АМОРТИЗИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ТРАНСПОРТНОГО УПАКОВОЧНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ СБОРОК РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ
DAMPER FOR CARRY-AND-PACK COMPLEX FOR REACTOR PLANT FUEL ROD BUNDLES

Заявляемое в качестве изобретения амортизирующее устройство для транспортного упаковочного комплекта (ТУК) для транспортирования тепловыделяющих сборок реакторной установки относится к области оборудования для атомной энергетики, в частности к защитным средствам, используемым при транспортировке чехлов транспортных (ЧТ), загруженных свежими тепловыделяющими сборками (ТВС) для ядерного реактора.
Известно использование амортизирующего устройства - демпфирующего кожуха в транспортно-упаковочном комплекте для транспортировки и хранения отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС) (1). (Описание к патенту RU №2313144, опубликовано 20.12.2007 г.) Транспортно-упаковочный комплект (ТУК) для транспортировки и хранения ОТВС включает контейнер и разъемный демпфирующий кожух, выполненный таким образом, чтобы минимизировать высоту подъема контейнера при помещении его в разъемный демпфирующий кожух. Разъемный демпфирующий кожух содержит удародемпфирующие элементы в форме труб. ТУК снабжен средствами для скрепления демпфирующего кожуха с контейнером. Разъемный демпфирующий кожух выполнен в виде съемного с торцевым перекрытием барабана, выполняющего роль торцевой крышки, и основания, взаимодействующего с днищем корпуса контейнера. Внутри барабан имеет продольные центрирующие направляющие элементы, выполненные с возможностью взаимодействия с корпусом контейнера при накрывании последнего барабаном. На основании демпфирующего кожуха установлены направляющие элементы, взаимодействующие с соответствующими ответными элементами контейнера для обеспечения заданного углового положения последнего относительно продольной оси демпфирующего кожуха. ТУК предназначен для транспортировки и хранения отработавших тепловыделяющих сборок, помещенных в металлобетонные контейнеры (МБК).
Известная конструкция характеризуется особенностью демпфирующих элементов, выполненных в виде труб, горизонтально уложенных на основании и барабане и вертикально уложенных вдоль обечаек кожуха, жестко связанных сваркой как между собой, так и с применением шпангоутов и стрингеров. При необходимости демпфирования ударных нагрузок в конструкции с жесткими связями будут происходить сложнопрогнозируемые деформации, причем цилиндрическая форма демпфирующих элементов определяет максимальное сопротивление элементов в начальный момент, а наличие жестких связей делает демпфирующие элементы еще более жесткими. Все сказанное усложняет обоснование и выбор характеристик демпфирующих элементов и практически делает невозможным обеспечить плавное гашение удара, особенно когда необходимо смягчить ударную нагрузку при падении ТУК с большой, порядка 30 м высоты (высот больших, чем регламентируемые МАГАТЭ 9 м), что обуславливает снижение надежности контейнера при перегрузочных операциях. Кроме того, недостатком устройства является сложность процедуры установки на контейнере съемного демпфирующего кожуха. Тяжеловесный контейнер с радиоактивными элементами необходимо закрыть с торцов основанием и барабаном, крепящимися по периметру кожуха резьбовым фланцевым соединением, и закрепить на контейнере перед транспортированием.
Известно также амортизирующее устройство, применяемое с контейнером для транспортирования и длительного хранения ОТВС, содержащее наружный корпус с крышкой, амортизаторы, внутренний корпус с крышкой и со средствами для крепления с наружным корпусом, опирающийся на амортизаторы, жестко закрепленные на дне горизонтально расположенного наружного корпуса (2). (Описание к патенту на изобретение RU №2148864, опубликовано 10.05.2000 г.) Контейнер снабжен чехлом с гнездами для ОТВС, установленным во внутреннем корпусе. Крышка наружного корпуса расположена в его торце, причем ее внутренняя поверхность снабжена жестко закрепленными и равномерно расположенными амортизаторами. Амортизаторы на дне наружного корпуса расположены равномерно, каждый амортизатор набран из стаканов, выполненных в виде полых металлических цилиндров разного диаметра, установленных друг в друге с зазорами в направлении приложения нагрузки и жестко связанных между собой в месте сопряжения.
