ТЕПЛОВАЯ ЗАЩИТА КАБЕЛЕЙ СВЯЗИ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ В СИСТЕМАХ РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Настоящая полезная модель разработана для защиты кабелей связи и измерительных устройств в системах радиационного контроля ядерных энергетических установок, в том числе в системах контроля атомных электростанций (АЭС), транспортных реакторных установок и т.п., преимущественно в системах, которые предназначены для обеспечения контроля радиационных параметров в гермообъемах и плотнопрочных боксах при возникновении и развитии проектных, запроектных и тяжелых аварий.
Традиционно различные типы кабелей связи энергетических систем, включающих токопроводящие жилы с изоляцией, снабжают для тепловой защиты оболочкой, которая обладает определенными физическими свойствами. Известен, в частности, контрольный кабель, который содержит не менее четырех медных токопроводящих жил, каждая из которых покрыта изоляцией из поливинилхлоридного пластиката марки, выбранный из группы: VP FI 30-30, VP FI 30 LLS, VP FI 30 LLS E (Патент на полезную модель РФ №142571, МПК H01B 7/295 (2006.01). Контрольный кабель. Опубликовано 27.06.2014). Кабель снабжен тепловой защитой в виде оболочки, которая наложена поверх скрученных изолированных токопроводящих жил и выполнена из поливинилхлоридного пластиката марки, выбранный из группы: VP FM 30-35, VP FM 35 LLS, VP FM 35 LLS E. Кабель может дополнительно содержать разделительный слой. Он выполняется из поливинилхлоридного пластиката определенной марки или из материала оболочки. Поверх разделительного слоя может быть наложен экран из медных или алюмополимерных лент. Также поверх него может быть наложена броня из стальных оцинкованных лент или проволок. Кабель может быть снабжен термическим барьером в виде обмотки из одной или двух стеклослюдосодержащих лент, наложенным на каждую токопроводящую жилу. Такая защита кабеля обеспечивает высокий уровень теплостойкости при сохранении кабелем характеристик по нераспространению горения и дымовыделению при горении и тлении. К недостаткам технического решения относятся: недостаточная теплостойкость материалов изоляции токопроводящих жил и тепловой защиты; большая скорость распространения температуры с поверхности защиты к токопроводящим жилам кабеля, определяемая как теплопроводностью, так и толщиной изоляции; низкий класс безопасности экрана кабеля от механических повреждений.
В известной сверхпроводящей кабельной линии (Патент на изобретение РФ №2356118, МПК H01B 12/16 (2006.01). Сверхпроводящая кабельная линия. Опубликовано 20.05.2009) сверхпроводящий кабель заключен в теплоизоляционную трубку, транспортирующую жидкий водород, для снижения разницы температур внутри и снаружи теплоизоляционной трубки для кабеля. Тепловая защита кабеля, обеспечивающая эффективное снижение проникновение тепла в кабель, сформирована в виде двойной теплоизоляционной структуры, включающей в себя теплоизоляционную трубку для кабеля и теплоизоляционную трубку для текучей среды. Хладагент сверхпроводящего кабеля может охлаждаться жидким водородом, транспортируемым в теплоизоляционной трубке для текучей среды. При снижении проникновения тепла и охлаждении хладагента с использованием текучей среды линия по настоящему изобретению способна существенно уменьшить или по существу исключить затраты энергии на охлаждение хладагента кабеля. В частности, система охлаждения для хладагента сверхпроводящего кабеля не требуется, или же, если даже такая система охлаждения предусмотрена, уровень ее холодопроизводительности может быть сделан более низким по сравнению с обычными системами. Данное техническое решение полностью обеспечивает тепловой режим функционирования кабеля в стационарном режиме. К недостаткам технического решения относятся: в аварийном случае при спонтанном повышении температуры окружающей среды и влажности для сохранения теплового баланса сверхпроводящей кабельной линии необходимо мгновенно увеличить скорость, а соответственно и объем прокачиваемого хладогена в теплоизоляционной трубке, что практически, учитывая длину кабельной линии невозможно; сложность такой кабельной линии и высокая стоимость.
