RU2128866C1

RU2128866C1 - Annular seal

Info

Publication number: RU2128866C1
Application number: RU97112253A
Authority: RU
Inventors: В.А. Максимов; Л.В. Шмаков; С.М. Ковалев; Л.А. Белянин; А.Ю. Куприн; В.В. Пикос
Original assignee: Государственное предприятие Ленинградская атомная электростанция им.В.И.Ленина
Priority date: 1997-07-21
Filing date: 1997-07-21
Publication date: 1999-04-10

Abstract

FIELD: sealing engineering; sealing annular surfaces of joints in fuel assemblies of nuclear reactors and process channels of pressure-tube reactors. SUBSTANCE: annular seal built up of two opposing collar stacks of alternating metal and filler layers resting with their open sections on snap ring has its snap ring formed by core placed between

Description

Изобретение относится к области уплотнительной техники, касается, в частности, уплотнений цилиндрических поверхностей соединений, работающих при изменяющихся температуре и давлении, и может быть использовано, например, в тепловыделяющих сборках ядерных реакторов для уплотнения технологических каналов канальных ядерных реакторов. The invention relates to the field of sealing technology, relates, in particular, to seals of cylindrical surfaces of joints operating at varying temperatures and pressures, and can be used, for example, in fuel assemblies of nuclear reactors for sealing technological channels of channel nuclear reactors.

В частности, к кольцевым уплотнениям, используемым в ядерных реакторах, предъявляются повышенные требования: обеспечение надежности герметизации технологических каналов, исключение операции предварительной подготовки уплотняемых поверхностей технологических каналов после каждого извлечения тепловыделяющей сборки. Кроме того, в ходе операций по уплотнению и разуплотнению каналов ядерного реактора кольцевое уплотнение подвески тепловыделяющей сборки взаимодействует как с элементами канала реактора, так и с механизмами перегрузочной машины. Поэтому от эксплуатационных качеств кольцевого уплотнения зависит надежность работы реактора и перегрузочной машины. В патенте [1] предложена конструкция кольцевого уплотнения, содержащая гибкую металлическую гильзу, которая при своем продольном перемещении разжимается в радиальном направлении, обеспечивая таким образом герметичное уплотнение канала реактора. Такая конструкция кольцевого уплотнения обладает следующими недостатками: требуется высокая точность обработки поверхности канала реактора, сложен процесс изготовления гибкой металлической гильзы, операция по установке тепловыделяющей топливной сборки в канал реактора требует высокой точности совмещения осей перегружаемого канала и стыковочного патрубка перегрузочной машины. Известна также конструкция кольцевого уплотнения [2], содержащая уплотнительное средство, выполненное в виде металлического кольца, контактирующего с нажимной шайбой. Недостаток данной конструкции состоит в том, что материал уплотнения затекает в зазоры сопрягаемых деталей. При разуплотнении соединения наблюдались повреждения уплотняемых поверхностей. In particular, ring seals used in nuclear reactors are subject to increased requirements: ensuring the reliability of the sealing of technological channels, eliminating the preliminary preparation of the sealing surfaces of the technological channels after each extraction of the fuel assembly. In addition, during operations to seal and decompress the channels of a nuclear reactor, the annular seal of the suspension of the fuel assembly interacts with both the elements of the reactor channel and the mechanisms of the refueling machine. Therefore, the reliability of the reactor and the reloading machine depends on the performance of the O-ring. The patent [1] proposes a design of an annular seal containing a flexible metal sleeve, which, when longitudinally displaced, is expanded in the radial direction, thereby providing a tight seal of the reactor channel. This design of an annular seal has the following disadvantages: high precision processing of the surface of the reactor channel is required, the manufacturing process of a flexible metal sleeve is complicated, the operation of installing a fuel fuel assembly in the reactor channel requires high precision alignment of the axes of the reloaded channel and the docking port of the reloading machine. Also known is the design of the annular seal [2], containing sealing means made in the form of a metal ring in contact with the pressure washer. The disadvantage of this design is that the seal material flows into the gaps of the mating parts. When the joint was loose, damage to the sealing surfaces was observed.

В конструкции кольцевого уплотнения [3] уплотнительное средство выполнено в виде шевронных манжет, контактирующих с конической канавкой нажимной шайбы. Недостатками этой конструкции являются большие габариты кольцевого уплотнения в силу большого трения шевронных манжет об уплотняемую поверхность. In the design of the annular seal [3], the sealing means is made in the form of chevron cuffs in contact with the conical groove of the pressure washer. The disadvantages of this design are the large dimensions of the annular seal due to the large friction of the chevron cuffs on the sealing surface.

Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения является кольцевое уплотнение, содержащее уплотнительное средство, выполненноe в виде двух направленных навстречу друг другу и опирающихся разомкнутыми профилями на разжимное (тороидальное) кольцо пакетов манжет из чередующихся слоев металла и наполнителя [4]. Кроме того, наружный диаметр нижнего уплотнительного средства больше наружного диаметра верхнего уплотнительного средства, и упругость наполнителя нижнего уплотнительного средства выше упругости наполнителя верхнего уплотнительного средства. Такое техническое решение с нижним уплотнительным средством хорошо направляет тепловыделяющей сборки в каналы-пеналы ядерного реактора и защищает верхнее уплотнительное средство от механических повреждений при установке в уплотнительные тракты, а при сжатии уплотнения разжимное тороидальное кольцо выполняет роль клинового механизма, способствующего раскрытию профилей и сжатию наполнителя слоев (обоих) верхнего и нижнего уплотнительного средства. The closest analogue of the proposed technical solution is an annular seal, containing sealing means, made in the form of two directed toward each other and supported by open profiles on an expandable (toroidal) ring of packs of cuffs from alternating layers of metal and filler [4]. In addition, the outer diameter of the lower sealing means is larger than the outer diameter of the upper sealing means, and the elasticity of the filler of the lower sealing means is higher than the elasticity of the filler of the upper sealing means. Such a technical solution with a lower sealing means guides the fuel assembly well into the canals of the nuclear reactor and protects the upper sealing means from mechanical damage when installed in the sealing paths, and when the seal is compressed, the expandable toroidal ring acts as a wedge mechanism that facilitates the disclosure of profiles and compression of the layer filler (both) upper and lower sealing means.

Недостаток данного технического решения заключается в том, что металлическое тороидальное кольцо не обладает ни осевой, ни радиальной упругостью и, следовательно, не работает как дополнительное уплотнение для перекрытия боковых зазоров между уплотняемыми цилиндрическими поверхностями корпуса подвески и канала ядерного реактора. В результате сокращается ресурсная работоспособность уплотнения, так как эластичный материал наполнителя может перетекать через щелевые боковые зазоры под действием термобароциклических нагружений и виброколебаний рабочей среды в сторону наименьшего удельного давления в сопряжении между уплотняемыми поверхностями и верхним или нижним уплотнительным средством. Кроме того, релаксация материалов металлического каркаса и наполнителей, постоянно напряженных с удельным давлением P_k ≤ 50 МПа (300 - 500 кгс/см²), приводит к увеличению их плотности, к потере их упругих свойств и как следствие опять к некоторому уменьшению высоты верхнего и нижнего уплотнительного средства, что снова приводит к необходимости один-два раза в год завинчивать до упора винты механизма герметизации. Использование же для нижнего уплотнительного средства более упругих наполнителей, например из терморасширенного графита, оказалось недостаточно эффективным ввиду его высокой пористости (до 40%) и из-за значительных колебаний контактных давлений сжатия элементов уплотнения от P_k = 1000 кгс/см² до P_k _min = 80 кгс/см², при этом нижний пакет уплотнений может иметь и другую форму уплотнителя, например, аналогично патенту [5].The disadvantage of this technical solution is that the metal toroidal ring has neither axial nor radial elasticity and, therefore, does not work as an additional seal for overlapping side gaps between the cylindrical sealing surfaces of the suspension housing and the channel of the nuclear reactor. As a result, the resource life of the seal is reduced, since the elastic material of the filler can flow through the slotted side gaps under the influence of thermobarocyclic loads and vibrations of the working medium towards the lowest specific pressure in the interface between the sealing surfaces and the upper or lower sealing means. In addition, the relaxation of metal frame materials and fillers, constantly strained with a specific pressure of P _k ≤ 50 MPa (300 - 500 kgf / cm ² ), leads to an increase in their density, to a loss in their elastic properties and, as a consequence, again to some decrease in the height of the upper and lower sealing means, which again leads to the need to tighten the screws of the sealing mechanism once or twice a year. The use of more elastic fillers for the lower sealing means, for example, of thermally expanded graphite, was not effective enough due to its high porosity (up to 40%) and due to significant fluctuations in the contact pressure of compression of the sealing elements from P _k = 1000 kgf / cm ² to P _k _min = 80 kgf / cm ² , while the lower pack of seals may have another form of seal, for example, similar to the patent [5].

