用於核反應堆主要冷卻系統的增壓器的加熱管的處理的製作方法

2023-06-07 16:02:11 1

專利名稱：用於核反應堆主要冷卻系統的增壓器的加熱管的處理的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於壓水核反應堆主要冷卻系統的增壓器的加熱管。
背景技術：
用於主要冷卻系統的增壓器的加熱管，通常包括外金屬殼，其具有伸長的圓柱形狀(例如直徑約為22mm長約為2m)，稱為「外殼」，以及安裝在外殼內的加熱器。如文獻FR-2895206所述，此類管安裝在增壓器的下半部分，並浸沒在包含增壓器的主要冷卻系統的水中。它們用於提高主要冷卻系統的操作壓力。因此，可以理解，管在使用中承受著載荷，尤其是熱應力，當結合下面將詳述的加工硬化應力時，該熱應力可能會導致應力腐蝕。 問題提出事故顯示，現有技術中的加熱管可能發生洩漏，特別是管的外殼可能破裂，從而導致管的內部對增壓器內的水開放。這可能進一步導致管的加熱器的損壞、管的操作的失敗，甚至增壓器內的壓力水通過管的內部空間洩漏到增壓器外。因此，希望尋求一種解決方案，以限制特別是由於外殼承受應力腐蝕而導致的外殼破裂的風險。上面提到的文獻FR-2895206提出了一種解決方案，旨在使用電解在外殼的外表面上沉積保護性的鎳鍍層。然而，增加材料的方案導致管的幾何尺寸的變化，尤其是會增加直徑。另外，該方案也不完全是安全的，因為不能排除在碰撞或摩擦的影響下鎳層剝落的風險。一旦增加了直徑，則該方案就不能用於已經製造好的加熱管，因為這樣就可能不再與支架的尺寸相匹配。此外，實施起來也很漫長。本發明的目的是改善上述情況。

發明內容
為了這個目的，本發明提出一種管的處理方法，以減少上述破裂的風險。本發明提出的處理方法一般是管的熱處理，用於至少使外殼的外表面再結晶。因此，本發明涉及用於核反應堆主要冷卻系統的增壓器的加熱管的熱處理方法。該加熱管包括安裝在大體圓柱形外殼中的加熱器。該外殼包括在管的使用過程中，至少部分易受應力腐蝕的外表面。尤其是，作為外殼包括鋼類材料，例如加工硬化的奧氏體不鏽鋼，本發明的方法包括至少在外殼的外表面的熱處理步驟，以便於至少使外殼表面上的材料再結晶。因此，相比於現有技術中的管，再結晶的材料不會受應力腐蝕現象的影響，不會損壞，這就消除了破裂的風險並最終延長了管的壽命。優選的，熱處理使用從外殼的外表面開始施加的感應加熱。尤其是，設想的熱處理包括將外殼的外表面的溫度升高到包括在800°C到1100°C的範圍內，並且優選為900V到1050°C之間，或者950V到1050°C之間，例如960°C、970°C或者甚至1000°C。通過實行使用感應加熱的熱處理，有利於將由該熱處理導致的加熱器的溫度升高限制在900°C的最大值內，從而保持加熱器的電阻和絕緣性能。在下面詳細討論的實施例中，使用感應加熱的熱處理包括將交流電施加於在環繞著外殼外表面的感應線圈中。交流電的頻率可以選擇且優選為至少100kHz。根據「集膚效應」，頻率越高，使用感應加熱傳遞到外殼上的能量就越多地集中到外殼的一小層厚度上。在本文中給出的頻率值下,其中感應線圈的直徑在30到50mm之間，且外殼的直徑大約在20到25mm之間。管周圍設置有感應器，尤其是，所述感應器優選地至少在沿所述管的平移方向上相對於管有一段相對位移。在一個實施例中，對於包括在I到50kW之間的感應功率，平移位移的速度包括在·每分鐘IOOmm到900mm之間。優選地，感應器是螺線管類型的。在一個實施例中，在外殼的外表面上可通入惰性氣體，以避免熱處理後的氧化。在熱處理之後，也有可能通過將流體(例如空氣)吹送至外殼的外表面來實施冷卻。本發明還涉及例如由本發明方法所獲得的加熱管。尤其是，管的外殼至少包括外表面上的再結晶材料層，該層的厚度優選大於或約等於1mm。該層的厚度有利於包括在約為Imm和管的外殼總厚度之間，並且更確切的是,在約I. 5mm到約3mm之間,例如約2mm。「再結晶材料」是指通過實施熱處理，重新將具有高硬度的晶粒劇烈變形重組，以形成具有高或中等硬度的等軸晶粒。