DE7414919U

DE7414919U - DEVICE FOR SECURING PIPELINES AGAINST VIBRATIONS, IN PARTICULAR EARTHQUAKES

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Publication number: DE7414919U
Application number: DE19747414919
Authority: DE
Original assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Current assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Priority date: 1974-04-27
Filing date: 1974-04-27
Publication date: 1976-02-12

Description

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25.4,1974April 25, 1974

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INTERATOMINTERATOM

Internationale Atomreaktorbau GmbH 506 BensbergInternationale Atomreaktorbau GmbH 506 Bensberg

Vorrichtung zur Sicherung von Rohrleitungen gegen Schwingungen, insbesondere gegen ErdbebenDevice for securing pipelines against vibrations, in particular against earthquakes

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Sicherung von Rohrleitungen gegen Schwingungen, die in ihnen durch von außen aufgezwungene Bewegungen erregt werden vermittels an ihnen angebrachter Zusatzmassen. Bei Rohrleitungen und anderen ähnlich geformten Anlageteilen, die stärkeren Tempevaturschwankungen ausgesetzt sind, ist man bestrebt, mit einer möglichst geringen Zahl von Festpunkten auszukommen, um eine ungehinderte Wärmedehnung zu ermöglichen. Dies hat zur Folge, daß diese Strukturen sehr niedrige Eigenfrequenzen aufweisen und daß bei von außen einwirkenden Beschleunigungen erhebliche Schwingungen und dadurch Überbeanspruchungen der Rohrleitungen auftreten können. Diese Beschleunigungen können bei landfesten Anlagen beispielsweise durch Erdbeben, bei auf Schiffen befindlichen auch durch den Seegang hervorgerufen werden.The present invention relates to a device for securing pipelines against vibrations, which are excited in them by externally imposed movements by means of additional masses attached to them. Similar to pipelines and others Shaped system parts that are exposed to stronger temperature fluctuations, one strives with a get along with the smallest possible number of fixed points in order to allow unhindered thermal expansion. this has the consequence that these structures have very low natural frequencies and that when acting from the outside Accelerations, considerable vibrations and, as a result, overstressing of the pipelines can occur. These In the case of land-based systems, accelerations can be caused by earthquakes, for example, and also in those on ships caused by the swell.

An sich ist es bekannt, Anlageteile dadurch gegen Schwingungen zu schützen, daß man sie durch zusätzlich angebrachte Massen so verstimmt, daß diese Massen durch Schwingungen, die über ca. 0,5 Hz liegen, nicht mehrIt is known per se to protect system parts against vibrations in that they are detuned by additionally attached masses so that these masses through Vibrations that are above approx. 0.5 Hz no longer

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! bilden. Bei größeren Abmessungen der zu schützenden! form. With larger dimensions of the one to be protected

