核電站用管道金屬保溫層熱性能研究

毛 飛，施永兵

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233）

1 概況

核電站內(nèi)系統(tǒng)管道和設(shè)備大多在高溫工況運(yùn)行，為減少系統(tǒng)的熱損失，確保核電站內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)壁面溫度和廠房溫度符合設(shè)計(jì)要求，提高電站運(yùn)行的熱經(jīng)濟(jì)性，必須在高溫管道和設(shè)備外壁包覆保溫材料。由于核電站內(nèi)的高放射性，一般工業(yè)管道及設(shè)備采用的非金屬保溫材料難以滿足60年使用壽命的要求，在全壽期內(nèi)將產(chǎn)生大量的放射性粉塵和固體廢物，污染環(huán)境，并對(duì)人體有害。同時(shí)，非金屬保溫材料經(jīng)含硼水浸泡后容易失重流失，堵塞地坑過(guò)濾器。

管道金屬保溫結(jié)構(gòu)全部采用不銹鋼金屬材料，可適應(yīng)核電站內(nèi)高輻射、高溫的環(huán)境條件，滿足使用壽命要求，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生堵塞地坑過(guò)濾器的物質(zhì)。管道金屬保溫結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。采用不銹鋼薄壁板焊接形成外殼框架，內(nèi)部填充多層不銹鋼箔。多層箔片之間保持一定的間距，形成薄空氣層，可盡量降低空氣間層的傳熱。外殼框架及不銹鋼箔均采用“鏡面”不銹鋼板，降低輻射傳熱。

圖1 帶接縫的管道金屬結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of Pipe Insulation Structure with Seam

國(guó)外先進(jìn)壓水堆、沸水堆核電站的研究起步早，針對(duì)反射型金屬保溫層的結(jié)構(gòu)和熱性能做了大量研究和熱性能試驗(yàn)，并形成了系列ASTM 標(biāo)準(zhǔn)[1?2]；國(guó)內(nèi)的研究提出了反射型金屬保溫結(jié)構(gòu)熱性能分析的理論模型，但該模型未考慮接縫和環(huán)境溫度的影響，同時(shí)未進(jìn)行保溫結(jié)構(gòu)的熱性能試驗(yàn)[3?5]；文獻(xiàn)[6]采用防護(hù)熱箱法完成了平板金屬保溫塊熱性能試驗(yàn)，并建立了平板保溫塊在水平狀態(tài)下的數(shù)值分析模型。本篇文章首次提出針對(duì)管道金屬保溫結(jié)構(gòu)的熱性能試驗(yàn)，其數(shù)值分析模型考慮了接縫和環(huán)境溫度影響的影響。

2 試驗(yàn)與分析模型

2.1 試驗(yàn)方法

參照ASTM C335的標(biāo)準(zhǔn)要求，采用圓管法進(jìn)行管道金屬保溫結(jié)構(gòu)熱性能試驗(yàn)，示意圖，如圖2所示。圓管試驗(yàn)裝置包括中間的計(jì)量段和兩端的防護(hù)段，利用多組熱電偶監(jiān)測(cè)計(jì)量段和防護(hù)段內(nèi)的溫度。調(diào)整防護(hù)段輔助加熱量，使防護(hù)段溫度與計(jì)量段溫度保持一致，此時(shí)可認(rèn)為計(jì)量段和防護(hù)段互不傳熱，金屬保溫層試驗(yàn)件的軸向傳熱Q可減至最小，而主加熱器的發(fā)熱量Φ即為穩(wěn)態(tài)下管道金屬保溫層在計(jì)量段內(nèi)的熱損失。按下述公式可計(jì)算試驗(yàn)件的等效導(dǎo)熱系數(shù)：

圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 Testing Apparatus

式中：Φ—計(jì)量箱內(nèi)電加熱器的功率，W；L—管道金屬保溫層的長(zhǎng)度，m；D2—試驗(yàn)件外徑，m；D0—試驗(yàn)件內(nèi)徑，m；Th—試驗(yàn)件熱面溫度，K；Tc—試驗(yàn)件冷面溫度，K。

2.2 分析模型

管道金屬保溫層由上下部Half結(jié)構(gòu)組件，通過(guò)搭扣連接成整體。多層不銹鋼箔將金屬保溫結(jié)構(gòu)內(nèi)腔中的空氣隔開(kāi)，不銹鋼箔與不銹鋼箔之間的傳熱主要通過(guò)空氣的熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流，以及不銹鋼箔之間的熱輻射。

