DE2335342A1

DE2335342A1 - Sicherheitsvorrichtung zum begrenzen des druckes eines fluids

Info

Publication number: DE2335342A1
Application number: DE19732335342
Authority: DE
Inventors: Philoppe Buffet; Alain Michel; Joseph Nedelec
Original assignee: Electricite de France SA
Current assignee: Electricite de France SA
Priority date: 1972-07-11
Filing date: 1973-07-11
Publication date: 1974-02-07
Also published as: IT991707B; GB1413396A; US3872874A; BE802179A; FR2192719A5

Description

Patentanwälte

Dtpl.-Ing. F. ;::..: t" T ?
Dipl-'.n„. K. LA?.iP. >-

Dr.-lng. R. a «£ E T ? Jr,
': Vi ft η ch * η 22, Stainedorfstr. 11 2335342

410-21.Ο77Ρ 11· 7· 1973

ELECTRICE DE FRANCE^ Service National, PARIS (Frankr.)

Sicherheitsvorrichtung zum Begrenzen des Druckes eines

Fluids

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sicherheitseinrichtung zum Begrenzen des Druckes eines Fluids in einem Behälter oder einer Leitung auf einen vorgebbaren Wert mit einer von einem Schlagbolzen durchdringbaren deformierbaren Membran und Tastern zum Abtasten des Zustandes dieser Membran.

Die Sicherheitseinrichtungen der Berstscheibenbauart lassen sich in zwei Klassen unterteilen, die sich je nach der Art der verwendeten Membran voneinander unterscheiden, in^dem diese entweder eine Membran mit natürlichem Bersten oder eine Membran mit Umkehrung ist.

Die Membranen mit natürlichem Bersten weisen im allgemeinen die Form einer Kugelkalotte auf und zeigen vielfach lokale Schwächungen. Sie arbeiten mit Innendruck und gehen dann zu Bruch, wenn die mechanische Spannung auf ihrer

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gesamten Oberfläche oder einem Teil davon die Bruchgrenze erreicht. Aufgrund ihres Arbeitsprinzips weisen sie nur eine geringe Festigkeit gegen Kriechen auf, da die Beanspruchung, der sie im Betrieb unterliegen, notwendigerweise erhöht ist. Außerdem ist bei ihrer Herstellung eine sehr strenge Kontrolle des Schichtenaufbaues ihres Materials erforderlich, um Dispersionserscheinungen in ihrer Dicke und ihrer Bruchfestigkeit und damit dem Berstdruck der fertigen Vorrichtung zu vermeiden. Schließlich besteht bei diesen Sicherheitseinrichtungen auch nicht die Möglichkeit einer Regelung.

Dieser Kategorie von Sicherheitseinrichtungen lassen sich im übrigen auch die Systeme zuordnen, bei denen die Druckkräfte über beliebige mechanische Koppelglieder auf ein Bauelement wie beispielsweise einen Stift übertragen werden, der zu Bruch geht, wenn die an ihn zu diesem Zwecke angelegte Kraft ihn an seine Bruchgrenze gelangen läßt. Im allgemeinen weisen diese Systeme eine Membran auf, deren Aufgabe sich darauf beschränkt, die erforderliche Abdichtung zu gewährleisten.

Die Membranen mit Umkehrung, die gleichfalls von kugelförmiger Gestalt sind, arbeiten auf Außendruck. Wenn der kritische Wert, für den Druck erreicht ist, knicken diese Membranen ab und kehren ihre Form um. Ein auf ihrem Knickweg angeordnetes Messer führt dann zu einem Zerreißen dieser Membranen. Da es sich jedoch um eine Instabilitätserscheinung handelt, stellt der kritische Druck für das Umknicken dieser Membranen eine Größe dar, die sich nicht mit großer Genauigkeit einhalten läßt, da die zugehörigen theoretischen Formeln einander widersprechen. Außerdem können schon kleine Unterschiede in der Formgebung zu einer

