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Verschlußeinrichtung für unter Innendruck stehende Gefäße, insbesondere
für Standrohre für Kernreaktoren Die Erfindung bezieht sich auf eine Verschlußeinrichtung
für unter Innendruck stehende Gefäße, insbesondere für die unter Innendruck stehenden
Standrohre von Kernreaktoren mit einem inneren und äußeren Bauelement, von welchen
das innere mindestens teilweise mit Gleitsitz in das äußere eingepaßt und an seinem
Außenumfang mit Dichtungsmitteln zur Verhinderung des Durchtritts des den Innendruck
erzeugenden Mediums versehen ist, wobei die Verriegelung mittels durch Keilflächen
an einem der Elemente in Aussparungen des anderen Elementes verschiebbarer Glieder
erfolgt und die zur Verriegelung führende Axialbewegung des inneren Elementes durch
den Innendruck ausgelöst wird.
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Es sind Verschlußeinrichtungen bekannt, deren Verriegelungsglieder
z. B. aus einer Anzahl von Kugeln, Rollen oder Riegeln bestehen, die durch mechanisch
betätigte Nocken oder Keile in Ringnuten oder Aussparungen der Gefäßöffnung geschoben
werden.
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Einige dieser bekanntdn Verschlüsse weisen Federn auf, die während
des Anhebens oder Absenkens des Verschlusses unter Gewichtsbelastung stehen und
die Verriegelung vornehmen. Andere Vorrichtungen arbeiten mittels einer Verdrehung
zweier konzentrischer Teile zueinander, beispielsweise in dem ein äußerer Kugelkäfig
gegenüber einem inneren exzentrisch gestalteten Körper, z. B. einer Kurvenscheibe,
verdreht wird.
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Derartige Vorrichtungen weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie unabsichtlich
gelöst werden können, während zwischen beiden Seiten des Verschlusses ein Druckunterschied
besteht. Dies ist insbesondere bei gasgekühlten Kernreaktoren, die ein bevorzugtes
Anwendungsgebiet der Erfindung darstellen, wobei die erfindungsgemäße Verschlußeinrichtung
bei Standrohren verwendet wird, welche den biologischen Schild des Reaktors durchsetzen
und durch die Kernbrennstoff-, Steuer- und Kontrollstäbe und anderes Zubehör in
den Reaktorkem aus Graphit eingebracht oder aus diesem entfernt werden, ein schwerwiegender
Nachteil, da ein unbeabsichtigtes öffnen nicht nur zu schweren Zerstörungen baulicher
Art infolge der durch den hohen Innendruck mit großer Kraft herausgeschleuderten
Verschlüsse, sondern auch zu
schweren Strahlenschäden infolge der austretenden
radioaktiven Substanzen führen würde.
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Besonders einfach ausgebildete Sperrkugelverriegelungen a weisen darüber
hinaus noch den Nachteil auf, daß ein schnelles Öffnen und Schließen bei derartigen
Verschlüssen mit großem Durchmesser nicht möglich ist, da sie sich nur durch Anziehen
bzw. Lösen von Schrauben ent- bzw. verriegeln lassen. Es wurden auch schon Vorrichtungen
bekannt, die beispielsweise mittels pneumatischer Hüfseinrichtungen das vorzeitige
öffnen eines unter Innendruck stehenden Behälters verhindern. Die erforderliche
pneumatische Einrichtung macht diese Vorrichtungen je-
doch störanfällig und
kompliziert, so daß sie für den vorstehend erwähnten bevorzugten Verwendungszweck
der Erfindung nicht geeignet erscheinen.
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Eine weitere bekannte Einrichtung arbeitet mit einem Hebelmechanismus,
der jedoch bei Verschlüssen, die großen Innendrücken standhalten müssen, sehr kompliziert
werden müßte. Auch die bei diesem Vorschlag zur Betätigung des Hebelsysteins, dienende
zentrale Membran dürfte keinen größeren Innendruck aushalten, wobei noch hinzukommt,
daß die Anordnung von im Zentrum des Verschlusses befindlichen
Verschlußelementen
für die Verwendung in einem Kernreaktor hinderlich ist, da in diesem Fall häufig
Steuer- und Kontrolleinrichtungen durch das Zentrum des Standrohrverschlusses geführt
sind.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der den vorbeschriebenen bekannten Konstruktionen
anhaftenden Nachteile, einen Verschluß zu schaffen, der konstruktiv verhältnismäßig
einfach ist, mit Sicherheit ein unbeabsichtigtes öffnen verhindert, solange im Innem
des zu verschließenden Gefäßes ein überdruck herrscht und bei dem die Verriegelungseinrichtungen
in der Nähe der Peripherie des Verschlusses vorgesehen sind, so daß das Zentrum
frei bleibt.
