DE3118238C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rohrkompensator für Rohrlei­ tungen mit heißen Medien und mit in axialer Richtung flexiblem, gewelltem mehrwandigen Balg, insbesondere für den Einsatz in Kernreaktoren.

Rohrleitungen, besonders für heiße oder kalte Medien verändern im Betrieb ihre Abmessungen. Ein Meter Rohrleitung dehnt sich bei Erwärmung auf 100°C ca. um 1,2 mm aus. Um die aus der Dehnung entstehenden Kräfte innerhalb der Rohrleitungen aus­ zugleichen, werden Kompensatoren verwendet. Die Dehnungswellen des Balges sind leicht verformbar und nehmen auch größere Dehnungen elastisch auf. Vielfach werden mehrere Dehnungswellen hintereinander geschaltet.

Es sind auch Kompensatoren bekannt die aus mehrwandigen Bälgen bestehen, die gegenüber Kompensatoren aus einem Balg bei gleicher Belastung gegen Biegung elastischer sind. Diese Kompensatoren können folglich größere Bewegungen aus­ führen. Von Nachteil ist jedoch, daß die mehrwandigen Bälge miteinander verschweißen können, wenn die Kompensatoren sehr hohen Temperaturen bei langen Standzeiten ausgesetzt sind, was insbesondere bei Kernkraftwerken gegeben ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Reibung und Kaltverschweißen (Ver­ größerung des Trägheitsmoments) zwischen Balgwandungen eines mehrwandigen Kompensators zu verhindern, um die Elastizität des Kompensators beizubehalten.

Die Lösung der gestellten Aufgabe wird bei einem Kompensator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zwischen oder auf den Balgwandungen ein verschleißfester, gleit- und schmierfähiger Zwischenstoff angeordnet ist. Die Zahl der ineinander angeordneten Balgwandungen, die den Balg des Rohrkompensators bilden, richtet sich nach den zu erwartenden Drücken des Mediums und kann beliebig gewählt werden. Biegespannungen am Übergang zum Rohr, also in der Flanke, vergrößern die Lagenzahl. Die einzelnen Lagen und damit die Balgwandungen oder Wellrohre des Balges können gegeneinander Relativbewegungen ausführen. Zwischen den einzelnen Balgwandungen befindet sich der Zwischenstoff, der die Standzeit des Kompensators verlängert und die Funktion des Balges gewährleistet. Das einfache Kompensations­ element braucht nicht durch komplizierte Schiebeverbindungen ersetzt zu werden. Die absolute Gasdichtheit des Balges wird durch die berechnete Anzahl der Balgwandungen sichergestellt. Um die Kosten des Rohrkompensators zu senken, können die einzelnen Balgwandungslagen aus verschiedenen Stoffen herge­ stellt sein. Der ringförmige Hohlraum zwischen den Balg­ wandungen erstreckt sich axial über die gesamte Länge des Balges. Der Abstand der Balgwandungen kann je nach den Beanspruchungen des Kompensators auf einen ganz schmalen Spalt, in dem der Zwischenstoff gerade noch die Funktion des Gleitens der Balgrohre ermöglicht, zusammenschrumpfen. Hierbei ent­ scheidet die Art des Zwischenstoffes wesentlich über die Stärke der Zwischenschicht.

Der Zwischenstoff kann aus einem schuppenförmigen Festschmier­ mittel Molybdändisulfid bestehen. Molybdändisulfid eignet sich aus Temperatur- und Nachfüllgründen besonders gut als Zwischenstoff. Festschmiermittel sind schuppenförmige Fest­ körper, deren Wirkung als Schmiermittel darauf beruht, daß die Atomabstände in der Plättchenebene kleiner sind als senkrecht dazu.

Es ist aber auch möglich als Zwischenstoff ein faserver­ preßtes Graphitgewebe zu verwenden. Bei dieser Lösung ist der Balg an beiden Enden fest zugeschweißt, ein nachtrag­ liches Einbringen bzw. Nachfüllen ist nicht möglich. Graphit­ gewebe ist gut geeignet große Kräfte zu übertragen. Das Graphit­ gewebe ist volumenmäßig größer als das Molybdändisulfid und benötigt zwischen den einzelnen Balgwandungen einen größeren Zwischenraum. Damit werden die Abmaße des Rohrkompensators im Durchmesser größer.

Schließlich kann der Zwischenstoff eine Chrom- und Titancarbid­ schicht sein, die im CVD-Verfahren vor dem Zusammenbau des Rohrkompensators auf die Balgwandungen aufgebracht wird. Die Plasmabeschichtung auf den Balgwandungen wird durch Abschei­ den in der Gasphase erreicht. Die Zwischenschicht haftet dabei durch Implantationseffekte. Chrom- oder Titancarbid erhöht die Oberflächengüte der Balgwandungen. Die Reibung wird durch die Gleiteigenschaft bzw. Gleitfähigkeit der Balgwandungen verringert. Die Gleitfähigkeit verringert erheblich die Ge­ fahr, daß die Balgwandungen kaltverschweißen. Möglich sind auch keramische Zwischenstoffe, wie Alon mit eingelagerten Nitriden und Oxiden.