因此，本發明的管的處理方法包括外殼的外表面硬度低於現有技術中的標準管。典型的，本發明中處理過的管的外殼的外表面上可測得的硬度值小於或等於約240維氏硬度或者甚至小於約200維氏硬度。這些硬度值分別對應於厚度大於或約等於1臟、或者約為I. 5mm至2mm的再結晶材料。如下文將介紹的，加熱器最初是通過卷邊安裝在管的外殼上的，對外殼的外表面進行型鍛，使得外殼的外表面加工硬化。如下文將看到的，本發明中加工硬化與熱處理之間形成了協同效應。在本發明的熱處理之前，可以在管上觀察到型鍛後加工硬化的痕跡，特別是在外殼的外表面上。有利的，在本發明的處理之後，加工硬化的結果(特別是根據抗應力腐蝕性)會全部消失。本發明的優勢因此，本發明選擇的熱處理優選為使用感應加熱的處理，旨在促進構成外殼的材料的再結晶，特別是外殼的外表面上的材料。作為非限制性的示例，外殼的材料可以典型的是奧氏體鋼(基本包括鐵、16%至20%的鉻、8%至14%的鎳、以及碳(小於I %)和可選的鑰、鈮或鈦)。事實上，可以觀察到，管的外殼受腐蝕的風險可以與其通過型鍛而導致材料實質上加工硬化的製造方法聯繫起來，特別是在外殼的外表面上。圖3表示管的外殼的表面SUR的放大圖，其特別示出了靠近外殼的外表面SUR的加工硬化晶粒。第一個理由是，原則上，使用感應加熱的熱處理是有利的，因為首先這會促進溫度升高，特別是在使用感應加熱處理的材料的外表面上。使用感應加熱的處理也是有利的至少因為第二個理由整個熱處理(在大約1050°C，其用於使管的外殼再結晶)可能導致管的電學性能的惡化，特別是安裝在外殼內部的加熱器。因此，在本發明的一個實施例中，優選的是，僅對管進行表面熱處理，可選的是，特別對外殼進行熱處理。因此，使用感應加熱進行熱處理是合適的。當加熱器的溫度在9000C以上時，實際上可能會發生電學性能的惡化。因此，使用感應加熱的處理，特別是在外殼的表面上進行的，可以改 善外殼表面的形態缺陷(顯著的塑化、位錯和局部應力)，特別是與管的加工過程中外殼的加工硬化相關的形態缺陷。另外，當採用環繞著管的螺線管進行熱處理時，可以實現再結晶熱處理，而不會產生任何熱處理的中斷。軸向上，連續且有規律的熱處理可以通過感應器內管的連續且有規律的位移來獲得，反之亦然。徑向上，熱處理在整個外殼的周圍同時以大體相同的強度進行，從而在再結晶處理過程中形成徑向應力不均的風險也較低。尤其是，在管的加工過程中由於外殼的加工硬化而產生的應力在整個管的周圍被均勻地吸收。在表面熱處理過程中，如果外殼在再結晶處理中一些區域在更小的範圍內承受了更顯著的加工硬化，而管的外殼的其他區域則承受較為不顯著的加工硬化，就會產生應力不均。徑向應力不均使得管的一側形成應力較高的區域，而在管的另一側則形成應力較低的區域，這樣會導致管的彎曲。另外，加工硬化的鋼再結晶所需的能量(其溫度)比未經加工硬化的鋼要少。例如，未經加工硬化的鋼從1050°C開始再結晶，而同樣的表面加工硬化的鋼只需更小的溫度升高，例如960°C，還考慮到所述鋼的表面不是全部都加工硬化，且在外殼的整個層的厚度上加工硬化是不均勻的。這就有可能降低外殼再結晶所需的溫度，從而也降低了外殼內部的加熱器所必須承受的溫度。使用包括在900°C到1050°C之間的表面溫度，更確切的在950°C到1050°C之間，例如960°C、970°C或者甚至1000°C，這就使得當外殼的表面的一些區域較其他區域加工硬化不顯著時，可以確保表面再結晶。尤其是，這些表面溫度使得比起外表面加工硬化較不顯著的外殼區域也可以再結晶，例如靠近中心的區域。如上所述，本發明中的加工硬化與熱處理之間有協同效應。尤其是，最初提出的加工硬化有可能降低處理所需的溫度。另外，根據本發明的熱處理有可能克服管在加工中由於加工硬化所產生的缺陷。根據本發明的熱處理可以吸收外殼中的大部分應力，包括由加工硬化產生的殘餘應力和存在於外表面之下外殼內部深處的應力。當沿著大約為上述層的厚度進行再結晶熱處理時，特別是約I. 5mm或約2mm的厚度，外殼的大部分厚度都被處理了，從而管在加工過程中由於加工硬化在外殼上產生的大部分應力都被吸收了。因此，外殼的外表面在外殼內部更深的那部分層上承受的應力極小。