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Diese Aufgabe soll dadurch gelöst werden, daß zur endgültigen Verriegelung
ein mit dem inneren Bauelement verbundener Druckring mit einer Keilffäche versehen
ist, welche bei einer Axialbewegung dieses Elementes unter der Einwirkung des Innendruckes
alle oder einen Teil der in einem gemeinsam mit dem inneren in das äußere Bauelement
einfährbaren Zwischenring gelagerten Glieder radial in Aussparungen des äußeren
Bauelementes verschiebt. Zur vorläufigen Verriegelung, solange kein innerer Überdruck
herrscht, sind erfindungsgemäß entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung des Druckringes
wirksame, mit Spiel durch Schlitze im Druckring hindurchgehende keilförmige Bauelemente
vorgesehen, die mindestens einen Teil der im Zwischenring gelagerten Glieder radial
in die Aussparungen im äußeren Bauelement verschieben.
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Auf diese Weise ist es bei der erfindungsgemäßen Versclilußeinrichtung
möglich, in ihrem Zentrum abgedichtete öffnungen vorzusehen, welche durch beispielsweise
die Verstellmittel (z. B. die Ketten) von Kontrollstäben bei Kernreaktoren geführt
werden können, die während des Reaktorbetriebes betätigbar sein müssen. Bei der
Anwendung in der chemischen Industrie kann durch das Zentrum der Verschlußeinrichtung
die Welle eines Rührwerkes laufen, dessen Antrieb außerhalb des unter Innendruck
stehenden Gefäßes vorgesehen ist.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung am Beispiel des
Verschlusses für ein Standrohr eines Kernreaktors näher beschrieben. Es stellt dar
F i g. 1 einen Schnitt durch eine erfmdungsgemäße Verschlußeinrichtung, und
zwar auf der linken Seite der Figur den Verschluß in gelöstem und auf der rechten
Seite der Figur den Verschluß in verriegeltem Zustand, F i g. 2 einen Grundriß
der F i g. 1, jedoch in kleinerem Maßstab, F i g. 3 einen Teilschnitt
nach der Linie X-X in Fig. 1,
F i g. 4 einen Teilschnitt durch eine
Hubschraube zum Anheben eines Kugelkäfigs.
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Bei der praktischen Anwendung der Erfindung in der gezeigten Weise
zum Verriegeln des Verschlusses in einem Standrohr eines gasgekühlten Kernreaktors
mit Graphit als Moderator, gehört zu der Verschlußeinrichtung ein äußeres Rohr
1, das mittels eines Flansches la an das obere Ende eines Standrohres angeschraubt
wird. Der Verschluß selbst besteht aus einem oberen rohrförmigen Teil 2, von welchem
ein hier nicht dargestellter Strahlungsschild aus Beton herabhängt. Dieser in das
Standrohr einsetzbare Schild ist mit dem unteren Ende des Teiles 2 verschraubt oder
in anderer Weise verbunden, wobei die Bolzenlöcher 2a in gestrichelten Linien angedeutet
sind.
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Der Teil 2 paßt mit Gleitsitz in das Rohr 1. Dichtungsringe
3, beispielsweise O-Ringe, verhindern das Entweichen von Gas zwischen den
sich berührenden Gleitflächen von Rohr 1 und rohrförmigem Teil 2 des Verschlusses.
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An dem Teil 2 ist ein Druckring 4 angebracht, der eine abgeschrägte
Fläche 4 a aufweist, die auf Kugeln 5 a und 5 b eine
Keilwirkung ausüben kann, um die Kugeln in Aussparungen 6 a bzw.
6 b im Rohr 1 zu drücken.