Rohrleitungen usw. fallen diese Massen jedoch so groß aus, daß sie mit Rücksicht auf die gegebenen Platz- und Gewichtsverhältnisse nicht immer realisiert werden können.Pipelines, etc., however, these masses are so large that they take into account the given space and Weight ratios cannot always be realized.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Sicherung von Rohrleitungen, insbesondere in Kernenergieanlagen, die die Rohrleitungen gegen von außen auf sie wirkende stoßartige Beschleunigungen, insbesondere Erdbeben schützt. Darüberhinaus soll die Vorrichtung möglichst klein im Aufbau, temperatur- und strahlenbeständig und möglichst wartungsfrei sein.The object of the present invention is a device for securing pipelines, in particular in nuclear power plants, the pipelines against sudden accelerations acting on them from the outside, in particular Earthquake protects. In addition, the device should be as small as possible in structure, temperature and radiation resistant and be as maintenance-free as possible.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, diß die Rohrleitungen und Zusatzmassen an entgegengesetzten Armen eines sich im Gleichgewicht befindlichen Waagebalkens angebracht sind, der gelenkig in einem Festpunkt gelagert ist. Eine längere, an ihren Enden fest eingespannte Rohrleitung kann physikalisch mit Rücksicht auf ihre Elastizität als eine abgefedert gelagerte Masse M betrachtet werden. Bezeichnet man die vorgeschlagene Zusatzmasse mit m und die Länge der Arme des Waagebalkens, an dem diese Massen aufgehängt sind, mit a bzw. b, und nimmt' man ferner an, daß der Aufhängepunkt des Waagebalkens und die beiden fest eingespannten Endpunkte der Rohrleitung (d.h. das Widerlager der Feder, auf der die Masse M ruht) in gleicher Richtung und um die gleiche Strecke f verschoben werden, so wird die Masse M um die Strecke x. und die Masse m um die Strecke x, ausgelenkt, wobei sich der Waagebalken um seine Aufhängung dreht. Es gilt dann der kinematische Zusammenhang To solve this problem it is proposed that the Pipelines and additional masses on opposite arms of a balance beam in equilibrium are attached, which is articulated in a fixed point. A longer pipe, firmly clamped at its ends can be viewed physically as a spring-mounted mass M with regard to its elasticity will. The suggested additional mass is denoted by m and the length of the arms of the balance beam on which they are attached Masses are suspended, with a or b, and one also assumes that the suspension point of the balance beam and the two firmly clamped end points of the pipeline (i.e. the abutment of the spring on which the mass M rests) in the same Direction and are shifted by the same distance f, the mass M is shifted by the distance x. and the mass m around the Distance x, deflected, whereby the balance beam rotates around its suspension. The kinematic relationship then applies

Bezeichnet man ferner mit P die an der Masse M überOne also denotes with P the one at the mass M above

den Hebel a angreifende Kraft, mit Pt die entsprechende, an der Masse m über den Hebel b angreifende Kraft, mit Pw die Massenkraft aus M und mit P die Massenkraft aus m sowie mit Pp die Federkraft, so gelten die dynamischen Gleichgewichtsbedingungenthe force acting on the lever a, with Pt the corresponding, Force acting on the mass m via the lever b, with Pw the inertia force from M and with P the inertia force from m as well as the spring force with Pp, the dynamic ones apply Equilibrium conditions

^Pa ^P a ^{+ P}M ⁺ ^{+ P} M ⁺ ^PF = ^P F = ^Pb ^P b ^{+ P}m ⁼ ^{+ P} m ⁼ ⁰⁰ ^Pa ^P a . a =. a = P_b . bP _b . b ^PM ^P M ⁼ ~MX * ⁼ ~ MX * ^Pm ^P m __ ··__ ·· ^PF ^P F = -k (= -k ( χ — ίχ - ί

(4)(4)

(6) (7)(6) (7)

wobei k die Federkonstante bedeutet, Daraus ergibt sich die Absolutbewegung zuwhere k is the spring constant. This gives the absolute movement to

-CM+(|)²m) S₁ - ItX₁ - -kf - 2-L-k . k . af ₍₈₎ oder für die Relatiwerschiebung r« ■ x. - f-CM + (|) ² m) S ₁ - ItX ₁ - -kf - 2-Lk. k . af ₍₈₎ or for the relative shift r «■ x. - f

CM+(|)²n0 V₁ + kr, - (| ■ - M) f (9)CM + (|) ² n0 V ₁ + kr, - (| ■ - M) f (9)

Wenn, wie oben vorausgesetzt, der Waagebalken im Gleichgewicht, d.h.If, as assumed above, the balance beam is in equilibrium, i.e.

bm ■ aMbm ■ aM

ist, ergibt sich trotz der Bewegung £ keine Relatiνverschiebung der einzelnen Teile des Systems zueinander.is, there is no relative shift of the individual parts of the system to one another despite the movement £.

