DE10132203C1

DE10132203C1 - Sicherheitseinrichtung für ein Rohrleitungssystem

Info

Publication number: DE10132203C1
Application number: DE10132203A
Authority: DE
Inventors: Manfred Labes
Original assignee: Framatome ANP GmbH
Current assignee: Areva GmbH
Priority date: 2001-07-03
Filing date: 2001-07-03
Publication date: 2002-10-24
Anticipated expiration: 2021-07-04
Also published as: SE0201990L; FI20021250A0; FI20021250A; SE0201990D0; FI116485B; SE523317C2

Abstract

Bei einer Sicherheitseinrichtung (1) für ein Rohrleitungssystem (2) mit mindestens einer Ausschlagsicherung (6) ist der Abstand (L) zwischen einer postulierten Rohrbruchstelle (7) und einem durch die Ausschlagsicherung (6) gegebenen Festpunkt (10) derart gewählt, dass das bei einem Rohrbruch infolge der Strahlreaktionskraft (F¶S¶) des austretenden Druckmediums (D) im Festpunkt (10) angreifende Moment das Kollapsmoment (M¶u¶) der Rohrleitung 2a) übersteigt.

Description

Sicherheitseinrichtung für ein Rohrleitungssystem mit mindestens einer Aus schlagsicherung, durch die eine ein Druckmedium führende Rohrleitung hindurch geführt ist. Unter Rohrleitungssystem wird hierbei insbesondere das Rohrleitungs system eines Kraftwerkes, z. B. eines Kernkraftwerkes, verstanden.

Ein derartiges, sicherheitsrelevantes Rohrleitungssystem ist insbesondere in einem Siedewasserreaktor mit entsprechenden Rohrleitungen vom Reaktordruckbehälter (RDB) zur Turbine im Maschinenhaus vorgesehen. Derartige Rohre oder Rohr leitungen führen üblicherweise ein Druckmedium mit einer Temperatur größer 100°C bei einem Druck von mehr als 20 bar. An den mit dem Druckbehälter ver bundenen Rohrleitungen oder Rohrabschnitten sind zudem Durchführungen durch den Sicherheitsbehälter des Kraftwerkes vorgesehen.

Im sicherheitsrelevantesten Bereich, d. h. im Reaktorgebäude selbst, sind inner halb der Rohrleitungen mehrere sogenannte Isolationsventile vorhanden. Diese Isolationsventile dienen zur Absperrung des jeweiligen zum Reaktordruckbehälter führenden Rohrabschnitts bei allen störenden Ereignissen, während diese Ventile normalerweise offen sind. Bricht beispielsweise eine Rohrleitung vom Reaktor druckbehälter aus gesehen hinter einem solchen Isolationsventil, so muss dieses Ventil schließen. Dies bedeutet, dass dieses Ventil sicherheitstechnisch nicht sol chen mechanischen Belastungen ausgesetzt werden darf, dass durch eine Ver formung des Ventils dieses nicht mehr schließen kann.

Üblicherweise sind im Sicherheitsbehälter bzw. im Reaktorgebäude Maßnahmen vorgesehen, um im Fall eines Rohrbruchs die Bewegungsenergie, die infolge des am mit dem Reaktordruckbehälter verbundenen Rohrendes austretenden Druck mediums frei wird, in Verformungsenergie umzuwandeln. Dieses Sicherheitskon zept beruht darauf, zunächst die potentiellen Bruchstellen entlang des jeweiligen Rohrverlaufs zu identifizieren. Potentielle Bruchstellen sind insbesondere Schweißnähte, während die zwischen zwei Schweißnähten liegenden Rohrab schnitte praktisch nicht als potentielle Bruchstellen postuliert werden.

Des Weiteren geht das Sicherheitskonzept davon aus, dass es bei jedem be trachteten Rohrabschnitt, entlang dessen eine Bruchstelle postuliert ist, in Strö mungsrichtung des Druckmediums - d. h. ausgehend vom im Fall eines Bruchs dem als Druckspeicher wirksamen Reaktordruckbehälter zugewandten Rohrende - einen zu schützenden Bereich mit beispielsweise einer Armatur, einem Stutzen oder dergleichen gibt. Somit gibt es im Fall eines Rohrbruchs einen weiterhin mit dem Reaktordruckbehälter in Verbindung stehenden Rohrabschnitt und einen nicht mehr mit diesem Druckspeicher verbundenen Rohrabschnitt. In letzterem ist zwar noch ein unter Druck stehendes Mediumvolumen enthalten, das sich auch ent spannt. Hier erfolgt jedoch keine weitere Mediumsnachspeisung, während in das mit dem Reaktordruckbehälter weiterhin verbundene Rohrende weiterhin Medium eingespeist wird.

