Емкость для хранения и транспортирования веществ
Владельцы патента RU 2258965:
Федеральное государственное унитарное предприятие Российский федеральный ядерный центр-Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики-ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ (RU)
Изобретение относится к области атомной техники. Сущность изобретения: емкость для хранения и транспортирования веществ включает корпус, крышку, уплотнительную прокладку и механизм поджатия крышки к уплотнительной прокладке. Механизм поджатия размещен в объеме, образованном кольцевыми выборками, одна из которых выполнена в корпусе, а другая в крышке. При этом одна из поверхностей кольцевой выборки крышки образована цилиндром, ось которого совпадает с осью крышки. Механизм поджатия крышки к уплотнительной прокладке состоит из нажимного элемента, входящего в кольцевую выборку в корпусе, опорного элемента, расположенного между нажимным элементом и крышкой, и крепежных деталей, установленных в опорном элементе и крышке. Другая поверхность кольцевой выборки в крышке выполнена конической, кольцевая выборка в корпусе, а также опорный элемент содержат, по крайней мере, одну коническую поверхность. Нажимной элемент содержит, по крайней мере, три конические поверхности. Нажимной и опорный элементы выполнены составными из отдельных сегментов, установленных относительно друг друга с зазором. Сегменты нажимного элемента взаимодействуют с корпусом, крышкой и опорным элементом по коническим поверхностям. Сегменты опорного элемента взаимодействуют с крышкой по цилиндрической поверхности. Преимущество изобретения заключается в повышении безопасности перевозки радиоактивных веществ. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к транспортным контейнерам, и может быть использовано для транспортирования и хранения радиоактивных веществ.
Известна емкость для транспортирования и хранения радиоактивных веществ (авторское свидетельство на изобретение SU №1395008 от 28.03.86, Кл. G 21 F 5/00, опубликовано 07.05.1990, бюл. №17). Этот источник информации выбран в качестве прототипа, поскольку является наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков.
Емкость содержит корпус, крышку и механизм поджатая крышки к уплотнительной прокладке, размещенный в объеме, образованном кольцевыми выборками в корпусе и крышке. Механизм поджатая крышки выполнен в виде нажимного элемента, закрепленного в верхней части емкости с возможностью вращения относительно нее, и опорного элемента, установленного на крышке, в котором выполнены выступы. В верхней части емкости и на нажимном элементе выполнены соответствующие им выборки, причем нажимной элемент имеет клиновые скосы со стороны плоскости сопряжения с опорным элементом.
Недостатками данного технического решения являются:
- невысокая прочность механизма поджатая крышки,
- большие габаритные размеры механизма поджатая крышки к уплотнительной прокладке в диаметральном направлении,
- сложность в эксплуатации, требующая применения специального механизма для поджатая крышки.
Основной задачей является создание емкости для хранения и транспортирования веществ, в которой необходимый уровень герметичности обеспечивался бы при меньших усилиях в крепежных деталях.
Технический результат заключается в повышении безопасности перевозки радиоактивных веществ и в уменьшении времени обслуживания.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в емкости для хранения и транспортирования веществ, включающей корпус, крышку, уплотнительную прокладку и механизм поджатия крышки к уплотнительной прокладке, размещенный в объеме, образованном кольцевыми выборками, одна из которых выполнена в корпусе, а другая в крышке, с одной из поверхностей кольцевой выборки крышки, образованной цилиндром, ось которого совпадает с осью крышки, и механизмом поджатия крышки к уплотнительной прокладке, состоящим из нажимного элемента, входящего в кольцевую выборку в корпусе, опорного элемента, расположенного между нажимным элементом и крышкой, и крепежных деталей, установленных в опорном элементе и крышке, другая поверхность кольцевой выборки в крышке выполнена конической, кольцевая выборка в корпусе, а также опорный элемент содержат, по крайней мере, одну коническую поверхность, нажимной элемент содержит, по крайней мере, три конические поверхности, нажимной и опорный элементы выполнены составными из отдельных сегментов, установленных относительно друг друга с зазором, причем сегменты нажимного элемента взаимодействуют с корпусом, крышкой и опорным элементом по коническим поверхностям, сегменты опорного элемента взаимодействуют с крышкой по цилиндрической поверхности, при этом углы полураствора конических поверхностей выбираются из соотношения
где α - угол полураствора взаимодействующих между собой конических поверхностей нажимного элемента и крышки,
β - угол полураствора взаимодействующих между собой конических поверхностей нажимного элемента и корпуса.
