ДЕМПФИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2003 года по МПК G21C19/32 F16F7/00 

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к устройствам, устанавливаемых в контейнерном отсеке бассейна выдержки АЭС, и может быть использовано для предотвращения возможных аварий из-за падения тяжелых объектов с большой высоты (15 м), например транспортного контейнера с отработанными сборками (ОТС) энергетических реакторов, и защиты строительных конструкций здания и контейнера от разрушений.

Исходя из современного состояния техники возникает проблема улучшения демпфирующего устройства таким образом, чтобы динамическая нагрузка на дно бассейна и сам контейнер была ограничена в момент аварийной ситуации за счет соответствующего выбора жесткости энергопоглощающего устройства, способного обеспечить эффективность плавного торможения падающего контейнера. Большие современные транспортные контейнеры, масса которых составляет величину порядка 100 т, в момент падения могут выдерживать перегрузку, близкую к 100-кратной. Дня таких контейнеров допустимая сила торможения может достигать примерно 10000 тс. Такое большое силовое воздействие на строительные конструкции, например на дно контейнерного отсека бассейна выдержки, является недопустимым, т. к. допустимый уровень динамической нагрузки на дно отсека из-за его малой площади (7 м²) составляет 7800 тс.

Известно демпфирующее устройство по патенту РФ 2104423, C1, (опубл. 10.02.98, F 16 F 7/12), состоящее из жесткого слоя и мягкого демпфирующего слоя, установленного на основании, между слоями размещена инертная масса, сопоставимая по величине с массой падающего объекта.

При работе известного устройства инертная масса должна быть сопоставима по величине с массой падающего объекта, т.е. для предотвращения аварий при падении тяжелых объектов, например контейнеров с отработанными сборками, вес которых достигает порядка 100 т, инертная масса должна быть равна массе контейнера, что приводит к нецелесообразному увеличению объема демпфирующего устройства.

От указанного недостатка свободно демпфирующее устройство для транспортного контейнера по патенту DE 265041 (опубл. 12.10.78 г., G 21 C 19/32), содержащее плиту, расположенное под ним энергопоглощающее устройство, установленное на дно бассейна, сверху над которым размещено с зазором промежуточное днище, прикрепленное к стенам бассейна. Энергопоглощающее устройство выполнено в виде алюминиевых труб круглого сечения, уложенных слоями в балках U-образного профиля, соседние слои взаимно перпендикулярны. На верхнем торце промежуточного днища установлена жесткая стальная плита. Данное демпфирующее устройство является наиболее близким к предлагаемому.

Однако при падении контейнера не обеспечивается защита его конструкции, а также конструкции зданий от ударных перегрузок в аварийных ситуациях, что может привести к их разрушению. Это происходит от того, что ударная нагрузка на контейнер в момент соприкосновения его с энергопоглощающим устройством является максимальной, что приводит к резкому его торможению, при этом гасится наибольшее количество кинетической энергии по сравнению с последующими этапами падения, т.е. на смятие труб круглого сечения в первоначальный момент затрачивается значительная часть энергии, чем в последующие моменты. В связи с этим усилие, необходимое для потери устойчивости труб круглого сечения, в первоначальный момент расходуется значительно больше, чем в последующие, что не обеспечивает плавного поглощения кинетической энергии. Кроме того, наиболее опасным является аварийная ситуация при падении контейнера под углом (наклонном падении), т.к. в этом случае ограничена зона деформирования дна отсека, за счет того, что удар приходится в одну точку и за счет жесткости труб значительная часть энергии передается в узком направлении на дно отсека, создавая в первоначальный момент концентрацию динамической нагрузки в одном месте дна контейнерного отсека, что приводит к превышению допустимых нагрузок на строительные части здания и контейнер.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности торможения падающего контейнера с ОТС в аварийных ситуациях за счет плавного снижения величины ударных нагрузок и равномерного их распределения на строительные конструкции и контейнер, обеспечив их целостность.

