DE2249690B2

DE2249690B2 - Sicherheitseinrichtung fuer unter druck stehende anlagen

Info

Publication number: DE2249690B2
Application number: DE19722249690
Authority: DE
Inventors: Heiko Dr.-Ing. 5170 Jülich Barnert
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1972-10-11
Filing date: 1972-10-11
Publication date: 1976-11-25
Also published as: ATA740173A; FR2203041A1; GB1441311A; US3937255A; SE369640B; JPS5737798B2; DE2249690A1; NL174977B; AT342725B; JPS4973713A; NL174977C; NL7312819A; BE804647A; FR2203041B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sicherheitseinrichtung für unter Druck stehendes Medium enthaltende Anlagen, bei der die Stärke der Wandung der Anlage in einem vorgegebenen Bereich gegenüber dem übrigen Bereich vermindert ist und auf der Innenseite eine diesen Bereich mit der verminderten Wandstärke überdeckende, im Abstand davon angec-dnete Abdeckwand vorgesehen ist. Solche Sicherheitseinrichtungen finden in der Technik vielfache Anwendung. Sie werden beispielsweise in der Hochdrucktechnik, in der Behältertechnik, in der chemischen Technologie und auch in der Reaktortechnik verwendet. In der Reaktortechnik werden sie insbesondere für gasgekühlte Reaktoren. Hochtemperaturreaktoren, flüssigkeitsgekühhe Reaktoren und auch für Reaktordruckleitungen und Reaktordruckbehälter gebraucht.

Durch diese Sicherheitseinrichtungen sollen die unmittelbaren Auswirkungen von Schaden, die beim Bersten drucktragender Wandungen auftreten können, verringert und auf einen vorgegebenen Bereich begrenzt werden.

Sicherheitseinrichtungen der vorbezeichneten Art, durch die gewährleistet werden soll, daß die infolge des Austretens des unter Druck stehenden Mediums hervorgerufene Strömung auf ein Mindestmaß herabgesetzt wird, sind in verschiedenen Ausführungen vorgeschlagen worden. So ist aus W. Braun, K. Traube, Safety of German Designed Light Water-Reactors, 4. Atomkonferenz Genf 6.-16.9.71, A/CONF. 49/P/365, April 1971, Abschn. Ul/2 eine unter der Bezeichnung »Durchflußbegrenzer« beispielsweise für die Frischdampfleitungen von Siedewasserreaktoren verwendete Sicherheitseinrichtung bekannt, die als Düse, insbesondere als Venturidüse, ausgebildet ist und in einem Dampfstutzen des Reaktordruckgefäßes angeordnet wird. Dadurch soll erreicht werden, daß bei Leitungsbrüchen außerhalb des Reaktors die Druckabsenkungsgeschwindigkeit im Kernreaktor hei abgesetzt wird. Um die Druckabsenkungsgeschwindigkeit im Reaktor weiterhin zu verlangsamen, hat man außerdem vorgeschlagen, in den Leitungen schnell schließende Rückschlagklappen vorzusehen. Durch die Anordnung solcher Durchflußbegrenzer konnte die Dauer des Druckabfalls im Schadensfalle von 70 at auf 15 at auf etwa 150 see verlängert werden Dadurch wurde zwar erreicht, daß Schäden an den Brennelementen vermieden wurden. Doch wird bei der Verwendung für Siedewasserreaktoren durch die aus der Anordaung solcher Durchflußbegrenzer sich ergebende Querschnittsverengung zugleich auch der Kühlmittelmassenstrom aus dem Reaktordruckbehälter begrenzt Das hat die Folge, daß es nicht möglich ist, die Wirkung eines Durchflußbegrenzers durch Verkleinerung des begrenzenden Strömungsquerschnitts zu erhöhea Der Strömungsquerschnitt muß nämlich mindestens so groß sein, daß unter der Bedingung, daß die höchstmögliche Geschwindigkeit — nämlich Schallgeschwindigkeit sich einstellt, der normale Kühlmittelmassenstrom noch durch den begrenzenden Strömungsquerschnitt hindurchtreten kann. Außerdem entstehen infolge der bei der Verwendung von Durchflußbegrenzern notwendigen Verzögerung des unter Druck stehenden Mediums, das bis zum begrenzenden Strömungsquerschnitt beschleunigt wird, unvermeidlich Verluste. Eine Verringerung des begrenzenden Strömungsquerschnitts wie sie zur Erhöhung der Wirkung erstrebenswert wäre — ist daher nicht oder jedenfalls nicht in dem gewünschten Maße möglich. Der durch den Durchflußbegrenzer hindurchtretende Strom kann daher bei Verwendung dieser Sicherheitseinrichtung im Störungsfall nur unter Inkaufnahme erheblicher Energieverluste auf die Größe des in der unter Druck stehenden Rohrleitung fließenden Normalstroms verkleinert werden. Diesen Strom unter die Größe des Normalstromes zu verringern, ist nicht möglich.

