Изобретение относится к теплоизоляционной технике, а более конкретно к конструкциям тепловой изоляции трубопроводов и цилиндрических сосудов атомных тепловых электростанций (АЭС).

Известна съемная тепловая изоляция, содержащая размещенные на внешней поверхности тепло изолируемого оборудования вплотную друг к другу теплоизоляционные блоки блочной съемной тепловой изоляции (далее по тексту БСТИ), состыкованные между собой продольными боковыми стенками и включающие короба, выполненные из нержавеющей стали и заполненные теплоизоляционным материалом (см. Российский патент RU2716771C2 — 2020г, заявка RU №2017111880 от 07.04.2017г). Данный патент взят за прототип.

Недостаток заключается в том, что у патента в конструкции применен теплоизоляционный материал, выполненный из стекловолокна. При разуплотнении первого контура не исключена возможность попадания стекловолокна в активную зону реактора.

Сравнительно толстая крышка теплоизоляционного блока (далее по тексту ТБ) БСТИ толщиной 1мм, выполнена во избежание прожогов при креплении тугих рычажных замков, стягивающих ТБ между собой. Рычажные замки крепятся на крышках ТБ с помощью шпилек, привариваемых к крышкам ТБ способом оплавления шпилек при силе тока 10000 ампер (быстро, но не выгодно). Предлагаемые в заявке замки ТИВ расположены на угловых участках крышек ТБ и крепятся на локальных подкладках обычной сваркой без применения оплавления. Все крышки ТБ БСТИ дают прирост 29.5т в общий вес изоляции. В пересчете на 1м ² БСТИ суммарный вес, действующий на стенки ТБ усредненной высотой 140, при толщине стенок ТБ = 0,5мм, составляет 16,205кг. В пересчете на 1м ² ТИВ суммарный вес, действующий на стенки ТБ усредненной высотой 84мм, при толщине стенок ТБ = 0,3мм, составляет 10,378кг (уменьшение веса 1м ² изоляции - за счет меньшей толщины и высоты боковых стенок, уменьшенной толщины крышки ТБ, крепящих ТБ замков и исключения 5,5 кг стекловолокна с клипсами). Путем перерасчета нагрузки на стенки ТБ ТИВ, по аналогии с нагрузкой на стенки ТБ БСТИ, толщина стенок ТБ ТИВ равняется ~ 0,2998мм < 0,3мм. Толщина стенок ТИВ принята равной 0,3мм.

Целями предполагаемого изобретения являются: создание тепловой изоляции более совершенной, чем блочная съемная тепловая изоляция (БСТИ), установленной на АЭС «Тяньвань» (КНР), на АЭС «Куданкулам» и на большинстве АЭС РФ, исключение из состава изоляции стекловолокна с заменой его атмосферным воздухом, уменьшение толщин стенок ТБ до 0,3мм, обеспечение оптимальной высоты теплоизоляционного блока при сохранении его теплофизических характеристик, надежное закрепление мембран без применения сварки, закрепление смежных днищ модулей между собой с постоянным плотным соединением в процессе эксплуатации, создание замковых соединений крышек блоков с самоуплотнением при сейсмических, вибрационных, температурных и других колебаниях, уменьшение веса тепловой изоляции в целом на 36%.

Главная идея предполагаемого изобретения состоит в оптимальном уменьшении толщин боковых и торцевых стенок теплоизоляционного блока и, как следствие, уменьшение переноса тепла через них путем теплопроводности. При уменьшении толщин стенок блока происходит уменьшение длины переноса тепла теплопроводностью, и, как следствие, уменьшаются толщина и вес тепловой изоляции в целом. Уменьшена также толщина крышки теплоизоляционного блока. ТИВ содержит размещенные на внешней поверхности тепло изолируемого оборудования вплотную друг к другу теплоизоляционные блоки, включающие короба, состыкованные между собой продольными боковыми стенками, выполненные из нержавеющей стали и заполненные отфильтрованным атмосферным воздухом.

ТИВ выполнена из теплоизоляционных блоков, по наружным геометрическим размерам (за исключением уменьшенной оптимальной толщины блоков ТИВ) и конфигурациями, полностью совпадающими с наружными геометрическими размерами и конфигурациями блоков БСТИ прототипа. Крышка и боковые стенки ТБ выполнены из нержавеющей листовой стали толщиной 0,3мм, днище выполнено из нержавеющей листовой стали толщиной 0,2мм; наборы решеток с диаметром прутков{0,3-0,5} мм, скреплены без применения сварки с коаксиальными мембранами, выполненными из листового нержавеющего металла толщиной {0, 05- ОД }мм.

