БЛОК УПЛОТНЕНИЯ СТЫКОВОЧНОГО ПАТРУБКА ПЕРЕГРУЗОЧНОЙ МАШИНЫ КАНАЛЬНОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

Полезная модель относится к атомной энергетике, касается, в частности, блока уплотнения стыковочного патрубка перегрузочной машины (ПМ) канального ядерного реактора и может быть использовано на атомных станциях.
Перегрузку топлива на работающих ядерных реакторных установках осуществляют с помощью перегрузочной машины, внутреннюю полость которой соединяют с полостью топливного канала реактора посредством патрубка, стыкуемого с головками перегружаемых топливных каналов реактора. Сложность обеспечения надежного герметичного сопряжения перегрузочной машины с технологическими каналами реактора (ТК) обусловлена условиями, в которых работает блок уплотнения: высокая температура, давление и радиационное облучение. Эти условия диктуют необходимость дистанционного наведения перегрузочной машины на координаты перегружаемых каналов и стыковки с ними даже при грубом наведении с точностью до ±2÷3 мм, в том числе с угловыми перекосами более трех градусов. Все это должны компенсировать и обеспечивать два основных блока уплотнения стыковочного патрубка ПМ, расположенные в сопряжении трубы телескопа с вертикально-подвижным корпусом стыковочного патрубка, который герметизируется шевронными V-образными асбестотканевыми манжетами.
В уровне техники обнаружено большое количество патентов, в которых описываются различные конструкции блоков уплотнения стыковочных патрубков перегрузочной машины и технологического канала ядерного реактора, например, (авторское свидетельство СССР №236926, кл. 47F 22/40, опубл. 1969 г.). В этом патенте блок уплотнения включает уплотнительный элемент, защищенный плавающими кольцами. Это устройство, в случае его применения в конструкции стыковочного патрубка, обеспечивает компенсацию несоосности стыковочного патрубка и технологического канала реактора. Но оно не позволяет получить надежную стыковку в случае углового перекоса технологического канала реактора в силу того, что плавающие кольца установлены в едином блоке и перемещаются совместно. Известно также уплотнительное средство (заявка GB №1233548, кл. F16J 15/32, опубл. 1971 г.) для уплотнения трубопроводов под давлением. Уплотнительное средство включает в себя манжету, образованную радиально-упругими металлическими элементами из нержавеющей стали корытообразной формы с плоским дном и уплотнительными материалами, расположенными на плоском дне. Радиально-упругие металлические элементы и уплотнительный материал собраны в пакет. Манжеты, образованные радиально-упругими элементами, лишены недостатков, присущих эластичным манжетам. Металлические элементы имеют упругие наружные ободки, в собранном виде образующие после шлифовки сплошную цилиндрическую поверхность, по которой осуществляется скользящий контакт и уплотнение трубы. Особенность работы рассматриваемого уплотнительного средства состоит в том, что предварительный рабочий натяг металлических элементов с уплотняемой трубой осуществляется за счет выполнения внутреннего диаметра отверстия манжеты несколько меньшим диаметра уплотняемой поверхности трубы. Компенсация радиальной погрешности стыкуемых деталей осуществляется за счет радиального сжатия лопастей манжеты. Однако указанное уплотнительное средство не может быть применено в конструкции стыковочного патрубка перегрузочной машины для канального ядерного реактора. Это обусловлено тем, что металлические элементы, исходя из специфики работы перегрузочной машины, изготавливают - из нержавеющей стали, которая имеет низкие упругие свойства. Кроме того, форма металлических элементов позволяет компенсировать незначительные угловые перекосы и несоосность стыковочного патрубка и технологического канала реактора. В авторском свидетельстве №793068, кл. F16J 15/46, опубл. 1984 г.представлен блок уплотнения стыковочного патрубка перегрузочной машины канального ядерного реактора, содержащий установленное в корпусе стыковочного патрубка между двумя опорными кольцами уплотнительное средство, выполненное в виде набора W-образных пакетов с дугообразными впадинами и расположенных между пакетами разделительных элементов. Вышеуказанные пакеты образованы W-образными радиально-упругими элементами. Предварительный рабочий натяг радиально-упругих элементов в данном уплотнительном блоке осуществляется, как и в предыдущем авторском свидетельстве, за счет выполнения внутреннего диаметра отверстия пакетов несколько меньшим диаметра технологического канала. Но поскольку радиально-упругие элементы имеют А-образный профиль, у которых средняя часть изогнута в форме дугообразного выступа, направленного в сторону концов гибких лопастей этих элементов, их упругость выше упругости элементов устройства представленного в авторском свидетельстве №793068. Однако, при резком снижении температуры стыковочного патрубка, когда перегрузочная машина подсоединена с технологическим каналом, диаметр уплотняемой поверхности технологического канала уменьшается, и лопасти радиально-упругих элементов, в силу их недостаточной упругости, не успевают надлежащим образом отреагировать на изменение размера уплотняемой поверхности. Кроме того, компенсация угловой несоосности стыковочного патрубка и технологического канала реактора осуществляется путем разворота в корпусе стыковочного патрубка всего блока уплотнения совместно с опорными кольцами, имеющими значительные контактные поверхности с корпусом стыковочного патрубка, что сказывается как на возможности такой компенсации, так и на ее качестве.
Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели является техническое решение по патенту RU №2183036, МКИ 7 G21C 19/10, F16J 15/16. В данном патенте заявлен, блок уплотнения стыковочного патрубка перегрузочной машины канального ядерного реактора, содержащий установленное в обойме между двумя опорными кольцами уплотнительное средство, выполненное в виде набора пакетов, содержащих две выпукло-вогнутые кольцевые манжеты уплотнения и три разделительных кольца. Одно разделительное кольцо расположено внутри пакета. Суммарная толщина манжетных уплотнительных средств в каждом пакете не превышает 1÷2 мм. Все пакеты приведенного аналога уплотнены сжимающим средством из упругих колец V-образного профиля, дугообразные вершины которых расположены в дугообразных впадинах W-образных пакетов и контактируют с ними, а выполненные с перегибом в сторону дугообразных вершин лопасти упруго контактируют с лопастями W-образных пакетов. Нижнее опорное кольцо снабжено кольцевым выступом в виде полутора, контактирующего с дугообразной впадиной нижнего пакета. Верхнее опорное кольцо снабжено кольцевой канавкой под дугообразную вершину разделительного кольца. Отличительными признаками предлагаемого блока уплотнения стыковочного патрубка перегрузочной машины является установка W-образных пакетов дугообразными впадинами на дугообразных вершинах упругих разделительных элементах и разделительных элементов с соответствующими пакетами. Благодаря этому осуществляется независимый разворот каждого пакета на дугообразных вершинах разделительных элементах и вершине полутора нижнего опорного кольца. Величина этого разворота пропорциональна величине исходной несоосности продольной оси стыковочного патрубка, продольной оси технологического канала и величины отстояния конкретного пакета от нижнего опорного кольца. В процессе разворота пакеты выставляются вдоль оси технологического канала, а усилие контакта между пакетами и уплотняемой поверхностью технологического канала останется без изменения, равное исходному.
Недостатками ближайшего аналога являются низкая уплотняющая способность при длительной эксплуатации, сложность сборки.
Задача, решаемая полезной моделью, заключается в повышении уплотняющей способности при длительной эксплуатации, упрощении сборки блока уплотнения.
3
Сущность полезной модели состоит в том, что в блоке уплотнения стыковочного патрубка перегрузочной машины канального ядерного реактора, содержащем расположенные в обойме между нажимным и опорным кольцами уплотнительные средства, выполненные в виде набора пакетов выпукло-вогнутых кольцевых манжетных уплотнений с разделительными кольцами, и узел сжатия уплотнительного средства, предложено, в пакете каждое манжетное уплотнение выполнить из упруго-деформируемого материала, ограниченного с двух сторон идентичными по форме упругими разделительными кольцами, толщину манжетного уплотнения выбрать из условия Н - 2÷4 мм, толщину упругого разделительного кольца h - 0,3÷0,6 мм, выпуклость на манжетах выполнить в средней части радиусом R - 2,0÷2,5 мм, угол развала вогнутости манжеты α - 115÷125°. Кроме того, предложено, в пространстве между пакетами разместить коллоидно-графитовую пасту, кольцевые манжеты выполнить из терморасширенного графита с плотностью 1,4÷1,6 г/см. Под опорным кольцом расположить направляющий наконечник, оснащенный кольцевыми канавками под грязесъемник и пылесборники, заполненные коллоидно-графитовой пастой или графитовым шнуром с графитовой пастой. На опорном кольце со стороны внутреннего и наружного диаметров выполнить радиальные пазы.
