核电厂管道多功能保护装置

技术领域

本发明涉及核电厂管道领域，尤其涉及一种核电厂管道多功能保护装置。

背景技术

管道是核电厂不同系统中容纳传输介质的通道，既执行核心功能，又构成了重要的压力边界。管道为了保温设置了保温层，为了抵御动态载荷会配置阻尼器，为了破裂防护，设置了防甩限制件和防喷射挡板，为了实施破前漏技术需要借助地坑等硬件设施以保证泄漏监测的可量化。这些硬件设置造价昂贵且难于维护，同时占用了大量宝贵的布置空间。受制于外在设计条件，这些硬件设施在某些情况下难以配置，为核电厂的建设和运营带来工程难题。

目前的管道保温层，是将保温材料包裹在管道外壁的实心结构，保温层的本身的结构强度和刚度很低，功能单一。较为常见的保温层材料是玻璃棉，玻璃棉有一定的污染，且寿命较短。

管道在服役过程中可能经受较为常见的内外部振动载荷，如地震、流致振动、阀门排放载荷等。为满足抗震要求，通常设置了阻尼器等措施。管道双端剪切断裂(简称破裂)，是核电厂假想的事故。管道破裂可产生介质喷射，管道甩击，管道内部压力波动、管道所在隔间增压等动态载荷和效应。为防护这些载荷，需要设置防甩击限制器、防喷射挡板、防爆支架等。

其中，管道破裂预防技术应用常常受制于泄漏检测灵敏度和泄漏监测手段的不足。例如对于安全壳外管道，由于没有地坑收集泄漏介质，常见的地坑液位监测和冷凝液流量监测无法实施，很难满足泄漏检测的可靠性，多样性和冗余性技术要求。

综上所述，在核电厂中为管道抵御动态载荷、管道保温、管道破裂防护分别设置了不同的硬件设施，这些设施功能单一，安装、维护困难，花费巨大，占用了大量宝贵的布置空间。核电厂安全壳外管道应用管道破裂预防技术时，相比反应堆厂房，由于没有地坑的存在，泄漏检测无法满足多样性、可靠性和冗余性的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种核电厂管道多功能保护装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种核电厂管道多功能保护装置，其包括套设于管道外周用于对所述管道进行定位固定的内承压层，以所述内承压层为中心从内往外依次连接设有缓冲层、吸收层以及外承压层；

所述缓冲层包括若干中空管束层，若干所述中空管束层围绕所述内承压层连接形成所述缓冲层；

所述吸收层包括若干相互交错设置的多空隙部，每个所述多空隙部上设有若干吸收层小孔；

所述外承压层设于所述核电厂管道多功能保护装置的最外层用于提供刚性支撑。

在一些实施例中，所述内承压层为采用碳纤维韧性材料制成的管套结构。

在一些实施例中，所述缓冲层包括从内往外依次连接的与所述内承压层连接的第一中空管束层、第二中空管束层以及与所述吸收层连接的第三中空管束层；

所述第一中空管束层包括若干第一中空管束单元，所述第二中空管束层包括若干第二中空管束单元，所述第三中空管束层包括若干第三中空管束单元。

在一些实施例中，所述第一中空管束单元与所述第二中空管束单元错位设置，所述第二中空管束单元与所述第三中空管束单元错位设置。

在一些实施例中，所述第一中空管束单元的面积比所述第二中空管束单元的面积大，所述第二中空管束单元的面积比所述第三中空管束单元的面积大；

所述第一中空管束单元的密度比所述第二中空管束单元的密度小，所述第二中空管束单元的密度比所述第三中空管束单元的密度小。

在一些实施例中，所述第一中空管束层为若干所述第一中空管束单元依次排列而成，所述第二中空管束层为若干所述第二中空管束单元依次排列而成，所述第三中空管束层为若干所述第三中空管束单元依次排列而成；或者

所述第一中空管束层为若干所述第一中空管束单元围绕所述管道轴线缠绕而成，所述第二中空管束层为若干所述第二中空管束单元围绕所述管道轴线缠绕而成，所述第三中空管束层为若干所述第三中空管束单元围绕所述管道轴线缠绕而成。