Уплотнение между камерами воздушных прослоек и боковыми стенками корпуса блока выполнено за счет мембран и упругих решеток, уплотнение между камерами воздушных прослоек и торцевыми стенками ТБ выполнено с помощью стыковых торцов мембран и цилиндрического плинтуса, изготовленного из полосы нержавеющей стали толщиной 0,1мм, подгоняемого по месту при сборке ТБ и привариваемого к боковым стенкам ТБ контактной сваркой.

Упругая решетка каждого ряда выполнена с кривизной, копирующей кривизну цилиндрической поверхности ответной мембраны соответствующего ряда. Поперечные края решетки согнуты с радиусом Г1<7,5мм с линейным продолжением к. Наружная поверхность решетки обтянута облегающей мембраной, плотно согнутой по поперечным краям на расстояние к.

Тонкостенные мембраны, с расположенными между ними решетками, образуют камеры воздушных прослоек блока с толщиной менее 15мм. Размеры мембран увеличиваются от днища к крышке пропорционально длинам дуг каждого последующего ряда на величину:

_{А Т} 2пДрУ

⁴¹ - ⁼ бГ ^где:

AL — увеличение длины дуги поверхности мембраны последующего ряда;

А р -линейное расстояние от поверхности предыдущего ряда мембраны до подобной поверхности мембраны последующего ряда, находится в пределах

{5 - <15}мм;

Y - угол между контактными образующими гибких мембран со стенками блока. Термостатирующий зазор, толщиной < 15мм, как первичная изолирующая воздушная прослойка кольцевой секции, устанавливается между днищем и тепло изолируемым телом розетками.

Боковые стенки крышек смежных блоков соединены между собой с помощью наконечников-зацепов, закрепленных на углах стенок крышек блоков и выполненных в виде отдельного одинакового сектора четвертой части тела вращения: шара или эллипсоида таким образом, что при монтажном соединении четырех смежных секторов образуется единое тело вращения, самоуплотняющееся в съемной воронке-захвате, выполненной таким образом, что при рабочем положении воронки-захвата упругие лепестки обеспечивают плотное сжатие наконечников- зацепов, а при прохождении наконечниками-зацепами горловины воронки-захвата под действием приложенной силы, лепестки упруго разжимаются с последующим возвратом в исходное положение. При больших размерах блоков на воронку-захват дополнительно смонтировано разъемное упругое кольцо, обеспечивающее дополнительное сжатие. Боковые стенки днищ четырех смежных блоков соединены между собой с помощью направляющих цилиндрических штифтов, крепящихся к днищу блока и плотно входящих в четыре гнезда центрирующей металлической розетки.

Доступ к возможным датчикам, расположенным на оборудовании под тепловой изоляцией осуществлен с помощью цилиндрических проходок.

Таким образом, патентуемая ТИВ. имеет следующие отличия от прототипа:

1. Уменьшенная толщина и высота стенок и крышки ТБ, а также уменьшенная теплопередача тепла теплопроводностью оптимизируют толщину теплоизоляционных блоков со 160 мм до 96 мм.

2. Произведена замена стекловолокна на атмосферный воздух. Исключено попадание стекловолокна в контур теплоносителя и активную зону реактора.

3. Скрепления между тонкостенными листами мембран, выполняющими теплоизоляционные функции, выполнено без применения сварки и максимально разгружает мембраны от воздействия температурных и силовых факторов.

4. Тепловая изоляция ТИВ при замене теплоизоляционных материалов на атмосферный воздух, легче, по сравнению с применяемой в настоящее время блочной съемной тепловой изоляции (БСТИ) на современных АЭС РФ, КНР и Индии на 21,9т (36,0%). Блоки ТИВ, состоящие из тонкостенных и осе симметричных коаксиальных мембран, имеют малый расход металла и максимально выгодные физические свойства на разрыв и сжатие, равномерно распределенные силы изгибающих моментов по периметру и длине тепло изолируемой поверхности.

5. За счет плотного соединения смежных крышек и днищ блоков с помощью уплотняющих замков и розеток, самокомпенсации замковых соединений крышек блоков при резких сейсмических, вибрационных, температурных и других колебаниях, исключено раскрытие тепловых зазоров между боковыми гранями теплоизоляционных модулей.

6. Размещение гибких замков в углах на пересечении поверхностей ТИВ полностью исключает многочисленные местные разметочные, подгоночные и сварочные работы при монтаже 6000 замков на теплоизоляции объекта.

7. Увеличение в составе тепловой изоляции материала радиационной защиты (металлические мембраны и каркасы ТИВ) от гамма-излучения на оборудовании и трубопроводах реакторного отделения без увеличения общего веса изоляции.