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Die Kugeln 5 a und 5 b werden durch
einen Haltering 7 a in einem Kugelkäfig 7 gehaiten; sie liegen ebenso
wie die zu ihnen gehörenden Aussparungen 6 a bzw. 6 b
in einer Ebene. Die Kugeln 5-a werden dabei zunächst durch an einem Flansch
9 mittels der Stifte 10 angebrachte keilförmige Bauelemente
8 betätigt. Ein Querschnitt durch diese keilförmigen Bauelemente
8 ist in der F i g. 3 dargestellt. Die Bauelemente 8 haben
eine abgeschrägte Fläche 8 a und gleiten in Schützen 11 im Ring 4.
Die abgeschrägte Fläche 8 a übt bei der Abwärtsbewegung des Flansches
9 in Richtung der Achse 4-A eine Keilwirkung auf die Kugeln 5
a aus mit Bestreben, dieselben in die entsprechenden Aussparungen
6 a in dem Rohr 1 zu drücken.
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Der Flansch 9 ist mit einer Anzahl von Hubbolzen 12 versehen,
welche mit einem gewissen Spiel durch Bohrungen 13 in einem oberen Flansch
2 b des Teiles 2 hindurchgehen.
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Wenn der Verschluß, wie auf der linken Seite der F i g. 1 gezeigt,
gelöst ist, dann stößt der Flansch 9
an den Flansch 2 b an. Dieser
Zustand tritt ein, sobald auf die Bolzen 12 eine Hubkraft ausgeübt wird.
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Die Hubkraft wird dann von den Bolzen 12 auf den Flansch
9, den Flansch 2 b und damit auf den Teil 2 des Verschlusses übertragen.
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In den Flanschen 2a und 9 ist eine Anzahl von Aussparungen
14 a bzw. 14 b vorgesehen, von denen jede eine Feder 15 aufnimmt,
welche das Bestreben hat, die beiden Flansche auseinanderzudrücken.
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Der Kugelkäfig 7 ist am Flansch 9 mittels der Hubschrauben
16 angebracht, so daß er angehoben wird, sobald der Verschluß gehoben wird.
Wird jedoch der Verschluß gesenkt, kommt der Kugelkäfig an einem gewissenPunkt auf
einerLeiste17 in demRohrl zur Ruhe, und der Flansch9 kann sich nun gegenüber dem
Kugelkäfig abwärts bewegen, weil die Köpfe 16a der Hubschrauben16 in Bohrungen18
des Kugelkäfigs gleiten können, wie am besten aus der F i g. 4 zu ersehen
ist. Die Stifte 19 verhindern eine Drehung des Kugelkäfigs gegenüber dem
Teil 2 des Verschlusses.
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Soll bei einem Kernreaktor während des Betriebes der Verschluß eines
Standrohres, beispielsweise um Brennstoffelemente oder Kontrollstäbe auszuwechseln,
entfernt werden, so wird über das entsprechende Standrohr eine Lademaschine gefahren,
die einerseits zur biologischen Abschirmung des Bedienungspersonales dient, um Strahlungsschäden,
zu verhindern, und mittels der andererseits in dem Raum über dem Standrohr durch
Preßluft oder ein anderes, vorzugsweise dem Kühlgas des Reaktors entsprechendes
Gas ein überdruck erzeugt wird, der geringfügig größer ist als der Arbeitsdruck
des Kühlkreislaufes im Reaktor. Auf diese Weise herrscht auf beiden Seiten des
Verschlusses
annähernd der gleiche Druck, und der Verschluß kann entfernt werden. Nach Beendigung
der Arbeit im Standrohr wird der Verschluß wieder in das Standrohr abgesenkt, wobei
der überdruck zunächst noch aufrechterhalten wird. Dabei entspricht die Lage der
einzelnen Teile des Verschlusses der Darstellung in der linken Hälfte der F i
g. 1, d. h., die Flansche 9 und 2 b liegen aneinander an und
sämtliche Kugeln 5 a und 5 b befinden sich in
der eingerückten Lage, so daß der rohrförmige Teil 2 innerhalb des Rohres
1 gleiten kann.