Andere Verfahren zum Herstellen der beschichteten Balgwan­ dungen als das Aufdampfen in Vakuum sind ebenfalls möglich, so z.B. Zerstäuben oder Ion-Planting.

Die äußeren Balgwandungen besitzen am Endes des Balges Öff­ nungen. Ein mehrwandiger Kompensator nimmt den Druck nicht alleine mit der Innenbalgwandung auf, sondern verteilt über alle Wandungen. Die innere Balgwandung ist die erste, die zu Schaden kommen kann. Dies bedeutet, daß der mehrwandige Kom­ pensator nicht mit einem Schlag bricht, sondern erst eine Übergangsphase mit winzigen Haarrissen an den inneren Balg­ lastung innerhalb der Balgwandungen. Kleine Mengen des Mediums können damit druckgedrosselt und drucklos durch die Öffnungen aus dem Kompensator entweichen.

In die Öffnungen sind Schnüffelrohre eingesetzt, die an ein Detektionssystem angeschlossen sind. Die Anordnung von Schnüffel­ rohren ist hierbei besonders günstig als Warnanzeige geeignet. Das Detektionssystem signalisiert die Anzeige zeitlich sehr früh, ohne daß der Kompensator tatsächlich gebrochen ist. Damit ist ein größerer Schaden an dieser Stelle vermeidbar, in dem der Kompensator vor dem Bruch ausgetauscht werden kann.

Durch die Öffnungen wird das Festschmiermittel Molybdändisulfid zwischen die Balgwandungen gepreßt. Die Anordnung der Öff­ nungen läßt eine Montage des Kompensators zu und ermöglicht das Einbringen des Molybdändisulfids nach abgeschlossener Montage im Einbauzustand des Kompensators. Weiterhin ist es möglich bei Ermüdungserscheinungen des Festschmiermittels durch die Öffnungen an einem Ende des Balges eine Neuzugabe des Molybdändisulfides zu erreichen und das alte Festschmier­ mittel gleichzeitig über andere Öffnungen am anderen Ende des Kompensators zu entfernen. Nach Abschluß des Einbringens des Molybdändisulfides können aber auch die Öffnungen ver­ schweißt werden.

Die Öffnungen können zusätzlich einen Rohranschluß mit Rohr­ leitung für eine kontinuierliche Feststoffzugabe aufweisen. Bei manchen Kompensatoren ist eine spätere Zugänglichkeit nicht gewährleistet. Um trotzdem eine kontinuierliche Fest­ schmiermittelzugabe zu ermöglichen, bietet sich ein Schmier­ mittelkreislauf an.

Weitere Vorteile sowie Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den im Schnitt ge­ zeigten Ausführungsbeispielen hervor.

Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Rohrkompensator, der aus mehreren Balgwandungen zusammengesetzt und in eine Rohrleitung eingeschweißt ist,

Fig. 1a einen Detailabschnitt mit einem Zwischenstoff zwischen den einzelnen Balgwandungen,

Fig. 2 einen Ausschnitt eines Balges mit Graphitgewebe,

Fig. 3 einen Ausschnitt eines Balges mit Öffnungen in den äußeren Balgwandungen,

Fig. 4 einen Ausschnitt eines Rohrkompensators mit einer Öffnung, in die ein Schnüffelrohr eines Detektions­ sytems eingesetzt ist.

Fig. 1 zeigt im Schnitt einen Kompensator 1 in einer Rohrleitung 2. Der Kompensator 1 ist aus einem Balg 3 gebildet. Der Balg 3 ist an seinen beiden Enden 12, 13 mit Schweißnähten 14, 21 an der Rohrleitung 2 verschweißt. Der Balg 3 setzt sich aus mehreren Balgwandungen 4, 5, 10 zusammen. Das Material der einzelnen Balgwandungen 4, 5, 10 kann aus Kostengründen aus unterschiedlichen Werkstoffen gewählt werden. Die Anzahl der Balgwandungen 4, 5, 10 richtet sich hauptsächlich nach den zu erwartenden Innendrücken. Biegespannungen in der Flanke des Balges 3 vergrößern die Anzahl der Balgwandungen 4, 5, 10. Die Stärke der Balgwandungen 4, 5, 10 ist ausschlaggebend für die Elastizität des Balges 3 bzw. des Kompensators 1. Je größer die Elastizität des Kompensators 1 ist desto mehr axiales Dehnungsspiel der Rohrleitung 2 kann der Balg 3 aufnehmen. Ein mehrwandiger Balg 3 ist größer dimensioniert, als ein unter gleichen Bedingungen ausgelegter einwandiger Kompensator.