/IC/ IC

Ferner ist daraus ersichtlich, daß die Züsatzmasse m mit dem Quadrat des Hebelverhälthisses — multipliziert in die Gleichung eingeht und die gewünschte Verstimmung bewirkt. Daraus folgt, daß bei einem möglichst groß gewählten Verhältnis der Längen der beiden Hebelarme zueinander nur eine verhältnismäßig geringe Zusatzmasse erforderlich ist. Zusätzlich wird die von außen aufgebrachte Störung linear zum Hebel- und Massenverhältnis abgemildert.It can also be seen from this that the additional mass m by the square of the lever ratio - multiplied into the equation and the desired detuning causes. It follows that with a ratio of the lengths of the two lever arms selected as large as possible to each other only a relatively small additional mass is required. In addition, the externally applied disturbance mitigated linearly to the lever and mass ratio.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die im vorhergehenden beschriebene Vorrichtung so auszugestalten, daß eine ungehinderte Wärmedehnung der Rohrleitung möglich ist. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Rohrleitung und die Zusatzmasse auf dem Waagebalken verschieblich angeordnet sind. Die Rohrleitung kann demgemäß ungehindert ihre Lage zum Waagesystem ändern, und das erforderliche Gleichgewicht kann durch entsprechende Verschiebung der Zusatzmasse wieder hergestellt werden. Auch ist dies Merkmal dann von Vorteil, wenn infolge von Umbauten das Gewicht und/oder die Eigenfrequenz der Rohrleitung verändert wurden und demgemäß eine Neuabstimmung des Systems, gegebenenfalls unter Änderung der Zusatzmasse erfolgen muß.Another object of the invention is to design the device described above so that that unhindered thermal expansion of the pipeline is possible. This task is solved by that the pipeline and the additional mass are arranged displaceably on the balance beam. The pipeline can accordingly change their position in relation to the weighing system without hindrance, and the required balance can be achieved corresponding shift of the additional mass can be restored. This feature is also an advantage, if the weight and / or the natural frequency of the pipeline have been changed as a result of modifications and accordingly a retuning of the system, if necessary under Change of the additional mass must take place.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Rohrleitung und die Zusatzmasso mittels eines Getriebes zwangsläufig in einander entgegengesetzter Richtung verschieblich auf dem Waagebalken angebracht. Verschiebt sich infolge von Wärmedehnung die Rohrleitung im Waagesystem, ist es sicher vorteilhaft, wenn die notwendige entsprechende Verschiebung der Zusatzmasse selbsttätig erfolgt. Da es wie oben angegeben von Vorteil ist, wenn die beiden Hebelarme stark unterschiedliche Längen aufweisen, wird gemäß einem weiteren. Merk·According to a further feature of the invention, the pipeline and the additional dimensions by means of a transmission inevitably Slidably mounted in opposite directions on the balance beam. Shifts as a result of Thermal expansion of the pipeline in the weighing system, it is certainly advantageous if the necessary appropriate shift the additional mass takes place automatically. Since, as stated above, it is advantageous if the two lever arms are very different Have lengths, is according to a further. Notice ·

mal der Erfindung vorgeschlagen, daß das Übersetzungsverhältnis des Getriebes dem Verhältnis der Massen der Rohrleitung und der Zusatzmasse proportional ist.times the invention proposed that the gear ratio of the gearbox is the ratio of the masses of the Pipeline and the additional mass is proportional.

