Verankerungskralle für Wärmetauscherrohre |
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申请号 | EP15000099.0 | 申请日 | 2015-01-16 | 公开(公告)号 | EP3045262A1 | 公开(公告)日 | 2016-07-20 |
申请人 | Westinghouse Electric Germany GmbH; | 发明人 | Ziegelmeyer, Fritz; | ||||
摘要 | Die Erfindung betrifft eine Verankerungskralle (50) für Wärmetauscherrohre (46, 58), umfassend eine hohlzylindrische Spannhülse (10, 32, 52, 102) aus einem federnden Material, wobei die die Spannhülse (10, 32, 52, 102) längs ihrer axialen Erstreckung (12, 88, 126) wenigstens einen axial geschlitzten (20, 92) Trägerbereich (14, 34, 38) aufweist und wobei im Inneren der Spannhülse (10, 32, 52, 102) Druckmittel zur Weitung (18) des Durchmessers (16) des Trägerbereiches (14, 34, 38) vorgesehen sind, um so einen Druck (110) von der radialen Außenfläche (82) des Trägerbereiches (14, 34, 38) der Spannhülse (10, 32, 52, 102) auf die Innenwandung (108) eines umgebenden Wärmetauscherrohres (46, 58) mit auf den Außendurchmesser (56) der Spannhülse (10, 32, 52, 102) angepasstem Innendurchmesser (60) auszuüben. Die radiale Außenfläche (82) des Trägerbereiches (14, 34, 38) weist erhobene Bereiche (22, 54, 86, 104) auf, wobei der summarische Anteil der erhobenen Bereiche an der radialen Gesamtaußenfläche (82) des Trägerbereiches (14, 34, 38) im Bereich von 2% bis 25% liegt. | ||||||
权利要求 | |||||||
说明书全文 | Die Erfindung betrifft ein Verankerungskralle für Wärmetauscherrohre, umfassend eine hohlzylindrische Spannhülse aus einem federnden Material, wobei die die Spannhülse längs ihrer axialen Erstreckung wenigstens einen axial geschlitzten Trägerbereich aufweist und wobei im Inneren der Spannhülse Druckmittel zur Weitung des Durchmessers des Trägerbereiches vorgesehen sind, um so einen Druck von der radialen Außenfläche des Trägerbereiches der Spannhülse auf die Innenwandung eines umgebenden Wärmetauscherrohres mit auf den Außendurchmesser der Spannhülse angepasstem Innendurchmesser auszuüben. Es ist allgemein bekannt, dass in Kraftwerken, insbesondere in nukleartechnischen Anlagen, Dampferzeuger zum Einsatz kommen und zwar als primäre Wärmetauscher, welche das Trennglied zwischen primärem und sekundärem Kühlkreislauf darstellen. Hierbei gelten höchste Sicherheitsanforderungen um jegliche Gefährdung für Personal und Umwelt auszuschließen. Ein Dampferzeuger umfasst eine Vielzahl, beispielsweise einige hundert, an vorzugsweise parallel ausgerichteten Dampferzeugerrohren, welche beispielsweise einen Innendurchmesser von 20mm bei einer Länge von einigen Metern aufweisen. An ihren Enden sind die Dampferzeugerrohre mit einer jeweiligen gelochten Bodenplatte eines diese umgebenden Behältnisses verschweißt, so dass die Dampferzeugerrohre das Behältnis hermetisch von diesem getrennt durchqueren und ein Wärmetauscher beziehungsweise ein Dampferzeuger gebildet ist. Insbesondere in den Dampferzeugern kerntechnischer Anlagen werden zur Minimierung jeglichen Risikos regelmäßige Untersuchungen und gegebenenfalls notwendige Reparaturen der Dampferzeugerrohre durchgeführt. Bei einem erkannten Defekt eines Rohres, beispielsweise einem Riss, ist das Dampferzeugerrohr aus dem Dampferzeuger zu ziehen und zu reparieren beziehungsweise durch ein anderes Dampferzeugerrohr zu ersetzen. Aber auch zu reinen Analysezwecken kann es notwendig sein, ein Dampferzeugerrohr aus dem Dampferzeuger herauszuziehen. Aufgrund der Schwächung eines Dampferzeugerrohres durch einen Defekt ist es nicht sicher möglich, dieses durch Ausübung einer Zugkraft, beispielsweise entsprechend 4t bis 5t, komplett aus dem Dampferzeuger herauszuziehen. Vielmehr ist damit zu rechnen, dass das Dampferzeugerrohr an seiner