Fig. 1a zeigt ein Detail der Balgwandungen 4, 5, 10 des Kompen­ sators 1. Zwischen den Balgwandungen 4, 5, 10 befindet sich ein ringförmiger Hohlraum 6, in dem ein Zwischenstoff ange­ ordnet ist. Der Zwischenstoff kann je nach der Verwendung des Kompensators 1 eine Chrom-, Titancarbidschicht 8 oder eine Molybdändisulfidschicht 17 sein. Der Hohlraum 6 ändert sich in der Stärke von ca. 7 µm bei der Chrom- oder Titancarbid­ schicht 8 auf ca. 20 µm bei einer Molybdändisulfidschicht 17. Die Chrom- oder Titancarbidschicht 8 ist eine fest auf die Balgwandungen 4, 5, 10 aufgebrachte Schicht. Hierzu eignet sich besonders das CVD-Verfahren. Die Chrom- oder Titancarbid­ schicht 8 kann ein- oder beidseitig auf die Balgwandungen 4, 5, 10 aufgebracht werden. Die hohe Oberflächengüte der Chrom- oder Titancarbidschicht 8 verringert die Reibung zwischen den enganliegenden Balgwandungen 4, 5, 10 wesentlich. Weiter ist in der Fig. 1a auch der Zwischenstoff Molybdändisulfid 17 zwischen den Balgwandungen 4, 5, 10 möglich. Das Molybdän­ disulfid 17 ist nicht fest auf den Balgwandungen 4, 5, 10 aufgebracht, sondern ist lose zwischen den Balgwandungen 4, 5, 10 angeordnet. Das Molybdändisulfid 17 kann nachträglich oder bei Verschleiß mehrmals in den Hohlraum 6 eingegeben werden. Möglich ist auch eine Kombination der Zwischenstoffe, d.h. der festaufgetragenen Chrom- Titancarbidschicht 8 und der lose eingelagerten Molybdändisulfidschicht 17. In Fig. 1a sind zwei Hohlräume 6 zwischen den Balgwandungen 4, 5, 10 ge­ zeigt. Je nachdem aus wievielen Balgwandungen 4, 5, 10 der Kom­ pensator 1 gebildet ist, können zur Aufnahme des Zwischen­ stoffes auch mehr Hohlräume 6 vorhanden sein.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt des Balges 3 mit der Rohrlei­ tung 2 im Schnitt. Ein Ende 12 des Balges 3 liegt hierbei in einer Eindrehung 16 des Rohres 2. Das Ende 12 des Balges 3 ist durch eine Schweißnaht 14 mit der Rohrleitung 2 gasdicht verschweißt. Der ringförmige Hohlraum 6 weist einen radialen Abstand 7 auf, in dem das Graphitgewebe 18 zwischen den Balgwandungen 4, 5 liegt. Der radiale Abstand 7 entspricht ca. einer Wandstärke 11 der Balgwandung 5. Der Abstand 7 kann aber auch schmaler gewählt werden, je nach der benötigten Stärke des Graphitgewebes 18. Die Anzahl der Balgwandungen 4, 5 wird nach den zu erwartenden Drücken gewählt. In jedem der Hohlräume 6 wird das Graphitgewebe 18 angeordnet. Mehrmaliges Eingeben des Graphitgewebes 18 ist nicht möglich. Das Graphitgewebe 18 verhindert ein Difussions- oder Kalt­ verschweißen der beiden Oberflächen der Balgwandungen 4, 5. Die Relativbewegungen, die die Lagen der Balgwandungen 4, 5 gegeneinander führen, müssen bei dem Bewegungsaus­ gleich, z.B. durch Schwingungen oder Längenänderungen aus verschiedenen Temperaturen, kompensiert werden. Das Graphit­ gewebe 18 unterstützt hierbei die Bewegungen der einzelnen Balglagen 4, 5 wesentlich. Das Ende 12 des Balges 3 schließt formschlüssig an der Rohrleitung 2 ab.

