大口徑高溫鈉管道布置設(shè)計(jì)研究

常海軍

中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司 北京 101300

作為世界上第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)的推薦堆型之一,鈉冷快堆具有許多固有安全特性：高的熱導(dǎo)率、低壓鈉系統(tǒng)、鈉對快堆材料腐蝕甚微，熔融燃料與鈉無劇烈互相作用，鈉輻照后不產(chǎn)生壽命放射性核素、有足夠的運(yùn)動(dòng)粘度和熱膨脹系數(shù)，易于設(shè)計(jì)非能動(dòng)事故余熱排出系統(tǒng)等。但鈉作為介質(zhì)也有自身的危險(xiǎn)性，主要有：化學(xué)活潑性，鈉與水、空氣等可發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)會發(fā)生自燃；由于熔點(diǎn)高，管道、設(shè)備應(yīng)考慮預(yù)熱，鈉也需要預(yù)熱熔化，并應(yīng)考慮避免冷凍堵塞；由于導(dǎo)熱良好而比熱和粘度小，結(jié)構(gòu)材料及設(shè)備應(yīng)考慮承受較大的熱沖擊。因此，如果當(dāng)發(fā)生設(shè)備或管道的失效破裂等意外事故時(shí)，作為高溫液態(tài)金屬鈉從管道向空氣中泄露，與空氣中的氧氣反應(yīng)就會引起鈉火甚至是爆炸，后果嚴(yán)重。所以，通過對鈉冷快堆高溫管道進(jìn)行合理布置設(shè)計(jì)，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析驗(yàn)證，避免液態(tài)鈉的泄露，提高電站運(yùn)行安全性，是快堆技術(shù)發(fā)展的一項(xiàng)難題[1]。

鈉冷快堆工藝管道所處環(huán)境具有高溫低壓的特點(diǎn)，在布置設(shè)計(jì)時(shí)除了參考以往常規(guī)管道設(shè)計(jì)規(guī)則外，重點(diǎn)要考慮如下兩方面的因素：a.運(yùn)行溫度高，部分管道設(shè)計(jì)溫度達(dá)到550℃，屬于高溫管道，需謹(jǐn)慎選取適宜的管道材料，且管道熱脹應(yīng)力較大；b.輸送介質(zhì)為金屬鈉，鈉極易與其它物質(zhì)反應(yīng)，容易發(fā)生火災(zāi)等安全事故，且鈉在溫度低于98.3℃下會結(jié)晶為固體，造成管道堵塞及閥門不能關(guān)閉。這兩個(gè)因素也是鈉工藝管道設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)問題。

本論文以某項(xiàng)目機(jī)械泵原型樣機(jī)鈉介質(zhì)試驗(yàn)區(qū)的鈉回路（以下簡稱某項(xiàng)目機(jī)械泵項(xiàng)目鈉回路）為例，對大口徑高溫鈉工藝管道布置設(shè)計(jì)進(jìn)行研究分析，另對于某項(xiàng)目機(jī)械泵的接管載荷進(jìn)行分析校核，確保項(xiàng)目安全可靠，同時(shí)，為后續(xù)高溫管道、液態(tài)金屬管道、大口徑泵進(jìn)出口管道對泵的影響提供技術(shù)參考。

1 管道布置設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)介紹

某項(xiàng)目機(jī)械泵項(xiàng)目用于XX項(xiàng)目主循環(huán)鈉泵原型樣機(jī)的綜合性能鈉環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證，最為重要的一點(diǎn)需要驗(yàn)證泵性能曲線是否與水介質(zhì)的性能一致。

某項(xiàng)目機(jī)械泵項(xiàng)目鈉循環(huán)回路設(shè)計(jì)壓力為1.2MPa、設(shè)計(jì)溫度為550℃，主要設(shè)備有某項(xiàng)目主循環(huán)鈉泵、鈉緩沖罐、空冷器，液態(tài)鈉通過鈉充排和鈉接收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)充鈉、排鈉和鈉凈化。

1.2 布置設(shè)計(jì)原則

1.2.1 管道布置原則

鈉工藝管道的設(shè)計(jì)溫度500℃，設(shè)計(jì)壓力1.2Mpa,設(shè)計(jì)壽命10年。為實(shí)現(xiàn)鈉管道的功能要求，進(jìn)行鈉系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)時(shí)，除了遵循常規(guī)管道設(shè)計(jì)規(guī)則外，還必須遵守下列原則：

（1）鈉設(shè)備與管道必須焊接連接，不可用螺紋連接，焊后焊縫處進(jìn)行射線探傷；

（2）鈉設(shè)備與管道不能采用鑄件材料；

（3）對于高溫管道的設(shè)計(jì)要慎重選取設(shè)計(jì)規(guī)范，嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，目前主要采用美標(biāo)ASMEBPVC-III、ASMEB31.3，而國內(nèi)主要遵守GB50316、GB/T20801.1-6等標(biāo)準(zhǔn)；