Bei einer anderen, aus S. F ö r s t e r, Anlagenkonzepte für Kernkraftwerke mit Hochtemperaturreaktor und Heliumturbinenkreislauf (HTR-GT). lül-803-RG. Okt. 1971 bekannten Sicherheitseinrichtung, die insbesondere bei Rohrleitungen verwendet wird, ist vorgesehen, daß auf einer vorbestimmten Strecke zwei koaxial zueinander angeordnete Rohrleitungen vorgesehen sind, wobei die Wandungen beider Rohre auf den vollen Druckunterschied ausgelegt sind. Der Zwischenraum zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr dieser Doppelrohrleitung wird dabei von einem Medium ausgefüllt, das unter einem solchen Druck steht, daß das innere Rohr bei Normalbetrieb druckentlastet ist, während das äußere Rohr die Drucklast trägt. Bei einem Bruch des äußeren Rohres wird, um Verluste auszuschließen, der volle Druck von dem inneren Rohr aufgenommen. Die Auslegung ist dabei so, daß der Druck über eine vorbestimmte Dauer aufrechterhalten bleibt. Nachteilig ist bei der Verwendung dieser Sicherheitseinrichtung, daß es erforderlich ist, zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr Verbindungsstücke vorzusehen. Dadurch werden Verspannungen zwischen beiden Leitungen hervorgerufen; sie entstehen entweder bereits bei der Herstellung oder auch infolge von Montagearbeiten; sie werden auch bei Veränderungen der äußerer. Lagerbedingungen, beispielsweise durch Langzeitkriechen oder Bauteilsetzung verursacht, oder auch durch Temperaturschwankungen. Hinzu kommt daß durch Belastungen, beispielsweise infolge vor Druck, der auf eine Leitung ausgeübt wird, aucr Belastungen der anderen Leitung entstehen. Auch da; Druckpolster, das bei einem Ausfall der Druckregelunj sich belastend auf die innere Leitung auswirkt, kam Verspannungen zwischen beiden Leitungen verursa chen. Wird diese bekannte Sicherheitseinrichtung ii

Heißgasleitungen verwendet, so kommen als weitere Beeinträchtung die dadurch verursachten Eigenspannungen hinzu. Bei der Auslegung der inneren Leitung unter Berücksichtigung aller möglichen Belastungen im Störfalle ergeben sich ferner Schwierigkeiten wegen der im allgemeinen vorzusehenden Armaturen und Kondensatoren. Notwendige Prüfungen der inneren Leitung sind außerdem — wenn überhaupt — nur tinter erheblichem Aufwand durchführbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sicherheitseinrichtung zu schaffen, durch die die unmittelbaren Auswirkungen von Schaden, die beim Bersten drucktragender Wandungen auftreten können, verringert und auf einen vorgegebenen Bereich begrenzt werden und durch die außerdem der Durchflußquerschnitt für die durch die Schadensstelle hindurchtretende Strömung auf ein praktisch beliebig kleines Maß begrenzt wird.