8. Повышение эффективности и надежности систем безопасности при авариях, связанных с разуплотнением первого контура.

Таблица сравнительных характеристик БСТИ и ТИВ

Существуют три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

В предполагаемом изобретении тепловой изоляции, лидером габарита толщины ТИВС является теплопроводность боковых и торцевых стенок блока, которая определяет высоту этих стенок и, как следствие, толщину тепловой изоляции в целом, выбираемую в соответствии с требованиями нормативной документации. Существенными являются тепловые мостики - места совместного сопряжения четырех модулей, проще сказать их перекрестки, увеличивающие локальную суммарную толщину боковых стенок.

Закон теплопроводности Фурье в интегральной форме:

Р- полная мощность тепловой передачи; х- коэффициент теплопроводности;

S- площадь поперечного сечения;

ДТ- перепад температур;

1- длина теплопроводного тела.

Источник: Словари и энциклопедии на Академике.

Анализируя линейный закон Фурье передачи тепла теплопроводностью, можно утверждать, что при идентичных параметрах полной мощности тепловой передачи, коэффициента теплопроводности, перепада температур БСТИ и ТИВ, высоты стенок блоков БСТИ и блоков ТИВ будут пропорциональны площадям поперечного сечения стенок, то есть толщинам стенок. Максимальная толщина блоков БСТИ равна 160мм при толщине стенок 0,5мм. При толщине стенок блока ТИВ равной 0,3мм, подобная максимальная толщина блока ТИВ ~ 96мм, что подтверждено экспериментально. Дополнительная прочность, связанная с уменьшением толщины стенок блока, компенсируется подкрепляющим внутри корпусным устройством.

Немецкий инженер Вильгельм Нуссельт доказал, что более тонкие прослойки, в которых воздух может считаться почти неподвижным, обладают меньшим коэффициентом теплопроводности, чем более толстые прослойки, с возникающими в них конвекционными течениями. Коэффициент теплопроводности слоя воздуха толщиной до 15мм равен 0,035. Воздушная прослойка толщиной до 15мм может считаться изолятором с неподвижным слоем воздуха, Источник: Техническая энциклопедия. Том 4- 1928г.

Установка одного экрана между двумя параллельными стенками уменьшает теплообмен излучением примерно в два раза. Конструкция из семи тонких воздушных прослоек с неподвижными слоями воздуха, ограниваемых стальными полированными мембранами, способна уменьшить теплообмен излучением более, чем в 100 раз.

Каскад металлических мембран экранирует наружную поверхность ТИВ от лучистого теплообмена, а, практически неподвижный воздух - хороший изолятор от теплопроводности со стороны мембран более горячих воздушных прослоек.

На фиг.1 изображен ТБ ТИВ с вскрытым корпусом;

На фиг.2 изображен фрагмент поперечного сечения ТБ ТИВ;

На фиг.З изображена упругая решетка для мембраны;

На фиг.4 изображена сборка и контакт мембран со стенками блока;

На фиг.5 изображен увеличенный фрагмент решетки с мембраной;

На фиг.6 изображена увеличенный фрагмент мембраны в рабочем положении ;

На фиг.7 изображен наконечник-зацеп;

На фиг.8 изображена воронка-захват;

На фиг.9 показано крепление крышек и днищ блоков ТИВ;

На фиг.10 показано схематичное крепление замками смежных блоков ТИВ;

На фиг.11 показано крепление днищ блоков ТИВ.

На фиг.1 изображен ТБ ТИВ, состоящий из крышки поз.1, двух боковых стенок поз.2, расположенных под углом Q друг к другу, двух торцевых стенок поз.З, выполненных в виде плоских кольцевых секторов, цилиндрического днища поз.4. опирающегося через штифты поз.15 и розетки поз.16 на тепло изолируемую поверхность поз.5. Внутри блока размещены коаксиальные металлические мембраны поз.6 (для наглядности показаны черной линией), выполненные из листа толщиной {0,05-0, 1}мм и скрепленные между собой решетками поз.7 без сварки. Термостатирующий зазор поз.9, толщиной < 15мм, как первичная изолирующая воздушная прослойка кольцевой секции, устанавливается между днищем поз.4 и тепло изолируемым телом поз.5. Тонкостенные мембраны, с расположенными между ними решетками, образуют камеры воздушных прослоек блока поз.17 с толщиной прослоек менее 15мм. На углах торцевых и боковых стенок крышки установлены наконечники-зацепы поз.18 для соединения ТБ между собой. На углах торцевых и боковых стенок днища выполнены ниши поз.11 для размещения центрирующих розеток. Для упрочнения крышки поз.1 толщиной 0,3мм выполнены продольные швеллера поз.8 и ребра жесткости поз.23, соединенные сваркой с крышкой и контактирующие с верхней мембраной.

