专利名称：一种用于实验包层模块系统集成的异材管道的连接方法
技术领域：
本发明涉及一种异材管道的连接方法，具体涉及一种用于解决国际热核聚变实验堆(ITER)的实验包层模块(TBM)本体与其附属系统(氦冷系统、氚提取系统)之间的管道连接的异材管道连接方法。
背景技术：
国际热核聚变实验堆(ITER)计划是规划建设中的一个为了验证全尺寸可控核聚变技术的可行性而设计的国际实验装置。实验包层模块(TBM)是ITER国际合作组织各成员国自行发展、在ITER上开展物理和工程实验的部件，用来模拟和测试与未来聚变堆包层相关的技术。根据ITER相关文件要求，ITER-TBM计划目的在于检验和验证未来聚变示范堆的氚增殖技术和能量提取技术。而ITER-TBM计划所要测试的是一套由产氚实验包层模块本体(TBM)、氦冷却系统(HCS)及相关冷却剂纯化系统、氚提取系统(TES)及相关氚测量系统、屏蔽块、远程控制系统等几部分组成的TBM系统(TBMS)，其中HCS和TES将与TBM模块本体有直接的管道连接。在ITER装置中，实验包层模块系统将面对高能量高通量中子和高热负荷的条件，在此极端工况下如何能保证管道的安全连接、连接效果不受环境影响并且不影响ITER装置正常运行，具有非常重大的挑战性。根据目前的TBMS设计，氦冷系统HCS和氚提取系统TES的管道部件主要选用奥氏体不锈钢(AISI 316LN，或中国等效型号的材料)作为结构材料，设计要求具有充实的安全裕度。这是根据为了便于安装和替换CN HCCB TBM实验包层模块，采用标准化远程切割和重新焊接操作程序的考虑为设计基础的做出的选择。另外氚提取系统选用316LN钢作为结构材料也使考虑到316LN钢的低氚渗透率。而TBM模块本体因为要尽可能地接近聚变示范堆DEMO中的运行条件，其选用的结构材料必须满足低活性，低的中子辐照肿胀率和高温下的组织稳定性，ITER所有七个成员国的TBM大部分都选用低活性铁素体/马氏体钢(RAFM)作为TBM模块本体的结构材料。因此，在ITER TBM系统集成中需要解决RAFM与316LN的连接问题。RAFM钢为马氏体相组织，316LN为奥氏体相组织，两种钢直接焊接存在几个问题:
(I)两种钢的热膨胀系数差别较大，带来的热应力问题；(2)两者的碳含量差造成碳的扩散，RAFM侧会出现脱碳，316LN侧出现碳富集，影响接头的力学性能；(3) RAFM钢的焊接需要进行预热和后期热处理，而TBM模块本体与附属系统的管道连接需要载ITER现场窗口单元内的狭小空间内完成，而ITER现场的窗口单元内由于空间限制，仅能进行简单的焊接操作。
发明内容
为解决实验包层模块系统集成中的马氏体钢与奥氏体钢的管材连接问题，本发明提供了一种用于实验包层模块系统集成的异材管道的连接方法，该方法解决了氏体钢与奥氏体钢的热膨胀系数不匹配带来的热应力问题。
实现本发明目的的技术方案:一种用于实验包层模块系统集成的异材管道的连接方法，它包括以下步骤:(I)制备镍合金球形粉末和奥氏体钢球形粉末；(2)在实验包层模块后板一侧的马氏体钢管道口上制备过渡接头；所述的过渡接头由步骤(I)所述的镍合金球形粉末和奥氏体钢球形粉末，过渡接头由镍合金层、镍合金和奥氏体钢的复合层、奥氏体钢层构成；(3)过渡接头的奥氏体钢层与实验包层模块附属系统的奥氏体钢连接管焊接，即实现了异材管道的连接。所述的步骤(I)中制备镍合金球形粉末和奥氏体钢球形粉末的方法具体如下:将镍合金锻棒或奥氏体钢锻棒采用等离子体旋转电极法制备成球形粉末。所述的镍合金球形粉末和奥氏体钢球形粉末烘干，以清除粉末中的水分。所述步骤(2)的制备过渡接头的具体步骤如下:(2.1)将镍合金球形粉末沉积在马氏体钢管道口的表面上；(2.2)当马氏体钢管道口表面上的镍合金层厚度达到要求后，开始沉积奥氏体钢球形粉末，镍合金球形粉末和奥氏体钢球形粉末沉积形成金属复合层；(2.3)当金属复合层厚度达到要求后，停止沉积镍合金球形粉末；(2.4)继续沉积奥氏体钢球形粉末，当奥氏体钢层厚度达到要求后，停止沉积奥氏体钢球形粉末，即完成了过渡接头的制备。在所述步骤(2.1)之间首先对马氏体钢管道口进行表面处理。所述的表面处理包括先用砂纸抛光，再用有机溶剂清洗干净。所述的制备过渡接头的过程是在充满氩气保护的腔室内，所述的沉积方法是采用激光成形方法。本发明的有益效果为:(I)通过在马氏体RAFM钢管道端口上形成一个具有过渡结构的接头，将马氏体RAFM钢与奥氏体316LN的异材焊接问题转变为奥氏体钢之间的同种材料焊接；(2)采用镍合金作为中间过渡层解决了马氏体钢与奥氏体钢的热膨胀系数不匹配带来的热应力问题；(3)用镍合金作为中间过渡层解决了马氏体钢与奥氏体钢由于碳含量差异大而带来焊缝两侧局部脱碳和局部富碳影响连接处力学性能的问题；(4)通过预制过渡接头，降低了在ITER现场进行管道焊接的工艺难度；(5)过渡接头采用激光立体成形技术逐层生长，可以实现材料成分的平滑过渡，确保过渡接头的力学性能。
