ЗАЩИТНАЯ ОБОЛОЧКА РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ СУДНА
SHIP REACTOR PLANT CONTAMINATION

Изобретение относится к области судовой техники и касается силовых корпусных конструкций, в частности, защитной оболочки реакторной установки судна и может быть преимущественно использовано при конструировании защитной оболочки реакторной установки ледокола или плавучего энергоблока, реакторный отсек которого включает в себя одну или две реакторные установки, разделенные плоскими продольными переборками коффердама в диаметральной плоскости судна. Кроме того, изобретение может найти использование для защитной оболочки реакторной установки надводного корабля или транспортного судна с атомной энергетической установкой.
Известна конструкция защитного ограждения судовой реакторной установки на основе традиционных конструктивно-силовых схем, широко применяемых в судостроении (Барабанов Н.В. Конструкция корпуса морских судов. Л.: Судостроение, 1981; Блинов В.М. Атомные ледоколы. Мурманск: РосАтомФлот, 2014).
В таких конструкциях защитного ограждения реакторной установки основными силовыми элементами, воспринимающими все факторы нагружения, являются плоские переборки, обшивка которых подкреплена сварными вертикальными стойками таврового профиля. Стойки являются многопролетными балками, опорами для которых служат палубы и платформы. На сегодняшний день защитные ограждения реакторных установок всех построенных отечественных атомных ледоколов и плавучих энергоблоков спроектированы аналогично вышеуказанной конструкции защитного ограждения.
Расчетные нагрузки для защитного ограждения реакторной установки определяются «Правилами классификации и постройки атомных судов и плавучих сооружений» Российского морского регистра судоходства. Нагрузкой, вызывающей наибольшие напряжения в элементах защитного ограждения, является внутреннее давление при аварии реакторной установки.
Недостатками традиционной конструкции защитного ограждения реакторной установки являются нерациональное использование прочностных характеристик стали из-за неравномерности распределения знакопеременных изгибных напряжений как по длине стоек, так и по высоте их поперечного сечения, а также большой объем сварки, отсюда высокая трудоемкость и большая металлоемкость защитного ограждения.
Известна конструкция защитной оболочки реакторной установки судна (Сочинский С.В. «Защитное ограждение реакторного отсека судна», патент на изобретение №2726510), наиболее близкая по конструктивным признакам к предлагаемому изобретению и принятая за прототип, состоящая из безреберных цилиндрических панелей с горизонтальной образующей. Радиус кривизны панелей определяется из условия наибольшего приближения к безмоментному напряженному состоянию замкнутой круговой цилиндрической оболочки. Безреберная конструкция позволяет существенно снизить металлоемкость защитной оболочки и уменьшить объем сварки.
Недостатком прототипа является сохранение традиционной прямоугольной формы палубных вырезов, углы которых являются зоной значительной концентрации напряжений от внутреннего давления как для самой защитной оболочки, так и для прилегающих к ней палубных конструкций, причем установкой утолщенных книц внутри защитного ограждения в плоскости палуб проблему концентрации напряжений решить не удалось (напряжения в кницах на 70% выше, чем в палубном настиле без книц в углах выреза). Между тем, опасность развития трещин в узлах пересечения защитного ограждения с палубами заключается не только в потере прочности, но и в нарушении герметизации оболочки, внутри которой в аварийной ситуации находится радиоактивный пар при температуре до 150°С и давлении до 10 атмосфер.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в уменьшении опасной концентрации напряжений путем скругления палубных вырезов и замены панелей с цилиндрической поверхностью на участке скругления безреберными панелями двоякой кривизны, каждая из которых представляет собой сектор, составляющий ¼ боковой поверхности круговой бочки. Толщина панелей обоих типов одинакова.
Техническим результатом является увеличение надежности и герметичности защитной оболочки реакторной установки путем существенного снижения концентрации напряжений.