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In dem Augenblick, wo nun der Kugelkäfig die Leiste 17 berührt,
erreicht der Teil 2 seine unterste Lage, und das Gewicht des Verschlusses wird durch
die Schultern 7 b des Kugelkäfligs aufgenommen. Die Bolzen 12 werden bei
der weiteren Abwärtsbewegung des Greifers, an dem der Verschluß aufgehängt ist,
von der Hubkraft entlastet. Das Gewicht des Flansches 9 und die von den Federn
15 ausgeübte Kraft veranlassen den Flansch 9, sich von dem Flansch
2 b
aus abwärts zu bewegen. Die Abwärtsbewegung der keilförmigen Bauelemente
8 hat zur Folge, daß die Kugeln 5 a (von denen bei der
hier dargestellten Ausführungsform vier vorhanden sind, wie am besten aus dem Grundriß
der F i g. 2 zu ersehen ist) in die entsprechenden Aussparungen
6 a in dem Rohr 1 gedrückt werden, um auf diese Weise
den Teil 2 und damit den Verschluß in dem Rohr 1 vorläufig zu verriegeln.
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Diese Stellung wird dem die Lademaschine bedienenden Arbeiter durch den
Stellungszeiger 20 kenntlich gemacht, und in diesem Zeitpunkt kann nun der Raum
über dem Verschluß druckentlastet werden, um die durch den Druck des Fluidums in
dem Druckbehälter auf den Verschluß ausgeübte Kraft wieder voll zur Wirkung kommen
zu lassen.
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Sobald der Raum über dem Verschluß druckentlastet ist, hat der Druckunterschied
zwischen dem Druckgefäß und dem Raum oberhalb des Verschlusses zur Folge, daß die
auf die Stirnfläche 2c des Teiles 2 einwirkende Kraft diesen gegen sein eigenes
Gewicht und die gleitende Reibung der Richtung anhebt. Bei der Aufwärtsbewegung
des Teiles 2 wird auch der Druckring 4 aufwärts bewegt, und infolge der Keilwirkung
der schrägen Fläche 4 a werden nun die verbleibenden Kugeln 5 b (von
denen in der dargestellten Ausführungsform acht vorhanden sind) in ihre entsprechenden
Aussparungen 6 b gedrückt. Die Endlage des Teiles 2 und damit des Verschlusses
ist in der rechten Hälfte der F i g. 1 dargestellt. In dieser Lage verteilt
der Druckring 4 die Druckbelastung auf alle Kugeln, einschließlich der Kugeln
5 a, die anfänglich durch die Wirkung der Federn
15 bzw. die keilförmigen Bauelemente 8 in die Verriegelungsstellung
gedrückt wurden.
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Wie man sieht, ist die Verriegelung unabhängig vom Unterschied der
Drücke zu beiden Seiten des Verschlusses. Je höher dieser Druckunterschied ist,
desto höher ist auch die Sperrkraft. Die Entfernung des Verschlusses wird, solange
dieser Druckunterschied vorhanden ist, dadurch verhindert, daß auf den Druckring
gegen den Druck des Fluidums keine Kraft ausgeübt werden kann, die groß genug wäre,
um die vom Druckring in Sperrstellung gehaltenen Kugeln zu lösen. Um den Verschluß
zu entfernen, ist es daher erforderlich, einen Druckausgleich beiderseits des Verschlusses
zu erzeugen, so daß sich der Teil 2 in seine unterste Lage bewegen und dabei die
Kugeln 5 b freigeben kann. Sobald dies geschehen ist, wird auf die
Bolzen 12 eine Hubkraft ausgeübt, wobei auch die Kugeln 5a frei kommen. Dadurch
wird der Verschluß endgültig entriegelt und kann nunmehr entfemt werden.
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Am Ende der Aufwärtsbewegung des Teiles 2 während des Verriegelungsvorganges
werden die Kugeln zwischen einer Kegelfläche 4 a des Druckringes 4 und einer
Kegelfläche 1 b an dem Rohr 1 eingeklemmt. Die volle Sperrkraft infolge
des vorer-' wähnten Druckunterschiedes wird also diametral durch die Kugeln hindurch
übertragen. Auf diese Weise steht der Kugelkäfig nur -unter geringen Beanspruchungen,
was die Gefahr vermindert, daß der Kugelkäfig an den Teil 2 des Verschlusses angeklemmt
wird, wodurch die Aufwärtsbewegung des Teiles 2 gegenüber dem Kugelkäfig infolge
eines Druckunterschiedes zu beiden Seiten des Verschlusses verhindert werden könnte.
