MX2014008641A - Sello en suspension para alta temperatura, aplicaciones de alta presion. - Google Patents

Abstract

Se proporciona un sello en suspensión para evitar fugas al ambiente más allá de un sello mecánico primario. El sello en suspenso incluye un anillo de accionamiento de polímero, el cual es la primera línea del sello de accionamiento y que define un labio sellador flexible normalmente espaciado a partir del eje. Cuando se sujeta a una fuga, este elemento se colapsa contra el eje o el manguito del eje y forma un sellado inicial. El accionamiento de este elemento ocurre en un flujo de fuga más bajo debido a la alta velocidad del vapor, dos fases de flujo, o gas. De manera secundaria, un sellado de metal/un anillo de extrusión es suministrado para proporcionar un segundo sello durante la fuga. El anillo de polímero proporciona una función de sellado inicial durante la fuga a una baja presión diferencial (por ejemplo, menos de 10 psid), y una vez que el anillo de polímero sella el eje o el manguito del eje, la presión de sellado incrementada caraca el anillo de polímero contra el sellado de metal/anillo de extrusión causando que se deforme de tal modo que el diámetro interno del anillo de metal esté en contacto con el eje o el manguito del eje para formar un segundo sello. El accionamiento del sello no depende de la temperatura sino del flujo de fuga actual. Si no está presente la fuga de vapor o hay una fuga de vapor muy baja, el accionamiento no se llevará a cabo a menos que el flujo de fuga líquida sea significantemente mayor.

Description

SELLO EN SUSPENSIÓN PARA ALTA TEMPERATURA. APLICACIONES DE ALTA PRESIÓN REFERENCIA CRUZADA PARA LAS SOLICITUDES RELACIONADAS Esta solicitud hace valer la prioridad para la solicitud provisional 61/588,346, presentada el 19 de Enero, 2012 la cual está incorporada en el presente por referencia.

CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a un sello de suspensión para alta temperatura, aplicaciones de alta presión tales como en las bombas nucleares refrigerantes.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Existe una variedad de diseños de sellos mecánicos disponibles para bombas enfriadoras primarias nucleares. La función de estos sellos mecánicos es restringir la fuga de agua caliente de un sistema de enfriamiento del reactor de alta presión (RCS- por sus siglas en inglés) del sistema primario del reactor hacia el recipiente de contención del reactor, mientras permite que un eje rotatorio penetre la barrera de presión primaria. El eje estimula un impulsor de bomba, y el sello mecánico es localizado a lo largo del eje en la cámara de sellado. Estos sistemas de bombeo requieren el enfriamiento del sello mecánico con el fin de proporcionar la clase de ambiente operativo para el sello que permitirá un rendimiento óptimo. Las condiciones en estos sistemas de bomba pueden ser tan altos como 2500 psi y 650F, y es necesario asegurar una vida adecuada para el sello conforme estas condiciones mediante el suministro del sistema de enfriamiento que enfría el sello mecánico.

Bajo condiciones de emergencia donde la energía eléctrica o el control pueden anularse en el sistema de enfriamiento, el sello de enfriamiento puede inutilizarse y podrían ocurrir temperaturas altas excesivas en las caras del sello. La alta temperatura puede causar que los sellos se alteren debido a una variedad de razones guiando a una posibilidad de incrementar grandemente la fuga RCS a la vasija de contención del reactor.

Es objeto de la invención, por lo tanto, proporcionar un sello de respaldo seguro (sello de suspensión) que actúe conforme a las condiciones especificadas de fugas, tal como durante la pérdida del sistema de enfriamiento, y por lo tanto mantener un sello hermético anti-fugas contra todas las condiciones RCS y el sello para la duración de la emergencia.

En otro concepto del diseño se divulga en una patente Westinghouse (Solicitud EUA 2010/ 0150715 A1). Esta patente divulga un sello de respaldo accionado térmicamente para una planta de energía nuclear que requiere una temperatura elevada en el rango de 250 a 290 F para fundir un espaciador o un pistón llenado con cera, en donde la fusión de dicha estructura luego permite que un pasador de tensión se retracte permitiendo que un anillo de pistón dividido colapse contre el eje. Además la presión y la temperatura se incrementan como resultado de un anillo de polímero secundario para también acoplar el eje para proporcionar una fuga menor que la que se podría proporcionar por el primer anillo dividido de metal, el cual pude presentar fuga debido al espacio de la separación. El anillo de polímero sólido está localizado río abajo del anillo de separación.

Este diseño, sin embargo, incorpora varias desventajas. Por ejemplo, puede tomar hasta 45 segundos después de que la activación de la temperatura alcanza (250-290 F) para accionarse, en donde las cantidades importantes de vapor podrían escapar antes de que ocurra el accionamiento.

Además, este diseño puede ser inadvertidamente accionado por la pérdida momentánea de enfriamiento en condiciones de no-accidente (incluyendo una espera en caliente), y puede ser difícil o imposible determinar si es accionado, y si el accionamiento inadvertido no es descubierto, el sello puede no estar dispuesto para una verdadera emergencia subsecuente.

También, el sello puede ser accionado conforme a la rotación mediante cualquier deficiencia de su sello primario adjunto, y si el sello se acciona durante la rotación del eje, el sello se dañará así mismo y/o los componentes rotatorios debido a la fricción y posiblemente detenga el anillo de pistón de metal, lo cual puede resultar en una fuga muy por encima de los índices de fuga identificados en la prueba.

Aún más, el sello no proporciona ninguna protección a las fugas de líquido bruto y todo el accionamiento no proporciona cero fugas. A 2250 psi y 575F la fuga se reporta en la solicitud de patente para estar del orden de 0,1 gal / min. Si se producen situaciones de accidente extendidas de hasta 168 horas, la erosión del anillo de sellado puede aumentar significativamente las fugas más allá de estos valores.