На фиг.2 изображен фрагмент поперечного сечения части ТБ ТИВ. Мембраны поз.6 (обозначены черными линиями) установлены между упругих решеток поз.7 без зазора со стенками блока. При монтаже мембран происходит вначале уплотнение всех решеток в ТБ, а затем окончательная сборка мембран с решетками. Пакет шести сборок мембран с решетками окончательно закреплен сварным соединением крышки поз.1 и днища поз.4 со стенками поз.2, поз.З (фиг.1). Мембраны поз.б с решетками поз.7 образуют камерные воздушные прослойки поз.17 с толщиной прослоек < 15мм, в которых воздух неподвижный и отсутствуют конвективные течения. Толщина ТБ ТИВ колеблется в пределах от 72мм до 96мм в зависимости от температуры тепло изолируемого тела.

На фиг.З изображена упругая решетка поз.7, высотой < 15мм, являющаяся дистанционным калибром между двумя смежными мембранами. Края решетки расположены под углом Y друг к другу. Размер d<l 5мм - это расстояние между линейным участком к и наружной поверхностью решетки, (1=р-0,2мм. Размер к ={3,0-10,0} мм , как линейное продолжение закругления решетки и мембраны, необходим для гарантийного уплотнения мембраны с контактирующей смежной мембраной.

На фиг.4 изображена сборка и контакт мембран поз.б со стенками блока поз.2, цилиндрический плинтус поз.24 приварен контактной сваркой к стенкам поз.2.

На фиг.5 изображен увеличенный фрагмент решетки. Плотный сгиб мембраны поз.б по краю решетки поз.7 осуществлен с помощью ручной вальцовки. Радиус IT <7, 5мм. Кружочками изображены продольные прутки решетки.

На фиг.6 изображен увеличенный фрагмент мембраны в рабочем положении.

На фиг.7 изображен наконечник-зацеп поз.18 с радиусом закругления Г2 . Наконечники-зацепы вытачивают на токарном станке и разрезают на 4 равные части. Производят установку и аргонодуговой сваркой поз.10 соединяют с крышкой поз.1.

На фиг.8 изображена съемная воронка-захват поз.19, являющаяся ответной частью наконечников-зацепов поз.18. Упругая часть ее выполнена продольными лепестками поз.20 в виде тонкостенного тела вращения, с горловиной - самое узкое место сжатия продольных лепестков. Для повышения упругости при соединении крышек крупногабаритных блоков на горловину унифицированной воронки-захвата дополнительно монтируется незамкнутое упругое кольцо поз.12, закрепляемое на воронке-захвате хомутиками поз.13 с помощью контактной сварки. Упругая часть воронки-захвата закреплена на цилиндрической обечайке поз.21 с помощью контактной сварки. Упругая воронка-захват поз.19 выполнена таким образом, что при ее рабочем положении упругие лепестки поз.20 рассчитаны на сжатие наконечников-зацепов поз.18, а при прохождении наконечниками-зацепами горловины воронки-захвата - самого узкого места сжатия продольных лепестков, под действием приложенной силы, лепестки упруго разжимаются с последующим возвратом в исходное положение. Суммарный вес одной такой сборки для соединения модулей со стороны 4-х смежных днищ составляет ~ 60 грамм.

На фиг.9 показано крепление крышек и днищ блоков ТИВ. Изображена штатная сборка наконечников-зацепов поз.18 с радиусом закругления IT смежных теплоизоляционных блоков со съемной упругой воронкой-захватом поз.19. Воронки- захваты выполнены с донышками поз.22. Боковые стенки днищ четырех смежных блоков соединены между собой с помощью направляющих цилиндрических штифтов поз.15, плотно входящих в четыре гнезда центрирующей розетки поз.16. Соединение блоков между собой может производиться как по одиночно, так и одновременно всех 4-х модулей.