В известном техническом решении, относящемся к электрическому кабелю, содержащему тепловую и механическую защиты (Патент на полезную модель РФ №90613, МПК H02G 3/04(2006.01). Электрический кабель. Опубликовано 10.01.2010) защита кабеля представляет собой теплоизолирующую оболочку, бандаж в виде оплетки из нитей и броню из металлической ленты. Теплоизолирующая оболочка выполняет функцию тепловой защиты и выполнена из материала, выбранного из группы: нитрильная резина, этиленпропиленовая резина, фторполимеры, фторсополимеры, свинцовый сплав. Описанная защита имеет низкую теплостойкость и класс безопасности к механическим воздействиями, а также не может обеспечить надежную работу энергетических систем в условиях воздействия высоких температур и влажности.
Проблема, для устранения которой предназначена предлагаемая полезная модель, заключается в следующем. В начальной фазе аварии, связанной с разгерметизацией реакторной установки и потерей теплоносителя, температура в гермообъеме или плотнопрочном боксе за несколько секунд возрастает с уровня рабочей температуры (~55-70°C) до температуры ~250-270°C с повышением относительной влажности среды, возникает так называемый термошок. Резкое изменение условий приводит к появлению искажений характеристик электрических сигналов, формируемых измерительным устройством, например, ионизационной камерой, которые передаются с помощью коаксиального кабеля на устройство обработки информации, что влияет на достоверность измеренных параметров радиационной обстановки. Этот эффект описан в литературе и детально изучен при моделировании аварийных ситуаций. Установлено, что эффект носит временный характер и проявляется только в условиях больших температурных градиентов, определяющих появление термоиндуцированных токов, возникающих, в основном, в кабеле, используемом для передачи сигналов ионизационной камеры. При постепенном нагреве в течение -10-14 часов этот эффект не проявляется или уменьшается до безопасных пределов. Это означает, что применение эффективной тепловой защиты измерительного канала (кабеля и измерительного устройства), обеспечит достоверность измерений радиационных параметров в момент развития аварийной ситуации и в послеаварийный период.
Перед авторами стояла задача разработать эффективную и надежную тепловую защиту кабелей и измерительных устройств, преимущественно используемых для контроля поглощенной и/или экспозиционной дозы ионизирующего излучения с помощью детекторов с коаксиальным кабелем связи, в том числе в условиях спонтанного роста температурного градиента и относительной влажности среды. С учетом условий возможного возникновения и развития проектных, запроектных и тяжелых аварий к тепловой защите кабелей связи, кабелей передачи электроэнергии, блоков детектирования измерительных систем АЭС предъявляются повышенные требования по сохранению теплоизолирующих свойств в течение длительного времени эксплуатации системы. Кроме того такая тепловая защита, должна соответствовать специальным требованиям по механической прочности, а также критериям удобства монтажа и обслуживания в условиях ограниченного пространства для размещения агрегатов, приборного оснащения и трубопроводов в гермообъемах и плотнопрочных боксах реакторов АЭС.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является увеличение на несколько порядков в условиях внешнего термошока времени возрастания температуры в измерительных каналах, образованных продольными отверстиями теплоизоляционных цилиндров при относительно низкой стоимости конструкции тепловой защиты. Так, в для описанного выше примера термошока в гермообъеме или плотно-прочном боксе смоделированное резкое изменение за несколько секунд температуры с рабочих значений ~55-70°C до значений температуры ~250-270°C, приводит к достижению такого же значения температуры внутри измерительных каналов с предлагаемой тепловой защитой за 15-20 часов. Таким образом, эффект возникновения термоиндуцированных токов, возникающих в измерительной системе в условиях больших температурных градиентов, исчезает или уменьшается до безопасных пределов, что обеспечивает достоверность измерений радиационных параметров в момент развития аварийной ситуации и в послеаварийный период. Еще одним техническим результатом полезной модели является создание механически прочной конструкции тепловой защиты с шарнирным соединением модулей, обеспечивающим бесступенчатое регулирование углов поворота теплоизоляционных цилиндров в соответствии с траекторией прокладки кабельной сети. Кроме того предлагаемая тепловая защита соответствует критериям удобства монтажа и обслуживания в специальных условиях АЭС.