Adicionalmente, el elemento del polímero río abajo tiene que ser capaz de sellar una brecha radial a .050" entre la brida del alojamiento y el eje. Es bien entendido que a temperaturas mayores de 600F el elemento del material tiene un potencial que fluye, el cual podría resultar en una pérdida de capacidad de sellado debido a la extrusión.

Más particularmente a la invención, se cree que la invención supera las desventajas asociadas con los diseños de sellos anteriores. La invención es un sello de suspensión el cual comprende lo siguiente: El Preventor de Expansión Térmica Metálico (TEP- por sus siglas en inglés): El TEP montado con un alojamiento de sello radialmente adyacente al eje y tiene una ajuste de interferencia para un anillo de metal de sellado/anti-extrusión para facilitar un ensamble unificado. EL TEP proporciona una restricción limitante en el borde horizontal (porción axial de sellado) del anillo de accionamiento de polímero. Ya que el coeficiente de expansión térmico para el anillo de accionamiento de polímero es mucho mayor que para los componentes de metal, el TEP evita que el material de polímero crezca lejos del eje o de la camisa del eje, manteniendo así un espacio constante y controlado entre los componentes de rotación y estacionarios bajo condiciones de temperatura elevados. También como parte de este anillo están un número de aperturas en la cara frontal (lado de alta temperatura) localizado en o por debajo del centroide del anillo de accionamiento de polímero y un borde frontal ahusado donde éste también se acopla con el anillo de accionamiento de polímero. Estas dos características facilitan el proceso de accionamiento bajo el alto vapor y o las dos velocidades del flujo de las fases debido al impulso de masas.

El Anillo de Accionamiento del Polímero: Este dispositivo es la primera línea del accionamiento de sellado. Debido a que está hecho de un compuesto de polímero flexible, cuando se somete a la fuga este elemento rotará sobre su centroide, colapsando contra el eje o la camisa del eje y formando la función de sellado inicial entre los componentes de rotación y estacionarios (ver Figura 2). Esta acción es el resultado de la aplicación del Efecto Bernoulli donde una pequeña presión del diferencial es causada al incrementar la fuga a través del espacio entre la porción horizontal del anillo de polímero y el eje o camisa del eje. Esto es además ayudado por la instrucción de fluido antes mencionada debido al momento de flujo de fuga dirigido a través de las aberturas en el anillo TEP por debajo del centroide del anillo de polímero. Una vez que el borde de sellado comienza a contraerse hacia el eje o camisa del eje, la presión diferencial es además exagerada dando como resultado la aceleración del borde en su acción de cierre. Una vez que el espacio comienza a cerrarse entre el borde y el eje o la camisa del eje, todo el accionamiento se muestra, a través de pruebas, para ocurrir en menos de un segundo. Una vez que el anillo de polímero sella el eje o la camisa del eje la presión diferencial cruza el sello de suspensión que comienza a elevarse rápidamente. La Figura 3 muestra la condición del anillo de polímero a 100 psi.

El anillo de polímero además se sella en el eje o camisa del eje y también en su diámetro externo contra el anillo de metal para sellado/el anillo anti-extrusión y el anillo del preventor de expansión termal (TEP). Esta deformación del anillo de polímero es además facilitado por el hecho de que el diámetro externo del anillo no tiene restricciones. Si el OD fue restringido el anillo se vuelve más rígido elevando la tensión interna en la región restringida y reduciendo la capacidad de accionamiento. El accionamiento de este elemento ocurrirá en el flujo de fuga significativamente más bajo debido al vapor de alta velocidad, al flujo de dos fases, o al gas. Los flujos mucho más altos de agua líquida pasarán a través antes de que ocurra el accionamiento.

Anillo de metal para sellado/Anti-extrusión: El anillo de metal para sellado/antiextrusión tiene un ajuste de interferencia con el anillo de soporte de metal. Este ajuste de interferencia se lleva a cabo antes de que el anillo de accionamiento de polímero y el anillo TEP estén instalados. De nuevo, esto se hace para proporcionar un conjunto unificado, así como para sellar el anillo de metal para sellado/anti-extrusión con el anillo de soporte de metal. Desde el punto de vista de la función, el anillo de polímero es para proporcionar la función de sellado inicial debido a la fuga en una presión diferencial baja (por ejemplo menos de 10 psid). Una vez que el anillo de polímero sella el eje o la camisa del eje, la presión de sellado incrementada podría dar como resultado cargas de anillos de polímero contra el anillo de metal para sellado/anti-extrusión causando que se deforme, rotando de manera que el diámetro interno del anillo de metal se ponga en contacto con el eje o la camisa del eje. El anillo de metal entrará en contacto total con el eje o camisa del eje a presiones de menos de 1000 psi (ver figura 4). El anillo anti-extrusión ahora forma una función de sellado adicional y también evita la extrusión del anillo de polímero a altas presiones y temperaturas. Ya que el anillo de polímero no puede proyectarse ahora es capaz de ayudar en un sellado hermético de fugas bajo presiones y temperaturas más altas. La Figura 5 muestra el sellado completo de esta disposición a 2500 psi y 500 F. El anillo de metal para sellado/anti-extrusión es construido como un componente separado para facilitar la manufactura de la sección delgada. Si de manera alternativa el anillo de metal para sellado/anti-extrusión y el anillo de respaldo de metal se formaron como una pieza, la función podría ser la misma.

Anillo de respaldo de metal: Proporciona un componente de soporte para un anillo de metal para sellado/anti-extrusión.