Das bisherige Sicherheitskonzept geht zur theoretischen Ermittlung des im Fall eines Rohrbruchs ablaufenden Szenarios davon aus, dass das mit dem zu schüt zenden Bereich in Verbindung stehende Rohrende einen zumindest annähernd kreisförmigen Querschnitt aufweist und diesen auch beibehält. Dadurch baut sich die Strahlreaktionskraft des im Fall eines Rohrbruchs austretenden Druckmedi ums bei kreisförmigem Querschnitt ausgehend von einem Maximalwert über die Zeit ab, bis sich nach etwa 0,4 s bis 0,5 s ein infolge des nachströmenden Mediums konstanter, mittlerer Wert der Strahlreaktionskraft einstellt. Da nach etwa 1 Se kunde (1 s) die sich zwischen der Bruchstelle und dem Reaktordruckbehälter be findende Sicherheitsarmatur geschlossen ist, kann anschließend kein weiteres Druckmedium nachströmen. Wünschenswert ist dabei, auch während dieser bis zum Schließen der Sicherheitsarmatur benötigten Zeitspanne ein Höchstmaß an Sicherheit zu gewährleisten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sicherheitseinrichtung für ein Rohrleitungssystem, insbesondere eines Reaktors, z. B. eines Siedewasser reaktors, anzugeben, das im Fall eines Rohrbruchs ein möglichst hohes Maß an Sicherheit gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Dazu ist bei einer Sicherheitseinrichtung für ein Rohrleitungssystem mit minde stens einer Ausschlagsicherung der Abstand zwischen einer postulierten Rohr bruchstelle und einem durch die Ausschlagsicherung gegebenen Festpunkt derart gewählt, dass das bei einem Rohrbruch infolge der Strahlreaktionskraft des aus tretenden Druckmediums im Festpunkt angreifende Moment das Kollapsmoment der Rohrleitung übersteigt. Im Falle eines Rohrbruchs ist somit eine Biegung des vom Druckmedium weiterhin beaufschlagten Rohrendes zugelassen und sogar provoziert mit dem Zweck und Ergebnis, dass sich an einem bestimmbaren Punkt entlang der Rohrleitung aufgrund einer definierten Biegung des Rohrendes infolge der Strahlreaktionskraft das Rohrende selbst praktisch vollständig abschnürt.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass sich bei genügend großer Kraftwirkung der durch die im Fall eines Rohrbruchs vom austretenden Druck medium zwangsläufig hervorgerufenen Strahlreaktionskraft automatisch ein soge nanntes Fließgelenk ausbildet. Voraussetzung hierfür ist einerseits eine Soll- Knickstelle, die zweckmäßigerweise mit der üblicherweise vorgesehenen Aus schlagsicherung der jeweiligen Rohrleitung oder des entsprechenden Rohrab schnitts zusammenfällt. Andererseits ist erkanntermaßen ein in Strömungsrich tung des Druckmediums hinter der Ausschlagsicherung sich befindender, bogen förmiger Verlauf des bis zur postulierten Bruchstelle verbleibenden Rohrabschnitts erforderlich, um eine Kraftquerkomponente der Strahlreaktionskraft zu erhalten. Diese Kraftkomponente muss ausreichend sein, um das Rohrende an der pos tulierten Knickstelle um einen Mindestbiegewinkel umbiegen oder abknicken zu können. Dieser Mindestwinkel ergibt sich aus dem Verlauf des Biegemomentes in Abhängigkeit vom Biegewinkel.

Das durch die Strahlreaktionskraft bewirkte Moment ist dabei ausreichend, wenn das diesem entgegenwirkende Biege- oder Kollapsmoment des in Strömungs richtung des Druckmediums bis zu einem durch die Ausschlagsicherung vorge gebenen Festpunkt verlaufenden (ersten) Rohrabschnitts überwunden wird.