Задача, решаемая предлагаемым техническим решением, заключается в повышении длительности и надежности герметизации технологического канала ядерного реактора. The problem solved by the proposed technical solution is to increase the duration and reliability of sealing the technological channel of a nuclear reactor.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в кольцевом уплотнении, выполненном в двух направлениях навстречу друг другу и опирающихся разомкнутыми профилями на разжимное кольцо пакетов манжет из чередующихся слоев металла и наполнителя, разжимное кольцо образовано сердечником, размещенным между

образными биметаллическими обкладками, установленными с возможностью скольжения по поверхностям их контакта. Кроме того, предложено упругий наполнитель сердечника выполнить из антифрикционной смазки или из графитофторопласта. Кроме того, высоты верхнего и нижнего пакетов манжет соотносятся как 1: 1 - 4. Такое конструктивное решение выполнения кольцевого уплотнения позволяет значительно повысить осевую и радиальную упругость кольцевого уплотнения за счет совершенствования металлических упругих элементов уплотнения. Выполнение наполнителя из антифрикционной уплотняющей смазки позволяет наносить металлизированную смазку на уплотняемые поверхности при установке кольцевого уплотнения в уплотняемый тракт. Выполнение наполнителя сердечника из графитoфторопласта позволяет создать объемно-упругий гидропластовый затвор между двумя уплотнительными пакетами, скомпенсировать потерю высоты пакета уплотнения от релаксации материалов каркаса и наполнителя.The essence of the invention lies in the fact that in an annular seal made in two directions towards each other and supported by open profiles on an expandable ring of packs of cuffs from alternating layers of metal and filler, the expandable ring is formed by a core placed between

shaped bimetallic plates installed with the possibility of sliding on the surfaces of their contact. In addition, it is proposed that the elastic core filler be made of anti-friction lubricant or graphite-fluoroplastic. In addition, the heights of the upper and lower packs of the cuffs are correlated as 1: 1 - 4. This constructive solution to the implementation of the annular seal can significantly increase the axial and radial elasticity of the annular seal by improving the metal elastic elements of the seal. The implementation of the filler of the antifriction sealing lubricant allows you to apply metallized lubricant to the sealing surface when installing the O-ring in the sealing path. The implementation of the core filler made of graphite-fluoroplastic allows you to create a volumetric-elastic hydroplastic shutter between the two sealing bags, to compensate for the loss of height of the sealing package from relaxation of the frame materials and the filler.

Предлагаемое кольцевое уплотнение поясняется графическим материалом фиг. 1 - 3. На фиг. 1 изображен общий вид кольцевого уплотнения; на фиг. 2 - фрагмент уплотняемых поверхностей с кольцевым уплотнением (до сжатия кольцевого уплотнения); на фиг. 3 - фрагмент уплотняемых поверхностей с кольцевым уплотнением (после сжатия кольцевого уплотнения). The proposed annular seal is illustrated by the graphic material of FIG. 1 to 3. In FIG. 1 shows a general view of an annular seal; in FIG. 2 - a fragment of the sealing surfaces with an annular seal (before compression of the annular seal); in FIG. 3 - a fragment of the sealing surfaces with an annular seal (after compression of the annular seal).

Кольцевое уплотнение состоит из двух пакетов 1 и манжет (фиг. 1). Пакеты 1 содержат чередующиеся слои металла 2 и наполнителя 3. Пакеты расположены навстречу друг другу разомкнутыми профилями и опираются на разжимное кольцо 4. Разжимное кольцо 4 содержит

образные биметаллические обкладки 5, установленные с возможностью скольжения по поверхности их контакта. Между обкладками 5 расположен сердечник 6. Возможны варианты выполнения сердечника 6. Сердечник 6 может быть выполнен из антифрикционной уплотняющей смазки или из графитофторопласта.The O-ring consists of two packages 1 and cuffs (Fig. 1). Packages 1 contain alternating layers of metal 2 and filler 3. Packets are arranged towards each other with open profiles and are supported by an expanding ring 4. The expanding ring 4 contains

shaped bimetallic plates 5 installed with the possibility of sliding on the surface of their contact. The core 6 is located between the plates 5. The core 6 is possible. The core 6 can be made of anti-friction sealing lubricant or graphite-fluoroplastic.