Ventajas Las siguientes ventajas para esta disposición de sellado se perfilan más adelante: El accionamiento del sello no depende de la temperatura sino del flujo de la fuga actual. Si no hay flujo de fuga o hay una fuga muy baja, el accionamiento no dará lugar a menos que el flujo de la fuga líquida sea significativamente más elevado. A diferencia de una dependencia de accionamiento debido a las temperaturas elevadas, no hay riesgo de activación no intencional debido a circunstancias temporales, tales como pérdida momentánea de agua de refrigeración, o el riesgo concurrente de que un sello accionado inadvertidamente sea dañado por la operación continua de la bomba y no estar disponible en el caso de una verdadera emergencia.

Los experimentos realizados mostraron que era posible accionar el sello en suspensión cuando se alcance una tasa de flujo de vapor de aproximadamente 1 Ibm/seg. El accionamiento del sello no ocurrirá bajo flujo normal fuga de líquido. Los experimentos se realizaron con la configuración seleccionada para verificar que el agua fluya hasta 9 gal/min (el máximo disponible para la configuración de la prueba en particular) no se accionará el sello. Esta es una ventaja importante de diseño. En condiciones donde un sello mecánico primario ha comenzado a deteriorarse y las fugas se ha incrementado, pero la inyección de sello, el sello de refrigeración, y la capacidad de distribución por RCS está todavía disponible, no habría ninguna necesidad urgente de cerrar la bomba, ya que hay una amplia capacidad para manejar las fugas extra hasta que se disponga un apagado prescrito.

El dispositivo de sellado para el eje es proporcionado por ambos elementos metálicos y poliméricos que trabajan en conjunto para proporcionar un sello hermético a presiones de hasta 2500 psi y 575° F.

El anillo de polímero está río arriba del anillo de sellado de metal por lo que es imposible proyectarse. Temperaturas y presiones elevadas facilitan la conformación del polímero a una variedad de imperfecciones en la condición de eje. Incluso a temperaturas superiores a 600F, donde podría ocurrir un posible flujo de material, no va a obstaculizar el rendimiento del material en la forma en que se está utilizando. Por el contrario, el material polimérico se ajustará aún más, proporcionando más capacidad de sellado.

Puesto que el dispositivo actúa sobre las fugas por diseño, ninguna intervención del operador o de otros sistemas de apoyo se requieren para iniciar o mantener el sello, siempre y cuando exista una presión a sellar.

El sello de accionamiento es repetible, y puede ser probado conforme se fabrica, o posiblemente después de la instalación del cartucho completo mediante la aplicación de aire a baja presión a la cámara entre el sello superior y el sello en suspensión. El sello en suspensión se accionará y luego, cuando se elimina la presión, se abrirá una copia de seguridad sin dañar los componentes del sello en suspensión.

Sólo dos componentes de este montaje exceden su límite de elasticidad de diseño bajo la máxima presión y temperatura: el anillo de sellado de metal/ anti-extrusión y el anillo de accionamiento de polímero. Después se reduce la presión, el anillo de metal se retorna suficientemente para proporcionar algo de holgura en el eje. Aunque el anillo de polímero no se retorna, la carga contra el eje será mínima. Estos dos factores dan lugar a la facilidad de retirada del conjunto.

Dado que este dispositivo se acciona en condiciones de fugas de alta velocidad, este concepto también podría utilizarse en otras industrias distintas de la energía nuclear, con ventajas específicas en aquellos involucrados con el transporte de hidrocarburos ligeros de alta presión que son de vapor en condiciones atmosféricas y cualquier otro líquido de alta presión que es gaseoso en condiciones atmosféricas.

Otros objetos y propósitos de ia invención, y variaciones de la misma, serán evidente al leer la siguiente especificación y la inspección de los dibujos adjuntos.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 es un montaje básico del sello en suspensión.

La Figura 2 es un sello con borde inicial de polímero La Figura 3 es un sello de polímero a 100 psi La Figura 4 es un sello de un anillo anti-extrusión sellado al eje.

La Figura 5 es un sello hermético completo a 2500 psi y 500 F.

La Figura 6 es una vista parcial alargada del sello en suspensión de la Figura 1. .

Cierta terminología será utilizada en la siguiente descripción por conveniencia y referencia únicamente, y no será limitante. Por ejemplo, las palabras "hacia arriba", "hacia abajo", "hacia la derecha" y "hacia la izquierda" se referirán a las direcciones en que se hace referencia en los dibujos. Las palabras "hacia adentro" y "hacia fuera" se referirán a las direcciones hacia y fuera de, respectivamente, el centro geométrico de la disposición y las partes designadas de esto. Dicha terminología incluirá las palabras específicamente mencionadas, derivadas de esto, y las palabras de importancia similar.

DESCRIPCIÓN DETALLADA Haciendo referencia a la Figura 1 , un sello en suspensión 10 se proporciona en combinación con un sello mecánico primario para evitar fugas al ambiente más allá del sello mecánico. Este sello en suspensión 10 es particularmente adecuado para la temperatura alta, aplicaciones de alta presión, tales como en bombas de refrigerante nucleares.

Generalmente, como los componentes del sello, el sello en suspensión 10 incluye un anillo de accionamiento de polímero 12, el cual es la primera línea de accionamiento de sellado y que define un borde de sellado flexible 14 normalmente espaciado a partir del eje o de la camisa del eje 15. Cuando se somete a la fuga, el anillo de accionamiento 12 se colapsa con el borde 14 que sobresale contra el eje o la camisa del eje 15 y forma un sellado inicial (como se observa en la Figura 2). El accionamiento del anillo de accionamiento 12 ocurre a flujos de menor fuga debido a los flujos de alta velocidad, flujos de dos fases, gas o cualquier otra causa similar.

