DE2810591C3

DE2810591C3 - Halteflansch zum Einspannen eines Bauteiles

Info

Publication number: DE2810591C3
Application number: DE2810591A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl.-Ing. 7500 Karlsruhe Krieg
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1978-03-11
Filing date: 1978-03-11
Publication date: 1981-12-17
Also published as: DE2810591B2; DE2810591A1

Description

Die Erfindung geht aus von einem Halteflansch, der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen und als bekannt vorausgesetzten ArL

Kernmäntel von Druckwasserkernreaktoren sollen im Betriebszustand einen starren Sitz aufweisen, trotzdem soll eine gute Abdichtung zwischen Deckel und Reaktordruckbehälter sichergestellt sein. Flansche für den Kernmantel werden daher normalerweise zwischen dem Reaktordeckel und dem Reaktordruckbehälter mittels deren Verschraubung eingespannt Treten nun Störfälle im Reaktor auf, die zu hohen Kräften auf den Kernmantel und damit zu hohen Vertikalkräften auf den Flansch bzw. extremen Biegemomenten führen, so kann die Deckelverschraubung unzulässig beansprucht werden.

Es ist nun bekannt, eine Einspannung mit einem gewissen Spiel vorzunehmen, wobei eine federnde Niederhalterung vorgesehen ist. Da diese Niederhalterung nur für den No^rmalbetrieb ausreichend ist, hebt im Störfall der Flansch ab und schlägt am Deckel an. Dadurch nimmt der Kernmantel und der Reaktorkern kinetische Energie auf, die stoßartig abgegeben wird. Darüber hinaus werden Biegemomente in den Kernmantel eingeleitet, die die Tragfähigkeit desselben reduzieren.

Weiterhin sind weitgehend spielfreie und starre Einspannungen bekannt. Hier ist es jedoch sehr schwierig, gleichzeitig sowohl Dichtheit zwischen dem Reaktordruckbehälter und dem Deckel zu erzielen als auch ein festes Einklemmen des Kernmantelflanschs zu gewährleisten. Im Störfall trifft die Kraft voll auf die Deckelschrauben und wird durch Hebelwirkung zusätzlich verstärkt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Halteflansche der im Oberbegriff des Pntentanspruches angegebenen Art insoweit zu verbessern, daß ein festes Einklemmen des Flansches insoweit erreicht wird, daß auch bei extrem dynamischen Beanspruchungen Energie durch plastische Verformung an der Konstruktion aufgenommen werden kann und daß nur geringe Biegemomente über den Flansch in den zu verbindenden Teil eingeleitet werden und daß beim hauptsächlichsten Anwendungsgebiet, nämlich des Einspannens eines Kernmaniels eines Druckwasserkernreaktors zwischen

ίο Druckgefäß und Reaktordeckel mit der Deckelverschraubung, sowohl der Reaktordruckbehälter als auch der Deckel als auch die Verbindung derselben im Störfall möglichst wenig beeinflußt werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung bei

κ einem Halteflansch der eingangs beschriebenen Art vor, daß dei Flansch um seinen äußeren Umfang herum mindestens eine ringförmige Nut aufweist, welche bzw. die oben und unten von ihr gebildeten Flanschteile so bemessen sind, daß der Flansch in axialer Richtung als Feder mit bestimmter Kraft vorspannbar ist, daß die Nut bezogen auf die Flanschhöhe asymmetrisch gelegen ist, so daß am unteren, dem Kernmaterial zugewandten Ende ein dickerer, ringförmiger Auflageteil und am oberen Ende ein dünnerer, ringförmiger Nasenteil gelegen ist, wobei der obere Nasenteil in Richtung auf seine Spitze hin an der Nutseite verjüngt ist, und daß auf den oberen Nasenteil der oberen Seite seiner Spitze auf seine Einspannfläche eine Kalibrierscheibe mit variierbarer Dicke aufsetzbar ist.

Die Entwicklung der Erfindung ausgehend von dem zu verbessernden Stand der Technik über die noch zu lösende auf diesen Stand der Technik spezifizierte Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches angegebenen Lösungsmitteln und damit die Entwicklung des Gestaltungsprinzips bei der Erfindung waren nicht ohne weiteres und ohne erfinderische Überlegungen möglich, da für diese Entwicklung beim Stand der Technik keine ausreichenden technischen Hinweise zu erkennen sind. Insoweit es sich bei der Aufgabenlösung um esr.e Überschneidung mit dem Stand der Technik gemäß der DE-GM 76 15 728 handelt, hat dieser Stand der Technik nicht auf die Erfindung hinführen können, auch nicht auf die Überschneidungsmerkmale, weil die letzteren in jeder Beziehung in ganz anderem technischen Zusammenhang bekannt geworden sind.

