DE2216615A1

DE2216615A1 - Sicherheitsarmatur

Info

Publication number: DE2216615A1
Application number: DE2216615A
Authority: DE
Inventors: Berthold Dernbach; Ewald Jurisch; Helmut Landgraf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-04-06
Filing date: 1972-04-06
Publication date: 1973-10-18
Also published as: US3845879A; GB1421843A; FR2179144B1; FR2179144A1; CA976056A

Description

Die vorliegende Erfindung "betrifft eine Sicherheitsarmatur für Rohrleitungen und Behälter mit Sperrfunktion gegenüber hohem Betriebsdruck auf der einen Seite und selbsttätiger Öffnungsfunktion bereits bei niedrigen Überdrucken auf der anderen Seite gegenüber einem absinkenden Betriebsdruck unter Verwendung einer Berstscheibe und eines Stützkörpers. Solche Sicherheitseinrichtungen haben ein "Pail safe"-Verhalten und arbeiten praktisch trägheitslos, sie geben auch bei einem sehr raschen Druckanstieg in kürzester Zeit den vollen Öffnungsquerschnitt einer Rohrleitung frei. Ihr Einsatz ist besonders dort notwendig, wo beim Abfall des Betriebsdruckes Betriebsstörungen zu erwarten sind, die durch Einsatz eines Notsystems begrenzt werden sollen. Der automatischen Freigabe eines solchen Notsystems dient eine derartige Sicherheitsarmatur. Ein ganz besonders markantes Einsatzbeispiel für solche Sicherheitsarmaturen bietet die Kernreaktortechnik. Hier muß z.B. beim Ausfall des normalen Kühlkreislaufes eine Kotkühlung raschestens in Betrieb gesetzt werden, damit größere Schaden am Reaktorkern mit Sicherheit vermieden werden. Ein solcher Einsatz einer Sicherheitsarmatur wird im Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher beschrieben.

Sicherheitsarmaturen mit Berstscheiben sind an sich bekannt. Bei diesen besteht die Berstscheibe aus einem vorv'erformten Blech mit einer Wölbung in Richtung des höheren Druckes. Mit ihrem vorzugsweise ebenen Rand sind sie abdichtend in eine Planschverbindung eingespannt. Blechstärke und Verformungsgrad

309842/0132

- 2 - VPA 72/942 5

ergeben in Abhängigkeit vom Durchmesser den Ansprechdruck. Dieser ist allerdings auch von der Betriebstemperatur an dieser Stelle der Rohrleitung abhängig. Die Druckfestigkeit dieser Konstruktion ist selbstverständlich von der konvexen Seite der Wölbung her gesehen wesentlich höher und kann durch kugelkalottenförmige Stützkörper von der anderen Seite noch vergrößert werden. Diese Stützscheibe hat Segmente, die sich wie ein Gewölbe seitlich gegeneinander abstützen, jedoch im Falle eines Reißens der Berstscheibe in der Druck- und Strömungsrichtung des in der Leitung befindlichen Mediums auseinander gehen und den Strömungsquerschnitt freigeben.

Einrichtungen, nach dem hier geschilderten Stand der Technik haben den großen Nachteil, daß der Ansprechdruck der Berstscheibe sehr ungenau ist, daß beim Aufreißen der Berstscheibe Teile derselben losgelöst und in den Kreislauf der mit einer derartigen Sicherheitseinrichtung versehenen Anlage gelangen können und daß der Unterschied zwischen Ansprechdruck und Betriebsdruck, also jenem Druck, der auf die Außenseite der Kugelkalotte wirkt, verhältnismäßig gering und eng begrenzt ist. Besonders schwierig ist dabei die Herstellung der gewölbten Berstscheiben im Hinblick auf das gewünschte Ansprechverhalten.

