某核電站SWS系統(tǒng)管材代換可行性分析

某核電站SWS系統(tǒng)管材代換可行性分析

劉靜

(國核工程有限公司，上海 200233)

摘要：在某AP1000核電站SWS系統(tǒng)布管設(shè)計(jì)已經(jīng)完成、水泵已經(jīng)采購的基礎(chǔ)上，通過對(duì)不同材質(zhì)金屬管道進(jìn)行耐腐蝕性能分析、塑料管道耐壓能力分析和不同管材系統(tǒng)水力學(xué)分析，尋找較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的管道材料。探討了該核電站SWS系統(tǒng)管道材料代換的可行性，為AP1000 SWS系統(tǒng)的國產(chǎn)化設(shè)計(jì)與管道材料成本的降低提出了建議。

關(guān)鍵詞：海水腐蝕；AP1000；材料代換；雙相不銹鋼

收稿日期:2015-04-12

作者簡(jiǎn)介：劉靜(1981—)，女，河北蔚縣人，工程師，研究方向：核電工藝系統(tǒng)、管道。

0引言

1某核電站AP1000廠用水系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1AP1000廠用水系統(tǒng)

AP1000廠用水系統(tǒng)(SWS)將設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的傳輸熱量帶出，雖然是非安全相關(guān)系統(tǒng)，卻具有重要的縱深防御和投資保護(hù)功能。

1.2SWS系統(tǒng)管道材質(zhì)特點(diǎn)

SWS系統(tǒng)采用AL-6XN超級(jí)奧氏體不銹鋼和PE4710 HDPE管道。AL-6XN雖然具有良好的抗腐蝕性能，但其高昂的價(jià)格大大增加了電站的初次投資費(fèi)用，故采用其他價(jià)格相對(duì)較低的抗腐蝕性管材來替代具有研究意義和實(shí)際經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本文基于不同材質(zhì)管道性能及SWS系統(tǒng)的自身特點(diǎn)，對(duì)不銹鋼、碳鋼襯水泥砂漿、碳鋼襯塑和HDPE管代換AL-6XN的可行性進(jìn)行分析。

2可替代管材的選擇

2.1不銹鋼管道材質(zhì)的確定

不銹鋼在海水中的腐蝕存在全面腐蝕、點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕以及晶間腐蝕等5種形態(tài)。

井點(diǎn)管的埋設(shè)宜用套管沖槍或鉆機(jī)成孔，孔深=井點(diǎn)管長+濾管長+0.5m，成孔孔徑應(yīng)達(dá)到0.3～0.35m，管壁與井點(diǎn)管之間有一定的間隙，以便于填充砂石過濾層，濾網(wǎng)厚度應(yīng)選用60mm和100mm兩層，以防止孔壁坍塌。

(1) 全面腐蝕、應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕。由于不銹鋼在海水中的全面腐蝕速率很低，在設(shè)計(jì)時(shí)只要進(jìn)行妥善考慮一般可以忽略。雙相不銹鋼相對(duì)普通奧氏體不銹鋼具備良好的抗應(yīng)力腐蝕和晶間腐蝕能力。

(2) 縫隙腐蝕。幾乎所有金屬與合金都會(huì)發(fā)生縫隙腐蝕，腐蝕的位置通常位于縫隙和其他隱蔽的區(qū)域。可通過破壞縫隙腐蝕產(chǎn)生的條件來阻止這種情況的發(fā)生。

(3) 點(diǎn)腐蝕。點(diǎn)腐蝕是海水介質(zhì)中主要存在的腐蝕狀態(tài)，由于海水中存在大量Cl-，會(huì)大大加強(qiáng)不銹鋼電化學(xué)腐蝕程度。不銹鋼的耐點(diǎn)蝕能力可以用耐點(diǎn)蝕當(dāng)量(PREN)預(yù)測(cè)：PREN=[Cr%]+3.3[Mo%]+16[N%]。通常認(rèn)為，當(dāng)PREN大于40時(shí)，不銹鋼的抗點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕的能力很強(qiáng)，一般可用于海水環(huán)境。除AL-6XN外，254SMo、SAF2507的耐點(diǎn)蝕當(dāng)量值均高于40。但由于254SMo與AL-6XN相比并無價(jià)格優(yōu)勢(shì)，本文擬將SAF2507作為AL-6XN的備選替代管材。