Der technische Fortschritt der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß ein festes Einklemmen des Flansches insoweit erreicht wird, daß auch bei extrem dynamischen Beanspruchungen Energie durch plastische Verformung an der Konstruktion aufgenommen werden kann und daß nur geringe Biegemomente über den Flansch in den zu verbindenden Teil eingeleitet werden und daß beim hautpsächlichsten Anwendungsgebiet, nämlich des Einspannens eines Kernmantels eines Druckwasserkernreaktors zwischen Druckgefäß und Reaktordeckel mit der Deckelverschraubung, sowohl der Reaktordruckbehälter als auch der Deckel als auch die Verbindung desselben im Störfall möglichst wenig beeinflußt werden. Bei Auftreten von höheren Kräften im Flansch, die die Verspannung überschreiten, wird der Flansch plastisch verformt, bevor die Verspannung bzw. Verschraubung der beiden den Flansch einspannenden Bauelemente sich ihrerseiis plastisch verformt bzw. unwirksam wird. Auf diese Weise wird die Beanspruchung der Verspannung bzw. Verschraubung auf den Kernmantel zusätzlich zu den durch die Normalbeanspruchungen ausgeübten Kräften

verringert.

Dadurch kann bei einem Störfall der Flansch nicht mehr abheben und am Deckel anschlagen, wodurch Energie stoßartig abgegeben würde. Weiterhin werden nur noch geringe Biegemomente in den Kernmantel eingeleitet und eine Dichtheit zwischen Reaktordruckbehälter und Deckel bei festem Einklemmen des Kernmantelflansches erzielt. Darüber hinaus kann bei extremen dynamischen Beanspruchungen Energie durch plastische Verformung der oberen Flanschnase aufgenommen werden.

Die vorliegende Erfindung erfüllt somit in besonders vorteilhafter Weise die eingangs angegebene Aufgabenstellung, indem trotz beträchtlicher auf die Verspannung eingeführter Biegemomente die Belastungsfähigkeit nicht reduziert wird.

Die Merkmale der Erfindung und deren technische Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit dem Patentanspruch und der Zeichnung.

Die F i g. 1 bis 3 zeigen:

Die schematische Ausbildung des neuen Flansches im Schnitt, das Ferdermodell des Flansches und das Spannungsdiagramm eines Ausführungsbeispitles.

Die F i g. 1 zeigt die Wandung des Druckbehälters 1 eines Druckwasserkemreaktors, auf welche der Reaktordeckel 2 mittels der vereinfacht dargestellten Verschraubung 3 geschraubt ist. Die Verschraubung 3, die den Deckel 2 niederhält, muß nun zweierlei sicherstellen: Absolute Dichtigkeit zwischen 3ehälter 1 und Deckel 2 sowie spielfreie Einspannung ohne Anheben des oberen Einspannflansches 5 eines Kernmantels 6, der den nicht dargestellten eigentlichen Reaktorkern halten. Somit wird zwischen Deckel 2 und Wandung 1 in einer Ausnehmung 4 der Einspannflansch 5 des im Druckbehälter 1 befindlichen Kernmantels 6 zur Halterung desselben eingespannt

Der Einspannflansch 5 ist auf besondere Weise zusammendrückbar bzw. verformbar ausgebildet. Zu diesem Zweck besitzt der Flansch 5 eine umlaufende Umfangsnut 7, die in asymmetrischer Lage relativ zur Flanschhöhe angeordnet ist und die den Flansch 5 in ein oberes Nasenteil 8 und ein unteres Auflageteil 9 teilt. Das Nasenteil 8 ist zu seiner Spitze 10 hin verjüngt, um etwa gleiche Beanspruchung über die Nasenlänge zu erzielen, und relativ dünn und damit elastischer ausgebildet, das Auflageteil 9 jedoch relativ kräftiger bzw. dicker i;nd damit starrer. Die Dickenverhältnisse von Auflageteil 9 und Nasenteil 8 sind so, daß die Federkonstante Ci (Auflageteil) wesentlich größer als die Ferkonstante C2 (Nasenteil) ist. Beim Einspannen zwischen Druckbehälter J und Deckel 2 wird die Nase aus der gestrichelten Position 11 in die verspannte Position bzw. den Einspannzustand gedruckt. Zur genauen Anpassung der für eine vorbestimmten Kraft benötigten Position ist auf die Einspannfläche 15 des Nasenteils 8 eine auswechselbare Kalibrierscheibe 12 mit variierbarer Dicke aufgesetzt. Mit Hilfe dieser Scheibe 12 wird nun die Vorspannkraft in der Ausnehmung 4 auf den Flansch 5 so eingestellt, daß sie grob der aufzunehmenden Belastung P, z. B. der aus einem Reaktorstörfall herrührenden Vertikalkraft auf den Haltfiflanschdes Reaktorkernes, entspricht.

