Криогенное фланцевое разъемное соединение для шарикового холодного замедлителя нейтронов
CRYOGENIC FLANGE CONNECTOR FOR BALL COLD NEUTRON MODERATOR

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к криогенным разъемным соединениям для транспортировки веществ в любых агрегатных состояниях при криогенных температурах, например для транспортировки твердых полнотелых сферических объектов (шариков) по транспортному трубопроводу методом пневмотранспортировки в рабочую камеру холодного замедлителя нейтронов высокопоточного источника (ядерного исследовательского реактора или ускорителя мишени, генерирующей нейтроны).
Основным и главным требованием при транспортировке криогенных веществ в том или ином агрегатном состоянии является уменьшение теплопритока в местах соединений трубопроводов. Если потребитель стационарный, соединения могут выполняться неразборными (цельно сваренными). В таких соединениях теплоприток (при остальных равных условиях) будет ниже. Эти, чаще всего криогенные разъемные соединения, используются на транспортировочных емкостях, подвижных составах, в космической промышленности, при использовании геометрически сложных трасс трубопроводов и для подключения отдельно стоящих потребителей к рефрижераторным и криогенным установкам.
На исследовательском реакторе ИБР-2 в Объединенном институте ядерных исследований г. Дубна, который является устройством генерации нейтронов, в режиме опытной эксплуатации работает криогенный шариковый замедлитель нейтронов. Нейтрон замедляется, соударяясь с атомами замедляющего вещества, и теряет свою энергию. В шариковом замедлителе [1, 2] замедляющем веществом является мезитилен в смеси с м-ксилолом в форме шариков диаметром 3-3,5 мм, замороженных при азотной температуре в специальном резервуаре. Шарики из зоны загрузки по криогенному трубопроводу сложной геометрической формы длиной 25 м минуя бетонные стены (биологическую защиту), огибая физическое и технологическое оборудование, через защитный блок замедлителя доставляются в камеру, находящуюся вблизи активной зоны реактора, потоком газообразного гелия при температуре 80-100К методом пневмотранспортировки. При транспортировке криогенных веществ в твердой фазе (шарики) или жидком агрегатном состоянии недостатком будет являться зазор и (или) ступенька в месте соединения участков внутренней трубы, который внесет коррективы в процессы движения вещества вплоть до разрушения и дефрагментации вещества. Это может привести к изменению нейтронно-физических, химических, а также механических свойств, транспортируемых веществ и материалов. Тепловой мост в месте стыка, а как следствие, повышение температуры поверхности в этом месте может привести к налипанию пыли транспортируемого вещества (углеводородов) и даже самих шариков, что приведет к возникновению затора и нарушению технологического процесса загрузки шариков в камеру замедлителя.
В штыковом криогенном соединении [3] по типу «папа - мама» соединение внутреннего трубопровода производится за счет разных диаметров внутренних труб, «папа» меньшего диаметра вставляется в трубу «мама» - большего. При этом соединение внутренней и кожуховой трубы имеет тепловой мост, по которому проходит теплоприток от наружного фланца к внутреннему трубопроводу. Кроме этого, здесь рабочее вещество заполняет пространство между частью кожуховой трубы и внутренней трубой, увеличивая теплоприток в месте соединения за счет диффузии молекул рабочего вещества.
Известно близкое по конструкции криогенное разъемное соединение - байонетное соединение [4], взятое за прототип изобретения. Трубопровод представляет собой стационарные участки коаксиального криогенного трубопровода, соединенные крепежными элементами. Такое соединение представляет собой фланцевое соединение наружной (кожуховой) трубы, где прокладка между фланцами обеспечивает герметизацию соединения внутренних труб. В этом случае для обеспечения целостности изделия конструкция предполагает наличие теплового моста (тонкого металлического цилиндра либо развитую площадь поверхности внутреннего трубопровода с цилиндрической ступенчатой перемычкой) между фланцем кожуховой трубы и внутренней трубой. Ответная часть соединения имеет схожую конструкцию, при этом соединение внутренних трубопроводов производится втулкой большего диаметра, в которую вставляются внутренние трубопроводы. Такое соединение внутренних трубопроводов не является герметичным, и небольшой участок соединения заполняется рабочим транспортируемым веществом - за счет этого возрастает теплоприток в районе соединения.