在一些实施例中，所述第一中空管束单元、所述第二中空管束单元、所述第三中空管束单元中均嵌套有管束件。

在一些实施例中，所述缓冲层为采用塑料、金属或者复合材料制成的层体结构。

在一些实施例中，所述吸收层为采用橡胶或者复合材料制成的层体结构。

在一些实施例中，每两个所述多空隙部之间形成交错面；或者

每两个所述多空隙部之间设有预定间隙。

在一些实施例中，所述交错面的形状为平面或者鸭梨型面。

在一些实施例中，所述吸收层小孔靠近所述交错面的孔隙率比所述吸收层小孔远离所述交错面的孔隙率低。

在一些实施例中，所述外承压层为采用金属材质制成的管套结构。

在一些实施例中，所述核电厂管道多功能保护装置还包括与所述外承压层连接的隔板。

在一些实施例中，所述核电厂管道多功能保护装置还包括与所述隔板连接的若干节段支撑架以及与若干所述节段支撑架连接的支撑锚固；

若干所述节段支撑架沿所述外承压层的轴向方向间隔设置。

实施本发明具有以下有益效果：该核电厂管道多功能保护装置包括套设于管道外周用于对管道进行定位固定的内承压层，核电厂管道多功能保护装置以内承压层为中心，从内往外依次连接设有缓冲层、吸收层以及外承压层，该缓冲层包括若干中空管束层，若干中空管束层围绕内承压层连接形成缓冲层，该吸收层包括若干相互交错设置的多空隙部，每个多空隙部上设有若干吸收层小孔，该外承压层设于核电厂管道多功能保护装置的最外层用于提供刚性支撑。可解决核电厂重要管道的抗震、断裂甩击、保温隔热和介质泄漏定量监测问题，可替代阻尼器，防甩击限制件和防喷射挡板，地坑液位监测装置等，优化了技术方案，可批量推广应用，保证核安全，优化设计方案，节省核电工程处置该类问题的经济成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，应当理解地，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他相关的附图。附图中：

图1是本发明一些实施例中的核电厂管道多功能保护装置的保温层结构剖面图；

图2是本发明一些实施例中的核电厂管道多功能保护装置的节段支撑处剖面图；

图3是本发明一些实施例中的核电厂管道多功能保护装置的整体外形图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。以下描述中，需要理解的是，“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“纵”、“横”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“头”、“尾”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系、以特定的方位构造和操作，仅是为了便于描述本技术方案，而不是指示所指的装置或元件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。当一个元件被称为在另一元件“上”或“下”时，该元件能够“直接地”或“间接地”位于另一元件之上，或者也可能存在一个或更多个居间元件。术语“第一”、“第二”、“第三”等仅是为了便于描述本技术方案，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1至图3，是本发明一些实施例中的核电厂管道多功能保护装置，其包括套设于管道1外周用于对管道1进行定位固定的内承压层2，核电厂管道多功能保护装置以内承压层2为中心，从内往外依次连接设有缓冲层3、吸收层4以及外承压层5，该缓冲层3包括若干中空管束层，若干中空管束层围绕内承压层2连接形成缓冲层3，该吸收层4包括若干相互交错设置的多空隙部41，每个多空隙部41上设有若干吸收层小孔411，该外承压层5设于核电厂管道多功能保护装置的最外层用于提供刚性支撑。该内承压层2、缓冲层3、吸收层4以及外承压层5共同形成该核电厂管道多功能保护装置的保温层结构。该核电厂管道多功能保护装置还包括与外承压层5连接的隔板6，与隔板6连接的若干节段支撑架7以及与若干节段支撑架7连接的支撑锚固8，若干节段支撑架7沿外承压层5的轴向方向间隔设置。

可以理解地，该核电厂管道多功能保护装置可解决核电厂重要管道1的抗震、断裂甩击、保温隔热和介质泄漏定量监测问题，可替代阻尼器，防甩击限制件和防喷射挡板，地坑液位监测装置等，优化了技术方案，可批量推广应用，保证核安全，优化设计方案，节省核电工程处置该类问题的经济成本。

值得一提的是，遵循大自然的设计原则，经过数十亿年的进化，生物实体已经进化为高效和多功能结构，实现了解剖学上的最优化，以最大限度地利用材料和结构，在恶劣的环境中生存。这些解剖结构包括但不限于管状、梯度、分层、分层和螺旋元素。它们重量轻但相当坚韧，可以长期耐受动态载荷的冲击，这些结构为设计具有卓越机械性能的工程结构提供了有益的启发。

啄木鸟在用喙进行有节奏的敲击时表现出出色的减震性能。其啄食频率可以达到每秒18-22次，平均每天12000次，而每一回合大约需要50毫秒。在啄食过程中，撞击减速度约为1000g，反复撞击速度约为6-7m/s，但撞击后没有观察到头部受伤。研究发现：啄木鸟喙的纳米结构在晶界处显示出紧密堆积的波浪状结构，沿边缘有一个存在狭窄缝隙的交错缝合结构，这种结构具有缓震性能，并将振动波转化为剪切波。此外，啄木鸟的头部包含一个由舌骨装置、硬膜下腔，其中具有刚性支撑的长舌，与颅骨具有光滑和大的接触面，以将法向应力波转换为剪切波，产生横向变形，反过来，应变能被具有粘弹性行为的相邻肌肉耗散。同时，具有细胞结构的颅骨和硬膜下腔在减轻冲击方面也起着重要作用。在本实施例中，该核电厂管道多功能保护装置采用具有高强度的内外承压层5模拟啄木鸟的刚性头骨和硬膜下腔，采用吸收层4模仿啄木鸟的喙和舌头，用于传播和吸收冲击能量，以获得最佳减震和防冲击性能。