Um den Scheitelpunkt und damit das Kollapsmoment des vom Biegewinkel ab hängigen Biegemomentes zu überwinden, ist erkanntermaßen der Abstand zwi schen der Bruchstelle und dem Biege- oder Festpunkt bestimmend, so dass der Hebelarm bei gegebener Strahlreaktionskraft ausreicht, um das Kollapsmoment bei dem entsprechenden Biegewinkel zu überschreiten. Bei bekannter Strahlreak tionskraft lässt sich somit der Abstand zwischen der Knickstelle und der Bruch stelle eindeutig festlegen und bestimmen, um den gewünschten Effekt der Ausbil dung eines Fliesgelenkes zu erreichen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch Definition eines im Fall eines Rohrbruchs innerhalb eines Rohrleitungssystems bewußt zugelassenen oder provozierten Fließgelenkes unter Berücksichtigung einer Reduzierung des Rohrquerschnitts innerhalb einer besonders kurzen Zeit spanne, insbesondere bereits nach einigen Millisekunden im Anschluss an einen Rohrbruch, praktisch eine automatische Absperrung des mit dem Druckspeicher verbundenen Rohrendes erfolgt und damit die Sicherheit insgesamt entsprechend erhöht ist. Dabei wird durch die Berücksichtigung der Querschnittsreduzierung in Folge der zugelassenen Verbiegung des mit dem Druckspeicher verbundenen Rohrendes im Fall eines Rohrbruchs die Belastung der Sicherheitsarmaturen deutlich reduziert, wobei speziell für den Rohrbruch vorgesehene Armaturen ohne Beeinträchtigung der Sicherheit sogar eingespart werden können. Die Sicherheits einrichtung ist daher sowohl bei einer Nachbewertung eines bestehenden Rohr leitungssystems als auch bei einer Neuplanung von besonderem Vorteil.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung ein Rohrleitungssystem eines Siede wasserreaktors mit einer Ausschlagsicherung im Bereich einer po stulierten Bruchstelle,

Fig. 2 schematisch den Bewegungsablauf eines Rohrendes im Bereich der Ausschlagsicherung im Fall eines Rohrbruchs,

Fig. 3-5 Diagramme zur Darstellung der Reduzierung eines Rohrquerschnitts in Abhängigkeit vom Biegewinkel,

Fig. 6 und 7 Diagrammdarstellungen des Biegewinkels bzw. der Strahlreaktions kraft unter Berücksichtigung der Querschnittseinschnürung in Ab hängigkeit von der Zeit,

Fig. 8 in einem Kraft-Zeit-Diagramm den Verlauf der Strahlreaktionskraft am Ort eines Rohrbruchs ohne Querschnittseinschnürung und

Fig. 9 in einem Moment-Winkel-Diagramm den Momentenverlauf in einem Fließgelenk.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszei chen versehen.

Fig. 1 zeigt eine Sicherheitseinrichtung 1 eines Rohrleitungssystems 2 eines Siedewasserreaktors mit vier Rohrleitungen 2, die in nicht näher dargestellter Art und Weise von einem Reaktordruckbehälter ausgehen und zu Sammlern oder Turbinenanschlüssen 3 führen. Innerhalb der Rohrleitungen 2 des Rohrleitungs systems sind eine Anzahl von Ventilen oder Armaturen vorgesehen, von denen lediglich ein Ventil 4 näher bezeichnet ist. In Strömungsrichtung 5 eines vom in Fig. 2 schematisch dargestellten Druckbehälters zu den Anschlüssen bzw. Sammlern 3 strömenden Druckmediums D hinter dem Ventil 4 ist eine Ausschlag- oder Anschlagsicherung 6 positioniert.

Durch die Ausschlagsicherung 6 ist ein erster Rohrabschnitt 2a hindurch geführt, an den sich ein bogenförmiger, zweiter Rohrabschnitt 2b der Rohrleitung 2 an schließt. An den zweiten Rohrabschnitt 2b wiederum schließt sich ein dritter Rohrabschnitt 2c mit einer postulierten Bruchstelle 7 an. Die definierte Bruchlage 8 der postulierten Bruchstelle 7 ist durch eine Doppellinie veranschaulicht.

Die nachfolgend näher betrachteten Rohrabschnitte 2a und 2b sind zusammen mit der Ausschlagsicherung 6 sowie der Armatur oder dem Ventil 4 in Fig. 2 schematisch dargestellt. Dort ist auch der als Druckspeicher wirksame Druckbe hälter 9 oder Reaktordruckbehälter (RDB) veranschaulicht. Dabei bildet der zwi schen dem Druckspeicher 9 und der Ausschlagsicherung 4 liegende oder verlau fende Bereich des Rohrleitungssystems 2 den zu schützenden und somit sicher heitstechnisch relevanten Bereich, während der Bereich vom Druckbehälter 9 ausgehend in Strömungsrichtung 5 des Druckmediums D hinter der Ausschlagsi cherung 4 den hinsichtlich von Störungen beherrschbaren Bereich darstellt.