Для решения поставленной задачи предлагается, тепловая защита кабеля, состоящая из последовательно соединенных модулей, включающих теплоизоляционный цилиндр с центральным продольным отверстием, теплоизоляционный цилиндр образован двумя полуцилиндрами, выполненными из теплоизоляционного материала, каждый
из которых снабжен металлической оболочкой, представляющей собой часть цилиндрической поверхности с пуклевками на концах, представляющими собой часть сферической поверхности. При этом соответствующие диаметры металлической оболочки одного полуцилиндра отличаются от соответствующих диаметров металлической оболочки второго полуцилиндра на величину, равную двойной толщине материала металлической оболочки, а центральный угол поперечного сечения металлических оболочек больше 180° на величину, обеспечивающую их продольное соединение внахлест при смыкании двух теплоизоляционных полуцилиндров с образованием модуля тепловой защиты. Диаметры пуклевок, обеспечивающих соединение двух соседних модулей, отличаются между собой на величину, достаточную для образования шарнирных узлов при последовательной стыковке модулей путем размещения пуклевки меньшего диаметра одного модуля в пуклевке большего диаметра другого модуля.
Тепловая защита может быть выполнена из последовательно соединенных модулей с пуклевками разного диаметра на концах, при этом диаметр меньшей пуклевки отличается от диаметра большей пуклевки на величину, достаточную для образования шарнирного узла при соединении с последующим модулем.
Тепловая защита может быть выполнена из последовательно соединенных чередующихся модулей двух типов, при этом диаметры пуклевок модулей каждого типа равны между собой, а диаметры пуклевок модулей первого типа отличаются от диаметров пуклевок модулей второго типа на величину, достаточную для образования шарнирного узла при соединении модулей двух типов между собой.
Тепловой цилиндр предпочтительно образован двумя полуцилиндрами с тепловым уплотнением по линии разъема.
В качестве теплоизоляционного материала может быть выбрана минеральная вата, в частности каменная вата, с синтетическим связующим или Суперизол (Superizol).
Величину диаметра центрального продольного отверстия предпочтительно выбирают таким образом, чтобы воздушный зазор между внутренней боковой поверхностью теплоизоляционного цилиндра и кабелем при его размещении в тепловой защите через тепловые центрирующие шайбы составлял не менее 10 мм.
Соединенные внахлест металлические оболочки дополнительно скреплены по прилегаемым поверхностям, предпочтительно саморезами по металлу.
Металлическая оболочка предпочтительно покрыта жидкой теплостойкой термоизоляцией, обладающей герметизирующими свойствами.
В качестве жидкой теплостойкой термоизоляции может быть выбран материал типа “Корунд Вулкан”.
Металлическая оболочка предпочтительно выполнена из стального оцинкованного листа толщиной не менее 0,55 мм.
В настоящее время известно, что начальная фаза аварии реактора АЭС с потерей теплоносителя характеризуется спонтанным ростом температуры (со скоростью ~25°C/сек) и значительным повышением влажности, что приводит к появлению термоиндуцированных токов в коаксиальных кабелях детектора, приводящих к изменению характеристик сигнальных токов и временной неисправности детектора. Конструкция тепловой защиты по заявляемой полезной модели принимает на себя тепловой удар в гермообъеме или плотнопрочном боксе и снижает скорость роста температуры до значения 15-16°C/час, подавляя условия появления термоиндуцированных токов, что повышает надежность работы системы контроля, достоверность получаемой информации и повышает радиационную безопасность АЭС.
Ниже сущность полезной модели более подробно поясняется со ссылками на прилагаемые схематические чертежи, на которых изображено следующее:
фиг. 1 представляет продольный разрез последовательно соединенных модулей тепловой защиты;
фиг.2 представляет поперечный разрез теплоизоляционного цилиндра;
фиг.3 представляет продольный разрез модулей тепловой защиты с отсеком для размещения измерительного устройства (или ионизационной камеры);
фиг.4 представляет общую конструктивную схему тепловой защиты измерительных каналов в гермообъеме (плотнопрочном блоке) АЭС.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - модуль тепловой защиты; 2 - теплоизоляционный цилиндр; 3 - теплоизоляционный полуцилиндр; 4 -тепловое уплотнение; 5 - центральное продольное отверстие для размещения кабеля и/или измерительного устройства; 6 - металлическая оболочка меньшего диаметра; 7 - металлическая оболочка большего диаметра; 8 - пуклевка меньшего диаметра; 9 - пуклевка большего диаметра; 10 - шарнирный узел; 11 - упругая вставка из каменной ваты; 12 - отсек для размещения измерительного устройства; 13 - внешняя теплоизоляция; 14 - измерительное устройство (ионизационная камера); 15 - кабель связи; 16 - электроразъемы стыковки измерительного устройства с кабелем связи; 17 - термошайба; 18 - прямоугольный отвод; 19 - торцевая заглушка; 20 - саморезы по металлу; 21 - отсек для ввода кабеля; 22 - узлы крепления защиты к стене.
