DE2249690A1

DE2249690A1 - Sicherheitseinrichtung fuer unter druck stehende anlagen

Info

Publication number: DE2249690A1
Application number: DE2249690A
Authority: DE
Inventors: Heiko Dr Ing Barnet
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1972-10-11
Filing date: 1972-10-11
Publication date: 1974-05-02
Also published as: DE2249690B2; US3937255A; NL7312819A; NL174977C; JPS5737798B2; AT342725B; BE804647A; GB1441311A; FR2203041B1; JPS4973713A; ATA740173A; NL174977B; FR2203041A1; SE369640B

Description

Sicherheitseinriciitung für unter Druck stehende Anlagen

Die Hrfinaung. bezient sich auf eine Sicherheitseinricntung für ein unter Druck stehendes Medium enthaltende Anlagen..Solche Sicherheitseinrichtungen finden in der Technik vielfache"Anwendung. Sie werden "bei- . ■ spielsweise in der nochdrucktechnik, in aer Behältertechnik, in der chemischen Technologie und auch in aer Reaktortecrmik verwendet. In der Reaktortechnik werden sie insbesondere für gasgekünlte Reaktoren, iiochteifiperaturreaktoren, flüssigkeitsgekühlte Reaktoren und auch für Reaktoraruckleitungen und Reaktordruckbehälter' gebraucht.

O?"

Durch diese Sicherheitseinrichtungen sollen die unmittelbaren Auswirkungen .von Schäden, die beim Bersten drucktragender Wandungen auftreten können, verringert und auf einen vorgegebenen bereich begrenzt werden.

bicnerheitseinrichtungen der vorbezeichneten Art, .durch die gewährleistet werden soll, daß die infolge des Austretens des unter Druck stehenden Mediums hervorrufende Strömung auf. ein Mindestmaß herabgesetzt wird, sind in verscniedenen Ausführungen vorgeschlagen worden. So ist eine unter der Bezeichnung ^i:Durehflußbegrenzer⁷' beispielsweise für die Frischdampfleitungen von Siedewasserreaktoren verwendete Sicherheitseinrichtung bekannt, die als Düse, insbesondere als Venturidüse,

- 3 409818/0026

ausgebildet ist und in einem Dampfstutzen des Reaktordruckgefäßes angeordnet wird, Dadurch soll erreicht werden, daß bei Leitungsbrüchen außerhalb aes Reaktors die Druckabsenkungsgeschwindigkeit im Kernreaktor herabgesetzt wird. Ura die Druckabsenkungsgeschwindigkeit im Reaktor weiterhin zu verlangsamen, hat man außerdem vorgeschlagen, in den Leitungen schnell schließende Rückschlagklappen vorzusehen. Durch die Anordnung solcher Durchflußbegrenzer konnte die Dauer des Druckabfalls iiri Schadensfalle von 70 at auf 15 at auf etwa 150 see. verlängert werden. Dadurch wurde zwar erreicht, daß Schaden an den Brennelementen vermieden wurden. Doch wira bei der Verwendung für Siedewasserreaktoren durch aie aus uer Anordnung solcner üurchflußbegrcnzer sicn ergebende Querschnittsverengun^ zugleich auch der Kühlmittelmassenstrom aus dem Reaktordruckbenälter begrenzt. Das hat die Folge, daß es nicht möglich ist, die v.irkung eines Durchflußbegrenzers durch Verkleinerung des begrenzenden Strömungsquerschnitts zu ernöhen. uer Strömungsquerschnitt muß nämlich mindestens so groß sein,, daß unter der Bedingung, daß aie höchstmögliche Gescnwinaigkeit - nämlich Schallgeschwindigkeit - sich einstellt, der normale Kühlmittelmassonstrom noch durch den begrenzenden Strömungsquerschnitt hindurchtreten kann. Außerdem entstehen infolge der bei der Verwendung von Durcnflußbegrenzern notwendigen Verzögerung dos unter Druck stenenden i>'iediums, das bis zum begrenzenden Ströi.iungsquerschnitt beschleunigt, wird, unvermeidlich Verluste. Eine Verringerung des begrenzenden itrörnungsquerschnitts - wie sie zur Erhöhung der vvirkung er-

-H-4098 18/00 2 6

strebenswert ware - ist daher nicht oder jedenfalls nicht in dem gewünschten Maße möglich. Der durch den Durchflußbegrenzer hindurchtretende Strom kann daher bei Verwendung dieser •Sicherheitseinrichtung im Störungsfall nur unter Inkaufnahme erheblicher Energieverluste auf die Größe des in der unter Druck stehenden Rohrleitung fließenden Normalstroms verkleinert werden» Diesen Strom unter die Größe des Normalstroms zu verringern ist nicht möglich.

