DE3630057A1

DE3630057A1 - Sicherheitsvorrichtung fuer innen durckstossexponierte hohlkoerper

Info

Publication number: DE3630057A1
Application number: DE19863630057
Authority: DE
Inventors: Werner Dr Med Schubert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-09-04
Filing date: 1986-09-04
Publication date: 1988-03-17

Description

Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsvorrichtung für innen druckstoßexponierte Hohlkörper wie Rohre, Kessel, Tanks für die Raumfahrt und/oder ähnliche Vorrichtungen.

Neue Techniken beanspruchen in starken Maße die Mate rialien wie Stahl, aus denen Rohre oder Kessel beispiels weise im engeren Bereich von Kernreaktoren oder Start triebwerken der Raumfahrt hergestellt sind. Es ist ein wichtiges Anliegen, unvorhersehbare Berstungen solcher Hohlkörper in Erhöhung der Sicherheit grundsätzlich zu vermeiden.

Sicherheitsventile sind zu kleinkalibrig, um Schutz ge gen größeren Druckstoß im Inneren eines Hohlkörpers ge ben zu können. Druckstoßdämpfung wird herkömmlich nach dem hydraulischen Prinzip, entsprechend auch mit Fe dern und vor allem in Anwendung der Viskose durchge führt.

In DE P 36 22 445.6 werden zur Druckstoßmin derung mehrere konzentrisch ineinander geschichtete Vorrichtungen beschrieben, um druckstoßunempfindliche Hohlkörper zu erhalten. Zu diesen druckstoßmindern den Vorrichtungen gehört bereits ein kompremierbarer Gasraum. Die vor allem in Lumen eines Kessels/Rohrs gelegenen Schutzvorrichtungen sind besonders nach einem Störfall nur schwer zu reparieren. Die sogenannte "Bruchmechanik" ist noch ein relativ neues For schungsgebiet, derzeit in Deutschland vom Frankfur ter Battelle-Institut bearbeitet (Blick durch die Wirtschaft: Forschung für die Kernkraftsicherheit, 28. 08. 86).

In Nachkriegsjahren hat sich der Verfasser mit Druck stoßwirkung vor allem aus medizinischen Gründen befaßt. Auf der Seite 59 seiner Arbeit über "Weitere Erfahrungen bei Druckstoß von Explosionen und Spontanluftembolien aus der Lunge" (W. Schubert, Virchows Archiv, Band 325, Seite 57 bis 69, 1954) ist ein hierfür mehrfach benutzter Druckkessel abgebildet mit einer 7 cm haltenden Gummi membran im desgleichen unbeschädigten Deckel, obwohl im Kessel Druckstöße mehrfach von etwa 5 atü mit Sauerstoff- Acetylengemisch erzeugt worden waren. Solch eine Bauweise eines Druckkessels zeigt nun umgekehrt, daß selbst nur eine in einer Wanddurchbrechung eingelassene Gummimembran eine beachtliche Schutzwirkung zur Erhaltung des Kessels bei Explosionen im Inneren desselben gibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Material wie die Umwelt mehr Sicherheit bei technischer Verwendung von Hohlkörpern wie Kessel, Tanks, Rohre zu erreichen, wobei am druckstoßexponierten Hohlkörper zusätzlich druckstoßmindernde Vorrichtungen an/einzubringen sind, die wesentlich wirksamer als herkömmliche Sicherheits ventile zu sein haben.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteran sprüchen, der Zeichnung und deren Beschreibung zu ent nehmen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen ins besondere darin, daß zur Dämpfung/Minderung eines Druck stoßes/Absorption zumindest der Druckspitzen im Inneren eines Hohlkörpers wie Kessel oder Rohr zusätzlich gaser füllte Räume vorhanden sind/eingesetzt werden. Je mehr gaserfüllter Raum auch druckabhängig für die Aus breitung einer Druckwelle zur Verfügung steht, um so größer wird verständlicherweise die Schutzwirkung sein. Die gas haltigen gegen Berstung schutzgebenden zusätzlichen Räume können nun außen an dem druckstoßexponierten Hohlkörper angebracht sein, aber vorgeformte gashaltige Sonden in elastischen Hüllen können auch in druckstoßexponierte Körper hineingegeben, nach Exposition, unter Umständen nach Zerstörung, wieder herausgenommen werden. Selbst längsaxial können solche gashaltigen Sonden, insbesondere Helium enthaltend, beispielsweise in den Treibstofftank eines Triebwerkes der Raumfahrt druckstoßmindernd hinein gegeben werden. Wichtig sind dann auch vorgegebene Wand durchbrechungen bzw. Schwachstellen besonders in Rohren wie auch Kesseln, die möglichst außen von zersprengbaren Membranen abgedeckt sind. Diese Membranen können ver schiedene Festigkeiten besitzen, sie können elastisch sein, andere solche Membranen können beispielsweise auch aus Stahlblech bestehen und außen auf der originären Rohr-Kesselwandung aufgeschweißt sein. Andere größere Septierungen können direkt in das Hauptlumen eines stark wandigen Rohres eingesetzt (eingeschweißt) sein, so daß Füllgut nur den einen sektorenartigen Teil des Rohr lumens einnimmt, während im anderen Teil der Rohrlichtung inertes Gas wie Helium schutzgebend vorhanden ist. Nach Ruptur des dazwischenliegenden Septums infolge eines Druckstoßes würde dann sich das Füllgut in den vorher gaserfüllten Raum ergießen, könnte aber die Umwelt nicht erreichen und nicht schädigen. Dieser im Rohr längs ziehende einheitliche gaserfüllte Raum kann auch für andere Zwecke verwendet werden wie auch Gas beispiels weise zur Kühlung eingeleitet werden kann unter ver schiedenem Druck, in Verwendung einer Pumpe über eine Rohrleitung, die in den vom Septum abgegrenzten Teil des Rohres hineinführt.

