專利名稱：一種用于實驗包層模塊系統(tǒng)集成的異材管道的連接方法
技術領域：
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際熱核聚變實驗堆(ITER)的實驗包層模塊(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：
國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃是規(guī)劃建設中的一個為了驗證全尺寸可控核聚變技術的可行性而設計的國際實驗裝置。實驗包層模塊(TBM)是ITER國際合作組織各成員國自行發(fā)展、在ITER上開展物理和工程實驗的部件，用來模擬和測試與未來聚變堆包層相關的技術。根據(jù)ITER相關文件要求，ITER-TBM計劃目的在于檢驗和驗證未來聚變示范堆的氚增殖技術和能量提取技術。而ITER-TBM計劃所要測試的是一套由產氚實驗包層模塊本體(TBM)、氦冷卻系統(tǒng)(HCS)及相關冷卻劑純化系統(tǒng)、氚提取系統(tǒng)(TES)及相關氚測量系統(tǒng)、屏蔽塊、遠程控制系統(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，實驗包層模塊系統(tǒng)將面對高能量高通量中子和高熱負荷的條件，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裝置正常運行，具有非常重大的挑戰(zhàn)性。根據(jù)目前的TBMS設計，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，或中國等效型號的材料)作為結構材料，設計要求具有充實的安全裕度。這是根據(jù)為了便于安裝和替換CN HCCB TBM實驗包層模塊，采用標準化遠程切割和重新焊接操作程序的考慮為設計基礎的做出的選擇。另外氚提取系統(tǒng)選用316LN鋼作為結構材料也使考慮到316LN鋼的低氚滲透率。而TBM模塊本體因為要盡可能地接近聚變示范堆DEMO中的運行條件，其選用的結構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所有七個成員國的TBM大部分都選用低活性鐵素體/馬氏體鋼(RAFM)作為TBM模塊本體的結構材料。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問題:
(I)兩種鋼的熱膨脹系數(shù)差別較大，帶來的熱應力問題；(2)兩者的碳含量差造成碳的擴散，RAFM側會出現(xiàn)脫碳，316LN側出現(xiàn)碳富集，影響接頭的力學性能；(3) RAFM鋼的焊接需要進行預熱和后期熱處理，而TBM模塊本體與附屬系統(tǒng)的管道連接需要載ITER現(xiàn)場窗口單元內的狹小空間內完成，而ITER現(xiàn)場的窗口單元內由于空間限制，僅能進行簡單的焊接操作。

發(fā)明內容
為解決實驗包層模塊系統(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驗包層模塊系統(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)不匹配帶來的熱應力問題。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術方案:一種用于實驗包層模塊系統(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)在實驗包層模塊后板一側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合層、奧氏體鋼層構成；(3)過渡接頭的奧氏體鋼層與實驗包層模塊附屬系統(tǒng)的奧氏體鋼連接管焊接，即實現(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)當馬氏體鋼管道口表面上的鎳合金層厚度達到要求后，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合層；(2.3)當金屬復合層厚度達到要求后，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，當奧氏體鋼層厚度達到要求后，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)之間首先對馬氏體鋼管道口進行表面處理。所述的表面處理包括先用砂紙拋光，再用有機溶劑清洗干凈。所述的制備過渡接頭的過程是在充滿氬氣保護的腔室內，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具有過渡結構的接頭，將馬氏體RAFM鋼與奧氏體316LN的異材焊接問題轉變?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局部脫碳和局部富碳影響連接處力學性能的問題；(4)通過預制過渡接頭，降低了在ITER現(xiàn)場進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逐層生長，可以實現(xiàn)材料成分的平滑過渡，確保過渡接頭的力學性能。


圖1為本發(fā)明所提供的一種用于實驗包層模塊系統(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，2.第二送粉機，3.激光束，4.實驗包層模塊后板，5.實驗包層模塊本體與氦冷系統(tǒng)連接的進出管口，6.實驗包層模塊本體與氚提取系統(tǒng)連接的進出管□。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