Von den Bedürfnissen der Kernreaktortechnik ausgehend, stellte sich daher die Aufgabe, eine solche Sicherheitsarmatur zu finden, mit der praktisch beliebig große Druckunterschiede bewältigt werden können und bei der das Loslösen von Teilen der Berstscheibe mit Sicherheit vermieden wird.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Berstscheibe vorzugsweise eben und mit vom Mittelpunkt ausgehenden und unter Belassung einer ungeschwächten Ringfläche am Scheibenrand nach außen verlaufenden Nuten versehen ist und daß diese Berstscheibe satt auf einem massiven Stützkörper aufliegt, der in den zwischen den Nuten der Berstscheibe liegenden Teilflächen siebartig durchbohrt ist. Die Dicke der Berstscheibe

309842/013?

und die Durchmesser der Bohrungen des Stützkörpers sind dabei so "bemessen, daß unter Betriebsdruck und Temperatur höchstens eine leichte Noppung der Berstscheibe über den Bohrungen, jedoch, kein Reißen derselben eintreten kann. Der Stützkörper ist dabei so konstruiert, daß er den über die Berstscheibe einwirkenden Betriebsdruck, der (u.TJ.) über 100 bar betragen kann, standhält. Die in der Berstscheibe angebrachten Nuten schwächen das Material derselben und wirken als sogenannte Sollbruchstellen. Die Sicherheitsarmatur befindet sich in Sperrstellung, solange sie vom hohen Betriebsdruck der direkt, auf die Berstscheiben wirkt, beaufschlagt wird. Die Sollbruchstellen, also die Nuten der Berstscheibe, liegen auf den massiven Stegen des Stützkörpers zwischen den siebartigen Bohrungen desselben auf und werden daher vom Betriebsdruck praktisch nicht beansprucht.

Ein Ausführungsbeispiel einer solchen Sicherheitsarmatur sei nun in Verbindung ihres Einsatzes in der Kernreaktortechnik erläutert. Pig. 1 zeigt schematisch ein Kreislaufschema eines Kernreaktors, Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Sicherheitsarmatur, Pig. 3 eine Draufsicht auf eine Berstscheibe, Pig. 4 einen Querschnitt durch eine !Tut der Berstscheibe gemäß der Linie I? von Pig. 3, Pig. 5 zeigt eine Draufsicht auf den Stützkörper und Pig. 6 eine Berstscheibe · in aufgerissenem Zustand.

Die Pig. 1 zeigt einen Kreislaufausschnitt aus einem wassermoderierten und gekühlten Reaktor. Der Reaktorkern ist mit R bezeichnet, der Kühlmittelkreislauf mit K. Der Moderatorkreislauf mit M, die Sicherheitsarmaturen mit B, ein Vorratsbehälter mit V, eine Druckgasflasche mit Έ und der Sumpf des Reaktors mit S. In den Kühlmittelkreislauf K ist ein Dampferzeuger D eingebaut, dessen Sekundärseite in nicht dargestellter Weise mit einer Turbine verbunden sein kann. Im Moderatorkreislauf ist außer der Umwälzpumpe noch ein Kühler eingezeichnet. Pur den Pail, daß im Kühlmittelkreislauf K eine

309842/0132

- 4 - VPA 72/9425

Rohrleitung reißt, bricht der Kühlmitteldruck und damit die Kühlmittelströmung raschestens zusammen. Damit entfällt aber auch die Kühlung der Brennelemente im Reaktorkern, so daß diese auch bei abgeschaltetem Reaktor infolge der Nachzerfallswärme immer heißer werden und schließlich schmelzen würden, wenn nicht durch ein Notkühlsystem für die Abführung dieser Nachzerfallswärme Sorge getragen würde. Der Einsatz eines solchen Notkühlsystems muß daher möglichst rasch erfolgen und soll aus Sicherheitsgründen möglichst selbsttätig einsetzen. Möglicherweise auftretende Störungen in Meß- und Steuerleitungen sollen also auf den Einsatz der Notkühlung - diese ist von äußerst lebenswichtiger Bedeutung - keinen Einfluß haben. Die Notkühlung funtioniert in vorliegendem Beispiel dadurch, daß der Flüssigkeitsvorrat V durch ein Druckgas N beispielsweise Stickstoff über die Berstsicherung oder Sicherheitsarmatur B in den Kühlkreis eingespeist wird. Der Druck des Stickstoffes oberhalb des Flüssigkeitsspiegels V beträgt beispielsweise 10 bar, der Kühlmitteldruck im Reaktorkreislauf K etwa 100 bar. Erst wenn dieser unter 10 bar abgesunken ist, würde die Sicherheitsarmatur selbsttätig ansprechen, die Höhe dieses gewünschten Ansprechdruckes, also des Differenzdruckes zwischen dem Druckgas N und dem restlichen Kühlmitteldruck wird wie beschrieben, durch die Dimensionierung der Berstscheibe insbesondere an den Sollbruchstellen eingerichtet. Eine weitere Möglichkeit des Einsatzes solcher Sicherheitsarmaturen zur Sicherstellung der Notkühlung ist im Moderatorkreislauf dieser Reaktoranlage dargestellt. Hier wird zur Notkühlung das Wasser im Sumpf S des Reaktorgebäudes verwendet, das über eine Pumpe P der Sicherheitsarmatur zugeführt wird. Der Moderatorkreislauf ist mit dem Kühlmittelkreislauf in diesem Beispiel so vermascht, daß der Druck von 100 bar auch bei dieser Sicherheitsarmatur auf der Berstscheibe ruht.