En segundo lugar, un anillo de de metal para sellado/anti-extrusión 18 está provisto para formar un segundo sello durante la fuga. El anillo de accionamiento 12 proporciona la función inicial de sellado durante fugas a una presión diferencial baja (por ejemplo, menos de 10 psid), y una vez que el anillo de accionamiento 12 sella en el eje o la camisa del eje 15 (como se ve en la Figura 3), el aumento de la presión de sellado sirve para cargar el anillo de accionamiento de polímero 12 contra el anillo de metal para sellado/anti-extrusión 18 (como se ve en la Figura 4) haciendo que se deforme de modo que el diámetro interior del anillo de metal 18 entre en contacto con el eje o la camisa del eje 15 para formar un segundo sello axialmente adyacente al primer sello definido por el borde 14.

Una ventaja de este sello en suspensión 10 es que el sello de accionamiento no es dependiente de la temperatura sino del flujo de fuga actual. Si no hay un flujo de fuga o hay un flujo de fuga muy bajo, el accionamiento no se llevará a cabo a menos que el flujo de fuga de líquido sea significativamente más elevado.

El sello en suspensión 10 es utilizable con una variedad de diseños de sellos mecánicos que están actualmente disponibles para bombas de refrigeración primarias nucleares aunque el sello en suspensión 10 no se limita necesariamente a este tipo específico de bomba del medio ambiente mismo. Sin embargo, en este entorno, la función de los sellos mecánicos primarios es restringir la fuga de agua caliente del sistema de refrigeración del reactor de alta presión (RCS) del sistema principal del reactor en el recipiente de contención del reactor, permitiendo al mismo tiempo que el eje de rotación 15 penetre en la barrera de presión primaria. El eje 15 puede o no puede tener un manguito de eje, pero para los propósitos de esta descripción, la referencia a un eje se aplica a un eje con o sin un manguito de eje. Cuando se gira, el eje acciona un impulsor de la bomba.

El sello mecánico está situado a lo largo del eje 15 en una cámara de sellado para sellar un lado de proceso hacia el interior del cierre mecánico donde se encuentra el impulsor, desde un lado exterior que normalmente se abre a la atmósfera. El lado exterior se muestra en la Figura 1 y se designa por el número de referencia 20, en el que el sello en suspensión 10 se encuentra a lo largo del eje 15 en el lado exterior del cierre mecánico, que también está montado en el mismo eje 15. Como será entendido, el sello en suspensión 10 normalmente no define un sello en condiciones de funcionamiento normales, sino que define un espacio anular 21 formado de manera radial entre el borde 14 del anillo de accionamiento 12 y la superficie opuesta 22 del eje 15. Así, un sello mecánico en algunas configuraciones típicas estaría normalmente en comunicación abierta en el lado exterior con la atmósfera exterior. Sin embargo, en ausencia de la junta de suspensión 10, la brecha abierta permitirá también un fluido de alta presión que se escapa más allá del sello mecánico durante el fallo de la junta para gotear también a la atmósfera. Para evitar este resultado, el sello en suspensión 10 se cerraría en estas condiciones y rápidamente detendrá esta fuga a la atmósfera.

En cuanto a las bombas de refrigeración nucleares, estos sistemas de bombeo requieren enfriamiento para el cierre mecánico con el fin de proporcionar el tipo de entorno operativo para el cierre mecánico que permita un rendimiento óptimo y sellado continuo. Las condiciones en estos sistemas de bombeo pueden ser tan altas como 2500 psi y 650F, y es necesario para asegurar la vida adecuada para el sello mecánico en estas condiciones mediante la provisión de un sistema de refrigeración que enfría el sello mecánico.

En condiciones de emergencia, donde la energía eléctrica o de control puede anularse en el sistema de refrigeración, el sello refrigeración se puede inutilizar y se producirán altas temperaturas excesivas en las caras de los sellos de los anillos de sello en el sello mecánico. Esta alta temperatura puede causar que los sellos mecánicos se alteren debido a una variedad de razones que conducen a un gran aumento de posibilidad de fugas de RCS al recipiente de contención del reactor.

Más particularmente en cuanto al sello en suspensión 10, el sello en suspensión 10 se puede proporcionar en combinación con cualquier diseño de sello mecánico y el experto en la técnica está bien instruido en dichas juntas mecánicas de tal manera que una descripción detallada de los mismos no es necesaria. Generalmente, tanto para el cierre mecánico como para el sello en suspensión 10, se forma un sello de fluido para sellar el espacio radial entre la superficie del eje 22 y una superficie opuesta de una estructura de sello estacionario interno, generalmente identificado aquí como el alojamiento de la junta 24. Mientras el sello mecánico podría incluir un alojamiento, tal como un alojamiento del sello, el alojamiento 24 para el sello en suspensión 10 puede estar formado de manera integral con el alojamiento del sello existente o como un componente adicional montado en el alojamiento del sello.

Para sellar efectivamente el espacio radial entre la superficie del eje 22 y la el alojamiento de la junta 24, el sello en suspensión 10 está formado preferiblemente de un ensamblaje unitario de los componentes que se montan al alojamiento de la junta 24 y está dispuesto en el espacio radial 20 entre el eje 15 y el alojamiento 24. El sello en suspensión 10 comprende los siguientes componentes y estructuras: El Preventor de Expansión Térmico Métálico (TEP) 26: El TEP 26 encaja dentro de una muesca anular 27 del alojamiento 24 y se compone de una sección de brida interior 28 y una pared anular exterior 29. La pared anular 29 tiene una superficie que mira de manera radial hacia dentro que define un ajuste de interferencia con el anillo de metal para sellado/ anti-extrusión 18 que se ajusta por fricción de manera radial dentro de la pared anular 29 para facilitar un ensamblaje unitario.

