein rohrförmiger Wasserkasten zur Verwendung in einem Kernreaktorkern ist und das Material eine Zr-Legierung ist&sub1; wobei die Hochtemperaturphase die β-Phase ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Abschrecken ausgehend von einer Temperatur erfolgt, bei der sowohl die α- als auch die β-Phase der Zr-Legierung vorhanden sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Schritt des Biegens des Blechmaterials.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem Verweißen zweier Abschnitte (11a) des Blechmaterials, um sie zu verbinden, wobei die Lösungs-Wärmebehandlung nach dem Verschweißen ausgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Schwächungsschritt nach dem Verschweißen ausgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Blechmaterial vor dem Schwächungsschritt zu einem Rohr (11) ausgebildet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Blechmaterial vor dem Wärmebehandlungsschritt und dem Schwächungsschritt zu einem Rohr (11) ausgebildet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Wärmebehandlungsschritt und der Schwächungsschritt dann am Blechmaterial (1) ausgeführt werden, wenn dieses in ebener Form vorliegt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Schwächungsschritt an Blechen (ha) des Blechmaterials mit U-förmigem Querschnitt ausgeführt wird und die Bleche (11a) anschließend zum Herstellen eines Rohrs (11) miteinander verbunden werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der spannungsfreie Schwächungsprozeß aus folgendem ausgewählt wird:

- chemisches Ätzen,

- Schleifen durch elektrische Entladung;

- maschinelles Bearbeiten durch elektrische Entladung; und

- elektrisches Ätzen.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem der spannungsfreie Schwächungsprozeß durch chemisches Ätzen erfolgt, wobei ein durch Oxidation des Metalls oder der Legierung erzeugter Oxidfilm als Maske verwendet wird.