In spezieller Ausgestaltung dieses Erfindungsgedankens wird vorgeschlagen, daß die Rohrleitung und die Zusatznasse gelenkig an entgegengesetzten Enden eines am Kaage-, balken drehbar angeordneten Hebels befestigt sind, wobei sich das geforderte Obersetzungsverhältnis in einfacher Weise durch unterschiedliche Länge der Hebelarme festlegen läßt. Ein Verschieben der Rohrleitung in der einen Richtung lenkt den Hebel derart aus, daß die Zusatzmasse zwangsläufig eine Bewegung in der entgegengesetzten Richtung macht, sodaß der Gleichgewichtszustand des lv'aagesystems zu jedem Zeitpunkt gewahrt bleibt. Die vorgeschlagene Ausführungsform hat den Vorteil großer Einfachheit und Zuverlässigkeit gegenüber anderen an sich denkbaren Konstruktionen, beispielsweise gegenüber derjenigen, bei der die Rohrleitung und die Zusatznasse mit je einer Zahnstange versehen sind, die mit je einem am Waagebalken drehbar befestigten Ritzel kämmen, wobei die beiden Ritzel starr miteinander verbunden sind und das Übersetzungsverhältnis des Getriebes in bekannter Weise durch den unterschiedlichen Durchmesser der Ritzel gegeben ist.In a special embodiment of this inventive concept it is proposed that the pipeline and the additional wet articulated at opposite ends of a Kaage, bar rotatably arranged lever are attached, the required gear ratio in a simple Way can be set by different lengths of the lever arms. A shifting of the pipeline in one Direction deflects the lever in such a way that the additional mass inevitably moves in the opposite direction so that the equilibrium of the system is maintained at all times. The proposed Embodiment has the advantage of great simplicity and reliability in relation to other conceivable constructions, for example in relation to that which the pipeline and the additional wet are each provided with a toothed rack, each of which can be rotated with one on the balance beam mesh attached pinion, the two pinions are rigidly connected to each other and the gear ratio of the transmission is given in a known manner by the different diameter of the pinion.

Bei sehr langen Rohrleitungen ist es vorteilhaft, mehrere der beschriebenen Vorrichtungen zu verwenden und diese so über die Leitung zu verteilen, daß diese in einzelne Teile getrennt wird, deren jeder für sich Eigenfrequenzen aufweist, die wesentlich über der Frequenz der Erregerschwingung liegen.In the case of very long pipelines, it is advantageous to use several of the devices described and this way to distribute over the line so that it is separated into individual parts, each of which has its own natural frequencies, which are significantly above the frequency of the excitation oscillation.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, und zwar zeigtIn the drawing, an embodiment of the invention is shown, namely shows

Figur \ perspektivisch eine vereinfachte Darstellung einer mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung versehenen Anlage undFigure \ perspective a simplified representation of a system provided with the device according to the invention and

Figur 2 in vergrößertem Maßstab eine Ansicht der Vorrichtung selbst.FIG. 2, on an enlarged scale, a view of the device itself.

Nicht näher beschriebene auf einer Fundamentplatte 1 befestigte Anlageteile 3 und 4 beliebiger Art sind durch eine Rohrleitung 2 verbunden, die durch ihre Form eine ungehinderte Wärmedehnung zuläßt. Gerät die Fundamentplatte 1 in Schwingungen, beispielsweise infolge eines Erdbebens, werden in der Rohrleitung 2 ebenfalls Schwingungen erregt, wobei angenommen werden muß, daß diese Schwingungen infolge der Länge der Rohrleitung 2 eine Amplitude aufweisen werden, die mit hoher Wahrscheinlichkeit zum Bruch der Rohrleitung führen wird. Befinden sich in der Rohrleitung 2 gefährliche Medien, beispielsweise radioaktive oder chemisch aggressive Stoffe, muß ein ohnehin unerwünschter Bruch der Rohrleitung mit Rücksicht auf die in diesem Falle besonders gefährlichen Folgen erst recht unter allen Umständen vermieden werden. Wird die Rohrleitung 2 an zusätzlichen Stellen fest eingespannt, besteht wiederum die Gefahr, daß sie infolge der dann behinderten Wärmedehnung unzulässig hohen Spannungen ausgesetzt wird. Zusätzliche Festpunkte, durch die die Rohrleitung schwingungstechnisch in einzelne Teile mit hoher Eigenfrequenz zerlegt wird, d.h. mit einer solchen Eigenfrequenz, die wesentlich über derjenigen der zu erwartenden Erregerschwingung liegt, lassen sich ohne Behinderung der Wärmedehnung durch den Einsatz einer oder mehrerer der in der Figur 2 dargestellten Vorrichtungen schaffen.Not described in detail on a foundation plate 1 attached system parts 3 and 4 of any type are through a pipe 2 is connected, which allows unhindered thermal expansion due to its shape. Device the foundation plate 1 in vibrations, for example as a result of an earthquake, are also vibrations in the pipeline 2 excited, it must be assumed that these vibrations have an amplitude due to the length of the pipeline 2 which will, with a high probability, lead to the breakage of the pipeline. Are in the pipeline 2 dangerous media, for example radioactive or chemically aggressive substances, must be an undesirable one anyway Breakage of the pipeline, especially considering the particularly dangerous consequences in this case Circumstances to be avoided. If the pipeline 2 is firmly clamped at additional points, there is again the There is a risk that it will be exposed to inadmissibly high stresses as a result of the hindered thermal expansion. Additional Fixed points through which the pipeline vibrates is broken down into individual parts with a high natural frequency, i.e. with such a natural frequency that is significantly above that of the expected excitation oscillation can be used without hindering the thermal expansion one or more of the devices shown in FIG create.