Для достижения указанного технического результата в демпфирующем устройстве для транспортного контейнера, содержащем плиту, расположенное под ней и установленное на дно бассейна энергопоглощающее устройство, последнее выполнено в виде совокупности не менее двух модулей, установленных друг на друга внутри опоры и снабженных горизонтальными разделяющими плитами, модули выполнены в виде секторов и обечаек с образованием между ними сплошной полости, заполненной шариками, и пустых полостей, при этом толщина стенок обечаек модулей и горизонтальных плит увеличивается по мере приближения их ко дну бассейна, а внутренние поверхности обечаек и нижние поверхности горизонтальных плит снабжены ослабляющими рисками, кроме того, сплошная полость с шариками и пустые полости модулей расположены соответственно друг над другом.

Отличительными признаками предлагаемого демпфирующего устройства от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, является наличие не менее двух модулей, установленных друг на друга внутри опоры, выполненных в виде секторов и обечаек с образованием между ними сплошной полости, заполненной шариками, и пустых полостей. На каждом модуле сверху установлена плита. Толщина стенок модулей и плит различная и изменяется в зависимости от их расположения - увеличивается по мере их приближения ко дну бассейна. На внутренних поверхностях обечаек и нижних поверхностях горизонтальных плит выполнены ослабляющие риски, а сплошная полость с шариками и пустые полости модулей расположены соответственно друг над другом.

Благодаря наличию этих признаков при работе демпфирующего устройства в условиях аварийной ситуации при падении груженого транспортного контейнера происходит его столкновение с энергопоглощающим устройством. Энергопоглощающее устройство из-за особенностей своего исполнения - наличие модулей, установленных друг на друга, переложенных плитами, оказывает ему сопротивление за счет последовательного разрушения модулей. В результате того, что стенки модулей и плит выполнены разной толщины с насечками и самый тонкий модуль находится сверху, происходит постепенное увеличение сопротивления, в результате чего кинетическая энергия падающего контейнера гасится постепенно. Она расходуется на разрушение этих модулей, расположенных последовательно на пути движения контейнера, начиная с самого тонкого верхнего. В результате чего ударная нагрузка на контейнер в момент его соприкосновения с энергопоглощающим устройством является минимальной, т.к. на разрушение самого тонкого модуля затрачивается наименьшее количество энергии, при этом поглощается примерно 10% кинетической энергии. При дальнейшем продвижении контейнера на разрушение второго и последующих модулей, толщина которых постепенно увеличивается, затрачивается и соответствующее количество энергии на их разрушение, что способствует постепенному плавному гашению кинетической энергии падающего контейнера и постепенному его торможению. Наличие же шариков в модулях позволяет (при их разрушении) перекатываться и занимать пустые полости, тем самым обеспечивая перераспределение динамической нагрузки на дно отсека, и исключает концентрацию напряжения в одной точке и в узком направлении.

Количество модулей и толщина стенок обечаек и плиты зависит от энергии, которую необходимо погасить для исключения разрушения контейнера и строительной части контейнерного отсека. Так, для торможения контейнера весом 100 т при падении его с высоты 15 м и снижения больших силовых воздействий на строительные конструкции, например на дно отсека, необходимо, как минимум, два модуля.

Ослабляющие риски, выполненные на внутренних поверхностях обечаек и нижних поверхностях горизонтальных плит, служат для более мелкого разрушения обечаек и плит, что способствует равномерному распределению шариков в момент удара и заполнению ими пустых полостей, а также плавному гашению кинетической энергии.

Клиновидные направляющие на стенке бассейна выдержки служат для центрирования и ориентирования контейнера в пространстве относительно демпфирующего устройства в момент его падения на плиту.

Выполнение на опоре и на боковой поверхности взаимодействующих направляющих исключает перекос плиты и заклинивание при ее движении вниз в момент падения контейнера и позволяет обеспечить более плавное ее перемещение в процессе падения контейнера.

