узел уплотнения стыковочного патрубка перегрузочной машины канального ядерного реактора

Формула изобретения

1. Узел уплотнения стыковочного патрубка перегрузочной машины канального ядерного реактора, содержащий установленное в корпусе стыковочного патрубка между двумя опорными кольцами уплотнительное средство, выполненное в виде набора W-образных пакетов с дугообразными впадинами и упругих разделительных элементов, расположенных между пакетами, отличающийся тем, что каждый разделительный элемент выполнен в виде кольца, имеющего в поперечном сечении три дугообразных перегиба, из которых верхний расположен с зазором над вершиной W-образного пакета, а два нижних расположены в дугообразных впадинах W-образного пакета и контактируют с его лопастями в точках, расположенных не выше вершины W-образного пакета.

2. Узел уплотнения по п.1, отличающийся тем, что W-образные пакеты образованы радиально-упругими металлическими элементами W-образной формы и заключенным между ними радиационно-стойким уплотнительным материалом.

3. Узел уплотнения по п.2, отличающийся тем, что в качестве радиационно-стойкого материала применена либо фольга расширенного графита "Графлекс"®, либо применен безасбестовый паронит на основе графитизированных термопластов.

4. Узел уплотнения по п.2 или 3, отличающийся тем, что радиально-упругими металлическими элементами W-образной формы со стороны их контакта с радиационно-стойким уплотнительным материалом смазаны твердым смазочным покрытием на основе дисульфида молибдена.

5. Узел уплотнения по п.1, отличающийся тем, что верхнее опорное кольцо снабжено кольцевой канавкой под вершину упругого разделительного элемента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к уплотнительной области техники и может быть использовано в перегрузочных машинах для ядерных реакторов канального типа.

Перегрузку топлива на работающих ядерных реакторах канального типа осуществляют с помощью специальных перегрузочных машин. Внутреннюю полость такой машины соединяют с полостью технологического канала реактора, в котором находится под давлением теплоноситель реактора, посредством стыковочного патрубка, устанавливаемого на головке технологического канала реактора.

Одной из проблем в данной области является создание надежного уплотнения при стыковке перегрузочной машины с каналом реактора. Сложность этой проблемы обусловлена условиями, в которых работает уплотнительный узел стыковочного патрубка. Уплотнительный узел подвержен воздействию высоких температур, давления и радиационному облучению. К тому же стыковочный патрубок должен обеспечить надежную герметизацию с технологическим каналом реактора при его несоосности с ним, что обуславливается трудностью точного их совмещения в процессе наведения многотонной перегрузочной машины на технологический канал реактора. Кроме того, стыковочный патрубок должен компенсировать возможные угловые перекосы технологических каналов, вызванные воздействием на них меняющейся температуры вследствие перемещения извлекаемой из реактора топливной сборки.

Известен уплотнительный узел стыковочного патрубка перегрузочной машины [1] с технологическим каналом ядерного реактора, содержащее эластичный уплотнительный элемент, защищенный плавающими кольцами. Это устройство, в случае его применения в конструкции стыковочного патрубка, обеспечивает компенсацию несоосности стыковочного патрубка и технологического канала реактора. Но оно не позволяет получить надежную стыковку в случае углового перекоса технологического канала реактора в силу того, что плавающие кольца установлены в едином блоке и перемещаются совместно.

Указанный недостаток отсутствует в уплотнительном узле с надувным манжетным уплотнении [2], являющимся также аналогом. В этом устройстве для устранения недостатка, присущего предыдущему аналогу, плавающие кольца установлены в пазах, образованных торцевыми поверхностями стыковочного патрубка и упорных колец, обжимающих эластичный уплотнительный элемент. Плавающие кольца, благодаря наличию у них узкой контактной поверхности, не препятствуют смещению технологического канала реактора на допустимый угол и позволяют обеспечить в соединении с ним минимальный зазор, вследствие чего становится невозможным быстрое выдавливание материала манжеты в эти зазоры. Однако это устройство обладает серьезным недостатком, обусловленным конструкцией самой манжеты. Возможен в процессе извлечения топливной сборки из реактора разрыв надувной манжеты с последующим выбросом в реакторный зал радиоактивного теплоносителя.