Fig. 3 zeigt einen Teilabschnitt eines Balges 3, der mit einer Schweißnaht 21 an der Rohrleitung 2 verschweißt ist, im Schnitt. Die Schweißnaht 21 befindet sich am Ende 12 des Balges 2. Die Schweißnaht 21 verläuft um den gesamten Außen­ umfang der Rohrleitung 2. Der Balg 3 besteht hierbei aus den Balgwandungen 4, 5, 10 zwischen denen der nicht darstellbare Hohlraum 6 gebildet ist. Im Hohlraum 6 befindet sich der schuppenförmige Feststoffkörper Molybdändisulfid 17 oder das Chrom-, Titancarbid 8. Kurz vor dem Ende 12 des Balges 3 befinden sich in den äußeren Balgwandungen 5, 10 Öffnungen 15. Durch diese Öffnungen 15 kann das Molybdändisulfid 17 eingegeben oder bei Verschleiß nachträglich zusätzlich über nicht gezeigte Nippel eingepreßt werden. Die Öffnungen 15 können auch als Druckentlastung dienen, falls eventuell durch Haarrisse an der inneren Balgwandung 4 Leckagen auf­ treten.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführung mit einer besonders günstigen Verbindung des Balges 3 zur Rohrleitung 2 im Schnitt. Am Ende 12 des Balges 3 befindet sich ein Schnüffel­ rohr 19. In der Öffnung 15. Das Schnüffelrohr 19 ist an ein Leckdetektionssystem 20 angeschlossen. Das Schnüffelrohr 19 kann auch zur besseren Eingabe des Festschmiermittels Molybdän­ disulfid 17 benutzt werden. Weiter kann das Rohr 19 über eine zusätzliche Rohrleitung an einen nicht gezeigten Feststoff­ schmiermittelkreis angeschlossen werden. Der Balg 3 setzt sich auch hier aus den Balgwandungen 4, 5 zusammen, die den Hohlraum 6 bilden, in dem das Molybdändisulfid 17 angeordnet ist. Der Übergang vom Balg 3 zur Rohrleitung 2 bildet ein Verteilerraum 23 aus in dem die Eingabe des Molybdändisulfides 17 besonders günstig ist. Das nicht gezeigte andere Ende des Balges 3 kann eine zusätzliche Bohrung aufweisen oder einen zweiten Anschluß an den nicht gezeigten Feststoffschmier­ mittelkreislauf. Das Rohr 19 ist an der äußeren Balgwandung 5 am Ende 12 des Balges 3 verschweißt. Durch die zusätzliche kleine Bohrung, die verdeckt eingebracht ist, kann der Fest­ stoffkörper, in diesem Fall Molybdändisulfid 17, aus der Balg­ wandung am anderen Ende treten. Die Sicherheit des Kompen­ sators 1 wird größer, je mehr Balgwandungen 4, 5 der Balg 3 aufweist. Mit der Anzahl der Balgwandungen 4, 5 ändert sich auch die Verhaltensweise des Balges 3. Der mehrwandige Balg 3 fordert also in der Regel eine größere Gesamtdicke und damit höheren Materialeinsatz. Die Kompensation der Bewegung der Rohrleitungen 2 führen zu einem Verschleiß. Der Ver­ schleiß tritt an inneren Oberflächen 24, 25 der Balgwandungen 4, 5 des Kompensators 1 auf. Die Veränderungen der Oberflächen 24, 25 erfolgt durch die mechanischen Ursachen in Form von Lostrennen kleiner Teilchen aus den Oberflächen 24, 25. Der Verschleiß der Oberflächen 24, 25 wird kleiner durch die Mit­ wirkung des Zwischenstoffes, hier Molybdändisulfid 17 oder in den vorgenannten Beispielen Chrom-Titancarbid 8 oder des Graphitgewebes 18, die wie ein Schmierstoff zwischen den Oberflächen 24, 25 wirken. Damit ist die Sicherheit und die Gesamtstandzeit des Kompensators 1 wesentlich erhöht. Die Standzeitverlängerung des Kompensators 1 ist damit sehr wirt­ schaftlich.

Claims (7)

1. Rohrkompensator für Rohrleitungen mit heißen Medien und mit in axialer Richtung flexiblem, gewelltem mehrwandigem Balg, insbesondere für den Einsatz in Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet daß zwischen oder auf den Balgwandungen (4, 5, 10) ein verschleißfester, gleit- und schmierfähiger Zwischenstoff angeordnet ist.

2. Rohrkompensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenstoff aus einem schuppenförmigen Festschmier­ mittel Molybdändisulfid (17) besteht.

3. Rohrkompensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenstoff ein faserverpreßtes Graphitgewebe (18) ist.

4. Rohrkompensator nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zwischenstoff eine Chrom- oder Titan­ carbidschicht (8) ist, die im CVD-Verfahren vor dem Zusammen­ bau des Rohrkompensators (1) auf die Balgwandungen (4, 5, 10) aufgebracht wird.

5. Rohrkompensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Balgwandungen (5) am Ende des Balges (3) Öffnungen (15) besitzen.

6. Rohrkompensator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in die Öffnungen (15) Schnüffel­ rohre (19) eingesetzt sind, die an ein Detektionssystem (20) angeschlossen sind.

7. Rohrkompensator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Öffnungen (15) Fest­ schmiermittel Molybdändisulfid (17) zwischen die Balg­ wandungen (4, 5, 10) gepreßt ist.