При этом возможны следующие варианты:
- в качестве крепежных деталей использованы шпильки, установленные в крышке, и гайки, закрепленные в сегментах опорного элемента с возможностью вращения относительно них,
- в каждом из сегментов нажимного элемента выполнены резьбовые отверстия для установки элементов демонтажа.
Выполнение кольцевой выборки в корпусе, содержащей, по крайней мере, одну коническую поверхность, нажимного элемента содержащим, по крайней мере, три конические поверхности, другой поверхности кольцевой выборки в крышке конической и взаимодействие нажимного элемента с корпусом и крышкой по этим коническим поверхностям с одновременным выполнением условия (1) позволяет создать в радиальном сечении сопряжения «корпус - нажимной элемент - крышка» клиновое соединение при перемещении нажимного элемента в радиальном направлении от оси к периферии. В результате этого требуются меньшие усилия для поджатия крышки к уплотнительной прокладке, что способствует повышению безопасности перевозки радиоактивных веществ.
Выполнение опорного элемента содержащим, по крайней мере, одну коническую поверхность и взаимодействие его с нажимным элементом по этой поверхности позволяет создать в радиальном сечении сопряжения «нажимной элемент - опорный элемент» клиновое соединение. В результате этого снижаются усилия, необходимые для поджатия крышки к уплотнительной прокладке, что способствует повышению безопасности перевозки радиоактивных веществ.
Выполнение нажимного элемента составным из отдельных сегментов, установленных относительно друг друга с зазором, позволяет исключить в нем нагрузки, направленные перпендикулярно сечениям нажимного элемента, образованным плоскостями, проходящими через продольную ось емкости. Это способствует повышению безопасности перевозки радиоактивных веществ.
Выполнение опорного элемента составным из отдельных сегментов, установленных относительно друг друга с зазором, и взаимодействие их с крышкой по цилиндрической поверхности позволяет уменьшить механические напряжения в опорном элементе за счет передачи на цилиндрическую часть крышки доли нагрузки, возникающей в опорном элементе при поджатии крышки к уплотнительной прокладке. Это приводит к повышению безопасности перевозки радиоактивных веществ.
Выполнение условия (1) позволяет создать в сопряжении «корпус - нажимной элемент - крышка» клиновое соединение в радиальном сечении. Для других условий, например α=β или α<β, невозможно создать усилия для поджатия крышки к уплотнительной прокладке при перемещении нажимного элемента в радиальном направлении от оси к периферии. В результате этого снижаются усилия для поджатия крышки к уплотнительной прокладке, что способствует повышению безопасности перевозки радиоактивных веществ.
Применение в качестве крепежных деталей шпилек, устанавливаемых в крышке, позволяет создать сборочные усилия для необходимого обжатия уплотнительной прокладки. Этим самым обеспечивается требуемая герметичность емкости и повышается безопасность перевозки радиоактивных веществ.
Выполнение нажимного элемента составным из отдельных сегментов, установленных относительно друг друга с зазором, упрощает его установку и демонтаж, что приводит к уменьшению времени обслуживания.
Закрепление гаек в сегментах опорного элемента с возможностью вращения относительно них позволяет производить последующий демонтаж сегментов опорного элемента из клинового зазора между нажимным элементом и крышкой, что приводит к уменьшению времени обслуживания емкости.