图1为本发明所提供的一种用于实验包层模块系统集成的异材管道的连接方法的在RAFM钢管道口表面制备过渡接头的示意图。图中:1.第一送粉机，2.第二送粉机，3.激光束，4.实验包层模块后板，5.实验包层模块本体与氦冷系统连接的进出管口，6.实验包层模块本体与氚提取系统连接的进出管□。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种用于实验包层模块系统集成的异材管道的连接方法，包括以下步骤:(I)制备镍合金球形粉末和奥氏体钢球形粉末,并将镍合金球形粉末装入第一送粉机I内，将奥氏体钢球形粉末装入第二送粉机2内所述的镍合金选用Inconel718。将标号为Inconel718 (国标GH4169)的镍合金锻棒，直径60-65mm，长400-800mm，采用等离子体旋转电极法制备球径为50-200微米的Inconel718的球形粉末,并将Inconel718球形粉末装入第一送粉机I内。Inconel718镍合金锻棒的优选参数为直径60mm、长400mm,制备出的Inconel718球形粉末的球径为50微米。或者Inconel718镍合金锻棒的优选参数为直径62mm、长600mm,制备出的Inconel718球形粉末的球径为100微米。或者Inconel718镍合金锻棒的优选参数为直径65mm、长800mm，制备出的Inconel718球形粉末的球径为200微米。所述的奥氏体钢选用316LN超低碳不锈钢锻棒,直径60_65mm,长400-800mm,米用等离子体旋转电极法制备球径为50-200微米的316LN钢球形粉末，并将16LN钢球形粉末装入第二送粉机2内。316LN超低碳不锈钢锻棒的优选参数为直径60mm、长400mm，制备出的316LN钢球形粉末的球径为50微米。或者316LN超低碳不锈钢锻棒的优选参数为直径62mm、长600mm，制备出的316LN钢球形粉末的球径为100微米。或者316LN超低碳不锈钢锻棒的优选参数为直径65mm、长800mm，制备出的316LN钢球形粉末的球径为200微米。为了清除粉末中的水分，镍合金球形粉末和奥氏体钢球形粉末在真空室中烘干24小时。(2)在实验包层模块后板4 一侧的四个马氏体钢管道口上制备过渡接头；过渡接头的制备在LSF-1I激光成形系统上完成，该系统包含PRC2000C02激光器，气氛控制系统，送粉系统和喷嘴等。(2.1)对实验包层模块后板4 一侧的四个马氏体RAFM钢管道口进行表面处理如图1所示，四个马氏体RAFM钢管道口包括两个实验包层模块本体与氦冷系统连接的进出管口 5、两个实验包层模块本体与氚提取系统连接的进出管口 6。上述表面处理包括先用砂纸抛光，再用有机溶剂清洗干净。(2.2)将进行表面处理后的实验包层模块后板4送入LSF-1I激光成形系统的充满iS气保护的腔室；(2.3)按照马氏体钢管道口的二维轮廓，启动装有镍合金球形粉末的第一送粉机1，将第一送粉机I内的镍合金球形粉末分别沉积在四个马氏体钢管道口的表面上；(2.4)当马氏体钢管道口表面上的镍合金层厚度达到要求后，启动装有奥氏体钢球形粉末的第二送粉机2，继续沉积镍合金球形粉末和奥氏体钢球形粉末形成金属复合层；(2.5)当复合层厚度达到要求后，关闭第一送粉机I内，即停止沉积镍合金球形粉末；(2.6)继续沉积奥氏体钢球形粉末，当奥氏体钢层厚度达到要求后，关闭第二送粉机2，即停止沉积奥氏体钢球形粉末；即完成了过渡接头的制备。过渡接头包括镍合金层、镍合金和奥氏体钢的复合层、奥氏体钢层