Einem Rohr oder einem Kessel über einer Wanddurchbrech ung und Membran aufgesetzte zusätzliche gashaltige Kammer als Schutzvorrichtung kann auch zudem noch im Druck stoß nach außen durch Federn letztlich abgesichert sein; das wäre eine dritte, sozusagen letzte Möglichkeit um Druck stöße aufzufangen. Nach einem solchen dreifach absorbierten Druckstoß würde die Zusatzkammerwandung wieder durch die Federn abdichtend auf die Außenfläche des druckstoßexponier ten Hohlkörpers zurückgedrückt werden. Auch ein parallel geführtes Doppelrohr kann so zueinander verbunden sein in Zwischensetzung von zersprengbaren Membranen, daß sich beachtliche Schutzwirkung ergibt. Über Wanddurchbrechungen des druckstoßexponierten Hohlkörpers sind dann rohrartige Querverbindungen zum meist kleinkalibrigeren zweiten Rohr zu setzen, wobei diese Querverbindungen je eine querge setzte zersprengbare Membran zu enthalten haben. Im klein kalibrigeren Rohr befindet sich lediglich inertes Gas wie Helium. Um nach einem Störfall mit Druckstoß und Zerspren gung einer Membran den Austritt des Füllgutes zu begrenzen, sollten im gaserfüllten Rohr zwischengesetzt an geeigneter Stelle (je zwischen den Rohrwanddurchbrechungen) ventilar tige Rohrunterbrechungen vorhanden sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in der Zeich nung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 den Längsschnitt durch einen Reaktorkessel (1) mit Zu- und Ableitung, Reaktorbrennstäbe (9),
auf der rechten Seite eine Wanddurchbrechung (2) als vor gegebene Schwachstelle mit der Abdeckung durch die Membran (3),
die aufgesetzte gashaltige druckstoßabsorbierende Zusatz kammer (7), -
auf der linken Seite der Figur in dem Kessel des Kernreak tors, herangerückt an die Kernelemente (9), zwei gaserfüllte nach innen vorgeschobene Sonden (4, 7 a), die von drahtkorb artigen Haltevorrichtungen (5) umgeben und in der richtigen Position im Inneren des druckstoßexponierten Hohlkörpers festgehalten werden.