Die Sicherheitsarmatur B ist in Fig. 2 im Schnitt dargestellt. Sie ist in eine Flanschverbindung, bestehend aus den Rohrflanschen 1 und 2 unter Zwischenlage von Dichtungsringen 6

309842/0132

- 5 - VPA 72/9425

eingebaut. Der Stützkörper der Siclierlieitsarmatur ist dabei mit 3 bezeichnet, auf ihm liegt die Berstscheibe 4 und ist mit ihrem Rand 5 mit einer Schweißlippe 31 .des Stützkörpers dicht verschweißt. Selbstverständlich wäre auch eine getrennte Abdichtung dieser Berstscheibe 4 mit normalen Dichtungsscheiben im Plansch durchführbar. In Pig. 2a ist ein besonderes Abdichtungs- und Befestigungssystem von Stützkörper 3 und Berstscheibe 4 dargestellt. Wie in Pig. 2 ist die Berstscheibe 4 mit dem Stützkörper verschweißt (5). Über einen Membranschweißring 11 ist sie jedoch auf ihrer ungeschwächten äußeren Ringfläche zusätzlich mechanisch in der Planschverbindung eingespannt. Damit wird ein Aufreißen der Schweißnaht 5 beim Ansprechen der Sicherheitsarmatur zuverlässig vermieden. Mit Hilfe von Membranschweißringen 11, 34 und 21, die an den eingezeichneten Stellen untereinander und mit den übrigen Verbindungsteilen 1, 2 und 3 verschweißt sind, wird zudem eine besonders sichere Abdichtung nach außen erreicht.

Die Berstscheibe 4 ist in Pig. 3 in der Draufsicht dargestellt. In ihr sind sternförmig Nuten 42 eingelassen und bilden die Sollbruchstellen. Der Querschnitt einer derartigen Hut 42 zeigt Pig. 4. Die Nuten 42 gehen dabei nicht bis zum Rand 5 der Scheibe, sondern belassen eine ringförmige ungeschwächte Zone 41. Die Herstellung der Nuten selbst kann mit an sich bekannten Methoden bewerkstelligt werden. Besonders bewährt hat sich das chemische Ätzen und das Punkenerosionsverfahren. Aber auch das Schleifen ist möglich. Da der Restwandstärke der Scheibe 4 an diesen Sollbruchstellen jedoch besondere Bedeutung zukommt, muß auf die Gleichmäßigkeit und Genauigkeit derselben größter Wert gelegt werden. Unter diesen Gesichtspunkten hat sich insbesondere das bereits erwähnte Verfahren der chemischen Ätzung als besonders gut erwiesen.

Die Pig. 5 zeigt eine Draufsicht auf den Stützkörper 3, gestrichelt (42') ist die Lage der darüberbefindlichen Berstscheibe 4 angedeutet. In den Segmenten zwischen diesen Linien

309842/0132

- 6 - VPA 72/942

^6615

ist der Körper der Berstscheibe siebartig mit Bohrungen 32 versehen, durch die beim Ansprechen der Berstscheibe 4 das Wasser für die Notkühlung strömt.

Die Fig. 6 zeigt schließlich die Berstscheibe 4 nach dem Ansprechen. Sie ist wie eine Apfelsinenschale aufgerissen, wobei sich die Teile zwischen den Sollbruchstellen in Strömungsrichtung umlegen. Sie können nicht abreißen, da die Biegung über den ungeschwächten Querschnitt der Berstscheibe selbst erfolgt. Bei dem hier dargestellten Ansprechfall werden sich also diese Berstscheibenteile an die Rohrwandung des Rohrteiles 1 anlegen.

