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Orbitalschweißen

Innovative Schweißtechnik für Kraftwerkskomponenten

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Schweißfehler und Schäden sind ausgeschlossen

Als Hülle für die Brennelemente werden dünnwandige Rohre aus einer Zirkonlegierung eingesetzt. Die beiden Rohrenden müssen mit aufgeschweißten Kappen gasdicht verschlossen werden. Zum Anbringen der ersten Verschlusskappe hat Polysoude eine besondere Präzisionsrundnahtschweißmaschine im Programm, bei der der Stopfen in der richtigen Lage zugeführt und vollautomatisch angeschweißt wird. Die Schweißung erfolgt ohne Zusatzwerkstoff, das Rohr wird in horizontaler Lage gespannt und in eine Rotationsbewegung versetzt. Der WIG-Brenner bleibt in der 1G (12 h) Position und wird während der Schweißoperation nicht bewegt. Durch das präzise Einhalten sämtlicher im voraus programmierter Schweißparameter werden jegliche Schweißfehler und Schäden an der dünnen Rohrwand durch zu starken Einbrand ausgeschlossen. Für die umfassende Qualitätssicherung sorgt das eingebaute Schweißdatenerfassungssystem.

Beim Verschließen des zweiten Endes ist der Brennstab bereits mit den Uranoxid-Pellets befüllt. Deshalb ist für das Bedienungspersonal ein entsprechender Sicherheitsabstand einzuhalten. Um ein Herausfallen der Pellets zu verhindern, wird der an einer Seite noch offene Brennstab von der Schweißvorrichtung in vertikaler Lage gespannt. Der WIG-Schweißbrenner ist über dem oberen Brennstabende angeordnet, beim dem Schweißvorgang selbst werden weder der Brenner noch das Werkstück bewegt. Bei diesem Fügevorgang ist es der Lichtbogen selbst, der durch besondere, in Brennernähe angebrachte stromdurchflossene Spulen mit einem magnetischen Feld auf einer Kreisbahn an der Außenkante von Rohr und Verschlusskappe entlang geführt wird und so die Verbindung herstellt.

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Nachdem sie die Qualitätskontrolle ohne Beanstandung durchlaufen haben, werden die Brennstäbe in besondere Rahmen, die so genannten Brennelementekästen, eingesetzt und gebündelt. Zu einem Brennstabbündel gehören üblicherweise 200 bis 300 Brennstäbe mit einer Länge von 4 m. Während des Einsatzes sind Brennstäbe und Rahmen großen Beanspruchungen ausgesetzt, die von den im Reaktorkern herrschenden hohen Drücken und Temperaturen sowie die starke radioaktive Strahlung verursacht werden. Nur durch eine präzise Auslegung der Komponenten und eine qualitativ hochwertige Fertigung kann ein sicherer Betrieb der Baugruppen über lange Zeiträume gewährleistet werden. Zu den versagenssicher zu gestaltenden Konstruktionselementen eines Brennstabbündels gehören der Führungsdorn an seinem unteren Ende, der für die einwandfreie Positionierung beim Einsetzen der Baugruppe in den Reaktor sorgt, ein zentral angeordneter Träger und eine Spitze, an der die Hebezeuge befestigt werden können. Auch diese Teile lassen sich mit den Schweißanlagen in der geforderten hohen Qualität zusammenfügen.

Spezielle Anwendungen erfordern angepasste Methoden

Die beschriebenen Prozesse sind gleichermaßen für verschiedene Kraftwerksbauarten geeignet. Alle Komponenten des Primärkühlkreislaufes gehören zu dem so genannten nuklearen Teil. Im Reaktordruckbehälter befinden sich Brennstäbe die bei der exothermen Kernspaltungsreaktion Wärmeenergie abgeben. Das im Reaktordruckbehälter befindliche Wasser wird so auf sehr hohe Temperaturen erwärmt. Ein Druckhaltesystem mit eingebauten elektrischen Heizelementen sorgt für einen stabilen Betriebsdruck der Anlage.

Das erhitzte Wasser zirkuliert im Primärkreislauf und wird durch die Dampferzeuger gepumpt. Diese Dampferzeuger sind große Kessel, deren Innenraum von einer großen Anzahl von Rohren durchzogen wird. Das Wasser des Sekundärkreislaufes wird durch diese Rohre geleitet, nimmt dabei die Wärme auf und wird zu Dampf. Den Dampf des Sekundärkreislaufes nutzt man zum Antrieb von Turbinen, die wiederum mit Generatoren gekoppelt sind, die zur Stromerzeugung dienen. Turbinen und Generatoren gehören zum nicht-nuklearen Teil des Kernkraftwerkes.

Möglichst viele der Schweißoperationen an den schweren Baugruppen werden direkt beim jeweiligen Hersteller mit stationären Fertigungsanlagen ausgeführt. So wird beispielsweise der zentrale Druckbehälter des Kernreaktors auf einem Drehtisch positioniert, der ihn während des Schweißens in eine kontrollierte Rotationsbewegung versetzt. Zwei an Automatenträgern aufgehängte Schweißbrenner stehen sich gegenüber und arbeiten simultan. Die dazu notwendige Ausrüstung einschließlich der Steuerung für die Bewegungsabläufe und der Komponenten für das Engspaltschweißen werden ebenfalls von dem Schweißmaschinenhersteller entworfen und gefertigt.