Fig. 2 den Längsschnitt durch ein Starttriebwerk mit der Tankwandung (1) die Antriebsdüse (10), die längsaxial eingebrachte gashaltige Sonde (4/7 a),
die drahtkorbartige Haltevorrichtung (5) der Sonde (4/7 a),
und den oben gelegenen Verschluß (6) für diese Sicher heitsvorrichtung gegen Berstung des Mantels des mit Treibstoff gefüllten Hohlkörpers (1),

Fig. 3 den Längsschnitt durch ein Rohr (1) mit der Wanddurchbrechung (2) und als Sicherheitsvorrichtung die außen abdeckende Membran (3), welche von außen nach Zersprengung leicht ausgetauscht werden kann,

Fig. 4 den Längsschnitt durch ein Rohr (1) mit der vorgegebenen Wanddurchbrechung (2), die Membran (3), die durch Druckstoß im Rohr (1) zerrissen ist, wonach Fluid wie Füllgut einen großen Teil der aufgesetzten gashal tigen Zusatzkammer (7) erfüllte, was der Druckentlastung im Inneren des Rohres (1) diente und eine jetzt partiell mit kompremierten Gas erfüllte Zusatzkammer (7),

Fig. 5 den Querschnitt durch ein starkwandiges Rohr (1) mit der sehr einfachen Schutzvorrichtung gegen Druck stoß, die lediglich in einem Septum (3) besteht, wel ches die Funktion einer schon mehrfach genannten Membran (3) hat, wobei es darauf ankommt, daß dieses Septum (3) im Hauptlumen des Rohres der Festigkeit nach schwächer ist als die eigentliche Wandung des Rohres (1), die linke Seite zeigt zudem verbliebenes Lumen (eigentliches Funk tionslumen) für Füllgut oder andere Substanzen, während der rechts vom Septum (3) liegende gashaltige Raum Schutzwirkung in mehrfacher Hinsicht nach Zersprengung des Septums (3) gibt nämlich, die Explosion oder Er ruption, der Druckstoß oder kumulierte Druckstöße werden und zwar diesmal innerhalb des Rohres selbst stark ge mindert, ohne daß mit einer Ruptur der originären starken Rohrwandung (1) zu rechnen ist, und das Füllgut bleibt nach Zersprengung des Septums (3) umwelt freundlich im Rohr (1). Der gaserfüllte Raum steht mit einer Gasdruckleitung (12) in Verbindung, so daß der sektorenhafte gaserfüllte Raum im Rohr (1) in mehrerer Hinsicht durch Gaseinführung oder Absaugung von Gas auch zur Kühlung beeinflußbar ist; auch andere Stoffe können durch den gleichen Raum hindurchgegeben werden,

Fig. 6 eine dritte, zeitlich letzte Schutzvorrichtung mit einer Feder gegen Druckstoß, die erst dann Druckstoßener gie absorbiert, wenn die Druckwelle bereits die Membran (3) zerschlug und das Gas in der Zusatzkammer (7) kompri mierte. Verbleibt dann immer noch restliche Energie, so wird die gesamte Kammerwand (7) nach außen bei nachgehender Feder (11) abgedrängt; diese Kammer kehrt nach weiterer/ restlich Druckstoßabsorption wieder in ihre Ausgangslage außen am Rohr abdichtend zurück,

Fig. 7 den Querschnitt durch ein druckstoßexponiertes Rohr (1) mit einem daneben parallel verlaufenden schmalkali brigeren Rohr, welches als Sicherheitsvorrichtung (4) gas erfüllt ist,
die desgleichen rohrartige (eingeschweißte) Querverbindung (14) mit senkrecht eingesetzter zersprengbarer Membran (3),

Fig. 8 den Längsschnitt durch die gleiche Vorrichtung nach Fig. 7 mit dem Rohr (1), die rohrartige (beispielsweise eingeschweißte) Querverbindung (14), die damit gegebene Durchbrechung der originären Rohrwandung und die in der rohrartigen Querverbindung senkrecht eingesetzte Membran (3), den Schutz gebenden gaserfüllten relativ großen Raum (4), der in dem zweiten parallel geführten Rohr vorhanden ist. Um einen Störfall möglichst einzuengen, sind seg mentförmige ventilartige Unterbrechungen (16) im gas haltigen Rohr vorhanden.

