DE3141426A1 - "abdichtanordnung" - Google Patents

Description

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Abdichtanordnung

Die Erfindung betrifft eine Abdichtanordnung für strömende, medien- - führende Rohre bzw. Anschluß stutzen, welche mit einem doppelwan-

digen Behälter verbunden sind.

Bei vielen Anwendungen ist es notwendig, Behälterräume, welche strömende Medien führen, gegeneinander abzudichten. Derartige Ab?· dichtungen werden besonders schwierig und komplex, wenn die Komponenten, zwischen welchen die Abdichtung erforderlich ist, verschieblich sind und einer Relativbewegung unterliegen, wobei eine solche Relativbewegung durch eine differ ent ielle thermische Expansion oder auch durch Erdbeben ausgelöst und mehr als in einer Ebene wirksam sein kann. Besonders schwierige Abdichtprobleme ergeben sich zwischen der inneren Wandung und dem Auslaufstutzen von flüssigkeitsgekühlten Kernreaktorkesseln, da ein Beipaßkühlmittelstrom des verwendeten Kühlmittels an der Kessel wandung hochfließt und den Auslaufstutzen umströmt, durch welchen das Primär kühlmittel abgeführt wird. Dieser Beipaßkühlmittelstrom dient im wesentlichen dazu, den Kessel und die Wandung des Ablaufstutzens vor extremen thermischen Übergängen und extrem hohen Temperaturen zu schützen. Zu diesem Zweck muß der kühlere Beipaßkühlmittelstrom von dem heißeren Primärmittelstrom abgezweigt werden, welcher über den Ablauf stutzen abfließt. Der Beipaßkühlmittelstrom umströmt

FS/hh dabei

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dabei den Ablaufstutzen. Bei dieser Anordnung stellt man fest, daß sich sehr beträchtliche nicht gleichförmige Bewegungen zwischen der thermisch belasteten inneren Schutzwandung des Kessels und der inneren Schutzwandung des Ablauf Stutzens ergeben, wobei Bewegungen in der Größenordnung von etwa 20 mm in mehreren Ebenen auftreten können. Dadurch ergibt sich auch häufig eine Veränderung bezüglich der Abdichtoberflächen, sodaß diese nicht mehr ko-planar zueinander verlaufen. Die Abdichtung zwischen den beiden Kühlmittelström en muß nicht nur die ungleichförmige relative Bewegung aufnehmen, sondern auch sorgfältig und zufriedenstellend während der gesamten Laufzeit des Reaktors, d.h., zumindest etwa 30 Jahre, arbeiten. Die Abdichtung muß widerstandsfähig gegen Leckbildung sein, auch wenn flüssiges Natrium mit entsprechend hoher Temperatur verwendet wird, und ferner darf die Abdichtung keine Spannungen bzw. großen Kräfte in die Komponenten einleiten, zwischen welchen sie wirksam ist.

Es wurden viele unterschiedliche Entwürfe für Abdichtungen gemacht, wobei sowohl geschweißte Verbindungen, metallische Wellrohre, Ringdichtungen und Labyrinthdichtungen, als auch federvorgespannte Dichtschuhe Verwendung fanden. Jedoch jeder dieser Versuche zeigte unerwünschte Eigenschaften, zumindest in einer Hinsicht. So erlauben z.B. geschweißte Verbindungen keine ausreichende freie Beweglichkeit, um die Relativbewegung der Komponenten, ohne zusätzliche Druckeinlcitung aufzunehmen, sodaß mit Brüchen zu rechnen ist.

Metallische Wellrohre sind nicht geeignet, Bewegungen in den erforderlichen Richtungen und mit den erforderlichen Amplituden innerhalb der Grenzen der erlaubten Belastbarkeit aufzunehmen. Abdichtringe und federvorgespannte Abdichtschuhe neigen zum Fressen, sodaß während der Lebensdauer mit immer größeren Lecks gerechnet

werden

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werden muß. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Leckstrom ungleichmäßig infolge nicht gleichförmiger Relativbewegungen verteilt ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Abdichtanordnung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei welcher eine hohe Dichtigkeit auch bei einer Relativbewegung der einzelnen Komponenten in mehreren Ebenen sichergestellt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Rohr bzw. der Anschlußstutzen an der äußeren Wand des Behälters (Kernreaktorkessel) montiert ist und mit einem Anschlußstutzen (innere Schutzwandung des Anschlußstutzens) durch eine Öffnung in einer weiteren inneren, in einem Abstand von der Behälterwandung angeordneten Schutzwandung endet; daß an den einander gegenüberliegenden Bereichen der inneren und äußeren Schutzwandung Aufnahmeringe angebracht sind, welche in umlaufenden Nuten einen Dichtungsring derart aufnehmen, daß der Zwischenraum zwischen der inneren Schutzwandung des Anschlußstut-zens und der inneren Schutzwand des Behälters überbrückt ist; und daß die Nuten axial zueinander versetzt sind, um den Dichtungsring zur Aufrechterhaltung der Abdichtung konisch zu verformen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Die Erfindung mit ihren Vorteilen und Merkmalen wird anhand eines auf die Zeichnung bezugnehmenden Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 eine schematische Teilschnittdarstellung eines Kernreaktorkessels mit einzelnen internen Komponenten;