Además de la pared 29 que se proporciona para llevar a cabo y apoyar el anillo de metal 18, la sección de brida 28 del TEP 26 proporciona una restricción limitante en el borde horizontal 14 (porción de sellado axial) del anillo de accionamiento de polímero 12. La sección de brida 28 comprende una porción de borde anular 31 que tiene preferiblemente una sección transversal en forma de V como se ve en las figuras 1 y 6 que de manera radial limitan o restringen el movimiento radial del borde 14 hacia fuera desde el eje 15 y por lo tanto, localizan de manera radial el borde 14 a una distancia fija máxima lejos de la superficie del eje 22. Además, la porción de borde 31 también puede limitar el movimiento axial del borde 14 en la dirección hacia el interior hacia el sello mecánico.

Puesto que el coeficiente de expansión térmica para el anillo de accionamiento de polímero 12 es mucho mayor que para los componentes de metal, el TEP 26 evita que el material de polímero del anillo de accionamiento 12 se desarrolle desde el eje o el eje del manguito 15, mantenga así un espacio constante y controlado 21 entre los componentes rotatorios y estacionarios en condiciones de temperatura elevada. También como parte del TEP 26, la sección de brida 28 incluye un número de aberturas 32 en la cara delantera 33 (lado de alta presión) situado en o por debajo del centroide del anillo de accionamiento de polímero 12 y un borde frontal ahusado 34 donde también se acopla con o hace contacto con el anillo de accionamiento de polímero 12 y el borde 14 del mismo. Estas dos características de las aberturas 32 y el borde delantero cónico 34 facilitan el proceso de accionamiento y alto vapor o velocidades de flujo de dos fases debido al impulso de masas.

Anillo de Accionamiento de Polímero 12: Este dispositivo es la primera línea de accionamiento de sellado. Mientras que el anillo de accionamiento 12 es preferentemente un polímero, se entenderá que este elemento puede estar hecho de otros materiales que prueban para proporcionar una estructura y la función adecuada.

Debido a que está hecho preferiblemente de un compuesto de polímero flexible, cuando se somete a las fugas este elemento 12 gira alrededor de su centroide, colapsando de manera radial hacia dentro contra el eje o el eje del manguito 15 para formar la función de sellado inicial entre los componentes giratorios y estacionarios (ver Figura 2). Esta acción es el resultado de la aplicación del Efecto Bernoulli donde una pequeña presión diferencial es causada por el aumento de fugas a través del espacio 21 entre la porción horizontal o el borde 14 del anillo de polímero 12 y el eje o el manguito del eje 15. Este efecto de colapso es además ayudado por la incidencia de fluido antes mencionado debido a impulso del flujo de fuga que se dirige a través de las aberturas 33 en la sección de brida 28 del anillo de TEP 26 por debajo del centroide del anillo de polímero 12. Una vez que el borde de estanqueidad 14 comience a contraerse de manera radial hacia dentro hacia el eje o hacia el eje el manguito 15 como se muestra en la Figura 2, la presión diferencial resultante es exagerada aún más en el borde 14 acelerando en su acción de cierre a la posición de cerrado mostrada en la Figura 3. Una vez que el espacio 21 comienza a cerrarse entre el borde 14 y el eje o el eje del manguito 15, se muestra todo el accionamiento, a través de pruebas, que se producen en menos de un segundo. Una vez que el anillo de polímero 12 sella el eje o el eje del manguito 15 de la presión diferencial a través del sello en suspensión 10 comienza a subir rápidamente. La Figura 3 muestra la condición del anillo de polímero a 100 psi.

A medida que aumenta la presión de fuga como se ve en la figura 3, el anillo de polímero 12 sella además el eje o el eje del manguito 15 a través de una mayor fuerza de contacto en la ubicación 37 y también sella en su diámetro exterior 38 contra el anillo de metal para sellado/anti-extrusión 18 y la anillo de preventor de expansión térmica 26. Esta deformación o flexión del anillo de polímero 12 se facilita aún más por el hecho de que el diámetro exterior (OD- por sus siglas en inglés) 38 del anillo 12 es sin restricciones. Si el OD 38 limitó el anillo 12 se convierte en más rígido elevando la tensión interna en la región limitada y la reducción de la capacidad de actuación. Sin embargo, como resultado de la OD sin restricciones 38, así como la falta de restricción axial en el lugar de contacto ID 37 como se define en el borde 14, el accionamiento de este elemento 12 se producirá en flujos generados significativamente menores por las fugas de vapor de alta velocidad, los flujos de dos fases, o gas. Los flujos de agua líquida mayores pasarán a través del accionamiento antes de que ocurra.

Anillo de sellado de metal/Anti-Extrusión: el siguiente componente es el anillo de metal para sellado/anti-extrusión 18 que tiene un ajuste de interferencia acoplada con un anillo de soporte de metal 40. El anillo soporte de metal 40 tiene un cuerpo anular 41 que define una ranura 42 que recibe una junta tórica 43 (Figura 1), cuya junta tórica 43 sella el sello en suspensión 10 contra el alojamiento 24. La parte frontal del cuerpo 41 también incluye un reborde de montaje 44 que acopla por fricción el anillo de metal 18 entre la superficie orientada de manera radial hacia fuera del reborde 44 y la superficie opuesta que mira hacia dentro del anillo metálico 18, y específicamente, el anillo de brida 45 del mismo. El cuerpo de anillo 41 además se proyecta hacia delante para definir una saliente 46 que define una cara de sellado inclinada 47 que se enfrenta axialmente en la dirección hacia el interior.