管道金屬保溫結(jié)構(gòu)外殼冷面同空氣側(cè)的傳熱主要通過(guò)空氣的對(duì)流傳熱，傳熱示意圖，如圖3所示。

圖3 傳熱示意圖Fig.3 Diagram of Heat Transfer

管道金屬保溫結(jié)構(gòu)在水平狀態(tài)下的理論計(jì)算模型中[7?8]，假設(shè)情況如下：

（1）管道金屬保溫結(jié)構(gòu)的傳熱僅在一維徑向進(jìn)行；

（2）不銹鋼箔和外殼表面均為漫灰表面假設(shè)，輻射傳熱各向同性；

（3）不銹鋼箔層和外殼的溫度均勻。

對(duì)于管道金屬保溫結(jié)構(gòu)內(nèi)部空腔中不銹鋼箔之間的傳熱，計(jì)算模型如下：

對(duì)于管道金屬保溫結(jié)構(gòu)外殼冷面同環(huán)境空氣側(cè)的傳熱，計(jì)算模型如下：

式中：n—不銹鋼箔層數(shù)；Ti—第i層不銹鋼箔溫度，K；Ai—Half結(jié)構(gòu)內(nèi)表面積，m2；Φ1—HALF 結(jié)構(gòu)箔層間熱損失，W；Φ2—HALF結(jié)構(gòu)接縫處熱損失，W；Φ—管道金屬保溫結(jié)構(gòu)總熱損失，W；A2—接縫處不銹鋼熱傳導(dǎo)面積，m2；L—管道金屬保溫結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，m；Lc—管道金屬保溫結(jié)構(gòu)特征長(zhǎng)度，m；ri—第i層不銹鋼箔半徑，m；λ1—空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/m?k；λ2—不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)，W/m?k；ε—不銹鋼箔法向發(fā)射率；Ra—瑞利數(shù)；Pr—普朗特?cái)?shù)。

基于傳熱計(jì)算理論模型式（2）～式（5），共（n+4）個(gè)方程。該數(shù)值分析模型中共有外殼及不銹鋼箔的n+1個(gè)溫度未知量：T1、T2、…Tn、Tn+1，以及3個(gè)管道金屬保溫結(jié)構(gòu)的熱損失量Φ1、Φ2、Φ。在熱面溫度和環(huán)境溫度T0、Tn+2、管道金屬保溫結(jié)構(gòu)幾何尺寸均已知的情況下，理論計(jì)算模型方程組可求解。借助專(zhuān)業(yè)軟件Matlab編寫(xiě)求解程序，可求解上述方程組。

3 敏感性分析

3.1 數(shù)值分析模型驗(yàn)證

試驗(yàn)件采用DN90的管道金屬保溫結(jié)構(gòu)，內(nèi)部填充10層8mm高度的不銹鋼箔片（計(jì)量段區(qū)域管道金屬保溫結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度L=400mm）。給出了該試驗(yàn)件在150℃、200℃和250℃下熱性能試驗(yàn)結(jié)果及理論計(jì)算結(jié)果，如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與解析數(shù)據(jù)Tab.1 Testing Results and Calculation Results

由表1的數(shù)據(jù)對(duì)比可知，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與解析數(shù)據(jù)的趨勢(shì)一致，誤差最大處8.83%?？梢?jiàn)，數(shù)值分析模型可滿足工程求解需求，可用于計(jì)算評(píng)估不同條件下管道金屬保溫結(jié)構(gòu)的散熱損失。

3.2 敏感性分析研究

根據(jù)前文中的數(shù)值分析模型，變更計(jì)算輸入條件，包括不銹鋼箔層數(shù)、不銹鋼箔及外殼的法向發(fā)射率、熱面溫度、管道保溫結(jié)構(gòu)內(nèi)徑，可研究這些參數(shù)對(duì)管道金屬保溫結(jié)構(gòu)熱性能的影響。以下分析僅針對(duì)單一因素變化的敏感性分析結(jié)果：