Таким образом, существенными недостатками известных и близких по конструкции разъемных криогенных соединений являются повышенный теплоприток по тепловому мосту за счет теплопроводности материала моста и за счет переноса тепла молекулами газа, заполняющего уплотняющее пространство от наружной кожуховой трубы к внутренней. При этом теплоприток за счет конвекции газа будет довольно велик из-за давления, создающегося рабочим веществом в области соединения. Также, такое соединение обладает большими габаритами (развитой поверхностью для уменьшения теплопритока за счет теплопроводности материала) и не позволяет его использовать в условиях ограниченного пространства. К тому же из-за наличия тепловых мостов в прототипе [4], наличия соединения по типу «папа-мама» [3] конструкция такого типа технологически не предусматривает возможности установить экранно-вакуумную изоляцию в месте разъема, это в свою очередь увеличивает общий теплоприток за счет вклада переноса тепла излучением.
Задача изобретения состоит в том, чтобы исключить теплоприток к внутренней транспортной трубе в месте стыка и локальный нагрев участка стыка внутренних труб криогенного трубопровода; зазор между стыками внутренних труб сделать не более 1 мм для обеспечения транспортировки шариков криогенного замедлителя нейтронов без дефрагментации на стыках; соединение должно быть компактным для использования в условиях ограниченного пространства; быть легко разборным (сборным); в месте разъема внутреннего трубопровода должна быть возможность установить экранную изоляцию; межтрубное пространство соединения должно иметь единую вакуумную полость со стационарными участками криогенного трубопровода, для возможности откачки из одного места.
Поставленная задача решается тем, что кожуховый трубопровод имеет сдвижной участок, который представляет собой телескопическую систему сборки со стационарными кожуховыми частями. Уплотнение со стороны меньшего диаметра обеспечено центрирующим кольцом с пластичной прокладкой, а со стороны большего диаметра уплотнение выполнено прижимным фланцем с возможностью вращения вокруг оси трубопровода и кольцевым уплотняющим элементом с памятью формы. Сдвижной участок кожухового трубопровода имеет возможность свободного хода вдоль оси криогенного трубопровода и соединен с участком стационарного трубопровода меньшего диаметра посредством стандартного соединения двух фланцев. Торец сдвижного участка с другой стороны - свободный и входит в стационарный кожух большего диаметра с небольшим зазором. Разъемная часть внутреннего трубопровода представляет собой два участка стационарного трубопровода одинакового диаметра. Они соединены встык с применением деформируемой прокладки, и зафиксированы фланцами по крайней мере один из которых имеет возможность вращения вокруг своей оси. В качестве кольцевого уплотняющего элемента с памятью формы используют прокладку круглого сечения из вакуумной резины.
Основными отличительными признаками являются:
• сдвижной участок кожухового трубопровода обеспечивает единую вакуумную рубашку, отсутствие тепловых мостов, в собранном виде представляет собой обычный участок кожуховой трубы с идентичными теплофизическими характеристиками, исключающими теплопередачу и локальный нагрев части внутреннего трубопровода и транспортируемого вещества в месте стыка;
• применение телескопической системы сборки обеспечивает доступ к стыковой части внутреннего трубопровода, что делает трубопровод легко сборно-разборным;
• уплотнение центрирующим кольцом с пластичной прокладкой со стороны меньшего диаметра позволяет при монтаже в положении «закрыто» провести центровку сопрягаемых частей соединения, исключая возможность их перекоса относительно друг друга и обеспечивая герметичность соединения по всей площади поверхности сопряжения;
• прижимной фланец с возможностью вращения вокруг оси трубопровода упрощает монтаж, позволяя производить сборку сопрягаемых фланцев кожухового трубопровода со стороны большего диаметра (стационарного и прижимного), вращая прижимной фланец до момента совпадения отверстий с отверстиями стационарного фланца;
• кольцевой уплотняющий элемент с памятью формы в положении «закрыто» деформируется прижимным фланцем и обеспечивает герметичность между стационарной кожуховой трубой большего диаметра, сдвижным кожухом и прижимным фланцем. В положении «открыто» уплотняющий элемент принимает первоначальную форму и легко перемещается вдоль оси трубопровода по сдвижному участку, не препятствуя его движению.