Недостатком амортизирующего устройства, помещаемого внутри контейнера, является сложность использования и низкая надежность при перегрузочных операциях. Демпфирующие элементы, располагающиеся внутри контейнера и рассчитанные только на осевые (горизонтальные) ударные нагрузки, в процессе перегрузки и возможном падении контейнера не обеспечивают защиту экологически опасного груза от воздействия угловых и боковых ударных нагрузок, особенно при падении с больших высот (более 9 м).
Наиболее близкими по назначению, технической сущности и достигаемому результату к заявляемому в качестве изобретения амортизирующему устройству является противоударный демпфер, используемый в транспортно-упаковочном комплекте (ТУК) для транспортировки и хранения отработавшего ядерного топлива. (Патент RU №2400843, опубл. 27.09.2010.) ТУК включает контейнер, на торцах которого установлены съемные противоударные демпферы, которые соединены между собой с помощью стяжек, расположенных вокруг корпуса контейнера вдоль продольной оси последнего. Противоударные демпферы выполнены каждый в виде набора, состоящего по меньшей мере из двух пластинчатых колец, установленных перед торцом контейнера, и по меньшей мере двух пластинчатых колец, охватывающих боковую поверхность корпуса контейнера. Все кольца в наборе установлены соосно и жестко соединены посредством продольных труб, пропущенных через сквозные отверстия в кольцах, причем отверстия выполнены по меньшей мере в два ряда таким образом, что их центры равномерно распределены по концентричным окружностям, при этом трубы, пропущенные через отверстия по меньшей мере одного ряда, взаимодействуют с торцом контейнера.
Недостатком известного амортизирующего противоударного демпфера является сложность процедуры установки его на контейнере, связанная с необходимостью установки большого количества стяжек, а также низкая надежность защиты контейнера при торцевой нагрузке. Поглощение энергии удара происходит за счет потери устойчивости стенок труб, что подразумевает жесткую работу амортизирующих элементов в начальный период и резкое уменьшение сопротивления амортизирующих элементов после потери устойчивости стенок, что неприемлемо для обеспечения плавного снижения нагрузок на контейнер и при поглощении большой энергии удара при падении ТУК с больших, более 9 м, высот.
Аналогичные процессы свойственны известному амортизирующему противоударному демпферу при боковой и угловой ударных нагрузках из-за приема нагрузки трубчатыми демпфирующими элементами, которые размещены вдоль оси контейнера и которые более жестки в начальный момент деформации. Кроме того, через часть из них проходят стяжки, препятствующие свободной деформации труб.
Перечисленные особенности в совокупности затрудняют обеспечение плавного гашения энергии удара, особенно когда необходимо смягчить ударную нагрузку при падении ТУК с большой, порядка 30 м высоты. Жесткое крепление контейнера с ОТВС в съемном амортизирующем устройстве не позволяет ограничить нагрузки на ТВС в пределах допускаемых, что снижает надежность амортизирующего устройства при перегрузочных операциях. Кроме того, жесткое крепление контейнера с перегружаемыми тепловыделяющими стержнями в амортизирующих устройствах является общим недостатком известных демпфирующих устройств, используемых при транспортировке и перегрузке транспортно-упаковочных комплектов для транспортировки и хранения отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС). Этот недостаток вообще недопустим при транспортировке чехлов транспортных (ЧТ), загруженных свежими тепловыделяющими сборками (ТВС). При ударных нагрузках различного направления сами центрирующие направляющие элементы в амортизирующих устройствах могут стать причиной повреждения ЧТ и ТВС.
Задачей, решаемой заявленным в качестве изобретения усовершенствованием амортизирующего устройства, является повышение надежности последнего при ударных нагрузках различных направлений и предотвращение повреждения ТВС, установленных в ЧТ.
Техническим результатом, обеспечивающим повышение сохранности ТВС при использовании усовершенствованного амортизирующего устройства, является возможность обеспечения плавного гашения энергии удара, благодаря плавному увеличению сопротивления удару всеми элементами амортизирующего устройства.