如圖1所示，一種用于實驗包層模塊系統(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I內，將奧氏體鋼球形粉末裝入第二送粉機2內所述的鎳合金選用Inconel718。將標號為Inconel718 (國標GH4169)的鎳合金鍛棒，直徑60-65mm，長400-800mm，采用等離子體旋轉電極法制備球徑為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I內。Inconel718鎳合金鍛棒的優(yōu)選參數(shù)為直徑60mm、長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400-800mm,米用等離子體旋轉電極法制備球徑為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2內。316LN超低碳不銹鋼鍛棒的優(yōu)選參數(shù)為直徑60mm、長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。(2)在實驗包層模塊后板4 一側的四個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)對實驗包層模塊后板4 一側的四個馬氏體RAFM鋼管道口進行表面處理如圖1所示，四個馬氏體RAFM鋼管道口包括兩個實驗包層模塊本體與氦冷系統(tǒng)連接的進出管口 5、兩個實驗包層模塊本體與氚提取系統(tǒng)連接的進出管口 6。上述表面處理包括先用砂紙拋光，再用有機溶劑清洗干凈。(2.2)將進行表面處理后的實驗包層模塊后板4送入LSF-1I激光成形系統(tǒng)的充滿iS氣保護的腔室；(2.3)按照馬氏體鋼管道口的二維輪廓，啟動裝有鎳合金球形粉末的第一送粉機1，將第一送粉機I內的鎳合金球形粉末分別沉積在四個馬氏體鋼管道口的表面上；(2.4)當馬氏體鋼管道口表面上的鎳合金層厚度達到要求后，啟動裝有奧氏體鋼球形粉末的第二送粉機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合層；(2.5)當復合層厚度達到要求后，關閉第一送粉機I內，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，當奧氏體鋼層厚度達到要求后，關閉第二送粉機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層厚度達到2_即達到要求。鎳合金球形粉末和奧氏體鋼球形粉末的金屬復合層，即為鎳合金Inconel718與奧氏體鋼316LN的金屬復合層，當該金屬復合層厚度達到2mm即達到要求；該金屬復合層采用摩爾比為1:1的Inconel718與SS316LN-1G均勻混合而成。奧氏體鋼316LN層厚度達到IOmm即達到要求。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)與實驗包層模塊本體的連接管為奧氏體鋼316LN，氚提取系統(tǒng)的奧氏體鋼與實驗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。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，國內可選型號有CLF-1和CLAM，國外可選型號有Eurofer和F82H。上面結合具體實施例對本發(fā)明作了詳細說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施例，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，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)明中未作詳細描述的內容均可以采用現(xiàn)有技術。
權利要求
1.一種用于實驗包層模塊系統(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)在實驗包層模塊后板(4)一側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合層、奧氏體鋼層構成； (3)過渡接頭的奧氏體鋼層與實驗包層模塊附屬系統(tǒng)的奧氏體鋼連接管焊接，即實現(xiàn)了異材管道的連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種用于實驗包層模塊系統(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電極法制備成球形粉末。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種用于實驗包層模塊系統(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)權利要求1、2或3所述的一種用于實驗包層模塊系統(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)當馬氏體鋼管道口表面上的鎳合金層厚度達到要求后，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合層； (2.3)當金屬復合層厚度達到要求后，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，當奧氏體鋼層厚度達到要求后，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)權利要求4所述的一種用于實驗包層模塊系統(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)之間首先對馬氏體鋼管道口進行表面處理。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種用于實驗包層模塊系統(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，再用有機溶劑清洗干凈。
7.根據(jù)權利要求4所述的一種用于實驗包層模塊系統(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的腔室內，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際熱核聚變實驗堆(ITER)的實驗包層模塊(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)在實驗包層模塊后板一側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合層、奧氏體鋼層構成；(3)過渡接頭的奧氏體鋼層與實驗包層模塊附屬系統(tǒng)的奧氏體鋼連接管焊接，即實現(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)不匹配帶來的熱應力問題。
文檔編號B23K9/16GK103157895SQ201110408508
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月9日 優(yōu)先權日2011年12月9日
發(fā)明者羅天勇 申請人:核工業(yè)西南物理研究院