Diese Aufgabe wird bei der Einrichtung der eingangs bezeichneten Art dadurch gelöst, daß die Abdeckwand schwimmend gelagert ist und daß die Randbereiche der Abdeckwand mit nach außen weisenden Wülsten versehen sind, die den freien Querschnitt zwischen der Außenfläche der Abdeckwand und der Innenfläche der den Bereich mit der verminderten Wandstärke enthaltenden Anlagenwandung verengen. Bei ungestörtem Betrieb ist dabei der in dem Zwischenraum zwischen der Abdeckwand und der Innenfläche der Wandung des Bereiches mit der verminderten Wandstärke herrschende Druck gleich dem in der Anlage herrschenden Druck. Die Wandung des unter Druck stehenden Behälters und die die potentielle Schadensstelle überdeckende Wandung stehen im normalen Betrieb nicht miteinander in Berührung, daher können von der einen Wandung auf die andere Wandung auch keine Kräfte übertragen werden. Vorteilhaft ist ferner, daß die die Schadensstelle überdeckende Wandung — abgesehen vom Schadensfall — nicht unter äußerer Belastung steht.

Im Schadensfall wird dadurch, daß das Medium nur durch den zwischen den Wülsten und der drucktragenden Wandung gebildeten Durchflußquerschnitt austritt, der Druck des Mediums im Zwischenraum zwischen der Außenfläche der Abdeckwand und der Innenfläche der drucktragenden Wandung sehr schnell abgebaut. Infolge der Begrenzungsmöglichkeit des Durchflußquerschnittes ist es — unter Berücksichtigung der ^₅ jeweils vorgegebenen Bedingungen — somit möglich, die Schadensstelle auf ein Mindestmaß zu begrenzen. Auch ist der zwischen den Wülsten und der drucktragenden Wandung gebildete Durchflußquerschnitt maßgebend für die Größe der beim Austritt des unter Druck stehenden Mediums entstehenden Verluste.

Zweckmäßig kann es sein, daß in den Wülsten den Durchflußquerschnitt für das unter Druck stehende Medium vergrößernde Nuten vorgesehen sind. Hierdurch wird sichergestellt, daß in den Fällen, in denen eine Überwachung der Anlage auf Schadensstellen erforderlich ist, eine genügende Menge an Medium aus der Schadensstelle austritt.

Die Dimensionierung der Sicherheitseinrichtung gemäß der Erfindung erfolgt so, daß die infolge Belastungen entstehenden Verformungen keine Einflüsse auf Einbauten ausüben können. Das kann beispielsweise dadurch geschehen, daß zwischen zwei oder mehreren in geringem Abstand zueinander angeordneten Sicherheitseinrichtungen schadenssichere Bereiche vorgesehen sind. Die Randwülste und das von den Randwülsten und der Wandung der Anlage sowie von Her fiberdeckenden Wandung eingeschlossene Volumen werden so bemessen, daß bei allen vorhersehbaren Lageänderungen der schadenssicheren Bereiche der drucktragenden Wand der Anlage auch im Schadensfalle Keine Verspannungen zwischen der den potentiellen Schadensbereich überdeckenden Wandung und der drucktragenden Wand entstehen können. Die Festigkeit der den potentiellen Schadensbereich überdeckenden Wandung ist unter Berücksichtigung des zu verwendenden Werkstoffes durch entsprechende Dimensionierung im voraus auf einfache Weise bestimmbar, da die Belastung im Störungsfall sich aus dem innerhalb der Anlage bestehenden Druck auf der einen Seite und in der Verminderung des Drucks innerhalb des von den Randwülsten des einen verminderten Querschnitt aufweisenden Bereichs der Wandung Ucr Anlage und der diesen Bereich überdeckenden Wandung gebildeten Zwischenraum ergibt Wird die vorhersehbare Belastung auf die überdeckende Wandung so groß, daß Verformungen unvermeidbar wären, werden mehrere Einrichtungen gemäß der Erfindung hintereinander oder nebeneinander angeordnet