Поставленная задача решается тем, что в амортизирующем устройстве, содержащем корпус с крышкой в виде цилиндрических стаканов, средства крепления крышки с корпусом и демпфирующие узлы с противоударными элементами, жестко закрепленные на торцах корпуса и крышки и на боковых поверхностях корпуса и крышки, согласно изобретению на внутренней боковой поверхности корпуса и крышки выполнены соосные оси корпуса, направляющие в виде пластин, соединенных с корпусом и крышкой пластинчатыми ребрами с предварительным изгибом в центральной части по линии, параллельной оси корпуса, демпфирующие узлы на наружной боковой поверхности корпуса и крышки выполнены в виде поясных элементов, образованных из соосных оси корпуса концентричных цилиндрических колец, противоударные элементы которых выполнены в виде радиально установленных пластинчатых ребер с предварительным изгибом в центральной части по линии, параллельной оси корпуса, при этом пластинчатые ребра в одном ряду между соседними цилиндрическими кольцами установлены с изгибом в одну сторону, а в соседних рядах, разделенных цилиндрическим кольцом, пластинчатые ребра смещены в шахматном порядке и установлены с встречным изгибом, а демпфирующие узлы на торцевых поверхностях корпуса и крышки образованы горизонтальными кольцевыми пластинами со ступенчато изменяющимся снизу вверх наружным диаметром, между которыми размещены радиально установленные пластинчатые ребра, выполненные с предварительным изгибом в центральной части по линии, перпендикулярной оси корпуса, при этом наружный диаметр горизонтальных кольцевых пластин, замыкающих демпфирующие узлы на торцевых поверхностях крышки и корпуса, совпадает с диаметром наружных вертикальных цилиндрических колец, формирующих демпфирующие узлы на боковой поверхности крышки и корпуса, кроме того, пластинчатые ребра в демпфирующих узлах на торцевой поверхности крышки и корпуса в одном слое между соседними горизонтальными кольцевыми пластинами установлены с изгибом в одну сторону, а в ниже и выше лежащих слоях изгиб пластинчатых ребер противонаправлен и они послойно смещены по окружности, и демпфирующие узлы, закрепленные на торцевой и боковой поверхности крышки, выполнены с технологическими проемами для доступа к грузовым цапфам, а средства крепления крышки с корпусом выполнены в виде быстродействующего дистанционно управляемого байонетного запирающего устройства.
Использование в демпфирующих узлах на боковой поверхности корпуса и крышки амортизирующего устройства в качестве противоударных элементов пластинчатых ребер с предварительным изгибом в центральной части по линии, параллельной оси корпуса, и в демпфирующих узлах на торце корпуса и крышки - пластинчатых ребер, предварительно изогнутых в центральной части по линии, перпендикулярной оси корпуса, обеспечивают стабильность и определенность пластической деформации демпфирующих узлов при ударных нагрузках различного направления за счет поочередно включающихся в работу предварительно изогнутых и закрепленных послойно между кольцевыми пластинами и цилиндрическими кольцами рядов и слоев ребер, что усиливает способность демпфирующих узлов плавного поглощения энергии ударных нагрузок. Наличие предварительного изгиба пластинчатых ребер в центральной части задает протекание деформационного процесса в области пластических деформаций и способствует его определенности и стабильности.
При этом благодаря выполнению на внутренней боковой поверхности корпуса и крышки направляющих в виде вертикальных плит, соединенных с корпусом и крышкой пластинчатыми ребрами с предварительным изгибом в центральной части, их способность плавно «гасить» ударные нагрузки в наиболее опасных направлениях - перпендикулярно и под углом к оси корпуса увеличивается многократно за счет послойного и порядного срабатывания амортизирующих узлов на торцевых и боковых поверхностях корпуса и крышки, что повышает надежность защиты помещаемого в амортизирующее устройство ЧТ, загруженного свежими ТВС при транспортных операциях.
