РЕЗЕРВУАР ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
HIGH PRESSURE TANK

Изобретение относится к резервуарам высокого давления, в частности к конструкциям корпусов ядерных реакторов со сверхкритическими параметрами теплоносителя.
В развитии ядерной энергетики в настоящее время характерно увеличение температуры теплоносителя и получение из него рабочего пара с высокой рабочей температурой.
В корпусных водоводяных реакторах типа ВВЭР-1000 теплоноситель нагревается не выше 330°С при давлении в корпусе реактора около 16 МПа (~160 атм), в то время как температура рабочего пара на современных тепловых станциях составляет около 550°С.
Чтобы получить такую же температуру рабочего пара в корпусных ядерных реакторах типа ВВЭР-1000, необходимо поднять в корпусе реактора рабочее давление теплоносителя минимум до 25 МПа (~250 атм).
Увеличение давления теплоносителя до 25 МПа влечет за собой увеличение толщины монолитной стенки корпуса реактора. Если при давлении теплоносителя 16 МПа в корпусе ВВЭР-1000 толщина стенки в местах патрубков достигает 230 мм, то при давлении 25 МПа толщина стенки может превысить 400 мм.
Стенка корпуса реактора толщиной около 400 мм, получаемая методом горячей ковки, как у корпуса реактора ВВЭР-1000, из-за своей толщины может содержать много трудноконтролируемых дефектов в виде пор, трещин, несплошностей и т.д., не говоря уже о возможности появления на такой же толщине дефектов в сварных швах.
В технике известны попытки замены монолитной стенки сосуда высокого давления на многослойную стенку, как, например, у стволов дальнобойных орудий, которые выдерживают очень высокие давления.
Кроме этого, также известны корпуса сосудов высокого давления, стенка у которых выполнена многослойной (см. книгу Н.П.Мельникова «Конструктивные формы и методы расчета ядерных реакторов», М.: Энергоатомиздат, 1985 г., стр.179, рис.4.30 "Цилиндрический многослойный корпус"), а также известно авторское свидетельство СССР №947562 от 30.07.82 г. "Сосуд высокого давления".
Многослойные стенки сосудов высокого давления обладают значительно более высокими прочностными и эксплуатационными характеристиками по сравнению с монолитными стенками такой же толщины, однако широкого применения в корпусах ядерных реакторов они не нашли, скорее всего из-за технологических трудностей обеспечения плотного прилегания слоев друг к другу, чтобы многослойная стенка корпуса могла работать как единая стенка, а также из-за трудностей сварки многослойной стенки с монолитными деталями корпуса реактора, такими как фланцы, патрубки и т.д.
Наряду с многослойными корпусами известны ядерные реакторы с многостенными корпусами, состоящими из набора относительно тонкостенных сосудов, вставленных друг в друга с заданным зазором, наподобие русской «матрешки».
Чтобы набор тонкостенных сосудов работал как единая стенка, в зазорах между стенками в процессе работы реактора создают противодавление, получаемое от «дробления» рабочей величины давления теплоносителя внутри корпуса реактора с помощью гидравлических сопротивлений в виде редукторов или мультипликаторов.
Принцип такой конструкции корпуса сосуда высокого давления был запатентован в СССР в 1934 году (см. авт. свид. СССР №38642, «Цилиндрический сосуд для высоких внутренних давлений»).
В 1977 году этот принцип был усовершенствован применительно к корпусу ядерного реактора (см. авт. свид. СССР №550518, «Резервуар высокого давления»). Это авторское свидетельство взято за прототип.
По этому авторскому свидетельству корпус ядерного реактора выполняется многостенным, состоящим из набора относительно тонкостенных сосудов, вставленных друг в друга с заданным зазором, наподобие русской «матрешки».
Такая конструктивная схема многостенного резервуара высокого давления позволяет нагружать каждую стенку его корпуса в пределах наиболее оптимального уровня рабочих напряжений, а в случае эксплуатационной необходимости перераспределять уровни рабочих напряжений в каждой стенке всего лишь за счет изменения величин гидравлических сопротивлений в гидравлической схеме «дробления» величины рабочего давления теплоносителя внутри реактора.
Для ядерных реакторов со сверхкритическими параметрами теплоносителя такое конструктивное решение корпуса реактора теоретически позволяет строить корпусные ядерные реакторы с любыми сверхкритическими параметрами теплоносителя.