在镍合金球形粉末和奥氏体钢球形粉末形成的金属复合层中，镍合金和奥氏体钢的摩尔比为1: 1，且两者均匀混合而成。镍合金层即InConel718层厚度达到2_即达到要求。镍合金球形粉末和奥氏体钢球形粉末的金属复合层，即为镍合金Inconel718与奥氏体钢316LN的金属复合层，当该金属复合层厚度达到2mm即达到要求；该金属复合层采用摩尔比为1:1的Inconel718与SS316LN-1G均匀混合而成。奥氏体钢316LN层厚度达到IOmm即达到要求。上述沉积方法均采用激光成形方法，激光成形的具体参数如下所示:激光能量2000W，激光束直径3mm，激光扫描速率5mm/s，送粉速率10g/min。(3)过渡接头的奥氏体钢层与氦冷系统的奥氏体钢连接管或氚提取系统的奥氏体钢连接管焊接氦冷系统与实验包层模块本体的连接管为奥氏体钢316LN，氚提取系统的奥氏体钢与实验包层模块本体的连接管也为奥氏体钢316LN。过渡接头的奥氏体钢316LN端与氦冷系统或氚提取系统的316LN管道焊接，此处采用氩弧焊技术。本发明所提到的低活性马氏体钢RAFM由Fe、Cr、V、Mn、W和Ta元素组成,各元素成分质量百分比为:Fe占86%以上，Cr在7.5-9.5%之间，V在0.1-0.3%之间，W在1.0-2.0%之间，Mn在0.1-0.6%之间，Ta在0.01-0.3%之间，国内可选型号有CLF-1和CLAM，国外可选型号有Eurofer和F82H。上面结合具体实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。
权利要求
1.一种用于实验包层模块系统集成的异材管道的连接方法，它包括以下步骤: (1)制备镍合金球形粉末和奥氏体钢球形粉末； (2)在实验包层模块后板(4)一侧的马氏体钢管道口上制备过渡接头； 所述的过渡接头由步骤(I)所述的镍合金球形粉末和奥氏体钢球形粉末，过渡接头由镍合金层、镍合金和奥氏体钢的复合层、奥氏体钢层构成； (3)过渡接头的奥氏体钢层与实验包层模块附属系统的奥氏体钢连接管焊接，即实现了异材管道的连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于实验包层模块系统集成的异材管道的连接方法，其特征在于:所述的步骤(I)中制备镍合金球形粉末和奥氏体钢球形粉末的方法具体如下:将镍合金锻棒或奥氏体钢锻棒采用等离子体旋转电极法制备成球形粉末。
3.根据权利要求2所述的一种用于实验包层模块系统集成的异材管道的连接方法，其特征在于:所述的镍合金球形粉末和奥氏体钢球形粉末烘干，以清除粉末中的水分。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种用于实验包层模块系统集成的异材管道的连接方法，其特征在于:所述步骤(2)的制备过渡接头的具体步骤如下: (2.1)将镍合金球形粉末沉积在马氏体钢管道口的表面上； (2.2)当马氏体钢管道口表面上的镍合金层厚度达到要求后，开始沉积奥氏体钢球形粉末,镍合金球形粉末和奥氏体钢球形粉末沉积形成金属复合层； (2.3)当金属复合层厚度达到要求后，停止沉积镍合金球形粉末； (2.4)继续沉积奥氏体钢球形粉末，当奥氏体钢层厚度达到要求后，停止沉积奥氏体钢球形粉末，即完成了过渡接头的制备。
5.根据权利要求4所述的一种用于实验包层模块系统集成的异材管道的连接方法，其特征在于:在所述步骤(2.1)之间首先对马氏体钢管道口进行表面处理。
6.根据权利要求5所述的一种用于实验包层模块系统集成的异材管道的连接方法，其特征在于:所述的表面处理包括先用砂纸抛光，再用有机溶剂清洗干净。
7.根据权利要求4所述的一种用于实验包层模块系统集成的异材管道的连接方法，其特征在于:所述的制备过渡接头的过程是在充满氩气保护的腔室内，所述的沉积方法是采用激光成形方法。
全文摘要
本发明涉及一种异材管道的连接方法，具体公开一种用于解决国际热核聚变实验堆(ITER)的实验包层模块(TBM)本体与其附属系统(氦冷系统、氚提取系统)之间的管道连接的异材管道连接方法，它包括以下步骤(1)制备镍合金球形粉末和奥氏体钢球形粉末；(2)在实验包层模块后板一侧的马氏体钢管道口上制备过渡接头；所述的过渡接头由步骤(1)所述的镍合金球形粉末和奥氏体钢球形粉末，过渡接头由镍合金层、镍合金和奥氏体钢的复合层、奥氏体钢层构成；(3)过渡接头的奥氏体钢层与实验包层模块附属系统的奥氏体钢连接管焊接，即实现了异材管道的连接。该方法解决了氏体钢与奥氏体钢的热膨胀系数不匹配带来的热应力问题。
文档编号B23K9/16GK103157895SQ201110408508
公开日2013年6月19日 申请日期2011年12月9日 优先权日2011年12月9日
发明者罗天勇 申请人:核工业西南物理研究院