Благодаря расположению пластинчатых ребер в соседних слоях и в рядах демпфирующих узлов на торцевых и боковых поверхностях крышки и корпуса со смещением и с противоположным направлением предварительного изгиба и благодаря равенству наружных диаметров замыкающих горизонтальных кольцевых пластин в демпфирующих узлах на торцевых поверхностях корпуса и крышки и наружных вертикальных колец в демпфирующих узлах на боковой поверхности корпуса и крышки, а также благодаря включению в работу амортизирующего устройства направляющих на внутренней боковой поверхности корпуса и крышки, повышается суммарное поглощение энергии при деформации пластинчатых ребер в случае падения амортизирующего устройства на крышку или днище корпуса под углом как наиболее опасной аварийной ситуации.
Пример выполнения заявленного амортизирующего устройства поясняется чертежами.
На фиг.1 - амортизирующее устройство в изометрии.
На фиг.2 представлен общий вид устройства.
На фиг.3 - разрез А-А по боковой поверхности корпуса.
На фиг.4 - выносной элемент Г бокового демпфирующего узла.
На фиг.5 - выносной элемент Б запирающего байонетного кольца.
На фиг.6 - сечение В-В запирающего байонетного кольца в положении «Открыто» и «Закрыто».
На фиг.7 - схема смещения ребер в слоях верхнего демпфирующего узла.
На фиг.8 - схема смещения ребер в слоях нижнего демпфирующего узла.
Амортизирующее устройство содержит корпус 1 и крышку 2, устанавливаемую на верхнюю секцию 3 корпуса 1, снизу ограниченного основанием 4. Для установки ЧТ и его ориентации в амортизирующем устройстве во внутренней полости корпуса и крышки имеются направляющие 5 (фиг.3). Опорная поверхность крышки 2, контактирующая с поверхностью верхней секции 3, выполнена с выступами 6 по наружному диаметру, ориентирующими крышку относительно корпуса в пазах поворотного байонетного кольца 7 (фиг.6) байонетного запирающего устройства, установленного на корпусе 1 (фиг.2).
На торцевых поверхностях основания 4 корпуса и крышки 2 жестко закреплены демпфирующие узлы 8, выполненные в виде разделенных горизонтальными кольцевыми пластинами 9 с уменьшающимся к месту крепления (торцевые поверхности крышки и корпуса) наружным диаметром и приваренных между ними пластинчатых ребер 10 и 11 (фиг.1, 2, 7, 8), выполненных с предварительным изгибом в центральной части по линии, перпендикулярной оси корпуса. В одном слое, ограниченном соседними пластинами 9, устанавливаются пластинчатые ребра 10 с одинаковым направлением изгиба, а в соседнем слое - ребра 11, имеющие противоположное направление изгиба. При этом пластинчатые ребра 10 и 11 в соседних слоях смещены относительно друг друга по окружности (фиг.7 и 8) на величину дуги, соразмерную толщине пластинчатых ребер. Размер угла предварительного изгиба в центральной части пластинчатых ребер 10 и 11 определяется в зависимости от технических характеристик амортизирующего устройства и условием наиболее полного использования деформации каждого из ребер.
Демпфирующие узлы 12 (фиг.1, 2, 3,4), размещенные на боковой поверхности корпуса 1, крышки 2 и верхней секции 3, выполнены в виде поясных элементов, сформированных концентрично установленными вертикальными цилиндрическими кольцами 13, между которыми жестко закреплены радиально установленные с предварительным изгибом в центральной части по линии, параллельной оси корпуса и крышки, пластинчатые ребра 14 и 15, выполняющие функцию демпфирующих элементов. При этом пластинчатые ребра 14, размещенные в одном ряду между соседними вертикальными цилиндрическими кольцами 13, установлены с изгибом в одну сторону, а в соседних рядах, отделенных вертикальными цилиндрическими кольцами 13, изгиб ребер 15 направлен в противоположную сторону. Число кольцевых рядов с чередующимся разнонаправленным изгибом пластинчатых ребер 14 и 15 определяется в зависимости от технических характеристик амортизирующего устройства и в зависимости от предела текучести металла ребер.