3
Совместное использование заявленных отличительных признаков ограничительной части формулы полезной модели обеспечивает решение поставленной задачи по повышению уплотняющей способности блока уплотнения при длительной эксплуатации, упрощает процесс сборки. Оформление уплотняющего средства в виде набора пакетов, образованных идентичными, однотипными пакетами, состоящими из выпукло-вогнутых упругих кольцевых манжет, охваченных с двух сторон упругими разделительными упругими кольцами, примыкающими к ним, является новым. Каждый пакет стал обладать более высокими упругими свойствами за счет использования упругих разделительных колец и упругих манжетных уплотнений. Кроме того, внутри пакета увеличена толщина уплотнительных кольцевых манжет. Экспериментально определенная толщина манжетного уплотнения 2÷4 мм. Максимальная толщина манжеты не должна превышать 4 мм, т.к. при большой толщине подвижность пакетов показатель упругости пакета, а, следовательно, и блока уплотнения в целом ухудшается. Это позволяет блоку уплотнения, работающему по принципу рессоры, выдерживать длительные рабочие нагрузки при сохранении высокой надежности уплотнения. На достижение этого результата работают и другие параметры блока, указанные в отличительной части формулы. При других размерах упругость разделительных колец будет недостаточна для обеспечения надежной работы каждого пакета и блока уплотнения в целом. Толщина упругого разделительного кольца должна находиться в интервале 0,3÷0,6 мм. Это обусловлено требованиями по установки определенного зазора между пакетами. Чем больше толщина упругого кольца, в пределах обеспечения требуемой упругости, тем больше движение уплотнительного материала в сторону уплотняемой поверхности. Угол развала вогнутости манжеты в 115÷125° определен из условия, что в качестве материала для изготовления манжеты будет использоваться упругий графитизированный материал, например, терморасширенный графит с плотностью 1,4÷1,6 г/см. Графитизированные материалы обладают хорошей уплотняющей способностью, но больших изгибов не допускают, т.к. при изгибе нарушается сложность материала. В совокупности всех пакетов обеспечивается повышение общей площади контактной поверхности блока уплотнения на 95%, что так же приводит к повышению уплотняющей способности блока уплотнения. Надежность и эффективность работы блока уплотнения может быть повышена, если снабдить блок направляющим наконечником и выполнить на нем кольцевые канавки, профилированную канавку использовать в качестве грязесборника, а другие - для формирования пылесборников путем заполнения одной канавки коллоидно-графитовой пастой, а других - графитовым шнуром с графитовой пастой. В тех случаях, когда упругости набора пакетов будет недостаточно, на опорном кольце со стороны внутреннего и наружных диаметров выполняют радиальные пазы (фиг.4).
Заявляемая полезная модель проиллюстрирована графическим материалом, где на фиг.1 показан общий вид блока уплотнения стыковочного патрубка перегрузочной машины, на фиг.2 уплотнительное средство с указанием существенных параметрических размеров, заявляемых в отличительной части формулы полезной модели. Н - толщина упругого манжетного уплотнения (мм); h -толщина упругого разделительного кольца (мм); α - угол развала вогнутости манжеты. На фиг.3 представлен фрагмент места контакта упругих колец двух смежных пакетов с параметрическим размером R - радиус выпуклости манжеты. На фиг.4 проиллюстрирован вариант выполнения опорного кольца (вид сверху).