Legende 1 - von innen druckstoßexponierter Hohlkörper
2 - Wanddurchbrechung als vorgegebene schwache Stelle in der Wand des Hohlkörpers
3 - Membran/Septum zur Abdichtung der Wanddurch brechung
4 - gaserfüllte Zusatzräume zur Druckstoßminderung/ Druckstoßabsorption
5 - Haltevorrichtung mit Durchbrechung für eine gashaltige Sonde
6 - Verschluß für die Vorrichtung mit gashaltiger Sonde
7 - gaserfüllte Zusatzkammer außen am Hohlkörper, die das Austreten von Füllgut wie auch kontami niertes Wasser verhindert
7 a- elastische Hülle einer gaserfüllten Sonde
9 - Brennstäbe eines Kernreaktors
10 - Düse eines Starttriebwerkes
11 - dritte zeitlich letzte druckstoßmindernde Vor richtung, die aus einem Feder- oder Gummipolster besteht, wobei diese je durch einen Bolzen ge führt werden, die mit der Wandung des druck stoßexponierten Hohlkörpers in Verbindung stehen
12 - Leitung zum gaserfüllten Zusatzraum eines druck stoßexponierten Hohlkörpers mit Ventil und Pumpe
14 - Querverbindung in Doppelrohr mit darin quergesetz ter zersprengbarer Membran (3)
16 - segmentförmige Unterbrechung des zweiten gashaltigen schutzgebenden Rohres

Claims

1. Sicherheitsvorrichtung für innen druckstoßexponierte Hohlkörper wie Rohr, Kessel der Industrie, Tanks für die Raumfahrt und/oder ähnliche Vorrichtungen dadurch gekennzeichnet,
daß der druckstoßexponierte Hohlkörper (1) zur Schutzge bung gegen Berstung/partieller Berstung durch einen Druck stoß von innen/mehreren Druckstößen/wesentliche Drucker höhung/Druckerhöhungen im inneren des Hohlkörpers einen oder mehrere gaserfüllte Hohlräume (4) bereits zur Vor beugung vorgegeben enthält,
daß inertes Gas wie Helium in solchen Schutz gebenden Kammern/Sonden (4/7 a), sektorenartig längsziehende Abtei lungen beispielsweise in Rohren vorhanden sind und/oder außen an der Wandung des druckstoßexponierten Hohl körpers solche gashaltigen Sicherheitsvorrichtungen vorhanden sind in Zwischenschaltung von im Druckstoß von innen zersprengbaren Membranen/Septen (3) oder ähnlichen Bauelementen verschiedener Festigkeit.

2. Sicherheitsvorrichtung für innen druckstoßexponierte Hohlkörper nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bezüglich der Membranen/Septen (3) Relation zur Festigkeit der Wandung des Hohl körpers wie eines Rohres/eines Kessels/eines Tanks be steht, wobei für die Schutzgebung im Druckstoß Voraus setzung ist, daß die Membran/das verwendete Septum (3) schwächter ausgelegt ist als die eigentliche Hohlkörper wand.

3. Sicherheitsvorrichtung für innen druckstoßexponierte Hohlkörper nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß sich die Membranen/Septen (3) in Wanddurchbrechungen (2) befinden als vorgegebene Schwachstellen einer Hohl körperwand wie eines Rohres, eines Kessels, Tanks oder in einer ähnlichen Vorrichtung.

4. Sicherheitsvorrichtung für innen druckstoßexponierte Hohlkörper nach Patentanspruch 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Membranen (3) aus Gummi bestehen können, daß sie elastisch zu sein haben, somit wiederholt Druckstöße im Innern eines Hohlkörpers auf/abfangen können.

5. Sicherheitsvorrichtung für innen druckstoßexponierte Hohlkörper nach Patentanspruch 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß Septierungen/Septen (3) gleichfalls in Abtrennung von Füllgut gegen die gashaltigen schutzgebenden Räume aus festeren Material bestehen wie Stahlblech und somit auch über Wanddurchbrechungen (2) als vorgegebene Schwachstellen eingeschweißt werden können.

6. Sicherheitsvorrichtung für innen druckstoßexponierte Hohlkörper nach Patentanspruch 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß in einen druckstoßexponierten Hohlkörper (1) wie ein Kessel, der Kernbrennstäbe mit Flüssigkeit umschließt von außen über Ventile (6) gashaltige Sonden hineingegeben werden, nach Beanspruchungen herausgenommen werden.

7. Sicherheitsvorrichtung für innen druckstoßexponierte Hohlkörper nach Patentanspruch 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß druckstoßmindernde Sonden (4/7 a) in elastischen Hüllen (7 a) Gas wie Helium oder Stickstoff besitzen.