Выполнение в каждом из сегментов нажимного элемента резьбовых отверстий для установки элементов демонтажа позволяет производить демонтаж сегментов нажимного элемента из клинового зазора, образованного кольцевой выборкой в корпусе и крышкой, что приводит к уменьшению времени обслуживания емкости.
На фиг.1 представлен вид емкости для хранения и транспортирования веществ в собранном состоянии, на фиг.2 - вид емкости для хранения и транспортирования веществ перед сборкой, на фиг.3 - вид А на фиг.1.
Емкость для хранения и транспортирования веществ содержит корпус 1, крышку 2, уплотнительную прокладку 3, нажимной 4 и опорный 5 элементы. Кольцевая выборка в корпусе 1 образована двумя поверхностями 6 и 7, причем, по крайней мере, одна из них, 7, является конической. Кольцевая выборка в крышке 2 образована конической 8 и цилиндрической 9 поверхностями. Нажимной элемент 4 содержит, по крайней мере, три конические поверхности 10, 11 и 12, а опорный элемент 5 - коническую 13 и цилиндрическую 14 поверхности.
Нажимной элемент 4 и опорный элемент 5 выполнены составными из отдельных сегментов 15 и 16, соответственно установленных относительно друг друга с зазором.
Углы полураствора α взаимодействующих между собой конических поверхностей 10 и 8 нажимного элемента и крышки и β конических поверхностей 11 и 7, нажимного элемента и корпуса, выбраны с соблюдением условия (1).
В качестве крепежных деталей использованы шпильки 17, установленные в крышке 2 и гайки 18, закрепленные в сегментах 16 с возможностью вращения относительно них. В каждом из сегментов 15 нажимного элемента 4 выполнены резьбовые отверстия 19 для установки элементов демонтажа.
Примером конкретного выполнения заявляемого устройства может служить защитный контейнер для хранения и транспортировки отработавшего ядерного топлива атомных электростанций. Конструктивно защитный контейнер содержит корпус в виде цилиндрического стакана из стали 12Х18Н10Т, крышку из той же стали, уплотнительную спирально-навитую прокладку СНП по ТУ 38.314-25-8-91 и механизм поджатия крышки к уплотнительной прокладке, размещенный в объеме, образованном кольцевой выборкой в корпусе и содержащей цилиндрическую поверхность кольцевой выборкой в крышке, состоящий из нажимного элемента, входящего в кольцевую выборку в корпусе, опорного элемента, расположенного между нажимным элементом и крышкой, и крепежных деталей, установленных в опорном элементе и крышке. Кольцевая выборка в корпусе образована двумя коническими поверхностями. Кольцевая выборка в крышке образована конической и цилиндрической поверхностями. Опорный элемент содержит коническую, цилиндрическую и две плоские поверхности. Форма нажимного элемента образована четырьмя коническими поверхностями.
Нажимной элемент выполнен в виде 8 кольцевых сегментов из стали 14Х17Н2, установленных в кольцевую выборку в корпусе. Опорный элемент состоит из 24 кольцевых сегментов из стали 14Х17Н2.
В каждом из сегментов опорного элемента закреплены невыпадающие гайки, имеющие возможность для вращения относительно сегментов. В каждом из сегментов нажимного элемента предусмотрены резьбовые отверстия для установки элементов демонтажа.
Сегменты нажимного элемента взаимодействуют с корпусом, крышкой и сегментами опорного элемента по коническим поверхностям, при этом:
- угол полураствора взаимодействующих между собой конических поверхностей нажимного элемента и крышки α=80,
- угол полураствора взаимодействующих между собой конических поверхностей нажимного элемента и корпуса β=60.