defekten Stelle bricht und so ein Teil des Dampferzeugerrohres unzugänglich im Dampferzeuger verbleibt. Beim Ziehen von Dampferzeugerrohren stellt sich die technische Herausforderungen, eine genügend feste Verbindung zwischen dem herauszuziehenden Dampferzeugerrohr und einem Zugmechanismus zu schaffen, die auch für Zugkräfte entsprechend 4t bis 5t ausgelegt ist. Es ist zudem gegebenenfalls für eine mechanische Stabilisierung eines durch einen Defekt geschwächten Abschnitts eines Dampferzeugerrohres zu sorgen, um so ein sicheres Ziehen zu gewährleisten. Gemäß dem Stand der Technik wird hierfür beispielsweise eine Einschraubkralle verwendet, die mittels einer Einschraubvorrichtung mit einem bestimmten Drehmoment an ein zugängliches Ende des zu ziehenden Dampferzeugerrohres eingeschraubt wird. Hierzu ist zunächst die am zugänglichen Ende des Dampferzeugerrohres vorgesehene Schweißnahtverbindung mit der Bodenplatte abzutragen. Weiterhin wird der Einschraubbereich durch Liniennähte wärmebehandelt, damit das Einschraubende des Dampferzeugerrohres weicher wird. Nachteilig hierbei ist die Notwendigkeit einer sehr aufwändigen, zeitraubenden und sensiblen Vorgehensweise. Zudem kann es durch den hohen radialen Druck der Einschraubkralle zu einer Durchmesservergrößerung des Dampferzeugerrohres kommen, welche während des Ziehvorganges nicht kontrollierbar ist. Darüber hinaus ist eine Einschraubkralle jeweils nur an einem Ende eines Dampferzeugerrohres einsetzbar. Eine weitere Möglichkeit, eine zugfeste Verbindung mit einem Dampferzeugerrohr herzustellen besteht in einer Verankerungskralle der eingangs genannten Art. Diese wird mittels eines Führungsmechanismus in ein herauszuziehendes Dampferzeugerrohr eingeführt und mittels einer Hydraulikflüssigkeit unter Druck gesetzt, gespannt und gezogen. Eine derartige Verankerungskralle ist beispielsweise in der Patenschrift Nachteilig ist hierbei, dass es durch das Spannen der Verankerungskralle, also der radialen Aufweitung der Spannhülse, zu einer deutlichen Aufweitung des zu ziehenden Dampferzeugerrohres kommen kann, wodurch dessen strukturelle Integrität weiter geschwächt wird. Da eine derartige Verankerungskralle auch beispielsweise in der Mitte eines Dampferzeugerrohres eingesetzt werden kann, entsteht das zusätzliche Problem, dass ein aufgeweitetes Dampferzeugerrohr beim Ziehvorgang an seiner aufgeweiteten Stelle nicht durch das zugehörige Loch der gelochten Bodenplatte des Dampferzeugers gezogen werden kann. Die übermäßige Aufweitung einer geschwächten Stelle verhindert außerdem die sichere Analyse des Defektes. Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Verankerungskralle bereitzustellen, welche beim Ziehen bzw. Entfernen eines Dampferzeugerrohres das Risiko eines Rohrbruchs minimiert und bei welcher eine Durchmesservergrößerung des Dampferzeugerrohres so gering wie möglich ist. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Verankerungskralle für Dampferzeugerrohre der eingangs genannten Art. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Außenfläche des Trägerbereiches der hohlzylindrischen Spannhülse erhobene Bereiche aufweist, wobei der summarische Anteil der erhobenen Bereiche an der radialen Gesamtaußenfläche des Trägerbereiches im Bereich von 2% bis 25% liegt. Alle nicht erhobenen Bereiche haben hierbei im unaufgeweiteten Zustand der Spannhülse den gleichen radialen Abstand zur Mittelachse. Die erhobenen Bereiche sind hierbei als Einpressflächen anzusehen, welche unter Druckbeaufschlagung bei Überschreitung der zulässigen Flächenpressung des jeweiligen Dampferzeugerrohres unter lokaler Verformung der Innenseite der Rohrwandung eine formschlüssige