Работа кольцевого уплотнения заключается в следующем (фиг. 2, 3). Кольцевое уплотнение устанавливают между уплотняемыми поверхностями 7 и 8. В процессе сжатия уплотняемыми поверхностями 7 и 8 происходит деформация кольцевого уплотнения, при этом происходит раскрытие профиля слоев металла 2, который своими лопастями выдавливает слои наполнителя 3 радиально наружу. При этом происходит перекрытие радиальных зазоров. Деформация слоев металла 2 и наполнителя 3 кольцевого уплотнения происходит неравномерно. Верхние и нижние слои кольцевого уплотнения деформируются наибольшим образом и по направлению к середине степень деформации слоев кольцевого уплотнения будет уменьшаться, так как кромки торцевых раскрывающихся лопастей металла 2, упираясь в микронеровности уплотняемых поверхностей, преодолевая возникшие силы трения, расходуют 70-80% осевой силы, в результате происходит неравномерное сжатие и вытеснение материала наполнителя 3 их межслойных объемов, при этом наполнитель 3 герметизируют уплотняемые поверхности с механическими повреждениями. При осевом сжатии слоев металла 2 и наполнителя 3 пакетов 1 происходит деформация разжимного кольца 4. При этом происходит раскрытие

образных биметаллическиx обкладок 5, которые создают затвор между двумя пакетами 1 и кольцевым уплотнителем. После осевого сжатия в кольцевом уплотнении упругие элементы пакетов 1 и разжимного кольца 4 раскрываются радиально с размера B_о до размера B_раб., при этом высота кольцевого уплотнения с нейтрально-пассивной высоты H_о сжимается на 20 - 25% до размера H_раб. и в дальнейшем упруго деформирует под действием рабочей силы.

образные биметаллические обкладки 5 разжимного кольца 4, работающие в контакте с многослойными упругими профилями металла 2 пакетов 1 работают в пределах допускаемых упругих деформаций.The operation of the ring seal is as follows (Fig. 2, 3). An annular seal is installed between the

sealing surfaces

7 and 8. During compression, the sealing surfaces deform the annular seal, while the profile of the layers of metal 2 is opened, which extrudes the filler layers 3 radially outward with its blades. When this occurs, the overlap of the radial gaps. The deformation of the layers of metal 2 and the filler 3 of the annular seal is uneven. The upper and lower layers of the annular seal are deformed to the greatest extent and towards the middle the degree of deformation of the layers of the annular seal will decrease, since the edges of the end opening vanes of metal 2, abutting against the microroughness of the sealing surfaces, overcoming the friction forces that have arisen, consume 70-80% of axial force, as a result, uneven compression and displacement of the material of the filler 3 of their interlayer volumes occurs, while the filler 3 seal the sealing surfaces with mechanical damage s. When the axial compression of the layers of metal 2 and the filler 3 of the packages 1 is the deformation of the expanding ring 4. In this case, the opening

shaped bimetallic plates 5, which create a shutter between the two packages 1 and the O-ring. After axial compression in the annular seal, the elastic elements of the bags 1 and the expansion ring 4 open radially from size B _about to size B _slave. while the height of the annular seal with a neutral-passive height H _about is compressed by 20 - 25% to size H _slave. and further elastically deforms under the influence of labor.

figurative bimetallic plates 5 of the expanding ring 4, working in contact with the multilayer elastic profiles of the metal 2 of the package 1 work within the permissible elastic deformations.

Такое комплексное решение кольцевого уплотнения позволяет сохранять без изменения общую высоту уплотнения, заданную при уплотнении уплотняемых поверхностей, обеспечить надежность герметизации уплотняемых поверхностей. Such a comprehensive solution of the annular seal allows you to save without changing the overall height of the seal, set when sealing the sealing surfaces, to ensure the reliability of the sealing of the sealing surfaces.

Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить надежность герметизации уплотняемых поверхностей. The proposed technical solution allows to ensure the reliability of sealing of sealing surfaces.

Список используемой литературы:
1. Патент США N 3157579, кл. 176-30.Bibliography:
1. US patent N 3157579, CL. 176-30.

2. Авторское свидетельство СССР N 409604, кл. G 21 C 19/00. 2. USSR author's certificate N 409604, cl. G 21 C 19/00.

3. Кондаков Л.А. Уплотнение гидравлических систем. -М.: Машиностроение. 1972 г, рис. 109, е. 3. Kondakov L.A. Sealing hydraulic systems. -M .: Engineering. 1972 g. 109, e.

4. Свидетельство РФ на полезную модель N 2673, кл. G 21 C 13/028. 4. RF certificate for utility model N 2673, cl. G 21 C 13/028.

5. Патент РФ N 2050023, кл. G 21 C 13/06. 5. RF patent N 2050023, cl. G 21 C 13/06.

Claims

1. An annular seal made in the form of two opposite toward each other and supported by open profiles on an expandable ring packs of cuffs of alternating layers of metal and filler, characterized in that the expandable ring is formed by a heart placed between

shaped bimetallic plates installed with the possibility of sliding on the surfaces of their contact.

2. The seal according to claim 1, characterized in that the core is made of antifriction sealing grease.

3. The seal according to claim 1 or 2, characterized in that the core is made of graphitofluoroplast.