其中，竹子的多细胞方管和珍珠层状复合管状结构，椰子及榴莲的果壳和果皮也都具有很好的抗冲击能力，这些结构具有高强度、抗冲击性和粘弹性阻尼行为。他们的相同点是多层渐变式内部空腔或内部管状结构，结构尺寸和密度大小是梯度渐变的。此外竹节的存在也赋予了结构有效的承载和抗冲击能力。如果采用以J/g为单位的比能量吸收能力来衡量不同结构的抗冲击特性，将在现有工程中使用的抗冲击结构和从自然界获得的仿生候选结构进行比较，可以发现仿生结构可吸收的能量往往大于常规工程结构的6倍以上。在本实施例中，缓冲层3采用具有梯度渐变的内部空腔，用以模拟竹茎和榴莲果皮夹层的生物结构，采用隔板6和节段支撑架7来模拟竹杆上的节。以获得最佳减震和防冲击性能。同时多层渐变式内部空腔具有保温功能，还能容纳和传输管道1内部介质的泄漏，以便于破前漏技术的定量泄漏监测。

具体地，该内承压层2为采用碳纤维韧性材料制成的管套结构。可以理解地，该碳纤维韧性材料具有质轻强度高、耐腐蚀、耐高温等优点，其可为碳纤维增强聚苯硫醚复合材料、碳纤维增强热塑性聚酰亚胺复合材料、碳纤维增强热塑性聚酰亚胺复合材料或者其他碳纤维韧性材料，该内承压层2为该核电厂管道多功能保护装置提供了保温隔热的第一道屏障，使得整个保温层结构形成一个整体，增强保温层结构的力学性能，对管道1结构经受的振动和冲击具有约束和缓解功能。

在本实施例中，该中空管束层的层数为3层，该缓冲层3可包括从内往外依次连接的与内承压层2连接的第一中空管束层31、第二中空管束层32以及与吸收层4连接的第三中空管束层33，第一中空管束层31包括若干第一中空管束单元311，第二中空管束层32包括若干第二中空管束单元321，第三中空管束层33包括若干第三中空管束单元331。进一步地，该第一中空管束单元311与第二中空管束单元321错位设置，第二中空管束单元321与第三中空管束单元331错位设置。可以理解地，该缓冲层3的不同中空管束层之间要有错位，以增强结构刚度和密封性。在其他一些实施例中，该中空管束层的层数可为3层以上，可根据实际情况进行调整，这里不做具体限定。

优选地，该第一中空管束单元311的面积比第二中空管束单元321的面积大，第二中空管束单元321的面积比第三中空管束单元331的面积大，该第一中空管束单元311的密度比第二中空管束单元321的密度小，第二中空管束单元321的密度比第三中空管束单元331的密度小。可以理解地，该缓冲层3可由尺寸梯度渐变的多层中空管束构成，靠近管道1的位置管束尺寸较大密度较小，靠近吸收层4的位置管束尺寸较小密度较大，保证了该缓冲层3动态外载荷作用下具有足够的变形能力以大幅度吸收能量，缓冲结构的振动速率。同时提供管道介质泄漏贮存和传输的通道，以便于泄漏的定量监测，且缓冲层3的多层渐变式中空结构也具有良好的保温功能。

进一步地，该第一中空管束层31为若干第一中空管束单元311依次排列而成，第二中空管束层32为若干第二中空管束单元321依次排列而成，第三中空管束层33为若干第三中空管束单元331依次排列而成，或者第一中空管束层31为若干第一中空管束单元311围绕管道1轴线缠绕而成，第二中空管束层32为若干第二中空管束单元321围绕管道1轴线缠绕而成，第三中空管束层33为若干第三中空管束单元331围绕管道1轴线缠绕而成。可以理解地，该缓冲层3的中空管束层可设计为中空管束单元围绕管道1轴线螺旋缠绕的形状，这种结构对径向振动载荷有着更强的粘滞阻尼由层间摩擦力或相互作用力产生和更好的横截面弯曲刚度。

其中，该第一中空管束单元311、第二中空管束单元321、第三中空管束单元331中均嵌套有管束件。可以理解地，该管束件尺寸比该中空管束单元的尺寸小，该设计可显著增强缓冲层3的刚度，通过层间摩擦力增加结构阻尼。

优选地，该缓冲层3为采用塑料、金属或者复合材料制成的层体结构。可以理解地，该缓冲层3可采用塑性延展性较好，断裂韧性值较高的材料制成，该材料可为石墨、硅胶或者其他材料。