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erheblichen Dispersion führen, und Membranen mit großen Abmessungen sind sehr empfindlich gegen Heterogenitäten thermischen Ursprungs.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sicherheitseinrichtung der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß sie unter Vermeidung der oben geschilderten Nachteile der bisher bekannten Einrichtungen die Vorteile der Membranen mit natürlicher Zerreißung und zusätzlich eine Möglichkeit für eine Einstellung des Anfangspunktes für die Zerreißung der Membran bietet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Membran in vorgeformter konvexer Wölbung an einem Ende in das Innere eines hohlen und an beiden Enden offenen Modulelementsjiineinragt und dieses Ende des Modulelements dicht abschließt, daß im Inneren des Modulelements axial und nahe-der konvex gewölbten Oberfläche der Membran ein Messer mit progressiv wirkender Schneidkante angeordnet ist, das fest mit einer abnehmbar am anderen Ende des Modulelements montierten Tragstruktur verbunden ist, und daß an beiden Enden des Modulelements Abdichtungsund Montageorgane zum dichten Anschließen des Modulelements vorgesehen sind.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung weist die Membran umfangsseitig einen Kragen auf, der fest mit einem Versteifungsring und dem entsprechenden Ende des Modulelements verbunden ist. Dabei kann die Verbindung zwischen dem Kragen der Membran einerseits und dem Versteifungsring und dem entsprechenden Ende des Modulelements andererseits insbesondere durch gegenseitiges Verschweißen dieser Bauelementemiteinatier bewirkt werden, wodurch man zu einer besonders festen Halterung für die

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Membran kommt.

Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das Messer unter Ausbildung einer schrägen Schneidflanke geschliffen sein,- deren Neigungswinkel eine punktförmige Angriffskante und im Verlaufe des Zerreißens der Membran entlang des Umfangs der Angriffskante einen Schneidumfang auf der Membran bestimmt. Dabei gestaltet sich das Anschleifen des Messers besonders einfech, wenn dieses als auf der Seite der angeschliffenen Schneidflanke offener Hohlzylinder ausgebildet ist.

Zur Erleichterung der Montage und der Schärfung des Messers kann die Tragstruktur für das Messer radiale Arme, die sich an der Innenseite des Modulelements durch einen Versteifungsring einspannen und festlegen lassen, und einen zentralen Kern aufweisen, der die radialen Arme miteinander verbindet und das Messer aufnimmt.

Eine Kompensation für einen etwaigen Abrieb des Messers und dessen Einstellung entsprechend dem für den Betrieb der Sicherheitseinrichtung jeweils vorgesehenen Innendruck lassen sich durch eine entsprechende Einstellung der axialen Lage des Messers im Inneren des Modulelements erreichen. Außerdem können in Ausgestaltung der Erfindung im Inneren des Modulelements Lagefühler vorgesehen sein, die eine Bestimmung der jeweiligen Arbeitsphase der Membran ermöglichen.

Für die weitere Erläuterung der Erfindung soll nunmehr auf die Zeichnung Bezug, genommen werden, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäß ausgebildete Sicherheitseinrichtung veranschaulicht ist; dabei

zeigen in der Zeichnung:

Pig. I eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Sicherheitseinrichtung;

Fig. 2 eine wiederum teilweise, und zwar entlang der Schnittlinie A-A in Fig. 1 geschnittene Aufsicht auf die Sicherheitseinrichtung von Fig. 1;

Fig. 3 das Messer der Sicherheitseinrichtung nach Fig. 1 und 2 in einer teilweise geschnittenen und in größerem Maßstab gehaltenen Seitenansicht und

Fig. 4 das Messer von Fig. 3 in einer Unteransicht.

Den Hauptbestandteil der dargestellten Sicherheitseinrichtung bildet ein Modulelement I, das hohl und vorzugsweise zylindrisch ausgebildet ist. Das Modulelement 1 ist an beiden Enden offen und weist am einen Ende einen eingezogenen Flansch 2 und am anderen Ende einen überstehenden Flansch 3 auf. Zwischen den Flanschen 2 und 3 sind Montageglieder für die Montage der Sicherheitseinrichtung vorgesehen, die bei dem dargestellten Beispiel aus durch in die Flansche 2 und 3 eingearbeitete Bohrungen 5 hindurchgehenden Gewindebolzen 4, Sicherheitsscheiben 6 und Spannmuttern 7 bestehen.

In das Modulelement 1 ist eine Membran 8 eingesetzt, die als Kugelkalotte ausgebildet ist und beispielsweise durch hydraulische Umformung aus einer Scheibe aus rostfreiem Stahl von 0,3 mm Dicke hergestellt werden kann*

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An ihrem äußeren Rande weist die Membran 8 einen Kragen auf, der gleichzeitig mit einem Versteifungsring 10 und einer Schulter 11 am Flansch 3 des Modulelements 1 verschweißt ist.