Die Tiefe der Nut 7, sowie die Stärke des Nasenteiles 8 sind so bemessen, daß bei Überschreiten einer Überlast der Kraft P sich das gesamte Nasenteil 8 plastisch verformt und damit Energie absorbiert. Somit erfolgt bei einem Störfall mit extrem großer Kraft Pein Abheben des Auflageteils 9 und plastische Verformung des Nasenteils 8, wodurch ein Überlastschutz für die Deckelverschraubung 3 gegeben ist.

Bei einer lediglich großen Kraft P erfolgt nur eine geringe Vertikalverschiebung des Kraftangriffspunktes, d. h. der Kernmantel 6 ist steif eingespannt Daraus

resultiert eine nur geringe Änderung der Kraft P₂ geringerer Schwellast für die Deckelverschraubung, wodurch die Dichtung zwischen Behälter 1 und Deckel 2 weniger beeinträchtigt wird.

In der Fig. 2 ist das Federmodell der Fig. 1 dargestellt, wobei die axiale Verformbarkeit des Flansches durch die Feder C₂ dargr.seilt ist Diese Feder C2 mit niedrigerer Federkonstante bewirkt die Verspannung, d. h. bei kleinen Bewegungen des Kernmantels werden nur geringe Kräfte auf die Verschraubung

übertragen. Die Feder C2 muß nun einerseits so stark sein i'.-n die maximale Last P aufzufangen, andererseits soll die maximal zulässige axiale Deformation ein Mehrfaches der geometrischen, unvermeidlichen Toleranzen des Flansches sein.

Die Feder Q besitzt eine höherere Federkonstante, wodurch bei kleinerem Weg größere Kräfte P₁ erzeugt werden, sie dient zum Auffangen der von unten aus dem Kernmantel auf den Flansch übertragenen Biegemomente, die den Flansch 5 gemäß der strich-punktierten Silhouette 13 unter dem Winkel 14 in der Fig. 1 zu verformen trachten. Die Einspannung ist somit sehr starr, bis zu dem Moment, in dem nach Überschreiten der Federkraft 2 plastische Verformung im Nasenteil 8 auftritt.

In der Fig.3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Spannungsdiagramm, in welchem die Kennlinien der Feder Ci und C2 aufgetragen sind, dargestellt:

Die Einspannkraft P₁ = P₂ ist mit 2,3 Mp/rm Flanschumfang bestimmt. Angenommen, Hie Störfallkraft erzeugt Axialkräfte P= ±2,16 Mp/cm, so betragen die Verspannungskräfte P\ und P₂ daraus 3,9 Mp/cm bzw. 2,85 Mp/cm. Die korrespondierende axiale Flanschverformung ohne Flanschverbiegung beträgt ±1,5 mm.

Dieser geringe Wert zusammen mit einem zulässigen Flanschverbiegungswinkel 14 von 0,04° stellt sicher, daß die neue Flanschverspannung als angenähert starr angesehen werden kann. Eine axiale Flanschverformung von 0,J6 mm (gestrichelte Position 11 der Fig. 1) ist

nötig, um die Anfangsvorspannung P₀ von 2,3 Mp/cm zu erzeugen. Ebenso zeigt sich, daß die vom Kernmantel 6 auf die Verschraubung 3 übertragene Kraft P₂ zwischen 1,75 und 2,85 Mp/cm variiert und somit der axial schwellende Lfstanteil von 2 χ 2,16 Mp/cm auf

1,1 Mp/cm reduziert wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Halteflansch zum Einspannen eines Bauteiles zwischen zwei weitere, gegeneinander verspannte Bauelemente, z. B. zum Einspannen des Kernmantels eines Druckwasserkernreaktors zwischen Druckgefäß und Reaktordeckel mit der Deckelverschraubung, bestehend aus einem, am Umfang des Bauteiles mindestens teilweise umlaufenden Flansch, der zwischen den beiden miteinander verspannten Bauelementen unter Aufrechterhaltung einer dichten Verbindung derselben eingespannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (5) um seinen äußeren Umfang herum mindestens eine ringförmige Nut (7) aufweist, welche bzw. die oben und unten von ihr gebildeten Flanschteile (8, 9) so bemessen sind, daß der Flansch (5) in axialer Richtung als Feder mit bestimmter Kraft vorspannbar ist, daß die Nut (7) bezogen auf die Flanschhöhe asymmetrisch gelegen ist, so daß am unteren, dem Kernmanle! (6) zugewandten Ende ein dickeres, ringförmiges Auflageteil (9) und am oberen Ende ein dünneres, ringförmiges Nasenteil (8) gelegen ist, daß das obere Nasenteil (8) in Richtung auf seine Spitze (10) hin an der Nutseite verjüngt ist und daß auf dem oberen Nasenteil an der oberen Seite seiner Spitze auf seiner Einspannfläche (15) eine Kalibrierscheibe (12) mit variierbarer Dicke aufsetzbar ist.