Reaktordruckbehälter und Dampferzeuger werden als Schmiedeteile hergestellt, die bereits mit den notwendigen Anschluss-Stutzen für die späteren Rohrverbindungen des Primärkühlkreislaufes ausgestattet sind. Der Stahl, aus dem die Behälter geschmiedet werden, unterscheidet sich allerdings von dem Werkstoff der anzuschließenden Rohre. Die Herstellung der dadurch notwendig werdenden heterogenen Verbindung ist aus schweißtechnischer Sicht auf der Baustelle schwierig zu verwirklichen. Deshalb werden die Stutzen der Schmiedeteile im Rahmen einer Auftragschweißoperation bereits beim Hersteller mit einer Pufferschicht versehen, die als Übergangszone zwischen den unterschiedlichen Werkstoffen dient. Die endgültige Verbindung wird schließlich vor Ort fertig gestellt. Die Schweißnaht liegt dann zwischen der Pufferschicht und dem anzuschließenden Rohr und es kann wie beim Fügen artgleicher Werkstoffe vorgegangen werden.

Die Innenflächen des Reaktordruckbehälters und der Dampferzeuger schützt man durch eine korrosionsbeständige Plattierung gegen chemische Angriffe des Kühlmittels. Das großflächige Aufbringen derartiger Schichten lässt sich durch Unterpulverauftragschweißen mit bandförmigem Zusatzwerkstoff erledigen.

Diese Methode kann allerdings nur bei größeren Flächen angewendet werden. Die Innenflächen der Anschluss-Stutzen und die Übergänge zum Behälter sind so nicht erreichbar. Die für diesen spezifischen Einsatzbereich entwickelten WIG-Heißdrahtschweißanlagen sind mit speziellen Kollektorköpfen ausgestattet, die eine endlose Drehbewegung ermöglichen und es gestatten, Plattierungen auch bei kleiner und komplexer Werkstückgeometrie automatisch aufzubringen.

Auch beim Herstellen der Dampferzeuger kommen Polysoude-Schweißanlagen zum Einsatz. Um die geforderte hohe Qualität der Plattierung des Rohrbodens zu erreichen, ist nur ein äußerst geringer Aufmischungsgrad zwischen Auftragwerkstoff und Rohrbodenlegierung zugelassen und die Wärmeeinbringung bei der Auftragschweißung muss so gering wie möglich gehalten werden. Hier kommen die Vorteile des WIG-Auftragschweißens voll zum Tragen, denn es können Wärmeeinbringung und Aufmischungsgrad präzise gesteuert werden. Darüber hinaus bietet das Verfahren eine besonders große Wiederholgenauigkeit.

Für die Rohr-Rohrbodeneinschweißoperationen bei Wärmetauschern kommen Orbitalschweißköpfe zum Einsatz, die in dem jeweils einzuschweißenden Rohr gespannt werden. Verschiedene Modelle erlauben das Schweißen mit oder ohne Zusatzwerkstoff. Besondere Gasschutzglocken werden montiert, wenn der Rohrboden mit sauerstoffempfindlichen Plattierungswerkstoffen beschichtet ist. Je nach gefordertem Automatisierungsgrad kann die Ausstattung der Anlage erweitert werden. Bei entsprechender Konfigurierung der Stromquellen ist auch der gleichzeitige Einsatz mehrerer Orbitalschweißköpfe an einem Werkstück möglich.

Besondere Sorgfalt ist bei der Konstruktion und Herstellung des Deckels für den Reaktordruckbehälter geboten, denn er ist mit zahlreichen Anschlüssen für Kontroll- und Regeleinrichtungen versehen und trägt den Steuerstabantrieb CRDM.

Bei modernen Konstruktionen wird die Gefahr der Spannungsrisskorrosion durch geänderte Fertigungsmethoden ausgeschlossen. Um einen der vier Führungsstutzen des Steuerstabantriebs mit dem Reaktordruckbehälterdeckel zu verbinden, wird an dessen Außenseite eine Auftragschweißung mit arteigenem Material so angebracht, dass ein Zapfen mit ebener Oberfläche entsteht. Während der folgenden Schweißoperation wird die Zapfenoberfläche mit niedriglegiertem Stahl beschichtet, bis die vorgesehene Höhe des Anschlusses erreicht ist. In den Zapfen mit der darunter liegenden Deckelwand wird nun eine axiale Bohrung eingebracht, so dass eine durchgehende Öffnung entsteht. Durch eine Auftragschweißoperation mit korrosionsbeständigem Zusatzwerkstoff wird die Innenseite der Öffnung plattiert. Schließlich wird das Herstellen einer heterogenen Schweißverbindung mit dem anzuschließenden Rohr durch Aufbringen einer Pufferschicht auf die Stirnseite des entstandenen Stutzens vorbereitet. Beim letzten Arbeitsgang verbindet man Rohr und Stutzen mit der Orbitalschweißtechnik. Durch diese Vorgehensweise erreicht man, dass keine Schweißnaht mit dem Kühlmittel in Berührung kommt und die Oberflächen der aus niedrig legiertem Stahl bestehenden Bereiche durch Plattierungen geschützt sind

Während die beschriebenen Arbeitsschritte mit stationären Fertigungsanlagen beim Hersteller durchgeführt werden können, müssen die Verbindungsrohre zwischen den Komponenten des Primärkreislaufes vor Ort mit mobilen Gerätschaften eingesetzt werden

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