Однако до настоящего времени ни одного ядерного ректора с многостенным корпусом построено не было. Объясняется это тем, что известная конструктивная схема многостенного корпуса ядерного реактора с точки зрения безопасности его эксплуатации весьма уязвима, например, в случае выхода из строя по какой-либо причине на рабочем режиме гидравлической системы создания межстеночного противодавления стенки корпуса могут разрушаться одна за другой, что в итоге может привести к полному разрушению всего корпуса ядерного реактора.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание конструкции многостенного корпуса резервуара высокого давления, которая может полностью сохранять свои прочностные характеристики в случае выхода из строя гидравлической системы межстеночного противодавления.
Технический результат, получаемый в результате поставленной задачи, заключается в том, что многостенный корпус резервуара высокого давления, работающий по схеме межстеночного противодавления, в случае выхода из строя гидравлической системы межстеночного противодавления автоматически переходит на схему работы корпуса резервуара высокого давления с многослойной стенкой.
Указанный технический результат достигается тем, что в резервуаре высокого давления, состоящего из нескольких кооаксиально расположенных оболочек, зазоры между которых образуют гидравлическую цепь сообщающихся между собой полостей, заполненных рабочей жидкостью и отделенных друг от друга гидравлическими сопротивлениями, при этом один конец цепи входом связан с внутренней полостью резервуара, а в зазорах между стенками оболочек плотно установлены распорные элементы с возможностью доступа рабочей жидкости к стенкам оболочек.
Кроме этого, распорные элементы выполнены в виде распорных колец с рифленой поверхностью, состоящей из выступов и впадин.
Кроме этого, один торец распорного кольца с рифленой поверхностью, состоящей из выступов и впадин, выполнен гладким.
Кроме этого, на наружных и внутренних поверхностях распорных колец с рифленой поверхностью, состоящей из выступов и впадин, продольные оси выступов и впадин ориентированы преимущественно вдоль оси распорных колец.
Кроме этого, стенка внутренней оболочки резервуара высокого давления выполнена по крайней мере в 1,5 раза толще остальных стенок резервуара.
Кроме этого, величина зазора между стенкой внутренней оболочки резервуара высокого давления и следующей за ней стенкой выполнена, по крайней мере, в 2 раза больше величины зазора между другими стенками оболочек.
Резервуары высокого давления и корпуса ядерных реакторов, у которых стенки выполнены по схеме русской «матрешки», теоретически обладают возможностью эксплуатироваться на сверхкритических параметрах давления, если зазоры между стенок заполнить рабочей жидкостью, например, водой или маслом, и соединить эти зазоры между собой через гидравлические сопротивления, например, через гидравлические редукторы, при этом образовавшуюся гидравлическую систему одним концом соединить с внутренней полостью резервуара.
Такая гидравлическая система позволяет нагружать каждую стенку многостенного корпуса резервуара высокого давления частью величины рабочего давления внутри его путем «дробления» этой величины за счет гидравлических редукторов, устанавливая их на определенную величину перепада давления. Примером такого одноступенчатого дробления может служить газовый редуктор, который устанавливают на газовый баллон с внутренним давлением 200 атм, чтобы на выходе из редуктора получать давление, необходимое, например, для сварочных работ, которое составляет не более одной атмосферы.
Дробление рабочего давления по этой схеме происходит ступенчато, сначала после первого гидравлического редуктора оно подается в первый межстеночный зазор, образованный стенкой внутренней оболочки и следующей за ней стенкой второй оболочки, после из этого зазора редуцированное давление подается через второй гидравлический редуктор в следующий межстеночный зазор и т.д. Каждый следующий гидравлический редуктор снижает рабочее давление на заданную расчетную величину таким образом, чтобы в последнем зазоре, образованном последней наружной стенкой, величина давления рабочей жидкости создавала в наружной стенке многостенного корпуса оптимальное рабочее напряжение при максимальном рабочем давлении внутри резервуара.
Чтобы обезопасить корпус реактора от разрушения в случае аварии, на рабочем режиме гидравлической системы создания ступенчатого противодавления в межстеночных зазорах плотно установлены распорные элементы с рифленой поверхностью, например, распорные кольца с рифленой поверхностью в виде выступов и впадин, которые обеспечивают свободное заполнение рабочей жидкостью полостей между оболочками.
Чтобы обеспечить свободное перемещение рабочей жидкости по обе стороны распорных колец, на одном торце распорного кольца выполнены выступы и впадины, а другой торец выполнен гладким. Такая конструкция распорного кольца, с одной стороны, обеспечивает свободное перетекание рабочей жидкости по обе стороны распорного кольца, а с другой стороны, упрощает установку распорных колец в межстеночном пространстве.