Die be'l den Kugeln 5 a
durch die keilförmigen Bauelemente
8 mechanisch herbeigeführte vorläufige Verriegelung wirkt jedoch wie eine
Sicherheitsverriegelung in dem unwahrscheinlichen Fall, daß der Kugelkäfig an dem
Teil 2 angeklemmt wird, und -verhindert das Anheben des Kugelkäfigs durch den überdruck
ira Innern des Reaktors.
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Wenn auch in der vorliegenden Darstellung die vorläufige Verriegelung
nur auf vier von insgesamt zwölf Kugeln einwirkt, so kann man doch, falls es gewünscht
werden sollte, eine größere Anzahl wählen oder sogar alle Kugeln in der beschriebenen
Weise zunächst vorläufig verriegeln.
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Das Prinzip der beschriebenen Verschlußeinrichtung kann mit verschiedenen
Typen der Abdichtung kombiniert werden und ist nicht auf die hier dagestellte Ausführungsform
beschränkt. Die Abdichtung kann beispielsweise zwischen Metall und Metall oder zwischen
Gummi und Metall erfolgen; auch kann es sich dabei um eine Abdichtung flacher Oberflächen
handeln.
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Wenn auch die Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf das Verschließen
der Standrohre eines Kernreaktors beschrieben wurde, so kann sie selbstverständlich
für alle unter Innendruck stehenden Gefäße verwendet werden. Es ist dabei lediglich
erforderlich, daß vor dem Lösen des Verschlusses ein Ausgleich des Druckverhältnisses
beiderseits desVerschlusses erfolgt. Dies kann, wie beschrieben, dadurch geschehen,
daß über dem Verschluß der gleiche oder ein geringfügig größerer Druck erzeugt wird,
als im Innem des Gefäßes herrscht, oder aber dadurch, daß der Innendruck des Behälters
auf Atmosphärendruck entspannt wird. Während des Entfernens und Einsetzens des Verschlusses
darf also kein innerer überdruck herrschen.
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Es muß auch beachtet werden, daß es nicht unbedingt erforderlich ist,
daß der Druckring 4 auf alle verschiebbaren Glieder einwirkt, doch bietet diese
Maßnahme einen doppelten Schutz gegen unbeabsichtigte Entriegelung. Es ist auch
für den Fachmann offensichtlich, daß es möglich ist, den Zwischenring
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so auszubilden, daß er mit rein radialen Bohrungen versehen ist, in welchen
radial verschiebbare Stifte mit rundem oder eckigem Querschnitt geführt sind, die
mittels der keilförmigen Bauelemente in die Aussparungen im Teil 1 verschoben
werden können. Statt des beschriebenen rohrförmiaen Teiles 2 kann offensichtlich
auch ein massiver Stopfen vorgesehen werden,
der gegebenenfalls
von einer Zentralbohrung geringen Durchmessers durchdrungen sein kann, was aber
nicht erfindungswesentlich ist.
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Die Verwendung des gleichen Kugelkäfigs und -des gleichen Druckringes
sowohl für die durch den Überdruck hervorgerufene Hauptverriegelung, als auch für
die vorläufige Verriegelung ergibt eine Raumersparnis sowie eine Verminderung der
Anzahl der erforderlichen Dichtungen gegenüber bekannten ähnlichen Vorrichtungen,
bei welchen getrennte Kugelsysteme verwendet werden. Dies ist für die Anwendung
bei Kernreaktoren besonders wichtig, da hierdurch der Verschluß kurz gehalten und
der nicht durch Sperrglieder verbaute zentrale Teil des Verschlusses größer gemacht
werden kann, wodurch der Durchgang von Spaltstoffelementen, von Steuerstäben oder
von Ketten bzw. Seilen für deren Betätigung oder auch von sonstigen Ausrästungsteilen,
welche in das Innere des Reäktors eingesetzt oder aus ihm entfernt werden müssen,
ermöglicht wird.