Verbindung mit der Rohrwandung eingehen. Um eine Verformung der erhobenen Bereiche zu vermeiden, ist das Material der Spannhülse härter zu wählen als das einer Wandung eines Dampferzeugerrohres. Typischerweise wird der Trägerbereich der Spannhülse gefräst, das heißt, die nicht erhobenen Bereiche werden bei der Herstellung abgefräst, so dass die erhobenen Bereiche als Einpressflächen erhalten bleiben. Dies hat den Vorteil, dass die Erhebungen und die Spannhülse monolithisch und damit mechanisch extrem belastbar sind. Der Trägerbereich ist der radiale geschlitzte Außenbereich einer Spannhülse, welcher mit Einpressflächen versehen ist und in seinem Durchmesser mittels einer Druckvorrichtung aufgeweitet werden kann. Vorzugsweise ist die Spannhülse in diesem Bereich etwas dickwandiger als in den Übergangsbereichen zu den ungeschlitzten Bereichen, welche idealerweise etwas flexibler sind. Über ihren gesamten Umfang kann eine Spannhülse beispielsweise 6 bis 16 Schlitze aufweisen. Die Schlitzung kann auch länger ausgeführt sein als der eigentliche Trägerbereich. Um eine erfindungsgemäße Verankerungskralle in ein Dampferzeugerrohr einführen zu können, muss deren Außendurchmesser geringfügig kleiner, beispielsweise um 0,2 mm bis 1,5mm, sein als der Innendurchmesser des zu ziehenden Dampferzeugerrohres von beispielsweise 20mm. Die Grundidee der Erfindung besteht darin, dass der prozentuale Anteil der Einpressflächen an der radial äußeren Gesamtfläche des Trägerbereiches deutlich gegenüber dem üblichen Wert von 50% - wie beispielsweise bei einem Gewinde üblich - reduziert wird. Die gesamte radiale Druckbelastung auf ein Dampferzeugerrohr in seinem Trägerbereich ist ausschlaggebend für dessen Weitung, die es erfindungsgemäß zu reduzieren gilt. Bei einer prozentualen Reduktion des Anteils der Einpressflächen von 50% auf 10% beispielsweise ist bei gleicher Eindringtiefe der verbleibenden Einpressflächen der gesamt benötigte Anpressdruck und damit die gesamte Belastung des Dampferzeugerrohres auf nur noch 20% reduziert. Dennoch ist die so gebildete Formschlussverbindung in der Lage, den erforderlichen Zugkräften entsprechend 4t bis 5t zu widerstehen. Somit ist bereits ein Druck von etwa 200 Bar zum Aufweiten der Spannhülse ausreichend, um eine hinreichend feste Formschlussverbindung herzustellen. Die Untergrenze des genannten Wertebereiches von 2% bis 25% resultiert aus der minimal benötigten Festigkeit der erhobenen Bereiche gegenüber Scherkräften und die Obergrenze daraus, dass hier der erfindungsgemäße Vorteil zunehmend relativiert wird. Ein besonders bevorzugter Wertebereich für den summarischen Anteil der erhobenen Bereiche an der radialen Gesamtaußenfläche des Trägerbereiches liegt zwischen 5% und 20%. Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltungsform der Verankerungskralle sind die erhobenen Bereiche plateauähnlich ausgeprägt. Dies hat den Vorteil, dass die jeweiligen Erhebungen hierdurch im Vergleich zu einer spitzen Form eine erhöhte mechanische Stabilität gegenüber Scherkräften erhalten. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund des erfindungsgemäß verringerten Anteils an erhobenen Bereichen von Bedeutung. Durch die Plateauform wird somit in vorteilhafter Weise eine Erhöhung der maximal zulässigen Zugbelastung der erhobenen Bereiche erreicht. Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Verankerungskralle weisen die erhobenen Bereiche eine gestreckte (Grundflächen-) Form auf, welche zumindest vorwiegend quer zur axialen Erstreckung der Spannhülse verläuft. Die Zugkraftbeanspruchung beim Herausziehen eines Dampferzeugerrohres wirkt axial. Somit wird mit einem quer zur axialen Richtung angeordneten länglichen Verlauf der erhobenen Bereiche eine verbesserte Zugkraftbeanspruchung erreicht. Es können beispielsweise mehrere erhobene Bereiche ringähnlich um den Trägerbereich angeordnet sein. Dies hat den fertigungstechnischen Vorteil, dass das Verhältnis der Grundfläche der erhobenen Bereiche zur Gesamtaußenfläche des Trägerbereiches durch entsprechende Wahl der Breite der erhobenen Bereiche und dem axialen Abstand zwischen benachbarten erhobenen Ringen einfach zu beeinflussen ist. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Verankerungskralle sind mehrere erhobene Bereiche spiral- oder ringähnlich angeordnet, wobei die Spiratform sich auch über die Schlitze der Spannhülse hinweg erstreckt. Dies hat neben dem eben anhand der ringähnlichen Anordnung erläuterten fertigungstechnischen Vorteil den weiteren Vorteil, dass mittels Fräsen eine derartige Spiralform durch linearen Vorschub des Fräsers in einer reduzierten Zahl an Arbeitsgängen herstellbar ist. Entsprechend einer weiteren Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Verankerungskralle liegt die Breite der erhobenen Bereiche längs der axialen Erstreckung der Spannhülse zwischen 0,1mm und 1mm. Unter der Voraussetzung von länglichen und überwiegend quer verlaufenden Bereichen wird deren maximale Scherkraft von deren Breite bestimmt. Andererseits wird die maximale Scherkraft auch von der korrespondierenden formschlüssigen Vertiefung in der Wandung des Dampferzeugerrohres bestimmt. Idealerweise ist die Breite einer Erhebung derart zu wählen, dass die damit erreichbare maximale Scherkraft der maximalen Scherkraft in der korrespondierenden formschlüssigen Vertiefung der Rohrwandung entspricht. Eine fertigungstechnische Grenze für eine minimale Breite liegt bei ca. 0,1mm. Bei Breiten von größer 1mm ist die maximale Scherkraft der Erhebung in der Regel größer als die der korrespondierenden Vertiefung. Je nach verwendeten Materialien und Eindringtiefe der korrespondierenden Vertiefung in die Rohrwandung können sich bevorzugte Bereiche ergeben, beispielsweise eine Breite im Bereich von 0,15mm bis 0,25mm. Gemäß einer bevorzugten Variante der Verankerungskralle weisen die erhobenen Bereiche längs der axialen Erstreckung der Spannhülse einen Querschnitt auf, weicher trapezähnlich ausgeprägt ist. Somit ist einerseits die erfindungsgemäße Plateauform mit ihren zuvor erläuterten Vorteilen gewahrt, durch die leicht abgeschrägte Kantenform ist andererseits ein Eindringen einer Erhebung in die Wandung eines Dampferzeugerrohres erleichtert. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verankerungskralle ist die radiale Höhe der erhobenen Bereiche der Außenfläche gegenüber der restlichen Außenfläche des Trägerbereiches im Bereich von 0,2mm bis 0,5mm erhöht. Somit ergeben sich Eindringtiefen von ca. 0,1mm bis 0,4mm, weiche sich als besonders geeignet erweisen. Eine derartige Aufweitung der Spannhülse, dass auch die nicht erhobenen Bereiche die Innenwandung des Dampferzeugerohres berühren, ist vorzugsweise zu vermeiden. Gemäß einer besonderen Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Verankerungskralle ist die Spannhülse aus gehärtetem Stahl gefertigt, welcher härter ist als das Material eines typischen Dampferzeugerrohres, um so ein problemloses formschlüssiges Eindringen einer Erhebung in die Rohrwandung zu gewährleisten. Insbesondere als geeignet hat sich gehärteter Stahl erwiesen. Entsprechend einer weiteren Variante der Verankerungskralle umfassen die Druckmittel ein erstes und ein zweites ineinander verschachteltes Kunststoffrohr, welche im Inneren der Spannhülse zumindest im Trägerbereich angeordnet sind und