Das Sicherheitskonzept der nachfolgend näher beschriebenen Sicherheitsein richtung 1 basiert auf der Wahl oder der Bestimmung und damit auf der Festle gung oder Definition des Abstandes L zwischen der postulierten Bruchstelle 7 und einem durch die Ausschlagsicherung 6 gegebenen Festpunkt 10 in Richtung der Längsachse 11 des ersten Rohrabschnitts 2a. An diesen schließt sich, ausgehend vom Festpunkt 10 bis zur Bruchstelle 7, der zweite bogenförmige Rohrabschnitt 2b an.

Der erforderliche Abstand L ergibt sich aus der Bewegungsgleichung:

Dabei sind F_S die im Fall eines Rohrbruchs in Richtung des dargestellten Pfeils wirksame Strahlreaktionskraft des hinter dem mit dem Druckspeicher 9 verbunde nen Rohrabschnitts 2b austretenden Druckmediums D, Φ der Biegewinkel, Θ das in Folge der Strahlreaktionskraft F_S des an der Bruchstelle 7 austretenden Druck mediums D im Festpunkt 10 angreifende Moment oder Massenträgheitsmoment und M_u das Kollapsmoment der Rohrleitung 2 im ersten Rohrabschnitt 2a.

Der Verlauf der Strahlreaktionskraft F_S[kN] in Abhängigkeit von der Zeit t[s] ohne Berücksichtigung einer Querschnittsreduzierung des nachfolgend als Rohrende 12 bezeichneten Rohrabschnitts 2b ist in Fig. 8 dargestellt. Der Verlauf zeigt, dass ausgehend vom Zeitpunkt t = 0, bei dem die Strahlreaktionskraft F_S maximal ist, diese über die Zeit t zunächst auf etwa die Hälfte der anfänglichen Kraft F_S ab nimmt. Auf diesem Niveau würde die Strahlreaktionskraft F_S aufgrund der konti nuierlichen Nachspeisung von Druckmedium D aus dem Druckspeicher 9 nahezu konstant bleiben, bis die Armatur 4 - üblicherweise nach etwa 1 s - geschlossen ist.

Die Fig. 3 bis 5 zeigen den Ablauf der aufgrund der Bestimmung des Abstan des L sich automatisch einstellenden Querschnittsreduzierung des Rohrendes 12 im Bereich des sich im Festpunkt 10 ausbildenden Fließgelenkes. Dabei ist in den jeweils oberen Fig. 3a, 4a und 5a die sich - bezogen auf die x- und y-Achse des Rohrquerschnitts - ergebende, zunehmende Verformung veranschaulicht, wo bei in allen drei Fig. 3a, 4a und 5a zusätzlich auch die mit Φ = 0° bezeichnete Kreisform dargestellt ist. Die zugehörige Querschnittsreduzierung in Abhängigkeit vom Biegewinkel Φ ist in den unteren Fig. 3b, 4b bzw. 5b veranschaulicht.

So zeigen die Fig. 3a und 3b die Verformung des Rohrquerschnitts bei einem Biegewinkel von Φ = 3°. Die Fig. 4a und 4b zeigen die Querschnittsverfor mung bzw. -reduzierung bei einem Biegewinkel von Φ = 6°. Die Fig. 5a zeigt eine Querschnittsverformung von Φ = 16,8°, wobei Fig. 5b wiederum den Verlauf der Querschnittsreduzierung über dem Biegewinkel Φ veranschaulicht.

Die Ermittlung der in den Fig. 3 bis 5 veranschaulichten Querschnittsreduzierung basiert auf einem üblichen Rohrinnendurchmesser R_i von 630 mm und einer Rohrwanddicke R_d von 17 mm sowie dem Rohrwerkstoff R_w mit der Bezeichnung WB 36 und einem Rohrinnendruck R_p von 73 bar. Dabei ist der Darstellung ge mäß Fig. 5 entnehmbar, dass bereits bei einem Biegewinkel Φ von 16,8° eine Querschnittsreduzierung des Rohrquerschnitts auf 35% des ursprünglichen, un verformten, kreisförmigen Rohrquerschnitts erfolgt ist.

