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        核電站用管道金屬保溫層熱性能研究

        2023-02-09 01:23:24施永兵
        機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 2023年1期
        關(guān)鍵詞:不銹鋼結(jié)構(gòu)

        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

        國外先進(jìn)壓水堆、沸水堆核電站的研究起步早,針對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,不銹鋼箔與不銹鋼箔之間的傳熱主要通過空氣的熱傳導(dǎo)、熱對流,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)的傳熱主要通過空氣的對流傳熱,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)長度,m;Lc—管道金屬保溫結(jié)構(gòu)特征長度,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。借助專業(yè)軟件Matlab編寫求解程序,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)對比可知,試驗(yàn)數(shù)據(jù)與解析數(shù)據(jù)的趨勢一致,誤差最大處8.83%??梢?,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)對管道金屬保溫結(jié)構(gòu)熱性能的影響。以下分析僅針對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Matlab程序求解。試驗(yàn)數(shù)據(jù)與解析數(shù)據(jù)的趨勢一致,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越小。

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