El ajuste de interferencia en el reborde 44 se lleva a cabo antes de que el anillo de accionamiento de polímero 12 y el anillo TEP 26 sean instalados. Para fines ilustrativos, se muestra una línea blanca entre la brida anular 45 y los tres lados de la misma frente a al reborde 44 (en el extremo interior y posterior) y la pared 29 (en el exterior). Se entenderá que esta línea blanca se muestra para mayor claridad y que el contacto de ajuste estrecho real pudiera existir entre estas superficies opuestas para definir los ajustes de interferencia entre las mismas.

El ajuste de interferencia del reborde 44 de nuevo se hace para proporcionar un conjunto unificado, así como para sellar la interíaz entre la brida anular 45 del anillo de metal para sellado/anti-extrusión 18 y el anillo de respaldo de metal 40. Además, el sellado es definido entre el anillo de soporte 40 y el alojamiento 24 por la junta tórica 43 antes mencionada donde la junta tórica 43 permite que el ensamble de sello unificado se deslice axíalmente dentro de la cámara radial entre el eje 15 y el alojamiento 24. Después de la instalación, el montaje del sello en suspensión se fija axíalmente en su lugar mediante un anillo de retención 50 (Figura 1 ) de manera que el sello en suspensión 10 se limite axíalmente entre el anillo de retención 50 y el reborde del alojamiento 51 definidos por la muesca 27.

Desde un punto de vista funcional, el anillo de polímero 12 es para proporcionar la función inicial de sellado debido a las fugas de baja presión (por ejemplo, menos de 10 psid). Una vez que el anillo de polímero 12 sella el eje o el eje del manguito 15 como se observa en la Figura 3, el aumento de presión en el sellado que podría resultar durante una emergencia u otras condiciones similares sirve para cargar el anillo de polímero 12 que se deforma contra el anillo de metal para sellado /anti-extrusión 18 (véase la Figura 3) causando que el anillo de metal 18 también se deforme bajo un aumento de presión de la fuga. Este anillo de deformación gira el anillo metálico 18 (véase la figura 4) de modo que el diámetro interior 55 del anillo metálico 18 entre en contacto radial con el eje o el eje del manguito 15. El anillo metálico 18 entrará en contacto completo con el eje o el eje del manguito 15 a presiones menores a 1 ,000 psi (véase la Figura 4).

Este diámetro interior 55 se define en el extremo terminal de una brida de sellado 56. Normalmente, la brida de sellado 56 se extiende en un primer ángulo inclinado mostrado en las figuras 1 -3 y 6, y luego se deforma en un movimiento oscilante a la segunda deflexión del ángulo que se muestra en las Figuras 4 y 5. Este segundo ángulo está limitado por el punto en el que la brida de sellado 56 se apoya axíalmente contra la cara inclinada 47 del anillo de soporte 40 y de manera radial contra el eje 15 como se ve en la Figura 5.

El anillo anti-extrusión 18 forma ahora una función de sellado adicional a través del contacto del diámetro interior 55 con la superficie del eje 21 , y prohibe también que el anillo de polímero 12 se proyecte a presiones y temperaturas más elevadas, como se muestra en la Figura 5. Debido a que el anillo de polímero 12 no se puede proyectar axialmente en la dirección hacia el exterior debido a su tope con la cara opuesta 58 de la brida de sellado 56, ahora es capaz de ayudar en más fugas selladas herméticamente bajo una presión y temperaturas más altas. La Figura 5 muestra el sellado completo de esta disposición a 2500 psi y 500 F. El anillo de metal para sellado/anti-extrusión 18 está construido como un componente separado para facilitar la fabricación de la sección delgada que define la brida de sellado 56. Si, alternativamente, el anillo de metal para sellado/anillo anti-extrusión 18 y el anillo de respaldo de metal 40 se forman como una sola pieza, la función sería la misma.

Anillo de Respaldo Metálico: Como se describió anteriormente, el soporte 40 proporciona un componente de apoyo para el anillo de metal para sellado/anti-extrusión 18 y sirve para montar el conjunto unificado dentro del alojamiento de la junta 24.

El sello en suspensión descrito anteriormente proporciona un número de ventajas. Las siguientes ventajas para esta disposición de obturación incluyen lo siguiente.

Por ejemplo, el accionamiento del sello no es dependiente de la temperatura, sino del flujo de fuga real. Si no hay fugas de vapor o no es muy baja la fuga de vapor, el accionamiento no se llevará a cabo a menos que el flujo de fuga de líquido sea significativamente mayor. A diferencia de una dependencia de accionamiento debido a las temperaturas elevadas que se encuentran en la técnica anterior, no hay riesgo de activación no intencional debido a circunstancias temporales, tales como la pérdida momentánea de agua de refrigeración, o el riesgo concurrente de que un sello en suspensión accionado inadvertidamente se dañe por la operación continua de la bomba y no esté disponible en caso de una verdadera emergencia.

Los experimentos realizados mostraron que era posible accionar el sello en suspenso 10 cuando se alcance una tasa de 1 Ibm/ seg de flujo de vapor. Sin embargo, el sello de accionamiento no se producirá bajo un flujo de fuga de líquido normal, que podría ocurrir durante el bombeo normal y operación de sellado. Los experimentos se realizaron con la configuración seleccionada del sello en suspensión 10 para verificar que el agua fluya hasta 9 gal/min (el máximo disponible para la configuración de la prueba en particular) no acciona el sello 10. Esta es una ventaja importante en el diseño. En condiciones donde un sello mecánico primario ha comenzado a deteriorarse y las fugas se han incrementado, pero la inyección de sello, el sello de refrigeración, y la capacidad de distribución por RCS están todavía disponibles, no habrá ninguna necesidad urgente de cerrar la bomba, ya que hay una amplia capacidad para manejar las fugas extra hasta que se disponga un apagado establecido.