Ориентация осей выступов и впадин на наружной и внутренней поверхностях распорного кольца преимущественно вдоль его оси обеспечивает свободное движение рабочей жидкости вдоль стенок, что необходимо при заполнении межстеночных зазоров рабочей жидкостью, а также в случае необходимости аварийной прокачки рабочей жидкости с целью охлаждения стенок резервуара высокого давления, например, в случае аварийного охлаждения стенок корпуса ядерного реактора.
Выполнение стенки внутренней оболочки резервуара высокого давления по крайней мере в 1,5 раза толще остальных стенок резервуара, например в случае многостенного корпуса ядерного реактора, позволяет в аварийных ситуациях удлинить время до ее разрушения и возможности за это время автоматически сбросить рабочее давление в реакторе.
Увеличение зазора между стенкой внутренней оболочки резервуара высокого давления и следующей за ней стенкой по крайне мере в 2 раза больше величины зазора между другими стеками оболочек направлено на то, чтобы имелась возможность в случае аварийной ситуации пропускать через этот зазор, например, воду для охлаждения стенки внутренней оболочки.
исх.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная гидравлическая схема применительно к многостенному корпусу ядерного реактора. На схеме условно показан фрагмент многостенного корпуса ядерного реактора 1, состоящий из семи стенок, внутренняя зона 2 ядерного реактора, компенсатор-разделитель 3 с разделительным поршнем 4, который отделяет теплоноситель 5 от рабочей жидкости 6, при этом исходное давление теплоносителя Р распределяется по межстеночным зазорам с помощью гидравлических редукторов 7.
На фиг.2 условно показан цилиндрический участок многостенного корпуса ядерного реактора. На фиг.3 показан фрагмент А продольного разреза цилиндрической стенки корпуса ядерного реактора, в котором показана внутренняя стенка 1 корпуса, рифленое распорное кольцо 2, наружная стенка 3. На фиг.4 показан участок поперечного сечения распорного кольца.
Резервуар высокого давления в качестве корпуса ядерного реактора работает следующим образом. Давление теплоносителя из реактора сначала подается в компенсатор-разделитель, представляющий собой цилиндр высокого давления, внутренняя полость которого с помощью поршня разделена на две зоны: на зону теплоносителя и зону рабочей жидкости, например воды или масла.
Давление теплоносителя через разделительный поршень передается рабочей жидкости, которая с помощью гидравлических редукторов, установленных на расчетный перепад давления, ступенчато распределяет это давление в каждую межстеночную зону корпуса реактора.
Сначала давление рабочей жидкости, пройдя первый гидравлический редуктор, устанавливается в первой межстеночной зоне, которая примыкает к внутренней стенке корпуса реактора, потом это давление в свою очередь с помощью второго гидравлического редуктора уменьшается на расчетную величину и подается в следующую межстеночную зону и так заполняются в убывающем порядке все межстеночные зазоры, при этом в последнем зазоре, примыкающем к наружной стенке корпуса реактора, устанавливается минимальная часть от рабочего давления теплоносителя.
При максимальном рабочем давлении теплоносителя межстеночные давления рассчитываются таким образом, чтобы максимальные напряжения в каждой стенке не превышали расчетных значений запасов прочности.
Пример изготовления резервуара высокого давления
Вначале изготавливают стенки цилиндрической части многостенного корпуса. Для этого изготавливают цилиндрические оболочки из листов толщиной 40-50 мм, для чего листы сваривают и из них вальцуют обечайки, после чего сваривают продольным швом и повторно вальцуют, чтобы получить цилиндрическую оболочку. После этого все оболочки обрабатываются изнутри и снаружи с допусками, необходимыми для обеспечения при сборке с распорными кольцами плотной посадки без зазоров. Перед тем как собирать из обточенных оболочек корпус сосуда, на наружную поверхность каждой оболочки, за исключением наружной, надевают вплотную друг другу распорные кольца. Перед тем, как надеть распорное кольцо на оболочку, его нагревают до 500-700°С, чтобы после охлаждения между кольцом и оболочкой обеспечивалась прессовая посадка. После охлаждения распорных колец и оболочки наружный диаметр колец окончательно доводят тонким точением до расчетного диаметра, который необходим для обеспечения гарантированной плотной посадки в наружную оболочку.
Сборку корпуса сосуда начинают с установки и приварки наружной оболочки к днищу корпуса. После контроля сварного шва и его зачистки в наружную оболочку устанавливают по плотной посадке оболочку с распорными кольцами. После приварки оболочки к днищу и контролю сварного шва в эту оболочку устанавливают следующую оболочку с распорными кольцами и т.д.