welche durch axiale Endelemente begrenzt sind, so dass ein geschlossener Innenraum gebildet ist, der durch Beaufschlagung mit einem Druck radial aufweitbar ist. Kunststoff weist eine genügend hohe Elastizität für eine radiale Aufweitung auf. Durch die Doppelwandigkeit der formschlüssig ineinander verschachtelten Rohre ist deren mechanische Stabilität trotz Elastizität gegeben. Als geeignetes Material für die Kunststoffrohre hat sich Polyurethan (PU) erwiesen. In besonders bevorzugter Weise sind die Kunststoffrohre aus dem Material Vibrathane gefertigt. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Verankerungskralle ist der geschlossenen Raum mit Wasser gefüllt, welches als Hydraulikflüssigkeit dient. Insbesondere bei kerntechnischen Anlagen mit besonders hohen Sicherheitsanforderungen ist die Verwendung einer neutralen Hydraulikflüssigkeit wie Wasser von Vorteil. Um einen entsprechenden Druck auf den geschlossenen Raum ausüben zu können ist eine Hydraulikpumpe vorgesehen, welche strömungstechnisch mit dem geschlossenen Raum verbunden ist. Aufgrund der erfindungsgemäß erreichten Reduktion des benötigten Drucks können sich beispielsweise bereits 200 Bar Maximaldruck der Hydraulikpumpe als ausreichend erweisen. Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsform der Verankerungskralle sind zwei axial mit einem Zwischenbereich beabstandete axial geschlitzte Trägerbereiche vorgesehen. Dies hat den Vorteil, dass im Falle eines erkannten Dampferzeugerrohrdefektes die Verankerungskralle genau so weit in das Dampferzeugerrohr eingeführt werden kann, dass die defekte Stelle von dem Zwischenbereich überdeckt wird. Dieser weist keine Erhebungen auf, so dass keine zusätzliche mechanische Belastung auf den Defekt erfolgt. Durch die beiderseits des Zwischenbereiches erfolgende Verankerung der Verankerungskralle ist der Rohrbereich mit dem Defekt zusätzlich in vorteilhafter Weise stabilisiert. Eine Weitung beider Trägerbereiche kann durch ein und dieselben Druckmittel erfolgen. Gemäß einer weiteren Variante der Verankerungskralle ist in dem Zwischenbereich eine Wirbelstromsonde vorgesehen, welche geeignet ist, fehlerbehaftete Bereiche eines die Spannhülse umgebenden Wärmetauscherrohres zu erkennen. Mit einer entsprechenden Auswertevorrichtung ist es dadurch ermöglicht, einen Defekt sicher zu erkennen und die Verankerungskralle entsprechend im Dampferzeugerrohr zu platzieren. Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Verankerungskralle ist diese an einem ihrer axialen Enden mit einer Greifziehstange oder einem Greifziehseil verbunden. Somit ist eine Verbindung zu einer Ziehvorrichtung ermöglicht, mittels welcher die Verankerungskralle zusammen mit einem Dampferzeugerrohr gezogen werden kann. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten sind den weiteren abhängigen Ansprüchen zu entnehmen. Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung, weitere Ausführungsformen und weitere Vorteile näher beschrieben werden. Es zeigen
Die Druckmittel umfassen ein erstes 64 und ein zweites 66 Kunststoffrohr, welche spaltfrei ineinander verschachtelt sind und sich direkt radial innen an die Innenfläche der Spannhülse 52 anschließen. Somit wird eine radiale Ausweitung der Kunststoffrohre 64, 66 direkt auf die Spannhülse 52 übertragen. Eine radiale Aufweitung der Kunststoffrohre 64, 66 beziehungsweise von deren durch Endelemente 68 begrenzten und mit Wasser gefüllten Innenraum 70, durch welchen eine Zugstange 62 verläuft, wird durch eine Hydraulikpumpe 74 erreicht, welche strömungstechnisch über eine Hydraulikleitung mit dem Innenraum 70 verbunden ist.
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