Vom anderen Ende her ist in das Modulelement 1 eine Tragstruktur 13 eingesetzt, die mehrere Arme aufweist, die an ihren freien äußeren Enden jeweils in einen Absatz 14 übergehen, der in einer Nut 15 im Plansch 2 des Modulelements 1 Aufnahme findet.

Ein mit dem Flansch 2 verschweißter Ring 16 hält die Absätze 14 fest, so daß sich eine genaue Lagebestimmung für die Tragstruktur 13 innerhalb des Modulelenents 1 ergibt.

Eine zwischen die Dichtflächen 18 und 19 an den Flanschen und 3 eingefügte Dichtung 17 bewirkt in üblicher Weise eine Abdichtung gegenüber dem Außenraum.

Wie die Darstellung in Fig. 1 und 2 zeigt, hält die Tragstruktur 13 ein Messer 22 in einem vorgebbaren Abstand von der Membran 8, wobei sich dieser Abstand zwischen dem Messer und der kugelförmigen Wölbung der Membran 8 mit Hilfe vorgesehener Justierorgane auf einen geforderten Wert bringen läßt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Stellung des Messers 22 relativ zur Membran 8 durch einen Satz von Unterlagscheiben bestimmt.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Messer-22 entsprechend der Darstellung in Fig. 3 und 4 einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser D von 12 mm auf, der unter einem Winkel ö von 37*5° angeschnitten ist.

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Die dadurch entstehende Schneidflanke 23 des Messers 22 wird durch ein Loch 24 unterbrochen, und eine Einziehung am Messer 22 ergibt eine Schärfung von dessen Schneidkante 26.

Die Form des Messers 22, die an einen Pferdehuf erinnert, ermöglicht es bei punktförmigem Arbeiten, einen das Bersten der Membran 8 auslösenden Einschnitt in diese Membran 8 bei einem Wert für den auf die konkave Seite der Membran 8 wirkenden Druck zu erzielen, der sehr nahe bei dem Druckwert liegt, bei dem es zu einer gegenseitigen Berührung zwischen der Membran 8 und dem Messer 22 kommt.

Auf diese Weise ermöglicht es das Messer 22, das Bersten der Membran 8 auszulösen und durch seine Lage relativ zur Membran 8 eine Schwelle für die Deformation festzulegen, von der ausgehend es zu einem Bersten der Membran kommt.

Der Betrieb der dargestellten Sicherheitseinrichtung gestaltet sich dann in folgender Weise:

Wenn auf die Innenseite der Membran 8 ein zufälliger Überdruck ausgeübt wird, so verformt sich die Membran 8, und sie kommt mit der Schneidkante 26 des Messers 22 in Berührung.

Sobald der auf die Membran 8 einwirkende Überdruck einen hinreichend großen Wert annimmt, entsteht in der Membran 8 ausgehend von der Spitze des Messers 22 ein Einschnitt, der sich rasch zu beiden Seiten entlang der Kante 27 der abgeschrägten Schneidflanke 23 des Messers ausbreitet, während das Material der Membran 8 sich in der Darstellung in Pig. 1 auf das Messer 22 zu nach oben

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bewegt.

Dieser Vorgang ist einem Schneiden analog. Mit Rücksicht auf die für das Messer 22 gewählte Form braucht die für den Schnitt notwendige Spannung nicht punktförmig einzuwirken, die Anlagepunkte verschieben sich nämlich je nach dem Fortschreiten des Schneidvorgangs längs der Kante ZJ.

Wenn der Einschnitt eine bestimmte Länge erreicht hat, übersteigt die Beanspruchung am Schnittrand die Bruchgrenze für das Material der Membran 8, und es ergibt sich eine rasche Vergrößerung des Einschnitts.

Dieser Vorgang verläuft divergent, und man erhält eine völlige Öffnung der Membran 8. Dieser Schnittvorgang kann durch lokale Einschnürungen begünstigt werden, die in Verlängerung des Weges für das Messer 22 in der Membran 8 vorgesehen werden können; diese Einschnürungen sind in ihren Abmessungen jedoch begrenzt, damit sie nicht von sich aus zu einem Bruch der Membran δ Anlaß geben können.