Die Fig. 6 und 7 zeigen den zugehörigen Verlauf der Strahlreaktionskraft F_S bzw. des Biegewinkels Φ unter Berücksichtigung der Querschnittsreduzierung in Ab hängigkeit von der Zeit t. Dabei ist t₀ = 0 auf den Zeitpunkt festgelegt, in dem die Rohrleitung oder das Rohrende 12 im Anschluss an eine Bruchauslösung und der nachfolgenden Überbrückung des in Fig. 2 angedeuteten Spiels oder Abstandes d im Bereich des durch die Ausschlagsicherung 6 bestimmten Festpunktes 10 an schlägt. Insbesondere aus Fig. 7 ist ersichtlich, dass das bei den gegebenen Pa rametern R_i, R_d, R_w, R_p nach etwa t = 27 ms die Querschnittsreduzierung mit einer praktisch vollständigen Rohrabschnürung und der Folge abgeschlossen ist, dass die Strahlreaktionskraft F_S nahezu Null ist.

Den zugehörigen Verlauf des Biegemomentes des im Festpunkt 10 liegenden Fließgelenkes mit dem Kollapsmoment M_u im Maximum oder Scheitelpunkt dieses Momentenverlaufs in Abhängigkeit vom Biegewinkel Φ zeigt Fig. 9. Aufgetragen ist dabei das sich aus den Parametern R_i, R_d, R_w, R_p ergebende Biegemoment in Abhängigkeit vom Biegewinkel Φ. Der durch die oben angegebene Bewegungs gleichung definierte Abstand L ist daher im Wesentlichen durch die wirksame Komponente der Strahlreaktionskraft F_S bestimmt, wobei das durch die Strahlre aktionskraft F_S und den Abstand L bestimmte, im Festpunkt 10 angreifende Mo ment das diesem entgegenwirkende Kollapsmoment M_u gemäß dem in Fig. 9 dar gestellten Momentenverlauf der Rohrleitung im ersten Rohrabschnitt 2a zumindest entsprechen oder dieses übersteigen muss. Mit anderen Worten: Der Abstand L zwischen der Bruchstelle 7 in Richtung der Längsachse 11 des ersten Rohrab schnitts 2a ist derart bestimmt, dass das bei einem Rohrbruch in Folge der Strahl reaktionskraft F_S des an der Bruchstelle 7 austretenden Druckmediums D im Festpunkt 10 angreifende Moment dem sich aus den betriebsbedingten Parame tern R_i, R_d, R_w, R_p ergebenden Kollapsmoment M_u (Fig. 9) der Rohrleitung im er sten Rohrabschnitt 2a zumindest entspricht, d. h. dieses gerade übersteigt.

Bezugszeichenliste

1

Sicherheitseinrichtung

2

Rohrleitungssystem

2

a, b, c Rohrabschnitt

3

Turbinenanschluss/Sammler

4

Ventil/Armatur

5

Strömungsrichtung

6

Ausschlagsicherung

7

Bruchstelle

8

Bruchlage

9

Druckspeicher/RDB

10

Festpunkt

11

Längsachse

12

Rohrende
D Druckmedium

Claims

1. Sicherheitseinrichtung für ein Rohrleitungssystem (2) mit mindestens einer Ausschlagsicherung (6), durch die eine ein Druckmedium (D) führende Rohrleitung mit einem ersten Rohrabschnitt (2a) hindurchgeführt ist, an den sich über einen bogenförmig verlaufenden, zweiten Rohrabschnitt (2b) ein dritter Rohrabschnitt (2c) mit einer postulierten Bruchstelle (7) anschließt, wobei der Abstand (L) zwischen der Bruchstelle (7) und einem durch die Ausschlagsicherung (6) gegebenen Festpunkt (10) in Richtung der Längs achse (11) des ersten Rohrabschnitts (2a) derart gewählt ist, dass das bei einem Rohrbruch infolge der Strahlreaktionskraft (F_S) des an der Bruch stelle (7) austretenden Druckmediums (D) im Festpunkt (10) angreifende Moment das Kollapsmoment (M_u) der Rohrleitung im ersten Rohrabschnitt (2a) übersteigt.

2. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 1, wobei bei einem Rohrbruch das mit dem ersten Rohrabschnitt (2a) verbundene Rohrende (12) bis zu einer zumindest annähernd vollständigen Abschnürung des Rohrquer schnitts verbiegbar ist.

3. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Abstand (L) be stimmt ist durch die Bewegungsgleichung:
wobei F_S die im Fall eines Rohrbruchs wirksame Strahlreaktionskraft, Φ der Biegewinkel, Θ das in Folge der Strahlreaktionskraft F_S des an der Bruchstelle (7) austretenden Druckmediums (D) im Festpunkt (10) angrei fende Massenträgheitsmoment und M_u das Kollapsmoment der Rohrleitung im ersten Rohrabschnitt (2a) ist.