Верхний демпфирующий узел 8, расположенный на торцевой поверхности крышки 2, и демпфирующий узел 12, расположенный на боковой поверхности крышки 2, выполнены с технологическими проемами 18 и 19 (фиг.1) для доступа перегрузочного механизма (на чертеже не показан) к цапфам 16 крышки - для транспортирования крышки, и к цапфам 17 корпуса - для транспортирования с помощью подъемного крана амортизирующего устройства с ЧТ, загруженным свежими ТВС. Кроме того, наружный диаметр горизонтальных кольцевых пластин 9, замыкающих демпфирующие узлы 8 на торцевых поверхностях крышки 2 и корпуса 1, совпадает с диаметром наружных вертикальных цилиндрических колец 13, формирующих демпфирующие узлы 12 на боковой поверхности крышки и корпуса.
Направляющие 5, выполненные на внутренней поверхности корпуса и крышки (фиг.3) в виде пластин, соединенных с корпусом и крышкой пластинчатыми ребрами 20, выполняют функцию внутренних демпфирующих элементов. Пластинчатые ребра 20 предварительно изогнуты в центральной части в одном направлении по линии, параллельной оси корпуса и крышки.
Использование амортизирующего устройства в процессе обслуживания реакторной установки осуществляется следующим образом.
Чехол транспортный, загруженный свежими ТВС, устанавливается в корпусе 1 по направляющим 5 (на фиг.3), закрывается крышкой 2, устанавливаемой и фиксируемой посредством выступов 6 в пазу кольца 7 быстродействующего дистанционно управляемого байонетного запирающего устройства. После этого амортизирующее устройство транспортируют на определенную высотную отметку для выгрузки ЧТ.
Срабатывание амортизирующего устройства происходит в случае аварийного падения на площадку под краном в процессе транспортирования ЧТ. Демпфирующие узлы 8 и 12 обеспечивают снижение перегрузок, действующих на ЧТ, до допустимого уровня во всех возможных вариантах падения, в том числе наиболее опасного - падения на угол крышки или на угол основания корпуса.
В случае аварийного падения амортизирующего устройства на боковую поверхность кинетическая энергия падающего вместе с ЧТ амортизирующего устройства поглощается деформированием пластинчатых ребер 10 и 11 нижнего и верхнего демпфирующих узлов 8 и пластинчатых ребер 14 и 15 в демпфирующих узлах 12 на боковой поверхности корпуса и крышки. При этом благодаря послойному смещению ребер 10 и 11 по окружности в демпфирующих узлах 8, при падении амортизирующего устройства вертикально или под углом на крышку 2 или основание корпуса 1, происходит заданная деформация пластинчатых ребер с плавным послойным снижением кинетической энергии удара по принципу «падающего домино». Этот принцип плавного снижения кинетической энергии удара обусловлен также размещением пластинчатых ребер демпфирующих узлов 12 в соседних рядах в шахматном порядке. Кроме того, часть кинетической энергии ЧТ поглощается направляющими 5, соединенными с внутренней поверхностью корпуса 1 и крышки 2 пластинчатыми ребрами 20.
В случае аварийного падения амортизирующего устройства на торцевую поверхность корпуса или крышки кинетическая энергия падающего амортизирующего устройства с ЧТ поглощается нижним или верхним демпфирующими узлами 8.
В случае аварийного падения амортизирующего устройства углом основания корпуса или крышки кинетическая энергия падающего амортизирующего устройства с ЧТ поглощается нижним или верхним демпфирующими узлами 8 за счет перераспределения нагрузки от удара торца корпуса и крышки замыкающими кольцевыми пластинами 9, а также поглощением части энергии направляющими 5.
При всех вышеперечисленных вариантах падения благодаря последовательной, послойной пластической деформации противоударных элементов демпфирующих узлов происходит снижение скорости падающего амортизирующего устройства с ЧТ до полной остановки с величиной ускорения торможения в пределах допускаемых перегрузок ЧТ (обеспечивается превышение энергии деформации демпфирующих узлов над кинетической энергией падающего амортизирующего устройства с ЧТ).
Таким образом, благодаря выполнению демпфирующих узлов амортизирующего устройства, заявленному в качестве изобретения, амортизирующее устройство гарантирует сохранность ТВС при падениях, возможных в процессе транспортирования ЧТ.