Fig. 2 einen Schnitt durch den Ablauf Stutzenbereich für das Kernkühlmittel;

Fig. 3 eine perspektivische Schnittdarstellung durch den AblaufsUitvsen;

1Ü Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Dichtungsring;

Fig. 5 eine Teilschnittdarstellung durch einen eingebauten Dichtungsring;

Fig. 6 einen Teilschnitt durch einen eingebauten Dichtungsring in Betriebs stellung;

Fig. 7 einen Schnitt durch einen Dichtungsring nach der Fabrikation;
20

Fig. 8 einen Schnitt durch den Dichtungsring gemäß Fig. 7 in Einbaukonfiguration.

In Fig. 1 ist in einer Teilschnittdarstellung schematisch ein Kernreaktorkessel 10 dargestellt, in welchem ein Kern mit einer Vielzahl von Kernbrennstoffbündeln 12 angeordnet ist. Ein Reaktorkühlmittel wie z.B. Heliumgas, Wasser oder flüssiges Natrium tritt durch einen Zulauf stutzen 14 in den Reaktorkessel ein und fließt durch die Kernbrennstoffbündel 12 nach oben, wobei Wärmeenergie aufgenommen wird. Das Kühlmittel fließt durch einen Ablauf stutzen 16 zur

weiteren

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weiteren Verarbeitung in Wärmeaustauschern ab. Die primäre Kühlmittelströmung hat nach dem Verlassen des Reaktorkerns eine sehr hohe Temperatur, welche z.B. bei flüssigem Natrium, das zur Kühlung von Schnellen Brütern benutzt wird, in der Größenordnung von etwa 540 C liegt. Es ist ferner ein zweiter Kühlmittelfluß vorgesehen, um das innere der Reaktor kess el wandung auf einer akzeptablen niedrigeren Temperatur, z.B. in der Größenordnung von 450 C zu halten. Dieser Beipaßkühlstrom fließt durch eine Vielzahl von Öffnungen 18 in einen Beipaßringraum 22, der einerseits von der Wandung des Reaktorkessels 10 und andererseits von einer inneren thermischen Schutzwandung 24 begrenzt ist.

Der Ablaufstutzen 16 hat eine innere Schutzwandung 17, wie aus Fig. 2 hervorgeht. Diese innere Schutzwandung 17 und die innere thermische Schutzwandung 24 sind sowohl dem primären heißen Kühl-' mittel als auch dem kühleren Beipaßkühlmittel ausgesetzt. Der Beipaßkühlmiltelstrom hat typischerweise einen Druck, der etwa um

70 g/cm über dem Druck des Primärkühlmittelstroms im Ablauf-Stutzenbereich liegt. Der Primärkühlmittelstrom überbrückt bzw. durchsetzt den Beipaßkühlmittelstrom im Ringraum 22, wenn er durch den Ablaufstutzen 16 abfließt. Es ist erforderlich, daß Lecks zwischen dem Ringraum 22 und dem Primärkühlmittel strom eliminiert und vermieden werden müssen, um eine Beeinträchtigung der Kühlung des Reaktorkessels im Bereich des Ablaufstutzens und darüber zu vermeiden, damit keine ungewöhnlichen Materialermüdungen in den Leckbereichen aufgrund des thermischen Zyklus auftreten. Eine detaillierte Darstellung des Ablaufstutzens geht aus den Fig. 2 und Fig. 3 hervor. Aufgrund der thermischen Spannung und anderer wirksamer Spannungen ergibt sich eine wesentliche Relativbewegung

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und dem

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und dem Flansch 28 der Schutz wandung 17 des Ablaufstutzens. Diese Relativbewegung kann in der Größenordnung von etwa bis zu 20 mm liegen. Diese Relativbewegung ergibt sich sowohl in axialer Richtung, ti. h. , in der Längsachse des Ablaufstutzens, als auch in radialer Richtung, d.h., in einer parallel zur Hauptausdehnung des Kernreaktorkessels verlaufenden Richtung. Außerdem kann sich aufgrund eines axialen Temperaturgradienten längs der inneren thermischen Schutzwandung 24 eine Verschiebung ergeben, sodaß der ursprünglich zylindrische Flansch 28 der Schutz wandung schief winkelig verformt