Выполнение нижней части плиты, закрепленной на опоре, в виде перегородок с образованием между ними пустых полостей служит для взаимодействия с энергопоглощающим устройством, которое под действием ударной силы, возникающей при падении контейнера, разрушает горизонтальные плиты и обечайки модулей, в результате чего происходит перекатывание шариков в пустые полости модулей, что способствует исключению концентрации напряжения ударных нагрузок в одной точке и равномерному их распределению по всей поверхности устройства.

Предлагаемая конструкция демпфирующего устройства иллюстрируется чертежами, представленными на. фиг.1-5.

На фиг.1 показан продольный разрез устройства.

На фиг.2 - поперечный разрез устройства по А-А на фиг.1.

На фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.2.

На фиг.4 - выносной элемент I на фиг.1.

На фиг.5 - сечение Г-Г на фиг.1 (взаимодействующие направляющие).

Демпфирующее устройство устанавливают в контейнерном отсеке 1 бассейна выдержки 2 АЭС (фиг.1). Отсек в варианте исполнения изобретения имеет в поперечном сечении форму восьмиугольника. Устройство содержит опору 3, выполненную в виде стакана по форме отсека, установленную основанием на дно бассейна выдержки. Сверху на опоре 3 закреплена плита 4 посредством кольцевого фланца и крепежных элементов 5. На плиту устанавливается загруженный отработанными топливными сборками транспортный контейнер 6. Нижняя поверхность плиты 4 разделена перегородками 7 с образованием между ними пустых полостей 8. Под плитой 4 внутри опоры 3 размещено энергопоглощающее устройство, представляющее собой совокупность модулей 9, 10, 11, 12 (фиг.3), установленных друг на друга. На каждом модуле расположена горизонтальная плита 13, 14, 15, 16 соответственно. В варианте исполнения количество модулей и горизонтальных плит по четыре. Каждый модуль 9, 10, 11, 12 энергопоглощающего устройства в отдельности представляет собой сварную металлоконструкцию и содержит четыре наружных сектора 17 (фиг.2), выполненных по форме опоры 1, и четыре внутренних обечайки 18 с образованием между секторами 17 и обечайками 18 сплошной полости 19, которая заполнена металлическими шариками 20, а внутри обечаек 18 остаются четыре пустые полости 21. Суммарный объем пустых полостей 21 в каждом модуле больше, чем объем сплошной полости 19 с шариками 20. На поверхностях обечаек 18 со стороны пустых полостей и на нижних поверхностях горизонтальных плит 13, 14, 15, 16 нанесены ослабляющие риски 22. Толщина стенок обечаек 18 каждого модуля 9, 10, 11, 12 выполнена различной и увеличивается по мере их расположения сверху вниз, т.е. модуль 12 с самыми толстыми стенками обечайки расположен на основании опоры 3. Горизонтальные плиты 13, 14, 15, 16, расположенные поверх каждого модуля 9, 10, 11, 12, соответственно также выполнены разной толщины и расположены аналогичным образом, что и обечайки, в порядке возрастания толщины по мере приближения ко дну бассейна. Самая тонкая плита 13 размещена на модуле 9 с самыми тонкими стенками, а самая толстая плита 16 размещена на модуле 12 с самыми толстыми стенками. На нижней поверхности каждой плиты нанесены ослабляющие риски 22. Перегородки 7 (фиг.1, 5) плиты 4 выполнены по форме сплошной полости 19 модулей 9, 10, 11, 12 и расположены друг над другом, причем толщина перегородок 7 плиты меньше ширины сплошной полости 19. Пустые полости 21 каждого модуля при этом также расположатся друг над другом. На боковой поверхности плиты 4 выполнены направляющие 23 (фиг.5), взаимодействующие с направляющими 24, расположенными на внутренней поверхности опоры 3. Над плитой 4 на стенке контейнерного отсека 1 закреплены клиновидные направляющие 25 (фиг.1).

Устройство работает следующим образом.