Bei einer anderen bekannten Sicherheitseinrichtung, die insbesondere bei Rohrleitungen verwendet wird, ist vorgesehen, daß auf einer vorbestimmten Strecke zwei koaxial zueinander angeordnete Rohrleitungen vorgesehen sind, wobei die Wandungen beider Rohre auf den vollen Druckunterschied ausgelegt sind. Der Zwischenraum zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr dieser Doppelrohrleitung wird dabei von einem Medium ausgefüllt, das unter einem solchen Druck steht, daß das innere Rohr bei Normalbetrieb druckentlastet ist, während das äußere Rohr die Drucklast trägt. Bei einem Bruch des äußeren Rohres wird, um Verluste auszuschließen, der volle Druck von dem inneren Rohr aufgenommen. Die Auslegung ist dabei so,-daß der Druck über eine vorbestimmte Dauer aufrechterhalten bleibt. Nachteilig ist bei Verwendung dieser Sicherheitseinrichtung, daß es erforderlich ist, zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr Verbindungsstücke vorzusehen. Dadurch werden Verspannungen zwischen beiden Leitungen hervorgerufen; sie entstehen entweder

- 5 -409818/0026

bereits bei der Herstellung oder auch infolge Montagearbeiten; sie werden auch bei Veränderungen der äußeren Lagerbedingungen, beispielsweise durch Langzeitkriechen oder Bauteilsetzung, verursacht oder auch durch Temperaturschwankungen. Hinzu kommt, daß durch Belastungen, beispielsweise infolge von Druck, der auf eine Leitung ausgeübt wird, auch Belastungen der anderen Leitung entstehen. Auch das Druckpolster, das bei einem Ausfall der Druckregelung sich belastend auf die innere Leitung auswirkt, kann Verspannungen zwischen beiden Leitungen verursachen. Wird diese bekannte Sicherheitseinrichtung in Heißgasleitungen verwendet, so kommen als weitere Beeinträchtigung die dadurch veursachten Eigenspannungen hinzu. Bei der Auslegung der inneren Leitung unter Berücksichtigung aller möglichen Belastungen im Störfalle ergeben sich ferner Schwierigkeiten wegen der im allgemeinen vorzusehenden Armaturen und Kompensatoren. Notwendige Prüfungen der inneren Leitung sind außerdem - wenn überhaupt - nur unter erheblichem Aufwand durchführbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sicherheitseinrichtung zu schaffen, durch die die Größe der Schadensstelle in der drucktragenden Wand einer unter Druck stehenden Anlage in engen Grenzen gehalten wird, durch die die im Störfall entstehende Schadensstelle in einem vorbestimmten Bereich gehalten und durch die zugleich der Durchflußquerschnitt für die durch die Schadensstelle hindurchtretende Strömung auf ein praktisch beliebig kleines Maß begrenzt wird. Außerdem sollen durch die