Технический результат достигается тем, что в защитной оболочке реакторной установки судна, представляющей собой герметичный стальной корпус, расположенный над баком металловодной защиты, и состоящей из безреберных панелей, выгнутых наружу и имеющих цилиндрическую поверхность с горизонтальной образующей, имеются следующие отличия: на участках скругления палубных вырезов между панелями с цилиндрической поверхностью установлены панели двоякой кривизны, каждая из которых представляет собой сектор, составляющий ¼ боковой поверхности круговой бочки с высотой, равной расстоянию между смежными палубами, с диаметром окружности оснований бочки, который определяется по формуле:
d=2R;
и с диаметром срединной окружности бочки, который определяется по формуле:
D=2(R+h);
где:
d - диаметр окружности оснований бочки,
R - радиус скругления палубного выреза,
D - диаметр срединной окружности бочки,
h - стрела сегмента панели с цилиндрической поверхностью, определяемая по формуле:
h=r-с;
а также радиус кривизны панелей с цилиндрической поверхностью определяется по формуле:
где:
r - радиус кривизны панелей с цилиндрической поверхностью,
а - расстояние между смежными палубами,
с - отношение площади палубного выреза к его периметру.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 представлена конструкция защитной оболочки из цилиндрических панелей и панелей двоякой кривизны, где:
1 - панели с цилиндрической поверхностью;
2 - панели двоякой кривизны;
на фиг. 2 представлена геометрия панелей, имеющих цилиндрическую поверхность (по прототипу), где:
r - радиус кривизны панели с цилиндрической поверхностью;
h - стрела сегмента панели с цилиндрической поверхностью;
а - расстояние между палубами (хорда сегмента),
на фиг. 3 представлена геометрия панелей, имеющих поверхность двоякой кривизны (круговой бочки), где:
r - радиус кривизны панели с цилиндрической поверхностью;
h - стрела сегмента панели с цилиндрической поверхностью;
R - радиус скругления палубного выреза;
b - половина расстояния между палубами (b=а/2);
на фиг. 4а представлена традиционная конструкция защитного ограждения в сборке, где
3 - плоская продольная переборка коффердама;
4 - крышка верхнего люка защитного ограждения;
5 - продольная и поперечные переборки защитного ограждения;
6 - палубы;
на фиг. 4б представлена конструкция защитной оболочки по прототипу в сборке, где:
1 - панели с цилиндрической поверхностью;
3 - плоская продольная переборка коффердама;
4 - крышка верхнего люка защитного ограждения
6 - палубы;
на фиг. 4в представлена конструкция защитной оболочки из цилиндрических панелей и панелей двоякой кривизны в сборке, где:
1 - панели с цилиндрической поверхностью;
2 - панели двоякой кривизны;
3 - плоская продольная переборка коффердама;
4 - крышка верхнего люка защитного ограждения;
6 - палубы;
фиг. 5а представлен результат расчета напряженного состояния традиционной конструкции защитного ограждения;
фиг. 5б представлен результат расчета напряженного состояния конструкции защитного ограждения по прототипу;
фиг. 5в представлен результат расчета напряженного состояния конструкции защитной оболочки из панелей цилиндрических и панелей двоякой кривизны.
Предлагаемая защитная оболочка реакторной установки (фиг. 1) состоит из панелей, выгнутых наружу и имеющих цилиндрическую поверхность с горизонтальной образующей (1), а на участках скругления палубных вырезов между панелями с цилиндрической поверхностью установлены панели двоякой кривизны (2), представляющие собой сектор, составляющий 1А боковой поверхности круговой бочки.
Исходной информацией для определения геометрических параметров панелей обоих типов (радиуса кривизны r, стрелы сегмента h (фиг. 3), диаметра срединной окружности бочки D, диаметра окружности оснований бочки d (на фиг. не показаны) являются:
- а - расстояние между смежными палубами (фиг. 2),
- L - длина палубного выреза (на фиг. не показано),
- В - ширина палубного выреза (на фиг. не показано),
- R - радиус скругления палубного выреза (фиг. 3).