• стандартный фланец кожухового трубопровода, со стороны большего диаметра, обеспечивает герметичность конструкции при фиксации кольцевого уплотняющего элемента прижимным фланцем;
• перемещение сдвижного участка вдоль оси трубопровода также обеспечивает доступ к стыковой части внутреннего трубопровода, что делает трубопровод легко сборно-разборным;
• свободный торец сдвижного участка входит в стационарный кожух большего диаметра с небольшим зазором, это позволяет быстро разобрать и собрать кожуховый трубопровод, а при сборке обеспечивает возможность вакуумирования;
• разъемная часть внутреннего трубопровода представляет собой два участка стационарного трубопровода одинакового диаметра, что дает возможность использовать при сборке встык фланцы с возможностью вращения;
• соединение внутреннего трубопровода встык, с применением деформируемой прокладки обеспечивает надежное герметичное соединение частей внутреннего трубопровода между собой и исключает потерю транспортируемого вещества через зазоры в вакуумный объем или за пределы криогенного трубопровода;
• по крайней мере один из фланцев внутреннего трубопровода имеет возможность вращения вокруг своей оси; это обеспечивает легкость сборки двух стационарных частей внутреннего трубопровода независимо от смещения их углов поворота относительно друг друга;
• прокладка круглого сечения из вакуумной резины в качестве кольцевого уплотняющего элемента с памятью формы надежно обеспечивает герметичность при сборке и легко сдвигается при разборке кожухового трубопровода;
В целом, применение конструкции с сдвижным участком кожуховой трубы позволяет избежать контакта между внутренней трубой и кожуховой (отсутствие теплового моста в месте стыка). Это обеспечит единый вакуум во всем межтрубном пространстве. Такая конструкция даст возможность применения экранно-вакуумной изоляции на внутреннем трубопроводе, в том числе и в месте стыка, что существенно снизит теплоприток к внутреннему трубопроводу за счет излучения. Такие меры позволят получить теплоприток в месте стыка, идентичный стационарным криогенным трубопроводам, что исключит обмерзание, прилипание или физико-химические изменения транспортируемого вещества.
Перечень фигур:
Фиг. 1 Разрез по оси трубопровода соединения в положении «закрыто», где:
1 - стационарные участки кожухового трубопровода;
2 - сдвижной участок кожухового трубопровода;
3 - центрирующее кольцо с пластичной прокладкой;
4 - прижимной фланец с возможностью вращения вокруг оси трубопровода;
5 - кольцевое уплотнение с памятью формы;
6 - фланец стандарта ISO;
7 - стационарные участки внутреннего трубопровода;
8 - фланец внутреннего трубопровода с возможностью вращения вокруг своей оси;
9 - стандартный фланец внутреннего трубопровода;
10 - деформируемая прокладка;
11 - стандартный фланец кожуховой трубы;
12 - крепежный элемент кожуховой трубы со стороны большего диаметра - болт с внутренней головкой;
13 - крепежный элемент фланца стандарта ISO со стороны меньшего диаметра - струбцина;
14 - крепежный элемент внутреннего трубопровода - болт с внутренней резьбой.
