鈉冷快堆革新型蒸汽發(fā)生器和關(guān)鍵技術(shù)綜述 轉(zhuǎn)載于漢斯學(xué)術(shù)交流平臺，如有侵權(quán)，請聯(lián)系我們

鈉冷快堆革新型蒸汽發(fā)生器和關(guān)鍵技術(shù)綜述 內(nèi)容總結(jié)：

內(nèi)容：

1. 引言

鈉冷快堆是第四代堆型中工程經(jīng)驗最豐富、最為接近商用的核電技術(shù)，蒸汽發(fā)生器是鈉冷快堆電站中最為關(guān)鍵的設(shè)備，也是最容易出現(xiàn)安全問題的設(shè)備之一，由于蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、服役條件惡劣，安全性和可靠性的問題一直未得到徹底解決

為了提高蒸汽發(fā)生器的安全性和可靠性，革新型蒸汽發(fā)生器是目前鈉冷快堆技術(shù)研究的熱點之一，第四代核電論壇(GIF)鈉冷快堆部件設(shè)計及電廠輔助設(shè)施項目管理委員會(GIF-SFR-CD&BOP)也專門設(shè)置了新型蒸汽發(fā)生器研究的工作組重點研討鈉冷快堆革新型蒸汽發(fā)生器最新研究成果 [1]

鈉冷快堆技術(shù)發(fā)展較快的國家，如俄羅斯、日本、法國、印度等，在傳統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上提出了多種革新型方案，并從性能更好的主材、新型結(jié)構(gòu)的管板和傳熱管、對接焊接的管接頭連接工藝等方面開展了相關(guān)的理論和工藝研究

本文論述了目前革新型蒸汽發(fā)生器的技術(shù)方案及發(fā)展方向，并給出了需關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)

2. 鈉冷快堆傳統(tǒng)蒸汽發(fā)生器局限目前已經(jīng)建成的鈉冷快堆中蒸汽發(fā)生器多采用模塊式或螺旋管式結(jié)構(gòu)，主體材料前期采用奧氏體不銹鋼，后期改為2.25Cr-1Mo

模塊式蒸汽發(fā)生器在俄羅斯BN600和BN800、印度的PFBR、我國CFR600中得到采用，其主要特點是蒸汽發(fā)生器有多個模塊組成，每個模塊的結(jié)構(gòu)尺寸和傳熱功率完全相同

由于結(jié)構(gòu)尺寸小，模塊式方案大大降低了制造的難度，運輸、安裝、在役檢查和維修均較為方便，即使某個模塊出現(xiàn)故障隔離后反應(yīng)堆仍可正常運行

該方案的主要缺陷是，由于模塊數(shù)量較多，蒸汽發(fā)生器的比材料消耗大，并且要用到大量高溫管道

管道專業(yè)出現(xiàn)易溫度補償計算困難和在蒸汽發(fā)生器有限廠房空間中的布置困難的情況

同時，由于總傳熱管數(shù)目比較龐大，也大大增加了泄漏的可能性

螺旋管式蒸汽發(fā)生器在法國鳳凰堆、超鳳凰堆中得到采用，其主要特點是傳熱管呈蛇形盤管狀，具有彈簧作用，沒有熱應(yīng)力造成的破壞漏失；由于螺旋管中的滯流傳熱系數(shù)大于直管，且管內(nèi)外的流體流動可認為是逆流流動，螺旋管式蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)緊湊，單臺熱功率大

相比模塊式蒸汽發(fā)生器，螺旋管式蒸汽發(fā)生器經(jīng)濟性相對較好，但其主要缺陷是當(dāng)傳熱管與入口管和出口管連接處產(chǎn)生漏失時，修理困難

