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、有足夠的運動粘度和熱膨脹系數(shù)，易于設(shè)計非能動事故余熱排出系統(tǒng)等。但鈉作為介質(zhì)也有自身的危險性，主要有：化學活潑性，鈉與水、空氣等可發(fā)生劇烈化學反應(yīng)，同時會發(fā)生自燃；由于熔點高，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，如果當發(fā)生設(shè)備或管道的失效破裂等意外事故時，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，后果嚴重。所以，通過對鈉冷快堆高溫管道進行合理布置設(shè)計，并進行結(jié)構(gòu)分析驗證，避免液態(tài)鈉的泄露，提高電站運行安全性，是快堆技術(shù)發(fā)展的一項難題[1]。

鈉冷快堆工藝管道所處環(huán)境具有高溫低壓的特點，在布置設(shè)計時除了參考以往常規(guī)管道設(shè)計規(guī)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(shè)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(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。這兩個因素也是鈉工藝管道設(shè)計的重難點問題。

本論文以某項目機械泵原型樣機鈉介質(zhì)試驗區(qū)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(shè)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(xù)高溫管道、液態(tài)金屬管道、大口徑泵進出口管道對泵的影響提供技術(shù)參考。

1 管道布置設(shè)計

1.1 系統(tǒng)介紹

某項目機械泵項目用于XX項目主循環(huán)鈉泵原型樣機的綜合性能鈉環(huán)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(zhì)的性能一致。

某項目機械泵項目鈉循環(huán)回路設(shè)計壓力為1.2MPa、設(shè)計溫度為550℃，主要設(shè)備有某項目主循環(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)實現(xiàn)充鈉、排鈉和鈉凈化。

1.2 布置設(shè)計原則

1.2.1 管道布置原則

鈉工藝管道的設(shè)計溫度500℃，設(shè)計壓力1.2Mpa,設(shè)計壽命10年。為實現(xiàn)鈉管道的功能要求，進行鈉系統(tǒng)管道設(shè)計時，除了遵循常規(guī)管道設(shè)計規(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)計要慎重選取設(shè)計規(guī)范，嚴格執(zhí)行標準，目前主要采用美標ASMEBPVC-III、ASMEB31.3，而國內(nèi)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(yīng)力、熱沖擊和熱膨脹問題，應(yīng)在調(diào)試期間進行熱位移監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)危險，避免事故；

（5）冷加工后應(yīng)進行熱處理以消除應(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(tǒng)；

（7）系統(tǒng)設(shè)計應(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，設(shè)備和管道的殘存氣體，應(yīng)當能順利排出[2]；

（9）系統(tǒng)設(shè)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(zhì)試驗區(qū)設(shè)計項目的管道連接均采用焊接，管材采用304H，布置設(shè)計嚴格執(zhí)行主要采用GB50316、GB/T20801.1-6等標準，項目所有管道將根據(jù)本文第3章提到的計算方法開展應(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(tǒng)進行保護。同時，鈉工藝管道按照2%的坡度進行設(shè)計確保試壓結(jié)束鈉的收集，為增加管道柔性，設(shè)置了相應(yīng)的管道自然補償器（π型補償器），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，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(yīng)力分析，結(jié)合鈉工藝管道的案例進行分析，確保設(shè)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(jié)點、管道特性、彎頭特性、三通特性、剛性元件確定、管材、節(jié)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(shù)據(jù)輸入，計算過程節(jié)點編制詳見圖1。

圖1 CAESAR II分析節(jié)點計算模型

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中要求進行開孔接管外載荷評定。

結(jié)合管道力學分析載荷、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)計算機計算結(jié)果，管道傳遞給設(shè)備的接管載荷滿足要求，可保證設(shè)備安全運行。

2 結(jié)語

目前公司承接了多個鈉回路、鉛鉍等高溫液態(tài)金屬項目建設(shè)任務(wù)，高溫液態(tài)金屬大口徑管道設(shè)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(shè)計的原則、力學分析計算、支吊架的選型、管道系統(tǒng)接管載荷分析等方面進行了詳細的闡述，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)計支撐，切實為公司在類似項目管道設(shè)計和安裝技術(shù)創(chuàng)新，提供智慧。