（4）由于鈉管道的高溫以及不銹鋼材料的特性，要重點(diǎn)考慮熱應(yīng)力、熱沖擊和熱膨脹問題，應(yīng)在調(diào)試期間進(jìn)行熱位移監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)，避免事故；

（5）冷加工后應(yīng)進(jìn)行熱處理以消除應(yīng)力，以減少裂紋源在鈉介質(zhì)條件下連續(xù)或斷續(xù)擴(kuò)展的可能；

（6）自由鈉液面上必須有高于大氣壓的高純惰性氣體保護(hù)，以避免水和氧氣進(jìn)入系統(tǒng)；

（7）系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量使安裝后可以排空殘存的鈉，管道應(yīng)有2%-5%傾斜度；

（8）除了提供自由液面的設(shè)備，系統(tǒng)中其它的設(shè)備上不能有存氣的死空間，并且在鈉系統(tǒng)充鈉時(shí)，設(shè)備和管道的殘存氣體，應(yīng)當(dāng)能順利排出[2]；

（9）系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮在役檢查的要求。

1.2.2 管道布置案例

某項(xiàng)目機(jī)械泵原型樣機(jī)鈉介質(zhì)試驗(yàn)區(qū)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的管道連接均采用焊接，管材采用304H，布置設(shè)計(jì)嚴(yán)格執(zhí)行主要采用GB50316、GB/T20801.1-6等標(biāo)準(zhǔn)，項(xiàng)目所有管道將根據(jù)本文第3章提到的計(jì)算方法開展應(yīng)力分析，確保管道受力合理，鈉工藝系統(tǒng)管道采用氦氣進(jìn)行裝料前的置換氣，并作為氣壓平衡的保護(hù)氣體對鈉工藝系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。同時(shí)，鈉工藝管道按照2%的坡度進(jìn)行設(shè)計(jì)確保試壓結(jié)束鈉的收集，為增加管道柔性，設(shè)置了相應(yīng)的管道自然補(bǔ)償器（π型補(bǔ)償器），為了全面的分析掌握大口徑、高溫、與設(shè)備連接的鈉管道設(shè)計(jì)，特選取了連接有機(jī)械泵、空冷器的JNCB0BR001管道為例進(jìn)行研究[3]。

1.3 鈉管道力學(xué)分析

采用CAESARⅡ進(jìn)行應(yīng)力分析，結(jié)合鈉工藝管道的案例進(jìn)行分析，確保設(shè)計(jì)的合理性。管道管徑為325mm，壁厚12mm，材料為304H，分析時(shí)考慮自重、溫度、壓力、地震待工況。

1.3.1 分析模型

采取CAESAR II開展力學(xué)分析，從輸入節(jié)點(diǎn)、管道特性、彎頭特性、三通特性、剛性元件確定、管材、節(jié)點(diǎn)約束、支架約束、端點(diǎn)位移、均布載荷、力與力矩等方面進(jìn)行計(jì)算模型數(shù)據(jù)輸入，計(jì)算過程節(jié)點(diǎn)編制詳見圖1。

圖1 CAESAR II分析節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型

1.3.2 設(shè)備接管載荷

鈉泵接口接管載荷參照API610，空冷器的設(shè)備接管載荷參照API661,緩沖罐等容器的接管載荷參照SH/T3074-2018附錄D中要求進(jìn)行開孔接管外載荷評定。

結(jié)合管道力學(xué)分析載荷、設(shè)備制造廠可承受載荷，最終系統(tǒng)的管道與泵設(shè)備的接管載荷分析。

圖2 泵接管載荷分析圖

最終根據(jù)計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果，管道傳遞給設(shè)備的接管載荷滿足要求，可保證設(shè)備安全運(yùn)行。

2 結(jié)語

目前公司承接了多個(gè)鈉回路、鉛鉍等高溫液態(tài)金屬項(xiàng)目建設(shè)任務(wù)，高溫液態(tài)金屬大口徑管道設(shè)計(jì)的合理與否直接影響到公司承接項(xiàng)目的安全性、可靠性。

圖3 空冷器接管載荷分析圖

本文主要從鈉工藝管道的選材原則、鈉管道布置設(shè)計(jì)的原則、力學(xué)分析計(jì)算、支吊架的選型、管道系統(tǒng)接管載荷分析等方面進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，不僅為后續(xù)開展高溫、大口徑、液態(tài)金屬管道的設(shè)計(jì)提供技術(shù)積累，也為公司開展高溫、大口徑、液態(tài)金屬管道的安裝過程提供合理性優(yōu)化分析設(shè)計(jì)支撐，切實(shí)為公司在類似項(xiàng)目管道設(shè)計(jì)和安裝技術(shù)創(chuàng)新，提供智慧。