Durch Durchlässe hindurch in das Modulelement 1 eingeführte Taster ermöglichen es, die Entwicklung der Verformung einer Membran 8 im Betrieb zu verfolgen und gegebenenfalls deren Alterung durch Kriecherscheinungen festzustellen.

Als ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel für einen Einsatz einer erfindungsgemäß ausgebildeten Sicherheitseinrichtung kann der Kühlkreislauf für einen Atomkernreaktor mit schnellen Neutronen genannt werden, dor durch flüssiges Natrium gekühlt wird.

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In diesem Falle sind die Membranen der erfindungsgemäß ausgebildeten Sicherheitseinrichtung dazu bestimmt, den Sekundärkreislauf des Natriums vor der Einwirkung zufälliger Überdrucke zu schützen, die sich durch eine Reaktion zwischen flüssigem Natrium und Wasser im Inneren eines an den Atomkernreaktor angeschlossenen Dampferzeugers ergeben könnten. Bei diesem Anwendungsfall ist es von besonderem Vorteil, daß der Aufbau der erfindungsgemäß ausgebildeten Sicherheitseinrichtungen in Modulform ohne weiteres die Anordnung zweier Membranenjm Serie zueinander ermöglicht,wodurch die Gefahr eines ungewollten Membranbruches vermindert werden kann. Die Bestimmung des Zustandes eines solchen Moduls und seine Einstellung lassen sich in der Fabrikationsstätte vorab vornehmen, wodurch die Wartungsarbeiten stark vereinfacht werden.

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Claims

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Patentansprüche

Iy Sicherheitseinrichtung zum Begrenzen des Druckes eines i?luids in einem Behälter oder einer Leitung auf einen vorgebbaren Wert mit einer von einem Schlagbolzen durchdringbaren deformierbaren Membran und Tastern zum Abtasten des Zustandes dieser Membran, dadurch gekennzei chnet, daß die Membran (8) in vorgeformter konvexer Wölbung an einem Ende in das i.nnere eines hohlen und an beiden Enden offenen Modulelements (1) hineinragt und dieses Ende des Modulelements (l) dicht abschließt, daß im Inneren des Modulelements (1) axial und nahe der konvex gewölbten Oberfläche der Membran (8) ein Messer (22) mit progressiv wirkender Schneidkante (26) angeordnet ist, das fest mit einer abnehmbare* am anderen Ende des Modulelements (1) montierten Tragstruktur (15) verbunden ist, und daß an beiden Enden des Modulelements (1) Abdichtungsund Montageorgane (4 bis 7 und 17) zum dichten Anschließen desModulelements*vorgesehen sind.
2. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (8) umfangsseitig einen Kragen aufweist, der fest mit einem Versteifungsring (10) und dem entsprechenden-Ende (11) des Modulelements (1) verbunden ist.
3. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kragen der Membran (8), der Versteifungsring (10) und das entsprechende Ende des Modulelements (1) miteinander verschweißt sind.
4. Sicherheitseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Messer (22) unter Ausbildung einer schrägen Sehneidflanke (23) geschliffen ist, deren

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Neigungswinkel eine punktförmige Angriffskante (26) und im Verlaufe des Zerreißens der Membran (8) entlang des Umfangs der Angriffskante (26) einen Schneidumfang auf der Membran (8) bestimmt.
5. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch ^!-, dadurch gekennzeichnet, daß das Messer (22) als auf der Seite der angeschliffenen Schneidflanke (23) offener Hohlzylinder ausgebildet ist.
6. Sicherheitseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragstruktur (13) für das Messer (22) radiale Arme, die an der Innenseite des Modulelements (l) durch einen Versteifungsring (16) eingespannt und festgelegt sind, und einen zentralen Kern aufweist, der die radialen Arme miteinander verbindet und das Messer (22) aufnimmt.
7. Sicherheitseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen einer vorzugsweise punktförmigen Angriffskante (26) des Messers (22) und der konvex gewölbten Oberfläche der Membran (8) durch axiale Verschiebung des Messers (22) in seiner Tragstruktur (13) variabel ist.

S. Sicherheitseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis "J₃ dadurch gekennzeichnet, daß das Modulelement (1) Tastorgane zum Abtasten der Innenseite der Membran (8) aufweist.

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