УПРАВЛЯЕМЫЙ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКИЙ ДЕМПФЕР ОБОРУДОВАНИЯ И ТРУБОПРОВОДОВ ГЛАВНОГО ЦИРКУЛЯЦИОННОГО КОНТУРА РЕАКТОРА АЭС
CONTROLLED ELASTOPLASTIC DAMPER FOR EQUIPMENT AND PIPELINES OF NUCLEAR POWER STATION REACTOR PRIMARY CIRCULATION CIRCUIT

Изобретение относится к специальному машиностроению, в частности к системам сейсмоизоляции, и может найти применение при создании управляемых упругопластических демпферов функциональных элементов реакторов АЭС.
Естественная тенденция во всем мире - ужесточение нормативных требований к безопасности АЭС и к гарантиям ее обеспечения, а также периодический пересмотр сейсмической балльности площадок действующих АЭС в сторону ее увеличения - вызывают необходимость даже для оборудования, спроектированного и изготовленного в сейсмостойком исполнении, проводить периодические перепроверки и разрабатывать дополнительные антисейсмические мероприятия в процессе эксплуатации АЭС. Особенно актуальна эта проблема для АЭС с большим сроком эксплуатации (20 лет и более), спроектированных либо без требований сейсмостойкости, либо по устаревшим нормативным требованиям и исходным сейсмическим данным.
Известны также системы сейсмоизоляции, выполненные в виде качающихся стоек, дополненные демпферами, при которых защитная оболочка покоится на опорах, выполненных с возможностью их перемещения по фундаментной плите в радиальном направлении.
Известны системы амортизации, упругопластические демпферы, содержащие торсионы, при кручении которых поглощается энергия воздействия, имеющая обычно колебательный характер [1, 2].
Известны управляемые упругопластические торсионные демпферы, у которых упругие свойства рабочих элементов на основе сплава с эффектом памяти формы изменяются при нагревании постоянным током [3, 6].
Прототипом предлагаемой конструкции является управляемая система амортизации, у которой упругие свойства рабочего элемента - полого торсиона, выполненного из сплава с эффектом памяти формы, изменяются при пропускании сквозь него теплоносителя. В качестве теплоносителя используется охлаждающая жидкость [4].
Недостатками прототипа, применительно к управляемому упругопластическому демпферу трубопроводов реактора АЭС, являются невысокая эффективность применения в качестве теплоносителя специальной охлаждающей жидкости, что может задействовать значительное пространство помещений АЭС и ухудшить функциональное совершенство всей системы [7, 8].
При проектировании систем сейсмоизоляции возникает потребность с минимальными энергозатратами при достаточно простой конструкции повысить эффективность и надежность демпфирования колебаний элементов АЭС.
Данная задача может быть решена следующим образом (см Фиг.1, 2): управляемый упругопластический демпфер оборудования и трубопроводов главного циркуляционного контура реактора АЭС, показанный схематично на фигурах 1 и 2, содержит двойной полый торсион 1, выполненный весь или частично из термоупругого демпфирующего сплава с эффектом памяти формы. Средняя часть торсиона 1 соединена с рычагом 2 кронштейна крепления оборудования и трубопроводов 3 главного циркуляционного контура реактора АЭС - объекта демпфирования. Концы торсиона 1 охвачены серьгами 4, позволяющими ему скручиваться при перемещениях рычага 2, и жестко закреплены на опорной площадке 5 реактора АЭС. На опорной площадке 5 расположен датчик вибрации 6, связанный с блоком управления 7 и источником питания 8. С торсионом 1 с одной стороны соединен подводящий малый трубопровод 9, заполненный теплоносителем и соединенный с перепускным клапаном горячего теплоносителя 10 и с перепускным клапаном холодного теплоносителя 11, с другой стороны - выходной малый трубопровод 12, ведущий к входу главного циркуляционного насоса 18. Перепускные клапаны 10 и 11 связаны кабельными линиями 13 с блоком управления 7. Перепускной клапан горячего теплоносителя 10 главного циркуляционного контура соединен посредством подводящего малого трубопровода с выходным трактом реактора 15 АЭС. Перепускной клапан холодного теплоносителя 11 главного циркуляционного контура соединен посредством малого трубопровода 16 с выходным трактом 17 главного циркуляционного насоса 18. Теплоноситель главного циркуляционного контура поступает из теплообменника 19 к главному циркуляционному насосу 18 и является охладителем реактора 15 АЭС. На торсионе 1 закреплена термопара 20 температурного датчика 21, связанного кабельной линией 13 с блоком управления 7.
Работа данного управляемого упругопластического демпфера происходит следующим образом: при отсутствии внутри полого торсиона 1 движения теплоносителя, торсион имеет стабильную температуру, соответствующую температуре отсеков АЭС, и деформируется кручением, с рассеиванием энергии воздействия на объект демпфирования 3, в упругой или упругопластической области. При этом свойства материала практически не изменяются, а пластические деформации не восстанавливаются [6].