0 wird und dessen Achse nicht mehr paraHel zur Achse des Ablaufstutzens 16 verläuft. Die thermischen Verformungen in diesem Bereich könne α dafür verantwortlich sein, daß ursprünglich flache, ebene Oberflächen des Flansches 28 der Schutzwandung von dieser Ebene abweichen. Es sind ferner ein oder mehrere Dichtungsringe 30 vorgesehen, um eine Abdichtung zwischen dem Beipaßkühlmittelstrom und dem Primärkühlmittelstrom zu bewirken.

Die Dichtungsringe 30 sind flexibel und bestehen aus einem Material, das kompatibel mit den Kühlmittelmedien und den Umweltbedingungen ist, welchen die Dichtungsringe ausgesetzt sind. Entsprechend dem vorgesetzten Einsatz können die Materialien aus Eisen und nicht eisenhaltigen Metallen sowie aus Kunststoffen und Elastomeren bestehen.

Die Dichtungsringe sind innerhalb innerer und äußerer Aufnahmerin- · ge 32 und 34 positioniert. Diese Aufnahmeringe 32 und 34 sind mit einer Ringnut ausgebildet, sodaß Seitenwände 36 und eine Rückwand 38 gegenüber dem offenen Frontbereich 40 entstehen. In der Darstellung ist ein rechtwinkeliger Querschnitt gezeigt, obwohl auch andere Kon-

figurationen möglich sind und zweckmäßig sein können. Jeder Aufnahmering

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mering hat zumindest eine Seitenwand 36, welche eine flache Oberfläche hat, oder zumindest einen flachen Oberflächenteil, wobei die Rückwand 38 derart bezüglich des Dichtungsringes 30 angeordnet sein soll, daß eine Berührung mit dem Dichtungsring 30 vermieden wird. Wie sich aus dem nachfolgenden noch weiter ergibt, werden die primären Dichtungsbereiche von den flachen bzw. ebenen Oberflächen gebildet und lassen eine Relativbewegung zwischen dem Dichtungsring und dem zugeordneten Atifnahmering zu, ohne daß dabei die Dichtwirkung verloren geht bzw. die Teile fressen. Der innere Aufnahmering 32 ist mit dem offenen Frontbereich von der Achse 42

• des Ablauf Stutzens aus nach außen gerichtet. Im Gegensatz dazu ist der offene Frontbereich des äußeren Aufnahmeringes 34 nach innen auf die Mittelachse des Ablaufstutzens ausgerichtet. Die gegeneinander weisenden Aufnahmeringe sind nicht aufeinander ausgerichtet, außer während einer kurzen Zeit bei dem Einsetzen der Dichtungsringe, sodaß immer eine gewisse Vorspannung besteht.

Aus den Fig. 4 und 5 geht hervor, daß der innere Rand 46 des Dichtungsringes 30 mit einer Verdickung bzw. einem Wulst 48 versehen ist. Eine entsprechende Vergrößerung des Randbereiches mit einer Verdickung bzw. einem Wulst 52 ist entlang dem äußeren Rand vorgesehen. Diese Verdickungen 48 und 52 erstrecken sich weg vom Ringkern 53 und den beiden Oberflächen 54 und 56 in diesem Bereich des Dichtungsringes. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der

innere Wulst 48 etwa T-förmig im Querschnitt ausgebildet und liegt an den Seitenwänden 36, jedoch nicht an der Rückwand 38 des Aufnahmeringes an. Der äußere Wulst 52 hat einen grundsätzlich kreisförmigen Querschnitt und liegt an den Seitenwänden des Aufnahmeringes sowie vorzugsweise auch an der Rückwand an. Bezüglich der Ausbildung der äußeren Ränder 50 und 52 des Dichtungsringes ergeben sich

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ben sich viele Möglichkeiten, wobei abgerundeten Formen gegenüber scharfkantigen Formen der Vorzug zu geben ist, um ein Fressen bei der Relativbewegung an den Seitenwänden zu vermeiden.

Die Abdichtung wird bei dem'beispielsweise erläuterten System durch den Metall-Metall-Kontakt zwischen den Wulsten 48 und 52 und den Wandungen der Aufnahmeringe bewirkt.