Es hat sich gezeigt, daß die Druckabsenkungsgeschwindigkeit bei Verwendung der Sicherheitseinrichtung gemäß der Erfindung gegenüber den unter gleichen Voraussetzungen verwendeten Durchflußbegrenzern um einen Faktor bis zu 1000 verringert wird. Ein weiterer großer Vorzug bei der Verwendung der Sicherheitseinrichtung gemäß der Erfindung besteht darin, daß die Schadensstelle im potentiellen Schadensbereich gegenüber den Fällen, in denen die Sicherheitseinrichtung gemäß der Erfindung nicht verwendet worden war, um einige Zehnerpotenzen kleiner war. Weitete Vorteile bestehen darin, daß die Sicherheitseinrichtung gemäß der Erfindung auf sehr einfache Weise mittels optischer Hilfsmittel, durch Röntgenstrahlen oder durch Ultraschall, prüfbar ist. Ihre einfache Gestaltung ist vorteilhaft, weil der Nachweis von Spannungen und von Verformungen im Schadensfall auf einfache Weise überschaubar ist.

In der Zeichnung sind fünf Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen schematischen Aufbau der Sicherheitseinrichtung, teilweise im Schnitt,

F i g. 2 die Anordnung der Sicherheitseinrichtung in einer Koaxialleitung,

F i g. 3 die Hintereinanderschaltung mehrerer Sicherheitseinrichtungen in einer Druckleitung,

F i g. 4 die Anordnung von Sicherheitseinrichtungen in einem Krümmer,

F i g. 5 die Anordnung mehrerer Sicherheitseinrichtungen in einem Druckbehälter.

Wie aus der Darstellung in F i g. 1 hervorgeht, wird die Sicherheitseinrichtung gemäß der Erfindung dadurch gebildet, daß ein Bereich 1 der drucktragender Wandung 2 einer unter Draok stehenden Anlage einer verminderten Querschnitt aufweist, so daß in einen Schadensfalle die Schadensstelle im Bereich 1 dei Wandung 2 auftritt. Die Wandung 2 ist somit, abgesehei von dem Bereich 1, berstsicher ausgelegt. Auf de Innenseite der Anlage ist eine den einen vermindertei Querschnitt aufweisenden Bereich 1 der Wandung : überdeckende Abdeckwand 3, Platte od. dgl. vorgese hen, an deren Rändern Wülste 4 vorgesehen sind. Da di Abdeckwand 3 nicht mit der drucktragenden Wandun; 2 in Berührung steht, wird von der Wandung 2 und de Wülsten 4 ein Durchflußquerschnitt gebildet, der b( normaler Betriebsweise so bemessen ist, daß der für di

Größe des im Schadensfall austretenden Stromes des in der Anlage enthaltenen Mediums maßgebliche Strömungsquerschnitt 5 möglichst klein ist und daß bei normalem Betrieb in dem von der Wandung 2 und der den einen verminderten Querschnitt aufweisenden Bereich 1 der Wandung 2 überdeckenden Abdeckwand 3 gebildeten Zwischenraum 6 der gleiche Druck herrscht wie innerhalb der Anlage. Um eine möglichst weitgehende Anpassung der Strömungsquerschnitte an die jeweiligen Gegebenheiten zu gewährleisten, beispielsweise um die Wirksamkeit der Strömungsquerschnitte auch dann sicherzustellen, wenn Wärmedehnungen aufgenommen werden müssen, sind in den Randwülsten 4 der Abdeckwand 3 Nuten 7 vorgesehen.

In dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Sicherheitseinrichtung gemäß der Erfindung in einer, beispielsweise für einen Kaltgasstrom 8 und einen Heißgasstrom 9 vorgesehenen, aus dem Bereich 1 mit verminderter Wandstärke und dem Trennrohr 2a gebildeten, über den Stutzen 10 mit einem Druckbehälter 11 und über ein Panzerrohr 12 mit einem Spannbetonbehälter 13 verbundenen Koaxialleitung vorgesehen. Falls — wie in der Zeichnung dargestellt — die Rohrleitung verhältnismäßig kurz ist, kann die Wandung des Druckrohres über die ganze Länge einen Querschnitt aufweisen, der so gering ist, daß im Störungsfall die Wandung des Bereichs 1 birst. Dabei ist — wie im allgemeinen üblich — im Bereich 1 ein Kompensator 14 vorgesehen. Die den potentiellen Schadensbereich überdeckende Abdeckwand 3 ist in diesem Fall rohrförmig so ausgebildet, daß die Wülste 4 dem Stutzen 10 und dem Panzerrohr 12 gegenüberliegen. Die rohrförmig ausgebildete Wandung 3 liegt frei innerhalb des Bereichs 1 des Druckrohres und wird durch Positionselemente 15 in axialer Richtung mit geringem Spielraum verschiebbar gehalten. Über den Zugang 16 sind — wie aus der Zeichnung erkennbar — Inspektion und Prüfung ohne weiteres möglich.