Auf der Fundamentplatte 1 ist ein einen Festpunkt bildender Ständer 5 angebracht, auf dem beispielsweise vermittels eines Kugelgelenkes 10 ein Waagebalken 7On the foundation plate 1 a stand 5 forming a fixed point is attached, on which, for example a balance beam 7 by means of a ball joint 10

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allseitig dreh- und schwenkbar befestigt ist. Dieser Waagebalken 7 ist in Form und Abmessungen so gewählt, daß er eine ausreichende Steifigkeit besitzt, um selbst keine nennenswerten Schwingungen auszuführen, wenn die Fundamentplatte 1 in solche gerät. Am einen Ende des Waagebalkens 7 ist die Rohrleitung 2 angeordnet, und zwar drehbar um ein Spurlager 11 in bezug auf einen Stutzkörper 6, der seinerseits wie hier gezeigt in einer Gabel des Waagebalkens 7 oder auf andere geeignete Weise gegenüber diesem verschieblich angeordnet ist. Am anderen Ende des Waagebalkens 7 ist eine Zusatzmasse 8 als Gegengewicht angebracht, die durch Rollen 12 geführt auf dem Waagebalken 7 verschoben werden kann. Der Abstand des Stützkörpers 6 und der Zusatzmasse 8 vom Lager 10 ist so gewählt, daß sich der Waagebalken 7 im Gleichgewicht befindet. Die Rohrleitung 2 vermag Wärmedehnungen ohne weiteres zu folgen, und zwar in y- und z-Richtung (siehe Figur 1) durch Drehung um das Spurlager 11 bzw. das Kugelgelenk 10, und in x-Richtung dadurch, daß sich der Stützkörper 6 in der Gabel des Waagebalkens verschiebt. Im letzteren Falle gerät das Waagesystem außer Gleichgewicht, wenn die Zusatzmasse 8 nicht gleichzeitig um eine entsprechende Strecke verschoben wird, und zwar jeweils entgegengesetzt zur Bewegung des Stützkörpers 6. Dies geschieht selbsttätig dadurch, daß zwei gelenkig am Stützkörper 6 bzw. an der Zusatzmasse 8 befestigte Stangen 9 vorhanden sind, die ebenfalls gelenkig an den Enden eines Hebels 13 befestigt sind. Dieser Hebel ist in einem Lager 14 drehbar am Waagebalken 7 befestigt und die Länge seiner Arme ist so bemessen, daß eine Verschiebung des Stützkörpers 6 um ein bestiiraates Maß über die zugehörige Stange 9. den Hebel 13 derart verdreht, daß über die andere Stange 9 die Dämpfungsmasse 8 so verschoben wird, daß das Gleichgewicht des Waagebalkens 7 erhalten bleibt.is attached to be rotatable and pivotable in all directions. This balance beam 7 is chosen in shape and dimensions so that it has sufficient rigidity not to carry out any significant vibrations when the Foundation plate 1 in such a device. At one end of the balance beam 7, the pipeline 2 is arranged, namely rotatable about a thrust bearing 11 with respect to a support body 6, which in turn, as shown here, in a fork of the Balance beam 7 or is arranged displaceably with respect to this in some other suitable manner. At the other end of the Balance beam 7 is attached to an additional mass 8 as a counterweight, which is guided by rollers 12 on the balance beam 7 can be moved. The distance between the support body 6 and the additional mass 8 from the bearing 10 is chosen so that the balance beam 7 is in equilibrium. The pipe 2 can easily follow thermal expansions, namely in the y and z directions (see FIG. 1) by rotating around the thrust bearing 11 or the ball joint 10, and in the x direction in that the support body 6 moves in the fork of the balance beam. In the latter case, the weighing system works out of equilibrium, if the additional mass 8 is not shifted by a corresponding distance at the same time, in each case opposite to the movement of the support body 6. This happens automatically in that two articulated on the support body 6 or on the additional mass 8 attached rods 9 are also articulated to the Ends of a lever 13 are attached. This lever is rotatably mounted in a bearing 14 on the balance beam 7 and the The length of its arms is so dimensioned that the support body 6 can be displaced by a certain amount beyond the associated Rod 9 rotates the lever 13 such that the damping mass 8 is displaced over the other rod 9 so that the Balance of the balance beam 7 is maintained.