409818/0026

Sicherheitseinrichtung im Druckbereich angeordnete Einbauten vor zusätzlichen Belastungen, die im Störfall auftreten können, geschützt werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs bezeichneten Art dadurch gelöst, daß die Stärke der Wandung der Anlage in einem vorgegebenen Bereich gegenüber dem übrigen Bereich vermindert und auf der Innen-.seite der Anlage eine diesen Bereich mit Abstand überdeckende Wandung vorgesehen ist, die an den Rändern, von denen aus das unter Druck stehende Medium im Schadensfalle durch die Schadensstelle der Wandung der Anlage hindurchdringen kann, den Durchflußquerschnitt verengende Wülste aufweist, wobei der zwischen den Wülsten und der Wandung der das unter Druck stehende Medium enthaltenden Anlage gebildete Querschnitt so bemessen ist, daß der Druck, der bei ungestörtem Betrieb in dem von der Wandung der das unter Druck, stehende Medium enthaltenden Anlage der den einen verminderten Querschnitt aufweisende Bereich dieser Wandung überdeckenden Wandung und den Wülsten gebildete Zwischenraum herrscht, gleich dem in der Anlage herrschenden Druck ist. Die Wandung des unter Druck stehenden Behälters und die die potentielle Schadensstelle überdeckende Wandung stehen im normalen Betrieb nicht miteinander in Berührung, daher können von der einen Wandung auf die andere Wandung auch keine Kräfte übertragen werden. Vorteilhaft ist ferner, daß die die Schadensstelle überdeckende Wandung - abgesehen vom Schadensfall· - ,nicht unter äußerer Belastung steht.

- 7 -409818/0026

Bei einer Einrichtung gemäß der Erfindung ist der zwischen den Wülsten und der drucktragenden Wandung gebildete Durchflußquerschnitt maßgebend für die Größe der beim Austritt des unter Druck stehenden Mediums entstehenden Verluste. Infolge der Begrenzungsmöglichkeit ist es - unter Berücksichtigung der jeweils vorgegebenen Bedingungen - möglich, die Schadensstelle auf ein Mindestmaß zu begrenzen.

Zweckmäßig kann es sein, dan in den Wülsten den Durchflußquerschnitt für das unter Druck stehende Medium vergrößernde Nuten vorgesehen sind.

Die Dimensionierung der Sicherheitseinrichtung gemäß der Erfindung erfolgt so, daß die infolge Belastungen entstehenden Verformungen keine Einflüsse auf Einbauten ausüben können. Das kann beispielsweise dadurch geschehen, daß zwischen zwei oder mehreren in geringem Abstand zueinander angeordneten Sicherheitseinrichtungen schadenssichere Bereiche vorgesehen sind. Die Randwülste und das von den Randwülsten und der Wandung der Anlage sowie von der überdeckenden Wandung eingeschlossene Volumen werden so bemessen, daß bei allen vorhersehbaren Lageänderungen der schadenssicheren Bereiche der drucktragenden Wand der Anlage auch im Schadensfalle keine Verspannungen zwischen der den potentiellen Schadensbereich überdeckenden Wandung und der drucktragenden Wand entstehen können. Die Festigkeit der den potentiellen Schadensbereich überdeckenden Wandung ist unter Berücksichtigung des zu verwendenden Werkstoffes durch entsprechende Dimensionierung im voraus auf einfache Weise

409818/00 2 8 ~⁸~

% . ■·■-■ ··■

bestimmbar, da die Belastung im Störungsfall sich aus dem innerhalb der Anlage bestehenden Druck auf der einen Seite und in der Verminderung des Drucks innerhalb des von den Randwülsten des einen verminderten Querschnitt aufweisenden Bereichs der Wandung der Anlage und der diesen Bereich überdeckenden Wandung gebildeten Zwischenraum ergibt. Wird die vorhersehbare Belastung auf die überdeckende Wandung so groß, daß Verformungen unvermeidbar wären, w&rden mehrere Einrichtungen gemäß der Erfindung hintereinander oder nebeneinander angeordnet.

Es hat sich gezeigt, daß die Druckabsenkungsgeschwindigkeit bei Verwendung der Sicherheitseinrichtung gemäß der Erfindung gegenüber den unter gleichen Voraussetzungen verwendeteten Durchflußbegrenzern ¹ um einen Faktor bis-zu 1000 verringert wird. Ein weiterer großer Vorzug bei der Verwendung der Sicherheitseinrichtung gemäß der Erfindung besteht darin, ~ daß die Schadensstelle im potentiellen Schadensbereich gegenüber den Fällen, in denen die Sicherheitseinrichtung gemäß der Erfindung nicht verwendet worden war, um einige Zehnerpotenzen kleiner war. Weitere Vorteile bestehen darin, daß die Sicherheitseinrichtung gemäß der Erfindung auf sehr einfache Weise mittels optischer Hilfsmittel, durch Röntgenstrahlen oder durch Ultraschall, prüfbar ist. Ihre einfache Gestaltung ist vorteilhaft, well der Nachweis von Spannungen und von Verformungen im Schadensfall auf einfache Weise überschaubar ist. . - ~~ - - - '

