DE2050056A1

DE2050056A1 - Schutzeinrichtung fur Dampfgeneratoren

Info

Publication number: DE2050056A1
Application number: DE19702050056
Authority: DE
Inventors: Edward B Canoga Park Calif Ash (V St A)
Original assignee: North American Rockwell Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1969-10-13
Filing date: 1970-10-12
Publication date: 1971-04-22
Also published as: CA937118A; AU2036270A; CH510860A; FR2064296B3; BE757311A; US3726339A; FR2064296A7; GB1262059A; NL7014829A

Description

DR. ING. E. HOFFMANN DIPL. ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN

PATB NTAN WALTE

D-8000 MÖNCHEN 81 · ARABELLASTRASSE 4 · TELEFON (0811) 911087 20500

North American Rockwell Corporation, El Segundo, Calif. / USA

Schutzeinrichtung für Dampfgeneratoren

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schutzeinrichtung für Dampfgeneratoren, inabesondere Wärme-Austausch-Einrichtungen, bestehend aus einer Vielzahl von im Abstand voneinander angeordneten, für den Durchfluss einer Flüssigkeit vorgesehenen Rohren, die zwischen einem Paar von Rohrplatten aufgehängt und mit diesen verschwelest sind und einem die Einrichtung aufnehmenden Gehäuse. Die Erfindung bezieht sich im einzelnen auf eine Schutzeinrichtung, die die Auswirkungen

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des Durchsickerns von Flüssigkeit bei einer inneren Undichtigkeit in der Einrichtung herabmindern soll.

Die Verwendung von Trennwänden oder Unterteilungen, um verschiedene Flüssigkeiten voneinander zu trennen, ist wohl bekannt. Beispielsweise trennt die Wandung eines Rohres oder einer Rohrplatte die durch einen Wärmeaustauscher hindurchfliessenden Flüssigkeiten. In einem Mantel und Rohrwärmeaustauscher fliesst eine primäre Flüssigkeit, beispielsweise flüssiges Metall, durch eine Kammer, die von im Abstand voneinander angeordneten Rohrplatten begrenzt ist, welche durch einen geeigneten Mantel im Abstand voneinander gehalten werden, Die Rohrplatten können einzelne angeformte oder angeschweisste rohrförmige Erhebungen oder Stümpfe besitzen, die mit gegenüberliegenden Enden von ein Rohrbündel bildenden Rohren, durch welches die sekundäre Flüssigkeit, beispielsweise Wasser oder Dampf fliesst, metallurgisch, beispielsweise durch Schweissen, verbunden werden. Die Wände der Rohre und die Rohrplatte trennen somit die primäre und die sekundäre Flüssigkeit in dem Wärmeaustauscher.

Die Rohrplatten und die Rohre selbst sind aus einem Metall hergestellt, das hohen Betriebstemperaturen und hohem Druck gut widersteht. Sollte jedoch eine lokale Undichtigkeit vorhanden sein, die es gestattet, dass sich Wasser mit dem geschmolzenen Metall, wie beispielsweise dem Natrium, vermischt, so werden chemische Reaktionen und hohe Geschwindigkeiten und Temperaturen erzeugt, die benachbarte Rohre und'oder Behälter zerstören können, was zu einer fortschreitenden Beschädigung der gesamten Einrichtung führt. Die gesamte Einrichtung könnte aus einem Material wie beispielsweise Incoloy her-

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gestellt sein, das relativ widerstandsfähig gegen eine Reaktion und erosive Zerstörung - wie sie auftreten, wenn Natrium und Wasser (oder Dampf) miteinander vermischt werden - ist. Dieses Metall ist jedoch sehr kostspielig und wirft andere Materialprobleme auf. Wärmeaustauscher der bekannten Art sind insofern benachteiligt, als bei ihrem Betrieb die Gefahr einer möglichen Ausdehnung der Zerstörung von Rohr zu Rohr oder gar bis zu dem Behälter immer dann nicht auszuschliessen ist, wenn die Wandung zwischen dem geschmolzenen Metall und dem Wasser (oder Dampf) undicht wird.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, Schutzeinrichtungen zu schaffen, die im Falle einer Undichtigkeit zwischen dem Wasserteil und dem mit flüssigen Metall gefüllten Teil des Wärmeaustauschers ein Ausdehnen des Zerstörungsvorganges zumindest hemmen«

Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass zum Schutz der geschweissten Stoßstellen zwischen den Rohrplatten und jedem der Rohre Schutzeinrichtungen vorgesehen sind, die aus einer ringförmigen,im Abstand von den Rohren im Bereich der Stösse angeordneten Elementen bestehen, die im wesentlichen gegenüber einer durch das Eindringen einer ersten Flüssigkeit in eine zweite Flüssigkeit hervorgerufenen Reaktion undurchlässig sind.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine zweite Schutzeinrichtung vorgesehen ist, die im wesentlichen gegenüber einer durch ein Eindringen einer ersten Flüssigkeit in ein flüssiges Metall hervorgerufene Reaktion undurchlässig ist und somit eine gefährliche Reaktion innerhalb des Kessels begrenzt und hemmt, wobei die

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zweite Schutzeinrichtung als Schild oder Ummantelung ausgebildet ist, die im Grossen und Ganzen der Kesselwandung benachbart und im wesentlichen gegenüber einer durch das Eindringen einer ersten Flüssigkeit in das flüssige Metall hervorgerufenen Reaktion undurchlässig ist, wobei die Ummantelung zur Begrenzung und Hemmung einer gefährlichen Reaktion innerhalb der Kesselwandung im Abstand von den Rohren und der Kesselwandung angeordnet ist.

Im einzelnen sieht die Erfindung ein die Schweissnaht zwischen einem Rohr und einer Rohrplatte umgebendes rohrförmiges Schild vor, das eine direkte Beaufschlagung der benachbarten Rohre mit Leck-Flüssigkeit und die unausbleibliche Reaktion zwischen dem Wasser und dem geschmolzenen Metall derart einschränkt, dass die Reaktion auf einen das einzelne Rohr umgebenden Bereich beschränkt bleibt, wodurch Beschädigungen weiterer Rohre oder des Behälters entweder völlig ausgeschaltet oder zumindest verzögert werden.

Eine weitere Sicherung ist dadurch gegeben, dass zusätzlich zu den einzelnen angeordneten, die an die Rohrplatte angeschweissten Rohre umgebenden Schilder oder Muffen eine ringförmige Ummantelung vorgesehen ist, die die gesamten Rohre umgibt und im Abstand von der Kesselwandung des Dampfgenerators angeordnet ist, so dass jede auftretende, möglicherweise sowohl den gesamten Wärmeaustauscher als auch die umgebenden Teile zerstörende Undichtigkeit, sich nicht schnell genug durch die Wandung der Ummantelung hindurch ausbreiten kann.

Die Schutzeinrichtungen können entweder über die

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gesamte Rohrlänge nur bereichsweise um diejenigen Schweissnähte angeordnet sein, die als besonders gefährdet gelten.

Im folgenden ist zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in den Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.

Pig. 1 zeigt in einem Teilschnitt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand dessen sowohl die einzelnen Schutzeinrichtungen für die Rohre als auch die ringförmige Ummantelung zwischen dem Rohrbündel und dem Rohrkessel dargestellt werden sollen, und

Fig. 2 zeigt einen Schnitt in der Ebene 2-2 der Fig. 1, aus dem sowohl die räumliche Anordnung der Rohr-Schutzeinrichtung und des Rohres als auch die räumliche Anordnung der das Rohrbündel umgebenden Ummantelung zwischen dem Bündel und dem äusseren Rohrkessel im einzelnen hervorgeht .

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, besteht der Dampfgenerator 1o aus einer Kesselwandung 12, einer Rohrplatte 14, einem primären Flüssigkeitseinlass 16, einem Auslass 18 und einer Anzahl von Rohren 2o· Jedes der Rohre 2o ist mit der Rohrplatte 14 im Bereich eines Stosses 22 mit benachbarten Rohrplattenstümpfen 24 metallurgisch verbunden (verschweisst)♦ Ein primärer Flüssigkeitsstrom 26, beispielsweise flüssiges geschmolzenes Natrium, tritt über den Einlass 16 in eine Kammer

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ein, füllt diese auf und stellt auf diese Weise eine Hitzequelle für die Anzahl von Rohren 2o dar. Das flüssige Natrium verlässt die Kammer 28 durch den Auslass 18. Ein sekundärer Flüssigkeitsstrom, z.B. Wasser oder Dampf, tritt in den Raum 3o ein, der mit jedem der Rohre 2o über Eintrittsoffnungen 32 in Verbindung steht.