Um eine Vorstellung von den möglichen Dimensionen einer derartigen Sicherheitsarmatur zu geben, sei erwähnt, daß der Durchmesser einer solchen Berstscheibe in einem ausgeführten Anwendungsfall beispielsweise 22 cm und die Blechdicke etwa 0,5 mm beträgt. Die Restdicke der Berstscheibe am Grunde der Nuten 42 beträgt bei einem Berstdruck von ca. 4 bar etwa 0,15 mm. Als Material wird vorzugsweise rostfreier Stahl zu verwenden sein, jedenfalls ein Werkstoff, der von den Betriebsmedien bei den vorkommenden Temperaturen nicht angegriffen wird.

In diesem Beispiel ist das Druckmedium Wasser bei einem Druck von etwa 100 bar und einer Temperatur von etwa 300 C. Bei anderen Reaktortypen kann das Druckmedium ein flüssiges Metall oder auch ein Gas sein, wobei insbesondere bei letzterem Druck und Temperaturverhältnisse noch höher liegen. Aber auch unter diesen Verhältnissen bereitet die Materialwahl keine Schwierigkeiten. Da diese Sicherheitsarmatur auch außerhalb des strömenden Teiles des Betriebsmediums liegen, könnten sie auch zusätzlich noch gekühlt werden, wenn dies aus Festigkeitsgründen notwendig werden sollte. Die Abdichtungsmittel in der Flanschverbindung könnten ebenfalls in an sich bekannter Weise den jeweiligen Betriebsverhältnissen angepaßt werden.

309842/013?

Selbstverständlich ist der Anwendungsbereich einer derartigen Sicherheitsarmatur nicht auf Kernreaktoranlagen beschränkt, vielmehr ist auch eine Anwendung in Anlagen, wie z.B. in der chemischen Industrie, angezeigt, wo ähnlich große Sicherheitsbedürfnisse herrschen.

Die in dem Beispiel gegebenen Dimensionierungsangaben beschränken den Gegenstand der vorliegenden Erfindung nicht, je nach Verwendungszweck ist es möglich, die Dimensionierung hinsichtlich Durchmesser, Zahl der Hüten 42, Dicke der Berstscheibe sowie Materialauswahl den jeweiligen Verhältnissen anzupassen. Auch die geradlinige Ausführung der Sollbruchstellen ist nicht unbedingt erforderlich, diese könnten u. Umständen auch gekrümmt ausgebildet sein.

5 Patentansprüche

6 Figuren

309847/0132

Claims

"A72/9«5 61 Patentansprüche

1. Sicherheitsarmatur für Rohrleitungen und Behälter mit Sperrfunktion gegenüber hohem Betriebsdruck auf der einen Seite und selbsttätiger Öffnungsfunktion bereits bei niedrigen Überdruckwerten auf der anderen Seite gegenüber einem absinkenden Betriebsdruck", unter Verwendung einer in einer Planschverbindung eingesetzten Berstscheibe und einem Stützkörper, dadurch gekennzeichnet, daß die Berstscheibe vorzugsweise eben und mit vom Mittelpunkt ausgehenden und unter Belassung einer ungeschwächten Ringfläche am Scheibenrand nach außen verlaufenden Nuten versehen ist und daß diese Berstscheibe satt auf einem massiven Stützkörper aufliegt, der in den zwischen den Nuten der Berstscheibe liegenden Teilflächen siebartig durchbohrt ist.

2. Sicherheitsarmatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Berstscheibe und die Durchmesser der Bohrungen des Stützkörpers so bemessen sind, daß unter Betriebsdruck und Temperatur höchstens eine leichte Noppung der Berstscheibe über den Bohrungen, jedoch kein Reißen derselben durch die Bohrungen hindurch eintritt.

3. Sicherheitsarmatur nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuttiefe der Berstscheibe bzw. die Reststärke derselben dem Ansprechdruck entsprechend bemessen ist.

4. Sicherheitsarmatur nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Berstscheibe an ihrem Rand mit dem Stützkörper dicht verschweißt und der Stützkörper abdichtend in eine Rohrleitungsflanschverbindung eingebaut ist.

5. Sicherheitsannatur nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß Berstscheibe und Stützkörper abdichtend in eine Rohrleitungsflanschverbindung eingebaut sind.

309842/0132

Leerseite