3. 革新型蒸汽發(fā)生器改進方向3.1. 結(jié)構(gòu)及工藝方面的改進下

圖1是俄羅斯提出了環(huán)形管板式方案，該方案的蒸汽發(fā)生器由帶波紋膨脹節(jié)的殼體、豎直布置的傳熱管、環(huán)形管板及壓力腔室、二回路補償器及冷卻劑管線組成 [2]，最突出的特點是管板采用內(nèi)空的環(huán)形平板，內(nèi)空空間設(shè)置了二回路補償器用于補償二回路液態(tài)鈉體積的變化及穩(wěn)定鈉泵入口處流體流動

上述方案的提出，是因為俄羅斯認為蒸汽發(fā)生器的單臺功率提高增大了殼體尺寸和管板厚度，以某熱功率為700 MW的蒸汽發(fā)生器為例，在換熱管長度為17 m、管間距為32 mm的設(shè)計方案情況下，傳統(tǒng)的圓形管板厚度為785 mm，制造這樣厚度的管板很復(fù)雜，在瞬態(tài)工況下也可能產(chǎn)生很高的溫度應(yīng)力，而環(huán)形管板方案的厚度僅需170 mm，現(xiàn)有的工業(yè)水平完全可以實現(xiàn)



Figure 1. Annular tube-sheet steam generator

圖1. 環(huán)形管板式蒸汽發(fā)生器下

圖2是日本提出的雙璧管–曲面管板式方案，該方案的蒸汽發(fā)生器由帶波紋膨脹節(jié)的殼體、雙璧設(shè)計的傳熱管、曲面型管板、壓力腔室等組成 [3]

該方案最突出的特點是傳熱管由內(nèi)外兩層緊貼在一起且熱膨脹系數(shù)不同金屬材料組成，在夾層內(nèi)填充氦氣以在線監(jiān)測傳熱管可能出現(xiàn)的泄漏，以及將傳統(tǒng)的圓



Figure 2. Double wall tube curved tube sheet steam generator

圖2. 雙璧管–曲面管板式蒸汽發(fā)生器平板式管板改進為曲面型管板

上述方案的提出，是因為日本認為傳統(tǒng)的單壁管不能完全杜絕鈉水反應(yīng)的發(fā)生，采用雙璧管的方案后即使傳熱管的內(nèi)層出現(xiàn)穿透性裂紋，裂紋的擴展也不會延續(xù)到外層金屬，且在線監(jiān)測系統(tǒng)可及時發(fā)現(xiàn)可能的泄漏

至于采用曲面型管板是因為單臺蒸汽發(fā)生器(熱功率750 MW)傳熱管數(shù)量多，管板承受的應(yīng)力較高，曲線型管板可以大大降低溫度應(yīng)力從而降低管板厚度

下

圖3是印度提出的彎管–內(nèi)孔焊式方案，該方案的蒸汽發(fā)生器由不帶波紋膨脹節(jié)且不等徑的殼體、局部彎曲的傳熱管、球形壓力腔室等組成 [4]

該方案最突出的特點是傳熱管在局部區(qū)域設(shè)置彎曲段，以及傳熱管與管板連接接頭由傳統(tǒng)的焊脹結(jié)合工藝改進為內(nèi)孔焊工藝

上述方案的提出，是因為印度認為傳熱管之間熱膨脹差帶來的溫差應(yīng)力是制約蒸汽發(fā)生器管板厚度的主要因素，局部彎管的方案可以大大降低管接頭承受的應(yīng)力，再加上采用對接接頭的內(nèi)孔焊可以大大提高蒸汽發(fā)生器管接頭的可靠性



Figure 3. Elbow bore welding steam generator

圖3. 彎管–內(nèi)孔焊式蒸汽發(fā)生器上述各方案總體上延續(xù)了傳統(tǒng)的鈉冷快堆直流式蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)方案和工藝，主要特點是在關(guān)鍵部位進行了改進和創(chuàng)新

作為革新型蒸汽發(fā)生器研究的一部分，韓國、法國、日本的國家也分別提出各自的一體式方案

一體化方案的特點是將中間熱交換器、二回路鈉泵、蒸汽發(fā)生器均整合到一個設(shè)備中，通過中間介質(zhì)如鉛鉍合金的中間傳遞作用將熱量由中間熱交換器傳遞到蒸汽發(fā)生器，由此大大節(jié)省了中間回路所需的管線、閥門、輔助系統(tǒng)及布置空間