Durch mehrere Einflüsse werden Kontaktkräfte erzeugt. Ein Einfluß besteht in der axialen Vorspannung aufgrund der konischen Einspann-Verformung, wie sie in Fig. 8 dargestellt ist. In Fig. 7 ist der flache Dichtungsring dargestellt, wie er bei der Fabrikation entsteht. Demgegenüber umschließt der Dichtungsring im verspannten Zustand einen pyramidenstumpfförmigen Bereich. Weitere Dichtkräfte werden durch Temperaturdifferenzen an dem Ringkern 53 bewirkt, welche ebenfalls eine Tendenz zum Verformen des Dichtungsringes mit sich bringen, wobei, wie aus Fig. 2 erkennbar ist, die Tendenz besteht, den Dichtungsring nach der kühleren Seite, d.h., in der Darstellung nach rechts bezüglich der Oberfläche 54 konkav und bezüglich der

Oberfläche 56, d.h., nach der heißeren Seite, konvex zu verformen. w

Da die freie axiale Relativbewegung bezüglich der Wulste des Dichtungsringes durch die Aufnahmeringe begrenzt ist, ergibt sich der Metall-Metall-Kontakt auf der rechten Seite des Dichtungsringes an der äußeren Kante des Wulstes 52, und auf der linken Seite des Dichtungsringes an der inneren Kante des Wulstes 48. Diese Verhältnisse gehen andeutungsweise aus Fig. 6 hervor. Die Kontaktkräfte werden während aller Zustände des Reaktorbetriebes aufrecht erhalten, auch wenn sich Relativbewegungen zwischen dem Flansch 26 der inneren thermischen Schutz wandung 24 und dem Flansch 28 der

:U) Scluitvswandung des Auslaufes ergeben. Die Vorspannung wird aufrecht

erhalten,

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erhalten, solange die einander gegenüberliegenden Aufnahmeringe nicht aufeinander ausgerichtet sind. In der Darstellung gemäß Fig.6 ist die dichtende Oberfläche 29 des Aufnahmeringes eben ausgebildet, sodaß sich der im Querschnitt etwa kreisförmige Wulst 52 an dieser B Oberfläche abrollen kann und der Dich1.kontn.kt nicht unterbrochen

wird. Die inneren und äußeren Kanten der flexiblen Dichtungsringe können somit Relativbewegungen und Versetzungen der einzelnen Komponenten folgen.
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Aus Fig. 6 geht hervor, daß eine übermäßige Versetzung dazu führen kann, daß der Dichtungsring mit den Oberflächen 54 bzw. 56 an den Kanten 60 der Aufnahmeringe zur Anlage kommt, wie dies z. B. für die Kante 60' angedeutet ist. Die Aufnahmeringe und die Dich-"*-' tungsringe sind deshalb derart zu formen, daß eine solche Berührung vermieden wird. Aus diesem Grund sollen die Seitenwände der Aufnahmeringe nicht zu lang sein, und ferner können die Kanten (50 gebrochen werden, wie dies mit dem Bezugszeichen 60'' angedeutet ist.

««>, 20 Aus Fig. 2 geht hervor, daß die Abdichtung aus mehreren Komponenten aufgebaut sein kann. Weitere Komponenten sind Abstandsringe 62, ein innerer Haltering 64, ein äußerer Haltering 66 und Sperrstifte 70. Bei der beispielsweisen Ausführungsform sind die Dichtungsringe 30 und die Abstandsringe 62 aus einer gehärteten Legierung hergestellt, welche im Bedarfsfall mit Materialien überzogen sein können, um die Reibung und die Abnützung zu verringern. Ein solcher Überzug kann beispielsweise aus Chromcarbid bestehen. Die übrigen Komponenten einschließlich des Abluufstuluerm und der Sehutzwiuulunj'; werden vorzugsweise aus einem nicht rostenden Stahl mit den erforderlichen Eigenschaften hergestellt.

Um Lecks,

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Um Lecks, welche an den Dichtungsringen 30 vorbeiführen, zu minimalisieren, ist es notwendig, einen dichten Paßsitz während des Gesamtbetriebs zwischen den Abstandsringen 62 und den Flanschen 26 und 28 aufrecht zuerhalten. Dies kann man z.B. dadurch erreichen, δ daß bei der Montage die Teile durch Schrumpfen miteinander verbunden werden, oder indem die unterschiedlichen Betriebstemperaturen bzw. Temperaturkoeffizienten der Komponenten für diesen Zweck ausgenützt werden, um einen Preßsitz zu gewährleisten.