Указанные недостатки устранены в узле уплотнения стыковочного патрубка перегрузочной машины канального ядерного реактора [3], содержащем уплотнительное средство, выполненное в виде надувной манжеты и эластичного кольца, вставленных в расточку и образующих полость, соединенную через автоматический клапан с полостью стыковочного патрубка. Уплотнение с технологическим каналом реактора осуществляют путем подачи в надувную манжету рабочей жидкости по специальному каналу. В процессе извлечения топливной сборки из реактора ее активная часть воздействует как на надувную манжету, так и на эластичное кольцо. Под действием радиационного излучения уплотнительные элементы теряют свои пластические свойства, а следовательно, и способность к уплотнению. Кроме того, необходимо отметить, что температура внутри канала реактора в процессе извлечения топливной сборки меняется, что приводит к колебаниям длины части канала реактора, которая соединена с уплотнительным средством. Изменение длины канала реактора может привести к вырыву надувной манжеты из места ее заделки в стыковочном патрубке, что значительно снижает надежность уплотнительного средства.

Известен уплотнительный узел [4] для уплотнения трубопроводов под давлением. Уплотнительный узел состоит из пакета манжет, образованных радиально-упругими металлическими элементами корытообразной формы с плоским дном и уплотнительным материалом, расположенного на плоском дне. Такие манжеты лишены недостатков, присущих эластичным манжетам. Металлические элементы имеют упругие наружные ободки, в собранном виде образующие после шлифовки сплошную цилиндрическую поверхность, по которой осуществляется скользящий контакт и уплотнение трубы. Особенность работы рассматриваемого уплотнительного средства состоит в том, что предварительный рабочий натяг металлических элементов с уплотняемой трубой осуществляется за счет выполнения внутреннего диаметра отверстия манжеты несколько меньше диаметра уплотняемой поверхности трубы. Компенсация радиальной погрешности стыкуемых деталей осуществляется за счет радиального сжатия лопастей манжеты.

Однако указанное уплотнительное средство не может быть применено в конструкции стыковочного патрубка перегрузочной машины для канального ядерного реактора. Это связано с тем, что металлические элементы, изготавливаемые исходя из специфики работы перегрузочной машины из нержавеющей стали, имеют низкие упругие свойства. Кроме того, форма металлических элементов позволяет компенсировать незначительные угловые перекосы и несоосность стыковочного патрубка и технологического канала реактора.

Известен узел уплотнения [5] стыковочного патрубка перегрузочной машины канального ядерного реактора, содержащий установленное в корпусе стыковочного патрубка между двумя опорными кольцами уплотнительное средство, выполненное в виде набора W-образных пакетов с дугообразными впадинами и расположенных между пакетами разделительных элементов. Вышеуказанные пакеты образованы W-образными радиально-упругими элементами. Предварительный рабочий натяг радиально-упругих элементов в данном уплотнительном узле осуществляют, как и в устройстве [4], за счет выполнения внутреннего диаметра отверстия пакетов несколько меньше диаметра технологического канала. Но поскольку радиально-упругие элементы имеют W-образный профиль, у которых средняя часть изогнута в форме дугообразного выступа, направленного в сторону концов гибких лопастей этих элементов, их упругость выше упругости элементов устройства [4].

При резком изменении температуры стыковочного патрубка, а это имеет место при нахождении топливной сборки в перегрузочной машине или в аварийной ситуации, когда перегрузочная машина состыкована с технологическим каналом, но требуется осуществить расхолаживание топливной сборки, диаметр уплотняемой поверхности технологического канала в этом случае уменьшится. Однако лопасти радиально-упругих элементов в силу их недостаточной упругости не успеют надлежащим образом отреагировать на изменение размера уплотняемой поверхности. Кроме того, компенсацию угловой несоосности стыковочного патрубка и технологического канала реактора осуществляют путем разворота в корпусе стыковочного патрубка всего узла уплотнения совместно с опорными кольцами, имеющими значительные контактные поверхности с корпусом стыковочного патрубка, что сказывается как на возможности такой компенсации, так и на ее качестве.