Claims

PROTECTION CLAIM

1. Vorrichtung zur Sicherung von Rohrleitungen gegen Schwingungen, die in ihnen durch von außen aufgezwungene Bewegungen erregt werden vermittels an ihnen angebrachter Zusatzmassen,1. Device for securing pipelines against vibrations that are excited in them by externally imposed movements by means of additional masses attached to them,

dadurch gekennzeichnet.,characterized.,

daß sie aus einem gelenkig gelagerten Waagebalken (7) besteht, der an seinem einen Arm eine Zusatzmasse (8) und an seinem anderen Arm einen Stützkörper (6) für eine daran anbringbare Rohrleitung (2) aufweist.that it consists of an articulated balance beam (7) which has an additional mass (8) on its one arm and a support body (6) on its other arm for a pipe that can be attached to it (2).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,2. Device according to claim 1, characterized,

daß der Stützkörper (6) und die Zusatzmasse (8) auf dem Waagebalken (7) verschieblieh angeordnet sind.that the support body (6) and the additional mass (8) are arranged displaceably on the balance beam (7).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,3. Device according to claim 2, characterized,

daß der Stützkörper (6) und die Zusatzmasse (8) mittels eines Getriebes (9, 14) zwangsläufig in einander entgegengesetzter Richtung verschieblich sind.that the support body (6) and the additional mass (8) are inevitably displaceable in opposite directions by means of a gear (9, 14).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,4. Apparatus according to claim 3, characterized,

daß das Übersetzungsverhältnis des Getriebes (9, 14) dem Verhältnis der Massen der am Stützkörper (6) anbringbaren Rohrleitung (2) und der Zusatzmasse (8) proportional ist.that the transmission ratio of the gear (9, 14) corresponds to the ratio of the masses of the pipe (2) that can be attached to the support body (6) and the additional mass (8) is proportional.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,5. Apparatus according to claim 3 or 4, characterized in that

daß der Stützkörper (6) und die Zusatzmasse (8) gelenkig an entgegengesetzten Enden eines am Waagebalken (7) drehbar angeordneten Hebels (14) befestigt ist.that the support body (6) and the additional mass (8) are hinged to opposite ends of a lever (14) rotatably arranged on the balance beam (7).

7414919 12.0Z767414919 12.0Z76