8. Sicherheitsvorrichtung für innen druckstoßexponierte Hohlkörper nach Patentanspruch 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß gaserfüllte Sonden (4/7 a) Wandungen (7 a) haben, die nur partiell elastisch sind, und/oder das auch im festerem Material wie Stahlblech Schwachstellen für die Kompression zur Druckminderung im druckstoßexponierten Hohlraum (1) vorhanden sind.

9. Sicherheitsvorrichtung für innen druckstoßexponierte Hohlkörper nach Patentanspruch 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß eine gashaltige Sonde (4/7 a) in im druckstoßexpo nierten Hohlraum (1) vorhandene drahtkorbartige Haltevor richtung (5) hineingegeben werden kann, mehrere solcher Sonden (4/7 a) in vorbereitete Haltevorrichtungen (5) in den Hohlkörper (1) an verschiedenen Stellen hineingegeben werden können.

10. Sicherheitsvorrichtung für innen druckstoßexponierte Hohlkörper nach Patentanspruch 1 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, daß zur Minderung bruchmechanischer Gefährdung in Start triebwerken eine oder mehrere gashaltige Sonden (4/7 a) längsaxial in den langgestreckten Tank hineingegeben werden können oder desgleichen sondenartige gaserfüllte Hohlräume auch an anderer Stelle hierfür im Triebwerk deponiert werden.

11. Sicherheitsvorrichtung für innen druckstoßexponierte Hohlkörper nach Patentanspruch 1 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, daß ein zweites Rohr neben dem Hauptrohr (1) mit Füllgut verläuft und segmental Querverbindungen (14) zwischen beiden Rohren bestehen, wobei in der Regel das schmalkalibrigere Rohr als Sicherheitsvorrichtung die Gasfüllung (4) enthält und in den Querverbindungen (14) zwischen beiden Rohren zer sprengbare Membranen (3) vorhanden sind.

12. Sicherheitsvorrichtung für innen druckstoßexponierte Hohlkörper nach Patentanspruch 1 bis 11, dadurch gekenn zeichnet, daß Zusatzkammerungen (3) über Wanddurchbrechungen (2) und Membranen (3) über Bolzen gelagerte Federn (11) vor handen sind, so daß als zeitlich dritte und zusätzliche Vorrichtung der Druckstoßminderung die Wandung der Zusatz kammer (3) im Druckstoß nach Ruptur einer Membran nach außen federnd abgedrängt werden kann.

13. Sicherheitsvorrichtung für innen druckstoßexponierte Hohlkörper nach Patentanspruch 1 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die Drucke in den schutzgebenden gaserfüllten Räumen (4) variiert werden können durch den Einsatz einer Pumpe (12).

14. Sicherheitsvorrichtung für innen druckstoßexponierte Hohlkörper nach Patentanspruch 1 bis 13, dadurch gekenn zeichnet, daß die gegen Druckstoß schutzgebenden Räume (4) wie zu sätzliche Rohre temporär auch für andere Zwecke wie für die Fortleitung von flüssigem Füllgut benutzt werden können.

15. Sicherheitsvorrichtung für innen druckstoßexponierte Hohlkörper nach Patentanspruch 1 bis 14, dadurch gekenn zeichnet, daß zur Eingrenzung eines Störfalles gegen Druckstoß Schutz gebende gaserfüllte in einem Rohr zusammenhängend vorhandene Hohlräume (4) segmentförmig Unterbrechungen (16) aufweisen beispielsweise mit dem Einsatz von großkalibrigen Ventilen.

16. Sicherheitsvorrichtung für innen druckstoßexponierte Hohlkörper nach Patentanspruch 1 bis 15, dadurch gekenn zeichnet, daß bezüglich der Festigkeit zersprengbare Membranen/Sep ten (3) verschieden stark am gleichen Hohlkörper ausge legt sind, so daß bei geringem Druckstoß in einem Hohl körper nur ein relativ schwaches Septum (3) rupturiert, während ein festeres Septum (3) noch intakt bleibt; bei sehr starkem Druckstoß im Inneren des Hohlkörpers würden aber beide oder mehrere Septen (3) rupturieren und damit wäre erhöhte Sicherheit erreicht.