2.2HDPE替代AL-6XN的可行性分析

HDPE塑料相比金屬管道具有材料更輕、絕對(duì)耐腐蝕、水力更光滑的優(yōu)點(diǎn)，但由于溫度升高時(shí)HDPE管的壓力等級(jí)會(huì)相應(yīng)下降，HDPE在使用過程中應(yīng)特別關(guān)注溫度對(duì)其強(qiáng)度的影響。SWS系統(tǒng)采用DR9的HDPE管道，溫度為22.8 ℃時(shí)，管道的壓力等級(jí)P=1.72 MPa。而在CCS熱交換器之后溫度升高，最高值為51.7 ℃，管道的壓力等級(jí)P=1.06 MPa。

SWS系統(tǒng)最大水頭：

Hmax=Hs+Hh-Hl

式中，Hmax為系統(tǒng)最大水頭；Hs為泵的關(guān)閉揚(yáng)程；Hh為泵出口與管路最低點(diǎn)位差；Hl為泵的最小吸入高度。

CCS熱交換器后管路最低點(diǎn)標(biāo)高為8.32 m，泵的最小吸入高度為-11.9 m，由泵的特性曲線可知，Hs為89 m，故可知：Hmax=92.58 m，Pmax=ρgHmax=0.93 MPa。

安全裕量：

CCS熱交換器后安全裕量?jī)H為許用壓力的12.3%，低于HDPE廠家的建議值25%。所以選用DR9的HDPE管來代換AL-6XN并不足夠安全，在本次代換中不予考慮。

2.3碳鋼加內(nèi)襯管道代換可行性

鑒于碳鋼襯水泥砂漿管道及碳鋼襯塑管道在國內(nèi)其他核電站海水冷卻系統(tǒng)的大量應(yīng)用業(yè)績(jī)，本文也把這兩種管材作為備選材料。

2.4不同管材系統(tǒng)水力學(xué)分析

本文分別對(duì)20″2507不銹鋼管、20″碳鋼襯水泥砂漿管、22″碳鋼襯水泥砂漿管、20″碳鋼襯塑管的流阻進(jìn)行計(jì)算，繪制管道特性曲線，分析所選管道與泵的匹配性。由圖1可知，采用20″2507雙相不銹鋼管、20″碳鋼襯塑管或22″碳鋼襯水泥砂漿管時(shí)，SWS水泵的工作點(diǎn)幾乎重合。泵的流量為2 800 m3/h，略高于SWS設(shè)計(jì)流量2 680 m3/h。若采用20″碳鋼襯水泥砂漿管，水泵的流量為2 500 m3/h，不滿足SWS系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖1　SWS水泵與管道特性曲線

2.5不同管材經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

該核電站SWS系統(tǒng)一期兩臺(tái)機(jī)組，所用AL-6XN管長約580 m。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研價(jià)格，采用2507不銹鋼相對(duì)AL-6XN可節(jié)約50%的管道成本，采用碳鋼襯水泥砂漿管和碳鋼襯塑管則分別節(jié)約94.3%和91.4%。

2.6其他因素分析

2507雙相不銹鋼管道作為金屬管，焊接工藝成熟，施工方便，有利于控制施工質(zhì)量。襯膠管道最后調(diào)整段的襯塑必須在現(xiàn)場(chǎng)外的加工廠進(jìn)行，對(duì)施工進(jìn)度有較大影響。

碳鋼襯塑管道和碳鋼襯水泥砂漿管道的使用壽命一般僅10余年，在機(jī)械沖擊嚴(yán)重的地方，如閥門出口、管道轉(zhuǎn)彎處發(fā)生內(nèi)襯破損的幾率會(huì)更大一些。碳鋼襯水泥砂漿管道的加工、安裝、保養(yǎng)以及接口處理等各方面都必須非常小心，需要嚴(yán)格控制各步驟的程序才能確保砂漿襯里管道的質(zhì)量。另外，采用22″碳鋼襯水泥砂漿管由于管徑的變化需要對(duì)管道支架進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，同時(shí)還需考慮由此引起與周邊物項(xiàng)的碰撞問題。

3結(jié)語

結(jié)合本工程特點(diǎn)，20″2507雙相不銹鋼管和20″碳鋼襯塑管均可用于代換AL-6XN管道，但對(duì)于2507雙相不銹鋼管道和碳鋼襯塑管道的選取需進(jìn)行復(fù)雜的全壽命周期分析，碳鋼襯塑管道發(fā)生腐蝕的嚴(yán)重程度和頻率以及維修的難易程度等多種因素的不確定性都會(huì)加大該分析的不準(zhǔn)確性。綜合考慮AP1000核電60年使用壽命和高可靠性的要求，本文認(rèn)為采用2507雙相不銹鋼代換AL-6XN更為合適。

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