优选地，该吸收层4为采用橡胶或者复合材料制成的层体结构。可以理解地，该橡胶具有弹性，且耐磨，该吸收层4的材料能表现出粘弹性结构，提供高粘滞阻尼和较大的变形能力。进一步地，该吸收层4是一个具有多层状交错的多空隙结构，该每两个多空隙部41之间形成交错面42，吸收层小孔411靠近交错面42的孔隙率比吸收层小孔411远离交错面42的孔隙率低。可以理解地，该吸收层4中在交错面42附近孔隙率较低，交错面42较远的位置孔隙率较高，这样可以在交错面42处提供相对较高的结构局部刚度，将管道1横向振动波转化为沿管道1环向的剪切波。同时较高的孔隙率增加了粘性阻尼和振动能量吸收。也为保温隔热提供了较好的效果。该交错面42的形状为平面或者鸭梨型面，该鸭梨型面可以更好的将横向振动冲击波转化为环向剪切波，并实现较好的互相约束功能。在一些实施例中，该每两个多空隙部41之间也可设有预定间隙，以进一步提升缓震的能力。

进一步地，该外承压层5为采用金属材质制成的管套结构。该金属材质可优选为不锈钢材质，该不锈钢材质强度较高，韧性和焊接性较好，具有良好的抗拉强度，且耐腐蚀。在其他一些实施例中，该外承压层5也可采用45钢、20钢或者其他材质制成，这里不做具体限定。其中，该外承压层5为整个保温层结构提供刚性支撑，并结合隔板6和节段支撑提供沿管道1轴向和径向的约束刚度。可以理解地，该外承压层5可与该内承压层2形成该管道1的屏障，可作为该管道1的承压边界边界，该外承压层5可与该内承压层2可共同作用防止该管道1泄漏，以保证该管道1输送介质时的安全性和可靠性，同时该外承压层5可与该内承压层2也可共同为该管道1提供整体刚性支撑且对该管道1进行定位固定。

其中，该隔板6为刚性的圆环状结构，其与外承压层5的节段进行焊接，将管道1保温层分割成不同的节段，便于拆卸和检查维护。该节段支撑架7和支撑锚固8通过隔板6将节段约束施加到保温层中，为整个结构提供必要的刚性。节段支撑架7和支撑锚固8可结合管道1自身的设计和管道1支架的布置情况进行设计。可选择与管道1支架组成联合结构，节段的分割与约束设置可通过必要的管系力学分析结果进行合理的论证和优化。优选地，该隔板6、节段支撑架7和支撑锚固8均可采用碳钢材料制成，其可为Q235优质碳钢材料，可以确保核电厂管道多功能保护装置整体框架刚性。进一步地，该隔板6、节段支撑架7和支撑锚固8的表面还可均设有镀锌层以提高抗腐蚀能力。

在其他一些实施例中，可根据实际工程要求，为解决管道泄漏定量监测问题，可以在保温层中增加中空的管腔，为实现管道缓震的功能，可在管道的某个长度极短的部分，采用该管腔的结构以替代阻尼器实现管道缓震。

在其他一些实施例中，可根据实际工程要求，可在管道上或附近设置防甩击限制件，阻尼器，地坑液位收集装置和常规的玻璃棉实芯保温层，并增加足够的布置空间，能进一步提升该核电厂管道多功能保护装置的缓冲和保温性能。

可以理解地，该核电厂管道多功能保护装置的有益效果为：

1.结构紧凑简单，而且对称，安装维护方便，便于批量化推广；

2.该核电厂管道多功能保护装置可替代阻尼器，防甩击限制件和防喷射挡板，地坑液位监测装置等，可实现核电厂管道1保温、抗震、防甩击和喷射的功能，并为管道介质的定量泄漏监测提供了新的渠道，特别在安全壳外管道应用管道破前漏技术时，该核电厂管道多功能保护装置可提供比地坑液位监测和冷凝剂流量监测更加可靠方便的监测手段，为相关工程难题的解决提供了可选的方案，保证核安全，优化设计方案，节省核电工程处置该类问题的经济成本；

3.缓冲层3的设计方案，通过对大自然中榴莲果皮、竹子等最优化生物的结构的仿生与再创造，为管道1振动和冲击载荷提供了高效的缓震和吸能结构，并为管道1的保温隔热和泄漏监测提供了良好的硬件结构；

4.吸收层4的设计方案，将管道1振动和冲击产生的横截面振动波转化为沿着和管道1环向的剪切波，多孔隙结构提供了很好的粘滞阻尼和变形能力，也能够产生较好的隔热效果；

5.内承压层2和外承压层5的半刚性设计，与缓冲层3和吸收层4一起，仿生了啄木鸟的喙、头骨、舌头和硬膜下腔的联合结构，提供了一种经过自然选择的最优化抗震和抗冲击结构。

可以理解地，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。