Монтаж тепловой защиты выполняют в два этапа. Первый этап -технологическая сборка в горизонтальном положении отдельных звеньев, включающих по 3-5 тепловых модулей 1. Технологическую сборку осуществляют без укладки кабеля 15 и измерительного устройства (ионизационной камеры) 14. Вторым этапом является монтаж звеньев к местам крепления и укладка измерительного кабеля 15 и ионизационной камеры 14. Звенья соединяют между собой отдельными штатными тепловыми модулями 1 или прямоугольными отводами 18 в случае поворота продольной оси тепловой защиты на угол 90°.
Ниже описана сборка звеньев из последовательно соединенных модулей с пуклевками разного диаметра на концах. В металлическую оболочку 7 вкладывают теплоизоляционный полуцилиндр 3 и сверху накрывают вторым полуцилиндром 3 с образованием теплоизоляционного цилиндра 2. Теплоизоляционный цилиндр 2 накрывают металлической оболочкой 6. При этом пуклевка 8 металлической оболочки 6 меньшего диаметра входит в пуклевку 9 металлической оболочки 7 большего диаметра. После этого саморезами 20 по металлу или вытяжными заклепками фиксируют соединение металлических оболочек 6 и 7. Сборка следующего модуля 1, относящегося к этому звену тепловой защиты, производится аналогично за исключением того, что пуклевки 8 и 9 металлических оболочек 6 и 7 собираемого модуля 1 последовательно стыкуют с соответствующими пуклевками 9 и 8 предыдущего модуля. После сборки звеньев по их внешней поверхности и поверхности прямоугольного отвода 18 наносят слои внешней теплоизоляции 13. Исключение составляют линии соединения металлических оболочек 6 и 7 теплоизоляционных полуцилиндров 3, которые изолируют после окончательной сборки тепловой защиты. При изгибе продольной оси тепловой зашиты между стыкуемыми модулями 1 устанавливают упругую термовставку 11, а угловое положение фиксируют крепежными элементами. В результате получается звено тепловой защиты, состоящее из трех-пяти модулей 1, соединенных между собой шарнирными узлами 10. Сборку звеньев тепловой защиты из модулей 1 двух типов (первый тип модуля 1-е пуклевками 8, второй тип модуля 2-е пуклевками 9), выполняют путем чередования модулей 1 первого и второго типа. Остальные операции сборки аналогичны операциям, описанным для сборки звеньев из последовательно соединенных модулей 1 с пуклевками 8 и 9 разного диаметра на концах.
Монтаж тепловой защиты производят последовательным соединением звеньев, начиная с нижнего звена, содержащего отсек 21 для ввода кабеля 15. Для этого с технологического звена снимают верхние металлические оболочки 6 полуцилиндров 3 с меньшим диаметром и теплоизоляционные полуцилиндры 3. Звено закрепляют на узлах 22 крепления тепловой защиты к стене. На кабель 15 надевают термошайбы 17 и кабель 15 вводят в центральный продольный канал 5. Канал 5 закрывают теплоизоляционными полуцилиндрами 3 и металлическими оболочками 6 и фиксируют элементы конструкции саморезами 20. Процесс монтажа последующих звеньев производится в соответствии с общей конструктивной схемой тепловой защиты измерительных каналов в гермообъеме (плотнопрочном блоке) АЭС (Фиг. 4) как описано выше. Заканчивается монтаж установкой в отсек 12 ионизационной камеры 14. Измерительное устройство 14 через электроразъемы 16 стыкуют с кабелем 15. На кабель 15 надевают термошайбы 17, кабель 15 с измерительным устройством 14 устанавливают в центральный канал 5, который закрывают, как описано выше, после чего отсек 12 закрывают торцевой заглушкой 19. Монтаж завершается операцией по нанесению нескольких слоев жидкой теплоизоляции 13 на линию соединения металлических оболочек 6 и 7.