En un ejemplo adicional, el dispositivo de sellado en el eje 15 se proporciona mediante los elementos de metal y de polímero, principalmente el anillo metálico 18 y el anillo de polímero de 12, cuyos elementos trabajan en representación para proporcionar un sello hermético de fuga a presiones de hasta 2500 psi y 575F. En este sentido, el anillo de polímero 12 está aguas arriba del anillo metálico para sellado 18, es decir, en el lado de fuga hacia el interior, lo que hace imposible proyectar el anillo de polímero 12 bajo altas presiones. Temperaturas y presiones elevadas facilitan la conformación del polímero a una variedad de imperfecciones en la condición de eje. Incluso a temperaturas superiores a 600F, cuando sea posible puede ocurrir el flujo de material de polímero, estas altas temperaturas no obstaculizan el rendimiento del material de polímero en la forma en que se está utilizando y se limita por la brida de sellado 56. Por el contrario, el material de polímero se ajustará aún más, proporcionando más capacidad de sellado.

En un ejemplo adicional, ya que el dispositivo actúa sobre las fugas por diseño, no se requiere de la intervención del operador o de otros sistemas de apoyo para iniciar o mantener el sello, siempre y cuando exista una presión a sellar.

También por ejemplo, el accionamiento del sello es repetible, y puede ser probado conforme se fabrica, o posiblemente después de la instalación del cartucho completo mediante la aplicación de aire a baja presión a la cámara entre el sello y el sello en suspensión. El sello en suspensión 10 se accionará y luego, cuando se elimina la presión, se abrirá de nuevo sin ningún daño a los componentes del Sello en suspensión de manera que el sello en suspensión 10 siga siendo funcional a través de un uso repetido.

Aún más, sólo dos componentes de este conjunto superan su resistencia a la fluencia por diseño completo bajo presión y temperatura: el anillo metálico para sellado/anti-extrusión 18 y el anillo de accionamiento de polímero 12 que están formados de materiales elásticamente deformables. Después de que se reduce la presión, el anillo metálico 18 se retorna suficientemente para proporcionar algo de holgura en el eje 15. Aunque el anillo de polímero 12 típicamente no se retorna, la carga contra el eje será mínima. Estos dos factores dan lugar a la facilidad de retirada del conjunto.

Dado que este dispositivo se acciona en condiciones de fugas de alta velocidad, este concepto también podría utilizarse en otras industrias distintas a la energía nuclear, con ventajas específicas en aquellos involucrados con el transporte de hidrocarburos ligeros de alta presión que son de vapor en las condiciones atmosféricas y cualquier otro líquido de alta presión que es gaseoso en condiciones atmosféricas.

Aunque una modalidad preferente en particular de la invención ha sido descrita en detalle con fines ilustrativos, se reconocerá que las variaciones o modificaciones del aparato descrito, incluye la reordenación de partes, que están dentro del alcance de la presente invención.

Claims (20)

REIVINDICACIONES

1. Un sello en suspensión que impide fugas de fluido sellado al medio ambiente a lo largo de un eje giratorio y que se opone de manera radial al alojamiento, dicho sello en suspensión comprende: un anillo de accionamiento de polímero, que proporciona un primer sello contra la superficie del eje durante una fuga, dicho anillo de accionamiento comprende un labio de sellado flexible que se proyecta de manera radial hacia dentro de manera que dicho labio de obturación esté normalmente separado de la superficie del eje, dicho anillo de accionamiento está opuesto al primero y segundo lados orientados axialmente en direcciones interiores y exteriores, dicho anillo de accionamiento resiste la deformación cuando se somete a una primera presión de fluido del fluido sellado que actúa sobre dicho primer lado interior de dicho anillo de accionamiento, y dicho anillo de accionamiento se deforma de manera radial hacia el interior cuando se somete a una segunda presión de fluido del fluido sellado mayor que dicha primera presión de fluido a fin de colapsar contra la superficie del eje para formar inicialmente el primer sello mediante dicho labio de obturación en contacto con la superficie del eje; y un anillo de metal para sellado/anti-extrusión que proporciona un segundo sello durante la fuga, dicho anillo de metal incluye una brida sellada que se proyecta de manera radial hacia adentro para ser normalmente separada de la superficie del eje cuando se someten a dichas primeras y segundas presiones, y está dispuesta axialmente de manera adyacente a dicho anillo de accionamiento en dicho segundo lado externo, dicha brida de sellado es más rígida que dicho anillo de accionamiento de manera que sea deformable contra la superficie del eje conforme al aumento de las cargas de presión selladas que generan una tercera presión de fluido del fluido sellado mayor a dicha segunda presión de fluido, el anillo de polímero es presionado contra el anillo de metal después de que la deformación causa que dicho anillo de metal también se deforme para que un diámetro interior del anillo metálico entre en contacto con la superficie del eje para formar el segundo sello.

2. El sello en suspensión de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicho anillo de accionamiento y dicho anillo de metal están espaciados axialmente cuando no se deforma.

3. El sello en suspensión de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque dicho segundo lado de dicho anillo de accionamiento está separado de dicho anillo de metal cuando no se deforma y se apoya contra dicho anillo de metal cuando dicho anillo de accionamiento se deforma por la presión de dicho segundo fluido.

4. El sello en suspensión de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicho anillo de metal se extiende de manera axial y radial para hacer girar y estar en contacto con dicha superficie del eje cuando se deformó por dicho tercer fluido de presión.

5. El sello en suspensión de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque dicho anillo de accionamiento incluye una parte radial definida mediante espacios radiales externos y los diámetros internos y dicho labio de sellado que se extiende axialmente desde dicho diámetro interno, dicho diámetro interior es mayor que un diámetro de eje definido por la superficie del eje.