Während des Betriebes tritt flüssiges Natrium durch den Einlass 16 ein, umgibt jedes der Rohre 2o während der sekundäre Flüssigkeitsstrom (Wasser) in die mit jedem der Rohre 2o in Verbindung stehenden Eintrittsöffnungen 32 einfliesst. Das flüssige Natrium erhitzt das Wasser und verwandelt es in Dampf unter extrem hohen Druck. Anschliessend tritt das flüssige Natrium mit einer geringeren Temperatur als der Eintrittstemperatur aus dem Auslass 18 aus. Würde nun in der Schweissnaht an dem Stoss 22 ein Riss oder eine undichte Stelle entstehen, so würde Dampf unter extrem hohem Druck durch diesen Riss in Kontakt mit dem Natrium gelangen und somit hohe Strömungsgeschwindigkeiten, hohe Temperaturen und chemische Reaktionen hervorrufen, die weiteren Schaden an benachbarten Rohren oder gar der Kesselwandung 12 hervorrufen könnten.

Zur Sicherung gegen eine derartige katastrophale Zerstörung ist eine ringförmige Muffe 34 mit der Rohrplatte 14 im Bereich des Stossea 36 verbunden. Diese Muffe 34 ist konzentrisch zu und in ringförmigem Abstand von den Rohren 2o angeordnet, wobei der Rand 35 der Muffe 34 sich in halber Stumpfhöhe über der Schweissnaht an dem Stoss 22 erstreckt. Zwischen der Aussenseite des Rohres 2o und der Innenfläche der Muffe 34 wird dadurch ein ringförmiger Spalt 38 gebildet·

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Die Muffe 34 ist aus einem Material hergestellt, das relativ beständig gegenüber Stoffen ist, die bei einer Reaktion von Wasser (Dampf) und Natrium im Falle von Undichtigkeiten im Bereich des Stosses 22 entstehen. Als Material für die Muffen 34 kann beispielsweise Incoloy verwendet werden, das gegenüber den oben beschriebenen Reaktionen eine gute Widerstandsfähigkeit gezeigt hat. Der Zweck der Muffe 34 ist es, eine durch eine im Bereich des Stosses 22 auftretende Undichtigkeit entstehende Katrium-Wasser-Reaktion derart zu hemmen, dass sich diese Reaktion nicht bis zu den benachbarten Rohren ausbreiten kann und damit die benachbarten Rohre der Reihe nach zerstören kann. Der Dampfgenerator 1o kann ausserdem mit geeigneten Fühleinrichtungen (nicht dargestellt) innerhalb der Kammer 28 oder im Bereich des Auslasses 18 ausgestattet sein, die eine derartige, aufgrund einer Undichtigkeit hervorgerufene Reaktion sofort meldet, so dass der Generator unverzüglich abgestellt werden kann·

Innerhalb der Kammer 28 ist im Abstand zu der Innenfläche der Wandung des Kessels 12 eine das Rohrbündel umgebende ringförmige Ummantelung oder Schild angeordnet, die auf ähnliche Weise wie die aufgeschweissten Schutzmuffen 34 mit der Rohrplatte 14 metallurgisch verbunden ist. Dieses Schild 4o verhindert, dass sich eine katastrophale Zerstörung ausbreiten und bis zur Kesselwandung 12 fortsetzen kann. Durch diese Massnahmen ist es nicht möglich, dass durch irgendwelche Fehler innerhalb des Dampfgenerators umgebende Einrichtungen zusätzlich zerstört werden.

Der in Fig. 2 dargestellte Teilschnitt zeigt ganz klar das räumliche Verhältnis zwischen den Schutz-