Блок уплотнения стыковочного патрубка перегрузочной машины состоит из обоймы 1, в которой размещено уплотнительное средство 4 2, выполненное в виде набора пакетов 3, содержащих выпукло-вогнутые кольцевые манжетные уплотнения 4, выполненные из терморасширенного графита и упругие стальные кольца 5 Кольцевое манжетное уплотнение 4 расположено внутри пакета 3 между упругими стальными кольцами. 5, плотно сопряжено с ними, образуя упруго-деформируемую «рессору». Уплотнительное средство 2 в нижней части установлено на опорное кольцо 6, а сверху поджато нажимным кольцом 7. Под опорным кольцом 6 и над нажимным кольцом 7 установлены плавающие кольца 8. Набор пакетов 3 через плавающие кольца предварительно фиксируется в обойме 1 посредством кольца-затвора 9, зафиксированного в кольцевом затворе 9 разрезным кольцом 10. Предварительное сжатие уплотнительного средства обеспечивается посредством крепежного винта 11. Блок уплотнения располагается в корпусе наконечника перегрузочного скафандра разгрузочно-загрузочной машины (на фиг.1 не показан). Под нижним плавающим кольцом 7 размещен направляющий наконечник 12 с кольцевым грязесъемником 13. Выше грязесъемника 13 выполнена кольцевая фигурная расточка под пылесъемник 14, заполненная коллоидно-графитовой пастой, выполняющей функцию пылесъемника. С этой же целью между грязесъемником 13 и пылесъемником 14 в кольцевой расточке размещен пылесъемник 15 из сплетенного графитового шнура, смазанного коллоидно-графитовой пастой. Коллоидно-графитовой пастой заполнено свободное пространство между пакетами и остальными скользящими поверхностями блока уплотнения. Блок уплотнения в собранном виде представляет собой своеобразную рессору, демперфирующую радиальное сжатие (на величину натяга по внутреннему диаметру) при стыковке с технологическим каналом 17 и выдерживающую рабочие нагрузки без остаточной деформации манжет уплотнения.
cж
сж
налива
раб.
осевое
сж
раб
раб
бок
сж
2
2
2
Работа блока уплотнения осуществляется следующим образом. В исходном положении (до стыковки с топливным каналом ядерного реактора) уплотнительный блок манжет подвергают (настроенной) деформации сжатия винтами 11 до обеспечения осевого сжатия (Q=2…3 тс) достаточного для образования предварительного натяга Δ0,5÷0,8 мм к уплотняемому после стыковки диаметру головки технологического канала, что обеспечивает контактные напряжения сжатия головок перегружаемых каналов с σ=15÷25 кгс/см. В дальнейшем после сборки, стыковки с технологическим каналом и заполнения полости стыковочного патрубка водой (из полости скафандра) Р=2,0÷2,5 кгс/см обеспечивается абсолютная герметичность блока уплотнения с ТК. Перед извлечением подвески с ТВС из ТК в перегрузочном скафандре рабочее давление возрастает до Р=90…95 кгс/см, при этом на кольцевую поверхность пакета кольцевых упругих графитовых манжет воздействует Q≥10 тс, что создает контактные напряжения сжатия графита на уплотняемых цилиндрических поверхностях σ=0,б Р≥60 кгс/см, при этом боковые части верхних манжет начинают работать в режиме самоуплотнения. Одновременно в работу включается двухсторонний клиновой механизм, образуемый в местах сопряжения (фиг.3) выступа и впадин металлических колец пакетов. Высота каждого пакета манжет под действием 0Осевое=Ю тс упруго сжимается на ΣΔh=1,5÷2 мм (при Р=9 МПа), нижние части упругих колец раздвигают кольцевое уплотнительное средство на Δb=0,2÷0,3 мм, что более чем в два раза увеличивает уплотняющие напряжения сжатия головки ТК. При извлечении из ТК отработанного ядерного топлива (ОТВС) с остаточным тепловыделением диаметр уплотняемого канала увеличивается на величину Δd=0,15…0,25 мм. Упругое кольцо выполнено из ленты О8Х18Н10Т толщиной σ=0,3…06 мм и выгнутые по R=2÷2,5 в центре легко отрабатывают тепловые и механические изменения размеров головки ТК и набора пакетов за счет увеличения (уменьшения) величины прогиба концов манжет. После завершения перегрузки канала реактора в полости СП гидростатическое давление уменьшается до нуля, вода из полости СП вытесняется в скафандр перегрузочной машины. Уплотнительное средство восстанавливает свое исходное положение и освобождает головку ТК от напряжения сжатия - σ.
Использование предложенной полезной модели позволяет значительно повысить надежность и ресурс работы блока уплотнения стыковочного патрубка перегрузочной машины.