Фиг. 2 Разрез по оси трубопровода соединения в положении «открыто», где:
1 - стационарные участки кожухового трубопровода;
2 - сдвижной участок кожухового трубопровода;
3 - центрирующее кольцо с пластичной прокладкой;
4 - прижимной фланец с возможностью вращения вокруг оси трубопровода;
5 - кольцевое уплотнение с памятью формы;
6 - фланец стандарта ISO;
7 - стационарные участки внутреннего трубопровода;
8 - фланец внутреннего трубопровода с возможностью вращения вокруг своей оси;
9 - стандартный фланец внутреннего трубопровода;
10 - деформируемая прокладка;
11 - стандартный фланец кожуховой трубы;
12 - крепежный элемент кожуховой трубы со стороны большего диаметра - болт с внутренней головкой;
14 - крепежный элемент внутреннего трубопровода - болт с внутренней резьбой.
Фиг. 3 Общий вид опытного образца в положении «открыто» со снятой экранной изоляцией в месте стыка внутренних трубопроводов.
Криогенное разъемное соединение для шарикового холодного замедлителя нейтронов работает следующим образом.
При необходимости монтажа-демонтажа замедлителя со штатного места, для замены замедлителя на водяной или криогенный, ремонта или проведения профилактических работ необходимо поднять температуру в системе шарикового криогенного замедлителя до температуры окружающего воздуха (~ 300 К), путем отключения криогенной гелиевой установки. После этого для разъединения криогенных трубопроводов замедлителя от подводящего и отводящего криогенных трубопроводов требуется напустить воздух (или азот) в вакуумную рубашку, вывернуть крепежные элементы (болты) (12), соединяющие стандартный фланец кожуховой трубы (11) и прижимной фланец (4), ослабить и снять крепежные элементы (струбцины) (13), соединяющие фланцы стандарта ISO (6), сдвинуть вращающийся фланец (4) и кольцевой уплотняющий элемент (5) на сдвижной участок кожухового трубопровода (2), сдвинуть вдоль оси трубопровода подвижную часть кожухового трубопровода (2) с центрирующего кольца с пластичной прокладкой (3) в сторону стационарной кожуховой трубы большего диаметра (1) по принципу телескопической сборки, освободив достаточно пространства для доступа к фланцевому соединению внутренних трубопроводов. Снять экранную изоляцию внутреннего трубопровода, вывернуть болты (14) вращающегося фланца внутреннего трубопровода (8), за счет компенсации степени свободы движения внутреннего трубопровода (7) разъединить фланцы (8 и 9) стационарных участков трубопровода (7). Соединение разобрано. Сборку изделия проводить в обратном порядке. В опытном образце, в качестве деформируемой прокладки (10) применена прокладка из индия. При необходимости заменить индиевую прокладку (10) требуется удалить использованную. Для уплотнения фланцевого соединения внутреннего трубопровода могут использоваться различные деформируемые прокладки, применяемые в криогенной технике (индий, медь, фторопласт и др.).
Описанное криогенное разъемное фланцевое соединение работает в составе комплекса холодного шарикового замедлителя нейтронов исследовательского реактора ИБР-2. Может применяться на промышленных объектах для транспортировки веществ при криогенных температурах, в любом агрегатном состоянии. Такое соединение обеспечивает равномерный теплоприток по всей длине криогенного трубопровода, исключая локальный нагрев мест стыка, за счет единой вакуумной рубашки, экранно-вакуумной изоляции стыкуемых внутренних трубопроводов, герметичного соединения внутренних трубопроводов, исключения потерь транспортируемого вещества в местах сопряжения элементов стыка. Сдвижной участок позволяет исключить использование тепловых мостов с внутренней трубой в месте стыка, обеспечив цельное вакуумное пространство со стационарным кожуховым трубопроводом. Это позволяет использовать для соединения те же вакуумные агрегаты, что и для стационарного кожухового трубопровода, снижая затраты на покупку отдельного оборудования.
Источники информации
1. К.А. Мухин и др. // Приборы и техника эксперимента. 2013, №1, с. 128-134.
2. K. Mukhin & all // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research В 320 (2014), p. 70-74.
3. Ziegler; Alan Т. Патент США «Cryogenic bayonet connection», US 20080169037 A1 от 27.07.2008 г.
4. Е.И. Микулина «Криогенная техника», изд. «Машиностроение» 1969 г., с. 229-230.