Порядок определения геометрических параметров панелей следующий. После вычисления площади палубного выреза А и его периметра Р (на фиг. не показаны) определяется отношение площади палубного выреза к его периметру:
с=А/Р;
где:
А - площадь палубного выреза;
Р - периметр палубного выреза;
далее определяется радиус кривизны r и стрелы сегмента h панелей с цилиндрической поверхностью (1) (фиг. 2)
где
а - расстояние между смежными палубами;
с - отношение площади палубного выреза к его периметру;
h=r-с;
далее определяются диаметры срединной окружности бочки D и ее оснований d
D=2(R+h);
d=2R;
где:
R - радиус скругления палубного выреза;
h - стрела сегмента панели с цилиндрической поверхностью.
Зная высоту бочки и рассчитав диаметр ее срединной окружности (D) и диаметр окружности оснований бочки (d), можно определить, как выгнута панель двоякой кривизны, представляющая собой сектор, который составляет ¼ боковой поверхности круговой бочки.
Техническая сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется результатами численного эксперимента методом конечных элементов - расчетами трех описанных типов защитных конструкций (фиг. 4а, 4б, 4в) на внутреннее давление 0,4 МПа при следующих исходных данных:
- длина палубного выреза L=6400 мм;
- ширина палубного выреза В=6000 мм;
- расстояние между смежными палубами а=3000 мм;
- приведенная толщина палуб - 20 мм;
- толщина усиленных листов настила в углах палубного выреза - 30 мм.
Толщина листов обшивки переборок традиционного ограждения реакторной установки (фиг. 4а) - 40 мм, вертикальные стойки (сварные тавры) на продольной переборке  установлены через 800 мм, на поперечных переборках -  через 600 мм.
Толщина панелей с цилиндрической поверхностью по прототипу фиг. 4б и панелей двоякой кривизны в вариантах фиг. 4в, как и обшивки в варианте фиг. 4а, принята равной 40 мм при той же конструкции палуб.
2
В варианте фиг. 4в два угла палубного выреза имеют радиус скругления R=600 мм и при размерах палубного выреза 6,4×6,0 м его площадь будет равна A=37,971 м, а периметр - Р=26,285 м. При расстоянии между смежными палубами а=3000 мм заданные величины позволяют определить все геометрические параметры панелей с цилиндрической поверхностью и панелей двоякой кривизны, их значения будут равны:
с=А/Р=1445 мм;
h=r-с=638 мм;
D=2(R+h)=2476 мм;
d=2R=1200 мм.
По результатам расчетов напряженного состояния традиционной конструкции защитного ограждения, конструкции защитной оболочки по прототипу и предлагаемой конструкции защитной оболочки из панелей с цилиндрической поверхностью и панелей двоякой кривизны на фиг. 5а, 5б, 5в приведены распределения эквивалентных напряжений, максимальные значения которых составляют:
- в традиционной конструкции защитного ограждения - 475 МПа, (фиг. 5а);
- в конструкции защитной оболочки по прототипу - 376 МПа, (фиг. 5б);
- в конструкции защитной оболочки из панелей цилиндрических и панелей двоякой кривизны - 264 МПа, (фиг. 5в).
В предлагаемом варианте конструкции максимальные эквивалентные напряжения, как показывают расчеты, будут на 45% меньше, чем в традиционном ограждении, и на 30% меньше, чем в конструкции прототипа.
Таким образом, за счет установки на участках скругления палубных вырезов панелей двоякой кривизны между панелями, имеющих цилиндрическую поверхность, значительно уменьшается концентрация напряжений в защитной оболочке и палубах в районе палубных вырезов, чем и достигается заявленный технический результат - увеличение надежности и герметичности защитной оболочки реакторной установки судна в аварийной ситуации.