[发明专利]一种用于实验包层模块系统集成的异材管道的连接方法

说明书

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：(1)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：

(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。

所述的步骤(1)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。