Наиболее близким по своей технической сущности по отношению к заявляемому изобретению является узел уплотнения [6] стыковочного патрубка перегрузочной машины канального ядерного реактора, содержащий установленное в корпусе стыковочного патрубка между двумя опорными кольцами уплотнительное средство, выполненное в виде набора W-образных пакетов с дугообразными впадинами и расположенных между пакетами упругих разделительных элементов. Разделительные элементы выполнены в виде упругих колец V-образного профиля, дугообразные вершины которых расположены в дугообразных впадинах W-образных пакетов и контактируют с ними, а выполненные с перегибом в сторону дугообразных вершин его лопасти упруго контактируют с лопастями W-образных пакетов.

Сборка такого узла уплотнения и его установка между опорными кольцами затруднена. Трудность обусловлена тем, что в процессе монтажа узла уплотнения сложно обеспечить контакт лопастей упругих колец V-образного профиля с лопастями W-образных пакетов, при котором не происходило бы выдавливание наполнителя W-образных пакетов. Следует также отметить, что известная конструкция уплотнительного узла не предусматривает точную и одинаковую ориентацию упругих колец V-образного профиля во впадинах W-образных пакетов. В силу этого имеется неопределенность мест контакта лопастей упругих колец и пакетов на разных уровнях узла уплотнения, что сказывается на характере силового контакта пакетов уплотнительного средства с уплотняемой поверхностью технологического канала реактора в процессе перемещения стыковочного патрубка по технологическому каналу реактора.

Изобретением решается задача обеспечения постоянного по величине силового контакта пакетов уплотнительного средства с уплотняемой поверхностью технологического канала реактора в процессе перемещения стыковочного патрубка по технологическому каналу реактора.

Изобретением также решается задача упрощения сборки узла уплотнения и его установки между опорными кольцами.

Указанные задачи решаются тем, что в узле уплотнения стыковочного патрубка перегрузочной машины канального ядерного реактора, содержащем установленное в корпусе стыковочного патрубка между двумя опорными кольцами уплотнительное средство, выполненное в виде набора W-образных пакетов с дугообразными впадинами и расположенных между пакетами упругих разделительных элементов, согласно изобретению каждый разделительный элемент выполнен в виде кольца, имеющего в поперечном сечении три дугообразных перегиба, из которых верхний расположен с зазором над вершиной W-образного пакета, а два нижних перегиба расположены в дугообразных впадинах W-образного пакета и контактируют с его лопастями в точках, расположенных не выше вершины W-образного пакета.

Для повышения уплотняющей способности с одновременным повышением радиационной стойкости узла уплотнения целесообразно W-образные пакеты образовать из радиально-упругих металлических элементов W-образной формы с заключенным между ними радиационно-стойким уплотнительным материалом.

Предпочтительно в качестве радиационно-стойкого материала использовать фольгу расширенного графита "Графлекс"® либо безасбестовый паронит на основе графитизированных термоэластопластов.

Целесообразно радиально-упругие металлические элементы W-образной формы со стороны их контакта с радиационно-стойким уплотнительным материалом смазать твердым смазочным покрытием на основе дисульфида молибдена.

Желательно верхнее опорное кольцо снабдить кольцевой канавкой под вершину упругого разделительного элемента.

Отличительными признаками предлагаемого узла уплотнения стыковочного патрубка перегрузочной машины от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, является выполнение каждого разделительного элемента в виде кольца, имеющего в поперечном сечении три дугообразных перегиба, из которых верхний расположен с зазором над вершиной W-образного пакета, а два нижних расположены в дугообразных впадинах W-образного пакета и контактируют с его лопастями в точках, расположенных не выше вершины W-образного пакета. Благодаря наличию этих признаков при сборке узла уплотнения обеспечивается точная и одинаковая ориентация упругих разделительных колец во впадинах W-образных пакетов. В результате каждый W-образный пакет узла уплотнения в процессе стыковки перегрузочной машины с технологическим каналом реактора ведет себя одинаково, а следовательно, предсказуемо. Конструкция узла уплотнения получилась более компактной и плотной, что позволяет увеличить количество W-образных пакетов в узле уплотнения, не изменяя длину стыковочного патрубка. В силу нового условия контакта лопастей упругого разделительного кольца с лопастями W-образных пакетов увеличилась длина отгибаемого участка лопасти W-образного пакета в процессе стыковки перегрузочной машины с технологическим каналом реактора, что повысило чувствительность узла уплотнения и увеличило объем деформируемого уплотнительного материала.

