大口徑高溫鈉管道布置設計研究

常海軍

中國核工業二三建設有限公司 北京 101300

作為世界上第四代先進核能系統的推薦堆型之一,鈉冷快堆具有許多固有安全特性：高的熱導率、低壓鈉系統、鈉對快堆材料腐蝕甚微，熔融燃料與鈉無劇烈互相作用，鈉輻照后不產生壽命放射性核素、有足夠的運動粘度和熱膨脹系數，易于設計非能動事故余熱排出系統等。但鈉作為介質也有自身的危險性，主要有：化學活潑性，鈉與水、空氣等可發生劇烈化學反應，同時會發生自燃；由于熔點高，管道、設備應考慮預熱，鈉也需要預熱熔化，并應考慮避免冷凍堵塞；由于導熱良好而比熱和粘度小，結構材料及設備應考慮承受較大的熱沖擊。因此，如果當發生設備或管道的失效破裂等意外事故時，作為高溫液態金屬鈉從管道向空氣中泄露，與空氣中的氧氣反應就會引起鈉火甚至是爆炸，后果嚴重。所以，通過對鈉冷快堆高溫管道進行合理布置設計，并進行結構分析驗證，避免液態鈉的泄露，提高電站運行安全性，是快堆技術發展的一項難題[1]。

鈉冷快堆工藝管道所處環境具有高溫低壓的特點，在布置設計時除了參考以往常規管道設計規則外，重點要考慮如下兩方面的因素：a.運行溫度高，部分管道設計溫度達到550℃，屬于高溫管道，需謹慎選取適宜的管道材料，且管道熱脹應力較大；b.輸送介質為金屬鈉，鈉極易與其它物質反應，容易發生火災等安全事故，且鈉在溫度低于98.3℃下會結晶為固體，造成管道堵塞及閥門不能關閉。這兩個因素也是鈉工藝管道設計的重難點問題。

本論文以某項目機械泵原型樣機鈉介質試驗區的鈉回路（以下簡稱某項目機械泵項目鈉回路）為例，對大口徑高溫鈉工藝管道布置設計進行研究分析，另對于某項目機械泵的接管載荷進行分析校核，確保項目安全可靠，同時，為后續高溫管道、液態金屬管道、大口徑泵進出口管道對泵的影響提供技術參考。

1 管道布置設計

1.1 系統介紹

某項目機械泵項目用于XX項目主循環鈉泵原型樣機的綜合性能鈉環境試驗驗證，最為重要的一點需要驗證泵性能曲線是否與水介質的性能一致。

某項目機械泵項目鈉循環回路設計壓力為1.2MPa、設計溫度為550℃，主要設備有某項目主循環鈉泵、鈉緩沖罐、空冷器，液態鈉通過鈉充排和鈉接收系統實現充鈉、排鈉和鈉凈化。

1.2 布置設計原則

1.2.1 管道布置原則

鈉工藝管道的設計溫度500℃，設計壓力1.2Mpa,設計壽命10年。為實現鈉管道的功能要求，進行鈉系統管道設計時，除了遵循常規管道設計規則外，還必須遵守下列原則：

（1）鈉設備與管道必須焊接連接，不可用螺紋連接，焊后焊縫處進行射線探傷；

（2）鈉設備與管道不能采用鑄件材料；

（3）對于高溫管道的設計要慎重選取設計規范，嚴格執行標準，目前主要采用美標ASMEBPVC-III、ASMEB31.3，而國內主要遵守GB50316、GB/T20801.1-6等標準；

（4）由于鈉管道的高溫以及不銹鋼材料的特性，要重點考慮熱應力、熱沖擊和熱膨脹問題，應在調試期間進行熱位移監測，及時發現危險，避免事故；

（5）冷加工后應進行熱處理以消除應力，以減少裂紋源在鈉介質條件下連續或斷續擴展的可能；

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

（7）系統設計應盡量使安裝后可以排空殘存的鈉，管道應有2%-5%傾斜度；

（8）除了提供自由液面的設備，系統中其它的設備上不能有存氣的死空間，并且在鈉系統充鈉時，設備和管道的殘存氣體，應當能順利排出[2]；

（9）系統設計時，必須考慮在役檢查的要求。

1.2.2 管道布置案例

某項目機械泵原型樣機鈉介質試驗區設計項目的管道連接均采用焊接，管材采用304H，布置設計嚴格執行主要采用GB50316、GB/T20801.1-6等標準，項目所有管道將根據本文第3章提到的計算方法開展應力分析，確保管道受力合理，鈉工藝系統管道采用氦氣進行裝料前的置換氣，并作為氣壓平衡的保護氣體對鈉工藝系統進行保護。同時，鈉工藝管道按照2%的坡度進行設計確保試壓結束鈉的收集，為增加管道柔性，設置了相應的管道自然補償器（π型補償器），為了全面的分析掌握大口徑、高溫、與設備連接的鈉管道設計，特選取了連接有機械泵、空冷器的JNCB0BR001管道為例進行研究[3]。

1.3 鈉管道力學分析

采用CAESARⅡ進行應力分析，結合鈉工藝管道的案例進行分析，確保設計的合理性。管道管徑為325mm，壁厚12mm，材料為304H，分析時考慮自重、溫度、壓力、地震待工況。

1.3.1 分析模型

采取CAESAR II開展力學分析，從輸入節點、管道特性、彎頭特性、三通特性、剛性元件確定、管材、節點約束、支架約束、端點位移、均布載荷、力與力矩等方面進行計算模型數據輸入，計算過程節點編制詳見圖1。

圖1 CAESAR II分析節點計算模型

1.3.2 設備接管載荷

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

結合管道力學分析載荷、設備制造廠可承受載荷，最終系統的管道與泵設備的接管載荷分析。

圖2 泵接管載荷分析圖

最終根據計算機計算結果，管道傳遞給設備的接管載荷滿足要求，可保證設備安全運行。

2 結語

目前公司承接了多個鈉回路、鉛鉍等高溫液態金屬項目建設任務，高溫液態金屬大口徑管道設計的合理與否直接影響到公司承接項目的安全性、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、鈉管道布置設計的原則、力學分析計算、支吊架的選型、管道系統接管載荷分析等方面進行了詳細的闡述，不僅為后續開展高溫、大口徑、液態金屬管道的設計提供技術積累，也為公司開展高溫、大口徑、液態金屬管道的安裝過程提供合理性優化分析設計支撐，切實為公司在類似項目管道設計和安裝技術創新，提供智慧。