На дно контейнерного отсека 1 бассейна выдержки 2 устанавливают опору 3. Внутрь опоры на дно помещают модуль 12 с наибольшей толщиной стенок обечаек 18. Сплошную полость 19 между наружными секторами 17 и внутренними обечайками 18 модуля заполняют металлическими шариками 20. Сверху на модуль 12 укладывают горизонтально плиту 16 с наибольшей толщиной, ослабляющими рисками 22 вниз. На плите 16 располагают второй модуль 11 с толщиной стенок обечаек меньше, чем у модуля 12, и засыпают шариками 20 аналогичную сплошную полость 19. Поверх модуля 11 размещают плиту 15, толщина которой меньше толщины плиты 16, ослабляющими рисками 22 вниз. Третий 10 и четвертый 9 модули устанавливают аналогично, засыпая сплошные полости 19 шариками и перекладывая плитами 14 и 13 соответственно. Толщина стенок обечаек 18 модулей 10 и 9 также убывает по мере их расположения. Самая тонкая плита 13 находится сверху самых тонких обечаек 18. Обечайки 18 каждого модуля располагают друг над другом, в результате чего пустые полости 21 модулей (не заполненные шариками) и сплошные полости 19 с шариками расположатся соответственно друг над другом. После установки всех модулей опору 3 сверху закрывают плитой 4 перегородками 7 вниз, совмещая их со сплошной полостью 19, при этом направляющие 23 плиты 4 размещают в направляющих 24 опоры 3. Кольцевой фланец плиты 4 крепят к опоре 3 крепежными элементами 5. На стенках строительной части отсека 1 выше плиты 4 закрепляют съемные клиновидные направляющие 25.

При нормальной эксплуатации контейнер 6 устанавливается на плиту 4, при этом энергопоглощающее устройство остается ненагруженным, поскольку вес контейнера воспринимается плитой 4 и передается на опору 3.

Однако, в случае аварийной ситуации, когда происходит падение загруженного отработанными топливными сборками транспортного контейнера 6, и масса которого составляет порядка 100 т, всю нагрузку после обрыва фланца плиты 4 воспринимает энергопоглощающее устройство, выполненное в виде совокупности модулей 9-12, установленных друг на друга в опоре 3. Демпфирующий эффект достигается за счет работы шариков, затрачиваемой на поочередное разрушение обечаек 18 плит 13, 14, 15, 16, начиная с наиболее тонких, и перераспределения их (после разрушения обечаек 16) из сплошной полости 19 в пустые полости 21, в результате чего происходит поглощение кинетической энергии по всей поверхности падающего контейнера и плавное его торможенение.

При падении контейнера 6 вертикально вниз площадь соприкосновения его с плитой 4 равна площади основания контейнера, при этом нагрузка распределяется равномерно на всю поверхность плиты 4. Под действием силы удара происходит обрыв кольцевого фланца и креплений плиты 4. Плита вместе с контейнером 6 перемещается вниз внутри опоры 3 по взаимодействующим направляющим 23 и 24, исключающим ее заклинивание, и достигает энергопоглощающего устройства. Перегородки 7 входят в сплошную полость 19 и создают давление на металлические шарики 20. За счет того что, толщина стенок обечаек 18 модулей 9-12 и плит 13-16 увеличивается сверху вниз, происходит послойное их разрушение, т.е. плита 4 и ее перегородки 7 давят на верхнюю самую тонкую горизонтальную плиту 13, она прогибается и разрушается в местах ослабляющих рисок 22, выполненных на ее нижней поверхности. По мере дальнейшего продвижения плиты 4 вниз давление передается на шарики 20, расположенные в сплошной полости 19 модуля 9, которые давят на поверхности обечаек 18, образующие пустые полости 23. Обечайки 18, на внутренних поверхностях которых нанесены ослабляющие риски 22, разрушаются и шарики 20 заполняют пустые полости 21 верхнего модуля 9 на плите 14. За счет работы, затраченной на разрушение стенок обечаек 18 модуля 9 и плиты 13, поглощается примерно 10% энергии. Дальнейшее движение вниз контейнера 6 приводит к разрушению горизонтальной плиты 14 и расположенных под ней обечаек 18 модуля 10, с более толстыми стенками обечаек. На разрушение второго модуля 10 с более толстыми стенкам по сравнению с верхним модулем 9 затрачивается больше энергии, в результате чего поглощается примерно 20% энергии. Аналогично разрушается плита 15 с модулем 11, затем плита 16 с модулем 12. При разрушении третьего модуля 11 с более толстыми стенками обечаек, чем у предыдущего модуля 10, затрачивается примерно 30% энергии, а на разрушение модуля 12 с самыми толстыми стенками обечаек 18 и самой толстой плиты 16, расположенных на основании опоры, затрачивается примерно 40% энергии.