DN90 的管道金屬保溫結(jié)構(gòu)在熱面溫度200℃、不銹鋼箔層間距8mm、環(huán)境條件和金屬材料相同時(shí)，不銹鋼箔層數(shù)n變化時(shí)對(duì)其熱損失和導(dǎo)熱系數(shù)的影響，如圖4所示。

DN90 的管道金屬保溫結(jié)構(gòu)在熱面溫度200℃、填充10 層8mm高度的不銹鋼箔片、環(huán)境條件相同時(shí)，不銹鋼箔及外殼的法向發(fā)射率ε變化時(shí)對(duì)其熱損失和導(dǎo)熱系數(shù)的影響，如圖5所示。DN90的管道金屬保溫結(jié)構(gòu)填充10層8mm高度的不銹鋼箔片、環(huán)境條件、金屬材料相同時(shí)，熱面溫度T0對(duì)其熱損失和導(dǎo)熱系數(shù)的影響，如圖6所示。

圖5 法向發(fā)射率的影響Fig.5 Influence of Normal Emissivity

圖6 熱面溫度的影響Fig.6 Influence of Surface Temperature

管道金屬保溫結(jié)構(gòu)在熱面溫度200℃、填充10 層8mm 高度的不銹鋼箔片、環(huán)境條件和金屬材料相同時(shí)，管道保溫結(jié)構(gòu)內(nèi)徑對(duì)熱損失和導(dǎo)熱系數(shù)的影響，如圖7所示。DN90的管道金屬保溫結(jié)構(gòu)在熱面溫度200℃、填充10層8mm高度的不銹鋼箔片、環(huán)境條件和金屬材料相同時(shí)不同不銹鋼箔層處的溫度計(jì)算，如圖8所示。溫度曲線指不同不銹鋼箔層處的平均溫度Ti，溫差指不銹鋼箔層Ti?Ti+1的溫差。

圖7 管道保溫內(nèi)徑的影響Fig.7 Influence of Pipe Insulation Inner Diameter

由圖6可知，類(lèi)同于非金屬保溫材料熱性能特性，金屬保溫結(jié)構(gòu)的熱損失和導(dǎo)熱系數(shù)隨著熱面溫度T0的增加而增大。不銹鋼箔層間空氣的平均溫度越高，空氣傳熱的能力越強(qiáng)。

由圖7可知，管道金屬保溫結(jié)構(gòu)的平均熱損失隨著管道保溫內(nèi)徑的增加而減小，且減小趨勢(shì)趨緩。

由圖8可知，在管道金屬保溫結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，遠(yuǎn)離熱面的不銹鋼箔層平均溫度逐層減低，且前后不銹鋼箔層的溫差越來(lái)越小。遠(yuǎn)離熱面的不銹鋼箔層輻射換熱面積逐層遞增，所需的溫差越來(lái)越小。

圖8 不銹鋼箔層溫度和溫差Fig.8 Temperature and Temperature Difference of Metal Foil Layers

4 結(jié)論

基于圓管法測(cè)試原理完成了管道金屬保溫結(jié)構(gòu)的熱性能試驗(yàn)，建立了管道金屬保溫結(jié)構(gòu)的熱性能數(shù)值分析模型，并編寫(xiě)Matlab程序求解。試驗(yàn)數(shù)據(jù)與解析數(shù)據(jù)的趨勢(shì)一致，誤差最大處8.83%，數(shù)值分析模型可滿足工程求解需求。

最后對(duì)管道金屬保溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行了單一因素變化的敏感性分析，結(jié)果如下：

（1）管道金屬保溫結(jié)構(gòu)的熱損失、導(dǎo)熱系數(shù)隨著不銹鋼箔層數(shù)n增加而減少，但設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮散熱限值、經(jīng)濟(jì)性要求以及空間尺寸限制；

（2）降低不銹鋼箔及外殼的法向發(fā)射率可以有效降低熱損失和導(dǎo)熱系數(shù)；

（3）熱面溫度越高，金屬保溫結(jié)構(gòu)的熱損失和導(dǎo)熱系數(shù)越大；

（4）管道金屬保溫結(jié)構(gòu)的平均熱損失隨著管道保溫內(nèi)徑的增加而減小，但是減小趨勢(shì)趨緩；

（5）在金屬保溫結(jié)構(gòu)內(nèi)部，遠(yuǎn)離熱面的不銹鋼箔層平均溫度逐層減低，且前后不銹鋼箔層的溫差越來(lái)越小。