Функционирование емкости для хранения и транспортирования веществ заключается в обеспечении надежной сохранности радиоактивного содержимого. Это достигается необходимой прочностью крепления крышки в осевом направлении в нормальных условиях эксплуатации и в аварийных ситуациях. Согласно консервативным оценкам осевая нагрузка на крышку при аварийных воздействиях (максимальное внутреннее давление 7 атм плюс осевые перегрузки -150 единиц) может составить ˜6,7·106 кГс. Традиционное болтовое крепление крышки не удовлетворяет требованиям прочности и не размещается в заданных габаритах. Например, для того чтобы выдержать указанную осевую нагрузку, необходимо не менее 50 шпилек диаметром 60 мм из высокопрочной стали, для размещения которых потребуется увеличить диаметр фланца крышки на ˜200 мм.
Поджатие крышки к уплотнительной прокладке производится следующим образом. Сначала устанавливается крышка. Затем устанавливаются сегменты нажимного элемента в кольцевую выборку в корпусе. После этого на шпильки устанавливаются соответствующим образом ориентированные сегменты опорного элемента в сборе с гайками, которые затем затягиваются, подтягивая к крышке сегменты. В результате этого происходит перемещение сегментов нажимного элемента в глубину кольцевой выборки в корпусе. Таким образом, происходит поджатие крышки к корпусу до смыкания торцевых посадочных поверхностей.
Так как сегменты нажимного элемента взаимодействуют с кольцевой выборкой в корпусе и крышкой по коническим поверхностям, образующими в радиальном сечении клиновой зазор, то при перемещении сегментов в этот зазор они плотно заклинивают крышку в корпусе. Этим самым обеспечивается необходимое обжатие уплотнительной прокладки и передача осевого усилия с крышки на корпус, практически, по всей площади поверхностей, образующих угол α. Этим обеспечивается необходимая прочность клинового крепления при минимальном его радиальном размере.
Снятие крышки производится в обратном порядке. Сегменты опорного элемента демонтируются при помощи отвинчивания гаек, закрепленных в них, а сегменты нажимного элемента извлекаются при помощи, например, отжимных винтов.
Экспериментальные работы с моделью емкости и расчетные исследования показали положительные результаты. Контейнеры с использованием нового технического решения обеспечивают необходимый уровень безопасности в соответствии с действующими нормативными документами.
1. Емкость для хранения и транспортирования веществ, включающая корпус, крышку, уплотнительную прокладку и механизм поджатия крышки к уплотнительной прокладке, размещенный в объеме, образованном кольцевыми выборками, одна из которых выполнена в корпусе, а другая в крышке, при этом одна из поверхностей кольцевой выборки крышки образована цилиндром, ось которого совпадает с осью крышки, причем механизм поджатая крышки к уплотнительной прокладке состоит из нажимного элемента, входящего в кольцевую выборку в корпусе, опорного элемента, расположенного между нажимным элементом и крышкой, и крепежных деталей, установленных в опорном элементе и крышке, отличающаяся тем, что другая поверхность кольцевой выборки в крышке выполнена конической, кольцевая выборка в корпусе, а также опорный элемент содержат, по крайней мере, одну коническую поверхность, нажимной элемент содержит, по крайней мере, три конические поверхности, нажимной и опорный элементы выполнены составными из отдельных сегментов, установленных относительно друг друга с зазором, причем сегменты нажимного элемента взаимодействуют с корпусом, крышкой и опорным элементом по коническим поверхностям, сегменты опорного элемента взаимодействуют с крышкой по цилиндрической поверхности, при этом углы полураствора конических поверхностей выбираются из следующих соотношений: α>β, где α - угол полураствора взаимодействующих между собой конических поверхностей нажимного элемента и крышки, β - угол полураствора взаимодействующих между собой конических поверхностей нажимного элемента и корпуса.
2. Емкость по п.1, отличающаяся тем, что в качестве крепежных деталей использованы шпильки, установленные в крышке, и гайки, закрепленные в сегментах опорного элемента с возможностью вращения относительно них.
3. Емкость по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в каждом из сегментов нажимного элемента выполнены резьбовые отверстия для установки элементов демонтажа.