通過吸收外殼上由於加工硬化所產生的應力，根據本發明的方法可以將整個管中所存在的應力值降低到約IOOMPa之下，或者甚至約SOMPa以下。因此，整個管中所存在的應力明顯小於應力極限值，超過該應力極限值就會在使用中產生應力腐蝕，即對於由奧氏體鋼製成的具有外殼的管來說，應力範圍大約在300MPa到400MPa。


本發明的其它特徵和優勢將在以下結合附圖的非限制性的實施例的具體描述中變得更加明顯，其中-圖I是管的剖視圖，特別示出了本發明的管的內部；-圖2是圖I具有多個不同點的具體視圖,在這些點上,與使用感應加熱的處理相關的各點處的溫度都是根據圖4和5估算的； -圖3不出了管的外殼表面的顯微視圖；-圖4是在使用300kHz頻率、雙線圈2000安培感應器感應加熱、停止加熱4.6秒不保溫的處理條件下，在管的不同點(具體如圖2所示)根據時間所估算的溫度曲線圖；-圖5是在使用200kHz頻率、雙線圈3000安培感應器感應加熱、不保溫的處理條件下，在管的不同點(具體如圖2所示)所估算的溫度曲線圖；-圖6是執行本方法的裝置的示意圖。
具體實施例方式首先，參照圖1，其示出了待浸沒在增壓器中的管的一部分。在這種情況下，其包括由不鏽鋼製成的圓柱形外殼5。因此，可以理解，本發明的方法可以適用於任何外殼由常規「不鏽鋼」(無需特別限定所述鋼的合金成分)製造的管。管的中央包括芯棒2，其通常由銅製成，在外殼5的內部，沿著外殼的中心軸線，還具有繞芯棒2螺旋環繞並插在芯棒2和外殼5之間的電熱絲I。該電熱絲構成上述發明內容部分所提到的加熱器。電熱絲I包括電導電阻金屬芯部3，例如由銅或鎳鉻合金製成。芯部3周圍包覆有由鋼6 (具體見圖2)構成的保護性的金屬層。層6通過絕緣體4例如氧化鎂(MgO)與芯部3電隔離。連續翻轉地環繞在芯部2上的電熱絲I用於連接到一個連接器上，該連接器與在導線I中產生電流的發電機連接。文獻FR-2895206中具體介紹了此類加熱管的連接及其在核反應堆主要冷卻系統中的使用。現在參照圖2，在一個非限定性的實施例中，外殼5的厚度(點A與C之間)是
2.45mm。電熱絲I的保護層6的厚度是O. 5mm(圖2中的點C與D之間)。氧化鎂線4的厚度是O. 4mm(圖2中的點D與E之間)。因此，可以理解，圖I與2中並沒有必要按比例表示。最終，電熱絲的導電芯部3的直徑大約是I. 5mm(點E與F之間)。另外，被外殼5包圍的元件根據步驟被捲曲到外殼內部，該步驟通過型鍛來收縮外殼，這會產生易於影響抗應力腐蝕性的機械應力。在收縮之後，外殼5與加熱元件的線圈I緊密接觸，具體如圖2所示。根據所實施的第一系列測試，為了實現再結晶，謀求外殼5的外表面的溫度升高大約在1050°C。參照圖4，估算出外殼的外表面(曲線A)呈現出的溫度升高的峰值為1050°C，以此來促進再結晶。在點J處，相應於感應(在使用感應加熱的處理中已知的「集膚效應」)獲得約83%的能量，溫度升高大約是1000°C。曲線B具體表示距外殼的外表面(圖2中的點B) I. 5mm處的溫度曲線圖。很明顯，當溫度升高到900°C時，就已經可以在外殼的材料中進行再結晶。因此，所述第一系列的測試可以實現幾乎整個外殼的再結晶，包括其體積。然而，可以發現，在標記為E的曲線上，電熱絲的芯部3的溫度沒有超過800°C，使得電熱絲的芯部3有可能保持其導電性能，從而確保本發明的處理不會在管上產生任何損壞。整體上來說，外殼的外表面的溫度升高在800°C到1100°C之間，並且優選的在900°C到1050°C之間，這是足以使外殼的材料充分進行再結晶的溫度範圍。為了確保電熱絲的芯部3的溫度升高較小，氧化鎂4的溫度升高最大限制在850°C (圖2中的點D)。