6. El sello en suspensión de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además porque dicho borde de obturación se extiende axialmente hacia afuera de dicho anillo de metal en dicha dirección hacia el interior.

7. El sello en suspensión de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicho anillo de accionamiento está definido por los diámetros radialmente espaciados hacia fuera y hacia dentro, dicho diámetro interno es mayor que un diámetro del eje definido por la superficie del eje para definir un espacio radial entre dicho labio de sellado de dicho anillo de accionamiento y dicha superficie de eje cuando el anillo de accionamiento es indeformable.

8. El sello en suspensión de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque dicho diámetro exterior de dicho anillo de accionamiento no está restringido dentro de dicho sello en suspensión para facilitar la deformación de dicho anillo de accionamiento.

9. El sello en suspensión de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque dicho sello en suspensión incluye un preventor de expansión que tiene una brida anular que rodea dicho labio de sellado para limitar la expansión radial de dicho labio de sellado y dicho diámetro interior.

10. El sello en suspensión que impide la fuga de fluido sellado a lo largo de una superficie de eje exterior de un eje giratorio y un alojamiento opuesto de manera radial, dicho sello en suspensión comprende: un anillo de accionamiento, que proporciona un primer sello de eje contra la superficie del eje durante la fuga, dicho anillo de accionamiento se proyecta de manera radial hacia el interior desde un diámetro exterior y define un labio de sellado en un diámetro interior en el que dicho labio de sellado está normalmente separado de manera radial de la superficie del eje para definir un espacio radial entre estos, dicho anillo de accionamiento tiene primeros y segundos lados opuestos orientados de manera axial en direcciones internas y externas, dicho anillo de accionamiento tiene una flexibilidad elástica que resiste la deformación cuando se somete a una primera presión de fluido del fluido sellado que actúa sobre dicho primer lado interno de dicho anillo de accionamiento, permitiendo al mismo tiempo que la deformación radial hacia el interior cuando se somete a una segunda presión de fluido de fluido sellado mayor que la primera presión del fluido, dicha flexibilidad de dicho anillo de accionamiento permite que dicho labio de sellado colapse contra la superficie del eje para formar inicialmente el primer sello del eje cuando se somete a dicha segunda presión de fluido; y un anillo anti-extrusión que tiene una mayor rigidez que dicho anillo de accionamiento y proporciona un segundo sello del eje durante la fuga, dicho anillo antiextrusión incluye una brida de sellado que se proyecta de manera radial hacia el interior a fin de ser normalmente separada de la superficie del eje en dichas primeras y segundas presiones, y está dispuesto axialmente de manera adyacente a dicho anillo de accionamiento en dicho segundo lado externo, dicha brida de sellado es más rígida que dicho anillo de accionamiento de manera que sea deformable contra la superficie del eje bajo aumento de las cargas de presión selladas que generan una tercera presión de fluido del fluido sellado mayores que dicha segunda presión de fluido, el anillo de accionamiento se presiona contra el anillo de anti-extrusión en dicha segunda presión de fluido en contacto con dicha tercera presión de fluido que se puede transferirse a dicho anillo anti-extrusión de manera que un diámetro interior de dicho anillo anti-extrusión entre en contacto con la superficie del eje para formar un segundo sello de eje; dichos diámetros internos de dicho anillo de accionamiento y el anillo anti-extrusión es mayor que un diámetro del eje de la superficie del eje.

1 1. El sello en suspensión de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque dicho anillo de accionamiento está separado axialmente de dicho anillo anti-extrusión cuando no se deforma.

12. El sello en suspensión de conformidad con la reivindicación 1 1 , caracterizado además porque dicho sello en suspensión incluye un anillo de soporte en un lado exterior de dicho anillo anti-extrusión en el que dicho anillo anti-extrusión está separado axialmente de dicho anillo de respaldo cuando no se deforma.

13. El sello en suspensión de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado además porque dicho anillo anti-extrusión es deformable en contacto con dicho anillo de respaldo cuando se somete a dicha tercera presión de fluido, dicho anillo de soporte tiene una rigidez mayor que dicho anillo anti-extrusión.

14. El sello en suspensión de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado además porque dicho anillo anti-extrusión se extiende axialmente en la dirección hacia el interior y radialmente hacia dentro, y tiene un extremo interior que es basculante en contacto con dicha superficie del eje cuando se deforma por dicha tercera presión de fluido.

15. El sello en suspensión de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque dicho diámetro exterior de dicho anillo de accionamiento no está restringido dentro de dicho sello en suspensión para facilitar la deformación de dicho anillo de accionamiento.

16. El sello en suspensión de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado además porque dicho anillo de accionamiento puede girar alrededor de un centroide del mismo cuando se somete a dicha segunda presión de fluido.

17. El sello en suspensión de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque dicho sello en suspensión incluye un preventor de expansión que tiene una brida anular que rodea dicho anillo de accionamiento para limitar la expansión radial de dicho diámetro interior.

18. El sello en suspensión de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado además porque dicha brida anular incluye aberturas axiales para permitir que dicha segunda presión de fluido actúe sobre dicho primer lado de dicho anillo de accionamiento.

19. El sello en suspensión de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado además porque dicho anillo de accionamiento puede girar alrededor de un centroide del mismo cuando se somete a dicha segunda presión de fluido, y dichas aberturas se encuentran en o radialmente hacia dentro de dicho centroide de dicho anillo de accionamiento para facilitar la rotación de dicho anillo de accionamiento.

20. El sello en suspensión de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado además porque un coeficiente de expansión térmica de dicho preventor de expansión es menor que un coeficiente de expansión térmica de dicho anillo de accionamiento, y dicho preventor de expansión fija dicho espacio radial.