При падении контейнера 6 вниз наклонно клиновидные направляющие 25, закрепленные на внутренней поверхности отсека 1, ориентируют контейнер 6 относительно плиты 4. Однако момент соприкосновения контейнера 6 с плитой 4 происходит в одной точке (падение на угол). В этом случае сила удара приходится на эту точку. Благодаря тому, что сплошные полости 19 модулей заполнены шариками 20, давление распределяется равномерно по всему объему сплошной полости, что обеспечивает равномерное распределение усилия на дно контейнерного отсека, независимо от угла падения контейнера.

Таким образом, благодаря особенности исполнения демпфирующего устройства изобретение позволяет обеспечить плавное гашение кинетической энергии при падении контейнера (первый модуль гасит примерно 10% энергии, второй - 20%, третий - 30% и четвертый - 40%) и равномерное распределение нагрузки на дно контейнерного отсека, что исключает концентрацию напряжения и снижает нагрузки на контейнер и дно отсека до допустимых величин, сохранив их целостность.

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к устройствам, устанавливаемых в контейнерном отсеке бассейна выдержки АЭС, и может быть использовано для предотвращения возможных аварий из-за падения тяжелых объектов с большой высоты (15 м), например транспортного контейнера с отработанными сборками (ОТС) энергетических реакторов, и защиты строительных конструкций здания и контейнера от разрушений. Изобретением решается задача повышения эффективности торможения падающего контейнера с ОТС в аварийных ситуациях за счет плавного снижения величины ударных нагрузок и равномерного их распределения на строительные конструкции и контейнер, обеспечив их целостность. Демпфирующее устройство для транспортного контейнера содержит плиту и расположенное под ней энергопоглощающее устройство, установленное на дно бассейна, и выполнено в виде совокупности не менее двух модулей, установленных друг на друга внутри опоры, снабженных горизонтальными разделяющими плитами, модули выполнены в виде секторов и обечаек с образованием между ними сплошной полости, заполненной шариками, и пустых полостей, при этом толщина стенок обечаек модулей и горизонтальных плит увеличивается по мере приближения их ко дну бассейна, а внутренние поверхности обечаек и нижние поверхности горизонтальных плит снабжены ослабляющими рисками. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Демпфирующее устройство для транспортного контейнера, содержащее плиту и расположенное под ней энергопоглощающее устройство, установленное на дно бассейна, отличающееся тем, что энергопоглощающее устройство выполнено в виде совокупности не менее двух модулей, установленных друг на друга внутри опоры, снабженных горизонтальными разделяющими плитами, модули выполнены в виде секторов и обечаек с образованием между ними сплошной полости, заполненной шариками, и пустых полостей, при этом толщина стенок обечаек модулей и горизонтальных плит увеличивается по мере приближения их ко дну бассейна, а внутренние поверхности обечаек и нижние поверхности горизонтальных плит снабжены ослабляющими рисками. 2. Демпфирующее устройство для транспортного контейнера по п. 1, отличающееся тем, что сплошная полость с шариками и пустые полости модулей расположены соответственно друг над другом.