考慮到上述限制，有利的是系列感應參數至少選自下列-流過感應器(參考圖6中的IND)線圈中的交流電的頻率f(Hz)，可以理解，所述頻率越高，限定在外殼5表面上(通過集膚效應)所感應的能量就越大，-功率P(W)或者等同為與所選擇的頻率對應的電流安培數， -熱處理操作的持續時間,在圖6的不例中，以感應器IND與管的外殼5的相對位移的速度V(mm/min)來表示。當然，感應器相對管的速度越低，溫度升高越快。圖5由此示出了這些不同的效應，其示出對移動速度更高但能量密度也更高的溫度升高的估算。值得注意的是，電熱絲的保護層與氧化鎂(點D)之間的界面承受的溫度升高要低於750°C。根據實施的系列測試，可以得知提供的交流電的頻率優選大於150kHz，以便保護氧化鎂4和/或電熱絲I的導電芯部3，並將溫度升高的閾值限定在800°C至900°C之間。所提供的功率可以在I到50kW之間。感應器IND與管的相對移動速度可以在100到900mm/min的範圍內。在這些條件下，優選的是，提供內徑為30到50mm的螺線管感應器，可以理解，在所給出的實施例中，管的直徑是22mm。優選的，如圖6所示，在熱處理過程中，為了使外殼的熱處理均勻，管是環繞其中心軸線旋轉的(箭頭R)。當然，使用感應加熱處理的各項參數，例如尤其是頻率、功率以及移動速度，在圖6所示的處理裝置中可以根據構成管的元件的具體尺寸、根據其材質或者其它限制來進行調節。通常，可以理解，為了在管的外殼的外表面上產生感應電流，使用感應加熱的處理中尋求的效應是產生交變磁場(使用感應器中的交變電流)。所述感應電流立刻對產生該電流的區域進行加熱。另一方面，管的內部元件，例如外殼的內表面，以及特別是電熱絲I和芯棒2，原則上僅通過熱傳導(如圖4和5中清晰可見的曲線E到I)進行加熱。因此，可以理解，處理的厚度基本上是所選擇的頻率值(對應於集膚效應)和處理時間的函數，或者等同為感應器相對管的移動速度(通過熱傳導)。然後，至少在管的外殼5的外表面上實現再結晶。再結晶可具體從當再結晶時材料變軟的現象中看出。典型的是，可以通過對採用本發明的方法進行處理過的管的外殼5的外表面上使用5kg壓力的圓錐形金剛石進行穿透測試，來測得小於或等於約240維氏硬度的硬度。再結晶外殼的厚度至少為1mm。因此，可以理解，在處理的管上追蹤本發明的方法包括測量小於或等於約240維氏硬度的硬度，例如距離管的外殼5的外表面至少Imm的厚度處。
圖6示出了在使用感應加熱的處理後，立即向管上吹送B流體。確實，為了降低構成管的元件的溫度，在外殼再結晶後，可以進行冷卻處理(例如通過空氣)。這樣在曲線的端部溫度會降低，如圖4和5所示。該管也可以安裝用於供給惰性氣體(例如氬氣、氦氣或者氮氣)的包裹裝置(圍繞管的石英套筒)來避免氧化(在溫度升高之後的)。所述供給惰性氣體(圖6中未示出)的包裹裝置可以在圖中的感應器IND與吹風裝置B之間起作用。在一種變型實施例中，熱處理可以在充滿惰性氣體的腔體中進行，以避免外殼的
表面氧化。另外，本發明不限於上述給出的實施例，它可以衍生到其它的變型中。因此，可以簡單地去除圖6中用於冷卻管的吹風裝置B。
另外，將惰性氣體應用於外殼上也是可選的。由於處理的持續時間短暫，也限制了可能產生的管的氧化。可以注意到，至多外殼5的外表面稍微有點發藍。所述氧化可以簡單地通過最終的酸洗步驟(在管的常規加工方法中已經規劃並實施)來去除。在所述的酸洗步驟中，使用感應加熱進行處理形成的薄氧化層被去除，從而可以避免供給惰性氣體的吹送或避免在如上所述的惰性氣體腔中實施熱處理。另外，如上所述，圖4和5中給出的示例的溫度升高值可以有各種變化。通常，假設，由於外殼的再結晶可以在800°C至1100°C之間進行，使用感應加熱的處理條件旨在相應地提高外殼的外表面的溫度，同時將電熱絲的溫度升高限制在最高約900°C。另外，優選的是，外殼的外表面的溫度升高不超過閾值，例如1100°C以上，或者熱處理的持續時間也可以限定在一個閾值，以便不會催生所謂的「二次再結晶」。總的來說，二次再結晶是因為晶粒的尺寸不均勻，從而使材料變弱。另外，如上所述，如果外殼的外表面整體都加工硬化了，外殼的外表面的最大溫升(圖4或5中曲線A的峰值)可以降到1000°C以下，例如960°C。更普遍的是，通過上述示例介紹了使用感應加熱的熱處理，但是本發明可以使用能選擇性地限制主要是管的外殼的溫度升高的任何類型的熱處理，例如通過雷射掃描或外殼表面的環形焊槍來加熱也可以列入考慮範圍。採用環形焊槍的處理，使熱處理與採用圓柱形螺線管處理具有同樣的優點，因此特別有利。