Предлагаемый узел уплотнения стыковочного патрубка перегрузочной машины иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-2.

На фиг.1 показан общий вид расположения узла уплотнения в стыковочном патрубке перегрузочной машины.

На фиг.2 показан вид А (фиг.1).

Стыковочный патрубок 1 перегрузочной машины для обслуживания канального ядерного реактора (фиг.1), устанавливаемый на технологический канал 2 ядерного реактора (не показан), имеет узел уплотнения 3, содержащий установленное в корпусе 4 стыковочного патрубка между двумя опорными кольцами 5 и 6 уплотнительное средство 7.

Уплотнительное средство 7 выполнено в виде набора W-образных пакетов 8 с дугообразными впадинами 9 и расположенных между пакетами упругих разделительных элементов 10. W-образные пакеты 8 состоят из радиально-упругих элементов 11 W-образной формы и расположенных между ними слоями уплотнительного радиационно стойкого материала 12. В качестве такого материала предпочтительно использовать фольгу расширенного графита известную под торговой маркой "Графлекс"® или безасбестовый паронит на основе графитизированных термоэластопластов. Каждый упругий разделительный элемент 10 выполнен в виде кольца, имеющего в поперечном сечении три дугообразных перегиба 13, 14 и 15. Верхний перегиб 13 расположен с зазором над вершиной 16 W-образного пакета 8, а два нижних перегиба 14 и 15 расположены в дугообразных впадинах 9 W-образного пакета 8 и контактируют с его лопастями 17 в точках, расположенных не выше вершины 16 W-образного пакета 8. Благодаря этому длина отгибаемого участка лопасти 17 увеличивается, что способствует повышению чувствительности к нагрузке радиально-упругих элементов 11. Верхний пакет 8 отделен от верхнего опорного кольца 5, по крайней мере, одним упругим разделительным элементом 10.

Изображенное на фиг.2 нижнее опорное кольцо 6 имеет кольцевую канавку 18 под W-образный пакет 8 и сферическую поверхность 19, контактирующую со сферической поверхностью 20 подкладного кольца 21. Обе сферические поверхности 19 и 20 образованы одним и тем же радиусом из единого центра, расположенного на продольной оси 22 стыковочного патрубка 1. Подкладное кольцо 21 имеет коническую расточку 23 под головку технологического канала 2. Верхнее опорное кольцо 5 имеет кольцевую канавку 24 под верхний перегиб 13 упругого разделительного элемента 10.

Количество радиально-упругих элементов 11 в пакете 8 может быть произвольным, но в любом случае пакет 8 с верхней и нижней стороны всегда должен заканчиваться металлическим элементом 11. Целесообразно радиально-упругие металлические элементы 11 W-образной формы со стороны их контакта с радиационно-стойким уплотнительным материалом 12 смазать твердым смазочным покрытием на основе дисульфида молибдена. В этом случае при обжатии в пресс-форме пакет 8 превращается в монолитный сборочный узел, облегчающий сборку узла уплотнения.

Наружные и внутренние лопасти 17 радиально-упругих элементов 11 пакетов 8 могут быть выполнены симметричными (одинаковой длины) или могут быть выполнены асимметричными.

Работа узла уплотнения осуществляется следующим образом. В исходном, расстыкованном с технологическим каналом 2 положении, внутренние лопасти 17 радиально-упругого элемента 11 имеют форму, при которой они образуют рабочий натяг до 1 мм при стыковке с технологическим каналом 2 реактора, т.е. внутренний диаметр отверстия у пакета 8 по уплотняющим кромкам меньше диаметра уплотняемой поверхности технологического канала 2. Стыковка перегрузочной машины с каналом реактора осуществляется в процессе осевого перемещения стыковочного патрубка 1 по уплотняемой поверхности технологического канала 2.