■ - 9 409818/0026

In der Zeichnung sind fünf Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen schematischen Aufbau der Sicherheitseinrichtung, teilweise im Schnitt j

Fig. 2 die Anordnung der Sicherheitseinrichtung in einer Koaxialleitung;

Fig. 3 die Hintereinanderschaltung mehrer Sicherheitseinrichtungen in einer Druckleitung;

Fig. 4 die Anordnung von Sicherheitseinrichtungen, in einem Krümmer;

Fig. 5 die Anordnung mehrer Sicherheitseinrichtungen in einem Druckbehälter.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, wird die Sicherheitseinrichtung gemäß der Erfindung dadurch gebildet, daß ein Bereich 1 der drucktragenden Wandung 2 einer unter Druck stehenden Anlage einen verminderten Querschnitt aufweist, so daß in einem Schadensfalle die Schadensstelle im Bereich 1 der Wandung 2 auftritt. Die Wandung 2 ist somit, abgesehen von dem Bereich 1, berstsicher ausgelegt. Auf der Innenseite der Anlage ist eine den einen verminderten Querschnitt aufweisenden Bereich 1 der Wandung 2 überdeckende Wandung 3j Platte oder dergleichen vorgesehen, an deren Rändern Wülste 4 vorgesehen sind. Da die Wandung 3 nicht mit der drucktragenden Wandung 2 in Berührung steht, wird von der Wandung 2 und den Wülsten 4 ein Durchflußquerschnitt gebildet, der bei normaler Betriebsweise so bemessen ist, daß der für die Größe des im Schadensfall

- 10 409818/0026

austretenden Stromes des in der Anlage enthaltenden Mediums maßgebliche Strömungsquerschnitt 5 möglichst klein ist und daß bei normalem Betrieb in dem von der Wandung 2 und der den einen verminderten Querschnitt aufweisenden Bereich 1 der Wandung 2 überdeckenden Wandung 3 gebildeten Zwischenraum 6 der gleiche Druck herrscht wie innerhalb der Anlage. Um eine möglichst" weitgehende Anpassung der Strömungsquerschnitte an die jeweiligen Gegebenheiten zu gewährleisten, beispielsweise um die Wirksamkeit der Strömungsquerschnitte auch dann sicherzustellen, wenn Wärmedehnungen aufgenommen werden müssen, sind zweckmäßigerweise in den Randwülsten 4 der Wandung 3 Nuten vorgesehen.

In dem in Fig. 2 dargestellten- Ausführungsbeispiel ist die Sicherheitseinrichtung gemäß der Erfindung in einer, -beispielsweise für einen Kaltgasstrom 8 und einen Heißgasstrom 9 vorgesehenen, aus dem Druckrohr 2 und dem Trennrohr 2a gebildeten, über den Stutzen 10 mit einem Druckbehälter 11 und über eia Panzerrohr 12 mit einem.Spannbetonbehälter 13 verbundenen Koaxialleitung vorgesehen. Falls - wie in der Zeichnung dargestellt - die Rohrleitung verhältnismäßig kurz ist, kann die Wandung des Druckrohres 2 über die ganze Länge einen Querschnitt aufweisen, der so gering ist, daß im Störungsfall die Wandung der Rohrleitung 2 -birst. Dabei ist - wie im allgemeinen üblich - in der Rohrleitung 2 ein Kompensator 14 vorgesehen. 'Die den potentiellen Schadensbereich über-

- 11 -. 409818/0026

deckende Wandung 3 ist in diesem Fall rohrförmig so ausgebildet, daß die Wülste 4 dem Stutzen 10 und dem Panzerrohr 12 gegenüberliegen. Die rohrförmig ausgebildete· Wandung 3 liegt frei innerhalb des Druckrohres und wird durch Positionselemente 15 in axialer Richtung mit geringem Spielraum verschiebbar gehalten, über den Zugang 16 sind - wie aus der Zeichnung erkennbar Inspektion und Prüfung ohne weiteres möglich.