В режиме управления демпфированием колебаний, при действии сейсмической знакопеременной нагрузки со стороны внешнего воздействия на объект демпфирования 3, уровень вибрации определяется датчиком 6. В зависимости от уровня вибрации блок управления 7 выдает команды на подачу теплоносителя либо из перепускного клапана горячего теплоносителя 10, либо из перепускного клапана холодного теплоносителя 11 через подводящий малый трубопровод 9 в полость торсиона 1. При изменении температуры торсиона 1, выполненного из термоупругого демпфирующего сплава с эффектом памяти формы, например, на основе системы Ni-Ti, от 20°С до 295°С предел текучести существенно меняется (до 90…115% [6]). Изменяя механические свойства сплава в зависимости от температуры, оказывается существенное влияние на форму упругопластического гистерезиса при кручении торсиона 1 и расширяется диапазон рабочих частот управляемого упругопластического демпфера объекта демпфирования 3. При этом в соответствии с воздействием за счет определенного закона изменения температуры торсиона 1 с учетом инерции можно добиться минимального уровня вибраций оборудования и трубопроводов - объекта демпфирования 3.
При воздействии на объект демпфирования 3 значительной ударной нагрузки, например, в случае землетрясения, происходит пластическое кручение торсиона 1, протекающее с поглощением и рассеянием энергии удара, от датчика вибрации 6 на блок управления 7 подается сигнал, пропорциональный величине удара. По команде блока управления 7 открывается перепускной клапан горячего теплоносителя 10, нагретый в охлаждающем тракте 14 реактора 15 АЭС до температуры 260…290°С [7, 8] под большим давлением теплоноситель поступает по подводящему трубопроводу 9 в торсион 1.
Нагрев торсиона 1 осуществляется до температуры, при которой происходит восстановление формы скрученного торсиона. При этом контроль температуры охлаждающей жидкости осуществляется при помощи термопары 20, закрепленной на торсионе 1, и температурного датчика 21, связанного кабельной линией 13 с блоком управления 7. Сигнал, поступающий с температурного датчика 21 по кабельной линии 13 в блоки управления 7 о нагреве торсиона 1 до температуры выше, например, 260°С, перекрывает перепускной клапан горячего теплоносителя 10 и открывает перепускной клапан холодного теплоносителя 11. Поддерживается требуемая температура.
Возврат рычага 2 управляемого упругопластического демпфера обеспечивается силой термоупругости сплава, из которого выполнен торсион 1, при температуре восстановления формы.
После восстановления формы торсион 1 охлаждается до рабочей температуры теплоносителем, поступающим только из перепускного клапана холодного теплоносителя 11 через подводящий трубопровод 9 в полость торсиона 1.
Управляемый упругопластический демпфер с восстановленным торсионом 1 может работать в условиях повторных воздействий, то есть демпфировать колебания широкого диапазона частот с рабочим ходом рычага 2, при котором деформации в материале торсиона 1 не превышают упругие, а также защищать оборудование и трубопроводы от повторных мощных сейсмических ударов с максимально возможным рабочим ходом рычага, при котором происходит пластическая деформация материала торсиона, после чего вновь следует восстановление формы торсиона.
При работе управляемого упругопластического демпфера блок управления 7 может получать команды непосредственно от центральной системы управления, а в случае ручного управления - от оператора, что может способствовать повышению эффективности работы.
Управляемый упругопластический демпфер позволяет существенно восстановить исходное положение смещенного оборудования и трубопроводов после сейсмических ударов, что снижает длительность нагрузок на конструкционные материалы и, следовательно, вероятность негативного развития аварии.
При этом управляемый упругопластический демпфер имеет высокую устойчивость к радиационному воздействию, агрессивным средам, взрыво- и пожаробезопасность, нетоксичность используемых материалов, малую силу реакции, отсутствие запаздывания срабатывания при динамической нагрузке, возможность регулирования и настройки жесткостных и диссипационных характеристик в процессе эксплуатации.
Положительный эффект обусловлен применением в качестве рабочего элемента управляемого упругопластического демпфера двойного полого торсиона, выполненного из термоупругого демпфирующего сплава с эффектом памяти формы, стойкого к агрессивным средам, снабженного перепускными клапанами, применением в качестве теплоносителя - теплоносителя, поступающего из главного циркуляционного контура реактора АЭС, а также дополнением конструкции термопарой и датчиком температур, соединенным с блоком управления.
Предлагаемый управляемый упругопластический демпфер имеет, по сравнению с прототипом, конструкцию повышенной эффективности, обусловленной использованием тепловой энергии реактора АЭС, обеспечением более эффективной защиты оборудования и трубопроводов от вибрации и повышением надежности и быстродействия многоразового применения при сейсмоударных нагрузках расчетного характера, обусловленными использованием в конструкции датчиков контроля температуры торсиона.
Таким образом, предлагаемый демпфер имеет значительно более надежную конструкцию, которая обладает высокой энергоемкостью, обеспечивает более эффективное демпфирование колебаний в широком диапазоне рабочих частот и имеет повышенное быстродействие многоразового применения при повторных ударных нагрузках.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Авторское свидетельство СССР №1196560, кл. F16F 11/00, 1985.
2. Авторское свидетельство СССР №1562558, кл. F16F 6/00, 1990.
3. Патент РФ №2073142, кл. F16F 1/14, 1997.
4. Патент РФ №2256831, кл. F16F 1/14, В60G 11/18, 2005.
5. Патент РФ №2031456, кл. G21C 13/00, 1995.
6. Эффект памяти формы в сплавах: Пер. с англ. Л.М.Бернштейна / Под ред. В.А.Займовского - М.: Металлургия, 1979. - 472 с.
7. И.Х.Ганев. Физика и расчет реактора. Учебное пособие для вузов - М.: Энергоатомиздат, 1992.
8. Л.В.Матвеев, А.П.Рудик. Почти все о ядерном реакторе. - М., 1990.