Wiilu-einl der Installation werden die anfänglich flachen Dichtungsringe 30 in eine flache, konische Form gebracht, indem entsprechend ein axialer Druck auf den inneren Haltering 64 eingeleitet wird. Dadurch entsteht ein Kontakt und eine Abdichtung zwischen dem Dichtungsring 30 und dem Abstandsring 62. Sowohl der innere als auch der äußere Haltering 64 bzw. 66 werden mit dem. Flansch 28 der Schutzwandung einerseits bzw. mit dem Flansch 26 der inneren thermischen Schutzwandung 24 andererseits mit Sperrstiften oder anderen geeigneten Komponenten verrastet.

Die Dichtungsringe 30 werden derart ausgewählt, daß die gewünschte Abdichtung aufrecht erhalten wird bei den erwarteten axialen Verschiebungen des Flansches 2G, der inneren Schutz wandung 24 und des Flansches 28 der Schutz wandung des Ablauf Stutzens 16. Die Dichteigenschaft wird während des Betriebs verstärkt aufgrund der Tendenz der Dichtungsringe 30, sich zu verformen infolge des Temperaturunterschiedes, welcher über die Dicke des Ringkernes 53 wirksam ist, wobei die höhere Temperatur an der Oberfläche 54 und die niedrigere Temperatur an der Oberfläche 56 auftritt.

Man kann aus dem Aufbau entnehmen, daß die flexiblen Dichtungs

ringe 30

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ringe 30 eine besondere Fähigkeit haben, komplexe, relative Bewegungen der betroffenen Teile zu absorbieren und aufzunehmen, selbst wenn eine Welligkeit zwischen dem Flansch 26 und dem Flansch 28 besteht. Es sind auch Modifikationen der Dichtungsringe vorgesehen, Γ) entsprechend abgeänderter Anwendungsbereiche, wobei die Dichl,un^^r.sringe z. B. an der inneren Kante fester gehalten werden und an der äußeren Kante frei gleitfähig sind. Sowohl die Dichtungsringe als ^

auch die Aufnahmeringe können aus einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien hergestellt sein, welche gegebenenfalls auch mit Schutzüberzügen versehen sind, z.B. Chromcarbid, um die Reibung und die Abnützung auf den gleitenden Oberflächen zu verringern. Die Dicke und die mechanische Ausführung der Dichtringe wird derart ausgewählt, daß die gewünschte Federkonstante und Flexibilität gegeben ist, sowie die Festigkeit gegen Spannungen und Drücke. Der Dichtungsring kann an der inneren Kante eine bestimmte Konfiguration haben, die von der Grundfiguration an der äußeren Kante verschieden ist, entsprechend der Formgebung der Elemente, welche zum Festhalten der Dichtungsringe benutzt werden. Wichtig ist dabei, daß die Dichtungsringe zwischen nicht aufeinander ausgerichteten Komponenten gehalten sind, sodaß sich eine Kraft bildet, die den Dichtungsring jeweils konisch verformt.

Claims (4)

1. Patentansprüche

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   / 1J Abdichtanordnung für strömende, medienführende Rohre bzw. Anschlußstutzen, welche mit einem doppelwandigen Behälter verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,

   - daß das Rohr bzw. der Anschlußstutzen (Hi) an der äußeren Wand des Behälters (Kernreaktorkessel 10) montiert ist und mit einrni Anschlußstutzen (innere Schutzwandung 17 des AnschlußsUitztms) durch eine Öffnung in einer weiteren inneren, in einem Abstand von der Behälter wandung angeordneten Schutz wandung (24) endet;

   - daß an den einander gegenüberliegenden Bereichen der inneren und äußeren Schutzwandung (17, 24) Aufnahmeringe (32, 34) angebracht sind, welche in umlaufenden Nuten einen Dichtungsring (30) derart aufnehmen, daß der Zwischenraum zwischen der inneren Schutzwandung des Anschlußstutzens und der inneren Schutzwand des Behälters überbrückt ist;

   - und daß die Nuten axial zueinander versetzt sind, um den Dichtungsring zur Aufrechterhaltung der Abdichtung konisch zu verformen.

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2. 2. Abdichtanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   - daß der innere Rand (46) und der äußere Rand (50) des Dichtungsringes (30) mit umlaufenden Wulsten (48, 52) versehen sind, wobei einer der Wülste in radialer Richtung innerhalb der zugeordneten Nut des Aufnahmeringes verschiebbar ist.
3. 3. Abdichtanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

   0 - daß der verschiebbare Wulst (48) breiter als der andere Wulst (52)

   ist.
4. 4. Abdichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3j dadurch gekennzeichnet, - daß die Nuten als separate Aufnahmeringe (32, 34) ausgebildet sind und flache Seitenwände haben, an welchen der zugeordnete Wulst (48) gleitend anliegt.