Wie aus F i g. 3 erkennbar, ist es bei langen Rohrleitungen zweckmäßig, die Bereiche 1 mit verminderter Wandstärke bildende Druckleitung durch berslsichere Zwischenstellen 17 zu unterbrechen, die zur Erhöhung der Berstsicherheit mit einer Vielzahl von Spannelementen 18 verspannt sind. Zur Aufnahme von Axialkräften sind zwischen den berstsicheren Zwischenstellen 17 in der Druckleitung 1 außerdem in axialer Richtung wirkende Verspannungen 19 vorgesehen. Die rohrförmigen, die potentiellen Schadensstellen überdekkenden Abdeckwände 3 sind so dimensioniert, daß die Randwülste 4 jeweils in dem Bereich der berstsicheren Zwischenstücke 17 liegen.

1st — wie in Fig. 4 dargestellt — in den Rohrleitungen ein Krümmer 20 vorgesehen, so wird der Krümmer 20 so ausgebildet, daß er berstsicher ist, während die Wandungen der geradlinig verlaufenden Teile der Rohrleitung ganz oder zum Teil eine solche Wandstärke aufweisen, daß im Schadensfalle an ihnen die Schadensstelle auftritt. Die die potentiellen Schadensstellen überdeckenden Abdeckwände 3 sind daher in diesem Bereich der Rohrleitung angeordnet.

In dem in Fig.5 dargestellten Ausführungsbeispiel werden zwischen einem Teil der Behälterwandung zylindrische Bunde 21 vorgesehen und die einen verminderten Querschnitt aufweisenden Bereiche 1 eines zylindrischen Druckbehälters von einer rohrförmig ausgebildeten Abdeckwand 3 so überdeckt, daß die in der Abdeckwand 3 vorgesehenen Randwülste 4 in dem Bereich der zylindrischen Bunde 21 liegen. Deckel und Boden weisen ebenfalls zwischen Ringbunden 22 angeordnete Bereiche 1 mit vermindertem Querschnitt auf. In diesem Falle sind die die potentielle Schadensstelle überdeckenden Wandungen 3a als Platten so ausgebildet daß die an ihrem Rand angeordneten Wülste 4 im Bereich der Ringbunde 22 liegen. Die berstsicheren Bereiche sind zur Erhöhung der Sicherheit — wie gleichfalls aus F i g. 5 hervorgeht — mittels Spannelementen 18 und mittels in axialer Richtung angeordneter Verspannungen 19 verspannt

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Sicherheitseinrichtung für unter Druck stehendes Medium enthaltende Anlagen, bei der die Stärke der Wandung der Anlage in einem vorgegebenen Bereich gegenüber dem übrigen Bereich vermindert ist und auf der Innenseite eine diesen Bereich mit der verminderten Wandstärke überdeckende, im Abstand davon angeordnete Abdeckwand vorgesehen *° ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckwand (3) schwimmend gelagert ist, und daß die Randbereiche der Abdeckwand mit nach außen weisenden Wülsten (4) versehen sind, die den freien Querschnitt zwischen der Außenfläche der Abdeckwand und der Innenfläche der den Bereich (1) mit der verminderten Wandstärke enthaltenden Anlagenwandung verengen.

2. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Wülsten (4) den Durchflußquerschnitt für das unter Druck stehende Medium vergrößernde Nuten (7) vorgesehen sind.