На фиг.10 показано схематичное крепление замками блоков ТИВ в угловых сопряжениях границ блоков поз.14. Угловое закрепление блоков позволяет избежать подгонки и сварки ~ 6000 замков с крышками ТБ при монтаже замков в зоне АЭС. На фиг.11 изображено соединение с днищами ТБ поз.4 направляющих цилиндрических штифтов поз.15 с центрирующей решеткой поз.16, опирающейся на тепло изолируемое тело поз.5. Плотное соединение днищ ТБ с помощью розеток очень важно потому, что любая цилиндрическая поверхность теплообменной обечайки имеет естественную допускаемую эллипсность. При сборке ТБ в кольцо вокруг тепло изолируемого тела на внутренней поверхности ТБ возникает также неконтролируемая эллипсность. При неблагоприятном, особенно перпендикулярном совпадении, упомянутых выше поверхностных эллипсностей возникают зазоры и не допускаемые разуплотнения днищ ТБ, которые приводят к ухудшению теплоизоляционных свойств ТБ ТИВ. В качестве варианта, представлена внутри полая розетка. Размеры розетки ~15x15x14мм, диаметр отверстий ~ (4-5)мм.

Оценочный расчет толщины крышки блока

При применении усиления крышки ребрами высотой 14мм и толщиной 0,3мм, получаются ТБ ТИВ следующих данных:

Толщина нержавеющей тонкостенной стальной оболочки БСТИ равна Si= k]D V₽/[6 ] ; Толщина нержавеющей тонкостенной стальной оболочки ТИВ равна S ₂ = k ₂ dVP/[6];

51 kiD Р/[б] kiD

5 ₂ к ₂ dVP/[6] к ₂ d , сокращая радикалы, находим, что

Si k ₂ d 1,0 x 0,56 x 100

S ₂ = - = - = 0,13мм, где: kiD 0,43 х 1000 d - шаг ячейки усиления ребер решетки блока ТИВ, равный 100мм;

D - максимальный размер крышки блока БСТИ, равный 1000мм;

Si и S ₂ — толщины нержавеющих тонкостенных стальных крышек БСТИ и ТИВ; ki и к ₂ - коэффициенты, учитывающие способ закрепления края облицовочных стальных оболочек. Формулы расчета толщин крышек ТБ ТИВ и ТБ БСТИ взяты консервативно в запас, как для плоского днища, работающего под небольшим наружным давлением, что наиболее реально отображает геометрию и режимы работы блоков;

Источник: «Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных электростанций». ПНАЭ Г-7-002-86. Москва ,1989г.

Учитывая толщину крышки БСТИ, равную Si= 1,0мм, ki=0,56, D= 1000мм, k ₂ =0, 43, t= 100мм, получим предварительную равнопрочную толщину нержавеющей тонкостенной крышки, равную S ₂ -0,13MM. Приняв толщину нержавеющей тонкостенной крышки ТБ ТИВ, равную S ₂ = 0,3мм, получаем запас прочности крышки ТБ ТИВ по внешним равномерным нагрузкам больше, чем у крышки ТБ БСТИ в 2,3 раза. По расчетам изгибающих моментов коэффициент запаса прочности еще выше так, как линейные размеры в формулах входят в квадратных соотношениях.

Ориентировочная оценка веса ТИВС

Количество мембран и камер в модуле ТИВ зависит от полной мощности, теплового потока с поверхности тепло изолируемого тела и разности перепада температур дТ между поверхностями тепло изолируемого тела и наружной поверхностью ТИВ. Для ориентировочной оценки веса ТИВ рассмотрен вариант блока ТИВ с интегральной плотностью теплового потока с поверхности модуля не более 290 Вт/м ² , с шестью мембранами толщиной 0,1мм, семью камерами воздушных прослоек, с расстоянием между мембранами р=44мм, с толщиной стенок блока 0,3мм, диаметром прутков решетки 0,4мм и размерами ячеек решеток 40,0мм. Суммарный вес ТИВ в расчете на 3758 м ² (3758 м ² - площадь всей БСТИ АЭС «Куданкулам» Индия, 2022г) составляет 39,0т.

Уменьшение веса всей тепловой изоляции ТИВ на один блок АЭС по ориентировочной оценке по сравнению с весом действующей БСТИ АЭС Куданкулам - Индия (60,9т), составляет ~ 21,9т (36,0%).

Указание терминов

1. Крышка

2. Боковая стенка блока

3. Т орцевая стенка блока

4. Днище

5. Тепло изолируемое тело

6. Мембрана

7. Г ибкая калибровочная решетка

8. Продольный швеллер

9. Термостатирующий зазор

10. Аргоно дуговая сварка

11. Ниша для центрирующей розетки

12. Упругое кольцо

13. Хомутик

14. Граница блока

15. Направляющий цилиндрический штифт

16. Центрирующая розетка

17. Камера воздушной прослойки

18. Наконечник-зацеп

19. Воронка-захват

20. Лепесток

21. Обечайка

22. Донышко

23. Ребро жесткости крышки

24. Цилиндрический плинтус