權利要求
1.加熱管的處理方法，其中所述加熱管用於核反應堆的主要冷卻系統的增壓器中，所述加熱管包括安裝在大體圓柱形外殼(5)中的加熱器(I)，所述外殼包括在管的使用過程中，至少部分易受應力腐蝕的外表面，所述外殼包括鋼類材料，其特徵在於，所述方法包括至少在所述外殼的外表面的熱處理步驟，用於至少使在所述外殼的表面上的材料再結晶。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述熱處理使用從所述外殼的外表面開始施加的感應加熱。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述熱處理包括將所述外殼的外表面的溫度升高到包括在900°C至1050°C的範圍內。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，由所述熱處理導致的所述加熱器的溫度升高限定在900°C的最大值內。
5.根據權利要求3或4所述的方法，其特徵在於，使用感應加熱的再結晶處理中施加於感應線圈的交流電頻率至少是IOOkHz，對於環繞著所述外殼的外表面的直徑在30到50mm之間的線圈，所述外殼的直徑在大約20至25mm之間。
6.根據權利要求3至5中任一項所述的方法，其特徵在於，所述管周圍設置有感應器(IND)，並且所述感應器至少在沿所述管的平移方向上相對於所述管有一段相對位移。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，對於包括在I到50kW之間的感應功率，平移位移的速度包括在每分鐘100到900mm之間。
8.根據權利要求2至7中任一項所述的方法，其特徵在於，所述熱處理使用設置在所述管周圍的螺線管類型的感應器(IND)。
9.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，還包括在所述外殼的外表面上通入惰性氣體，以避免所述熱處理後的氧化。
10.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，還包括在所述熱處理之後，將流體吹送至(B)所述外殼的外表面上的冷卻步驟。
11.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，在所述熱處理步驟之前，在所述外殼的外表面上至少有加工硬化的痕跡。
12.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，所述外殼的材料是加工硬化的奧氏體不鏽鋼類型。
13.根據權利要求I至12中任一項所述的方法生產的加熱管，其特徵在於所述管的所述外殼(5)在其外表面上至少包括再結晶材料層。
14.根據權利要求13所述的管，其特徵在於，所述層的厚度大於或約等於1mm。
15.根據權利要求13或14所述的管，其特徵在於，所述管具有小於或等於約240維氏硬度的硬度。
全文摘要
本發明涉及用於核反應堆主要冷卻系統的增壓器的加熱管的處理方法。尤其是，加熱管包括安裝在大體圓柱形外殼(5)中的加熱器(1)。外殼的材質可以由加工硬化的奧氏體不鏽鋼構成。尤其是，外殼(5)的外表面在加熱管的使用過程中易受應力腐蝕。在本發明中，所述方法包括熱處理步驟，優選使用感應加熱，其中熱處理外殼的外表面，從而至少使外殼表面上的材料再結晶。
文檔編號C21D1/10GK102959096SQ201180026167
公開日2013年3月6日 申請日期2011年4月6日 優先權日2010年4月8日
發明者傑克奎斯·查姆普雷東德, 金-瑪麗·法蓋翁, 伊維斯·諾 申請人:法國電力公司