При точном совмещении продольной оси стыковочного патрубка 1 с продольной осью технологического канала 2 реактора предварительно притертые уплотняющие кромки скользят по уплотняемой поверхности канала 2, а возникающие при этом упругие внутренние силы при одевании с натягом W-образных пакетов 8 обеспечивают заданное по притертым уплотняющим кромкам радиально-упругих элементов 11 начальное уплотняющее давление.

При отсутствии совмещения продольных осей стыковочного патрубка и технологического канала реактора в силу радиальной и/или угловой погрешности стыкуемых элементов головка канала в первоначальный момент войдет в контакт с конической расточкой 23 подкладного кольца 21. В результате взаимодействия головки с конической расточкой 23 подкладное кольцо 21 сместится радиально в пределах существующих зазоров подкладного кольца 21 с корпусом 4 стыковочного патрубка и технологическим каналом 2. При радиальном смещении подкладного кольца 21 произойдет разворот нижнего опорного кольца 6 по сферической поверхности 20 подкладного кольца 21. С разворотом опорного кольца 6 произойдет разворот пакетов 8 на угол, пропорциональный величине радиального смещения кольца 6. При этом нижний пакет 8 узла уплотнения развернется совместно с подкладным кольцом 21, а все последующие пакеты 8 развернутся на верхнем перегибе 13 упругого разделительного элемента 10. Благодаря этому будет достигнута компенсация угловой погрешности стыковочного патрубка и технологического канала реактора.

При перемещении вниз (относительно плоскости чертежа) стыковочного патрубка по технологическому каналу 2 последовательно произойдет отгибание внутренних лопастей 17 радиально-упругих элементов 11 пакетов 8. При этом лопасти 17 упруго взаимодействуют с нижним перегибом 14 разделительного элемента 10, а нижний перегиб 15 упругого разделительного кольца 10 упруго воздействует на наружную лопасть 17 радиально-упругого элемента 11, прижимая ее к поверхности корпуса 4. За счет этого происходит выравнивание усилий прижатия соответственно внутренних и наружных лопастей 17 к уплотняемым поверхностям корпуса 4 и технологического канала 2 реактора, что обеспечивает постоянное усилие герметизации по уплотняемой поверхности технологического канала реактора.

В процессе упругого отгибания лопастей 17 происходит деформация уплотнительного радиационно стойкого материала 12, заключенного между радиально-упругими элементами 11, что приводит к его выдавливанию по направлению к вышеуказанным уплотняемым поверхностям. Разрушение материала 12 при этом не происходит, поскольку его деформация осуществляется в замкнутом объеме.

При заполнении корпуса стыковочного патрубка рабочей средой (давление рабочей среды в перегрузочной машине выше давления теплоносителя канала реактора) пакеты 8 начинают работать в режиме самоуплотнения. Когда в процессе перегрузки перегружаемая топливная сборка окажется в зоне стыковочного патрубка, происходит повышение температуры рабочей среды в стыковочном патрубке, что приводит к изменению диаметров уплотняемых поверхностей. Это изменение компенсируется гибкими лопастями 17 за счет их упругого взаимодействия с нижними перегибами 14 и 15 упругих разделительных элементов 10.

После снятия давления в стыковочном патрубке и слива рабочей среды из корпуса стыковочного патрубка пакеты 8 вернутся в исходное положение. Благодаря этому на притертые уплотняемые кромки радиально-упругих металлических элементов 11 действует только начальное уплотняющее давление, которое не препятствует удалению стыковочного патрубка с технологического канала реактора.

Источники информации по тексту описания

1. А.с. СССР №236926, кл. 47 f 22/40, опубл. 1969 г.

2. А.с. СССР №365506, кл. F 16 J 15/46, опубл. 1973.

3. А.с. СССР №392792, кл. G 21 C 19/10, опубл. 1974 г.

4. Акц. з-ка GB №1233548, кл. F 16 J 15/32, опубл. 1971 г.

5. А.с. СССР №793068, кл. F 16 J 15/46, опубл. 1984.

6. Патент РФ №2183036, кл. G 21 C 19/10, опубл. 2002 г.