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muffen 34 und den Rohren 2o. Würden die Muffen 34 den Rohrstumpfen 24 und den Rohren 2o direkt benachbart sein, so würde Jede Expansion oder Kompession zwischen den Rohren 2o und der Rohrplatte 14 auf die Muffen 34 übertragen werden. Dies konnte im Bereich des Stosses 22 zu Beschädigungen führen. Dies ist im wesentlichen der Grund für die Anordnung eines ringförmigen Spaltes zwischen den Muffen 34 und den Rohren 2o₀ Dieser ringförmige Spalt erlaubt es den Reaktionsprodukten einer möglichen Natrium-Wasser-Reaktion, die ausserhalb angeordnete Fühleinrichtung zu erreichen. Jede Kontraktion oder Expansion der Muffe 34 kann vollkommen frei erfolgen, da sie in sich selbst eine Einheit ist. Der ringförmige Spalt 38 gestattet es, die aufgrund einer Undichtigkeit hervorgerufene, zerstörende lokale Reaktion innerhalb des Spaltes einzudämmen. Das Schild oder die Ummantelung 4o ist aus demselben Grund im Abstand 42 zu der Kesselwandung 12 angeordnet. Jede Formänderung, die die Kesselwandung 12 abfangen müsste, würde durch die Ummantelung 4o nicht übertragen, wodurch ein maximaler Schutz für die Kesselwandung 12 und die umgebenden Einrichtungen gegeben ist.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Dampfgenerators 1o besitzen beispielsweise die Rohre 2o eine Stärke von 1,6 mm, während die Ummantelung 4o bei einer Wandstärke von 3»2 mm und einen Abstand 42 von etwa 3»2 mm einen Abstand von den Stössen 22 von ca. 178 mm aufweist.

Der Vollständigkeit halber soll noch erwähnt werden, dass in dem erfindungsgemässen Generator für die Wärmeaustauschfunktion auch andere primäre Flüssigkeiten

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als Natrium und andere Arten von sekundären, durch die Rohre hindurchfliessendeη Wärmeaustauschflüssigkeiten verwendet werden können.

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Claims

- 1ο - Patentansprüche

1.) Wärme-Austausch-Einrichtung, bestehend aus einer Vielzahl von im Abstand voneinander angeordneten, für den Durchfluss einer Flüssigkeit vorgesehenen Rohren, die zwischen einem Paar von Rohrplatten aufgehängt und mit diesen verschweisst sind und einem die Einrichtung aufnehmenden Gehäuse, dadurch gekennzeich net, dass zum Schutz der geschweissten Stoßstellen (22) zwischen den Rohrplatten (H) und jedem der Eohre (2o) Schutzeinrichtungen (34) vorgesehen sind, die aus einer ringförmigen und im Abstand von den Rohren (2o) im Bereich der Stösse (22) angeordneten Elementen bestehen, die im wesentlichen gegenüber einer durch das Eindringen einer ersten Flüssigkeit in eine zweite Flüssigkeit hervorgerufenen Reaktion undurchlässig sind

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die ringförmigen Elemente (34) konzentrisch zu jedem Rohr (2o) angeordnet sind.

3· Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

gekennzeichnet , dass die ringförmigen Elemente als Ring (34) ausgebildet sind, der einen Basisbereich und einen Randbereich besitzt, wobei der Rand (35) des Ringes (34) sich eine bestimmte Entfernung über der Schweissnaht an der Stoßeteile (22) des Rohres (2o) erstreckt, um benachbarte Rohre (2o) im

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Falle einer gefährlichen Reaktion, die aufgrund eines Durchsickerns einer ersten Flüssigkeit durch die geschweisate Stoßstelle (22) in dem sie umgebenden, von dem Rohr (2o) und der Muffe (34) gebildeten Spalt (38) entstehen kann, zu sichern,

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , dass eine zweite Schutzeinrichtung (4o) vorgesehen ist, die im wesentlichen gegenüber einer durch ein Eindringen einer ersten Flüssigkeit in ein flüssiges Metall hervorgerufene Reaktion undurchlässig ist und somit eine gefährliche Reaktion innerhalb des Kessels (12) begrenzt und hemmt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , dass die zweite Schutzeinrichtung als Schild oder Ummantelung (4o) ausgebildet ist, die im Grossen und Ganzen der Kesselwandung (12) benachbart und im wesentlichen gegenüber einer durch das Eindringen einer ersten Flüssigkeit in das flüssige Metall hervorgerufenen Reaktion undurchlässig ist, wobei die Ummantelung (4o) zur Begrenzung und Hemmung einer gefährlichen Reaktion innerhalb der Kesselwandung (12) im Abstand von den Rohren (2o) und der Kesselwandung angeordnet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , dass die erste Flüssigkeit Wasser ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , dass das flüssige Metall flüssiges Natrium ist.

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L e e r s e i t e