Wie aus Fig. 3 erkennbar, ist es bei langen Rohrleitungen zweckmäßig, die Druckleitung 2 durch berstsichere Zwischenstellen 17 zu unterbrechen, die zur Erhöhung der Berstsicherheit mit einer Vielzahl von Spannelementen 18 verspannt sind. Zur Aufnahme von Axialkräften sind zwischen den berstsicheren Zwischenstellen 17 in der Druckleitung 2 außerdem in axialer Richtung wirkende Verspannungen vorgesehen. Die rohrförmigen, die potentiellen Schadensstellen überdeckenden Wandungen 3 sind so dimensioniert, daß die Randwülste 4 jeweils in dem Bereich der berst-'sicheren Zwischenstücke 17 liegen.

Ist - wie in Fig. 4 dargestellt - in den Rohrleitungen ein Krümmer 20 vorgesehen, so wird der Krümmer 20 zweckmäßig so ausgebildet, daß er berstsicher ist, während die Wandungen der geradlinig verlaufenden Teile der Rohrleitung ganz oder zum Teil eine solche Wandstärke aufweisen, daß im Schadensfalle an ihnen die Schadensstelle auftritt. Die die potentiellen Schadensstellen überdeckenden Wandungen 3 sind daher in diesem Bereich der Rohrleitung angeordnet.

409818/0026

- 12 -

-Vt-

In dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel " werden zwischen einem Teil der Behälterwandung zylindrische Bunde 21 vorgesehen und die einen verminderten Querschnitt aufweisenden Bereiche 1 eines zylindrischen Druckbehälters von einer rohrförmig ausgebildeten Wandung 3 so überdeckt, daß die in der Wandung 3 vorgesehenen Randwülste'4 in dem Bereich der zylindrischen Bunde 21 liegen. Deckel und Boden weisen ebenfalls zwischen Ringbunden 22 angeordnete Bereiche 1 mit vermindertem Querschnitt auf. In diesem Falle sind die die potentielle Schadensstelle überdeckenden "Wandungen 3^aäls Platten so ausgebildet, daß die an ihrem Rand angeordneten Wülste im Bereich der Ringbunde 22 liegen. Die berstsicheren Bereiche sina'zur Erhöhung der Sicherheit - wie gleichfalls aus Fig. 5 hervorgeht - mittels'Spannelementen 18 und mittels in axialer Richtung angeordnete Versp.annungen 19 verspannt.

stv·'· . ;

409818/0026

Claims

η.

Kernforschungsanlag© Jülich Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Patentansprüche

Sicherheitseinrichtung für ein unter Druck stehendes Medium enthaltende Anlagen, dadurch gekennzeichnet , daß die Stärke der Wandung (2) der Anlage in einem vorgegebenen Bereich (1) gegenüber dem übrigen Bereich vermindert und auf der Innenseite der Anlage eine diesen Bereich mit Abstand überdeckende Wandung (3) vorgesehen ist, die an den Rändern_f von denen aus das unter Druck stehende Medium im Schadensfälle durch die Sch'adenssteile der Wandung (2) der Anlage hindurchdringen kann, den Durchflußquerschnitt verengende Wülste (4) aufweist, wobei der zwischen den Wülsten (4) und der Wandung (2) der das unter Druck stehende Medium enthaltenden Anlage gebildete Querschnitt so bemessen ist, daß der Druck, der bei ungestörtem Betrieb in dem von der Wandung (2) der das unter Druck stehende Medium enthaltenden Anlage der den einen verminderten Querschnitt aufweisende Bereich (1) dieser Wandung (2) überdeckenden Wandung (3) und den Wülsten (4) gebildete Zwischenraum (6) herrscht, gleich dem in der Anlage herrschenden Druck ist.
2. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß in den Wülsten (M) den Durchflußquerschnitt für das unter Druck stehende Medium vergrößernde Nuten (7) vorgesehen sind.

_ ρ —

409818/0026

Leer seite