然而一體化方案的主要不足是設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸過大，給加工制造、檢修、在役檢查帶來的難度過高，目前還處于可行性理論研究階段

3.2. 材料方面的改進由于與液態(tài)鈉具有較好的相容性，早期的蒸汽發(fā)生器主材多選擇奧氏體不銹鋼，如304等

實際運行經(jīng)驗表明，蒸汽發(fā)生器水側(cè)的應(yīng)力腐蝕會對不銹鋼產(chǎn)生較大的影響，如俄羅斯BN600的蒸汽發(fā)生器曾多次出現(xiàn)鈉水反應(yīng)事故

目前鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器的主要材料多選用鐵素體鋼2.25Cr-1Mo，如俄羅斯的BN600和BN800，我國的CEFR和CFR600

從鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器技術(shù)發(fā)展來看，改進型9Cr-1Mo，甚至高溫抗蠕變性能、抗氧化性能、抗腐蝕性能更好的12Cr目前得到廣泛關(guān)注，并已經(jīng)在印度、法國、日本及俄羅斯等國開展相關(guān)研發(fā)工作

下

圖4給出給出了水側(cè)流體對2.25Cr-1Mo和9Cr-1Mo氧化能力的對比曲線，下

圖5給出了2.25Cr-1Mo和9Cr-1Mo在流動鈉液中腐蝕速率對比曲線 [5]，可以看出9Cr-1Mo抗水蒸氣氧化腐蝕能力和抗流動鈉液腐蝕能力明顯高于2.25Cr-1Mo



Figure 4. Comparison of the oxidation weight gain rate of wheat between 2.25Cr-1Moand 9Cr-1Mo

圖4. 2.25Cr-1Mo與9Cr-1Mo的氧化增重率對比



Figure 5. Comparison of corrosion rate in flowing sodium solution between 2.25Cr-1Moand 9Cr-1Mo

圖5. 2.25Cr-1Mo與9Cr-1Mo在流動鈉液中的腐蝕速率對比在450℃~500℃內(nèi)，9Cr-1Mo的蠕變斷裂強度比2.25Cr-1Mo高33%至50%，故相同工況下傳熱管采用9Cr-1Mo的管壁更薄

由于增加了傳熱效率，可以減少傳熱管長度提高經(jīng)濟性，更為關(guān)鍵的是傳熱管長度縮短可以降低管接頭承受的溫差應(yīng)力，提高蒸汽發(fā)生器的可靠性

3.3. 革新型方案的差異性及適用條件對比鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器各種革新型方案可以發(fā)現(xiàn)，傳熱管更長、結(jié)構(gòu)尺寸更大、性能更好的主材、新型結(jié)構(gòu)的管板和傳熱管、采用對接焊接的管接頭連接方案等傳統(tǒng)蒸汽發(fā)生器改進的主要趨勢，在其他方面總體上采用了現(xiàn)有的方案，即最大程度的使用已經(jīng)建成了蒸汽發(fā)生器研發(fā)和運行的有益經(jīng)驗

從提高安全性的角度，蒸汽發(fā)生器的管板和傳熱管連接接頭是薄弱環(huán)節(jié)

運行工況的變化導(dǎo)致熱應(yīng)力急劇增加、焊縫初始質(zhì)量存在問題都是在各國蒸汽發(fā)生器運行時發(fā)現(xiàn)的主要問題

從提高經(jīng)濟性的角度，增加蒸汽發(fā)生器的傳熱管數(shù)量和長度從最為可行的方案，但也會由此導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器管板及管接頭承受的更高應(yīng)力

盡管革新型方案在很大程度上提高了經(jīng)濟性和安全性，但由于安全性和經(jīng)濟性在工程上追求的目標永遠是矛盾的統(tǒng)一，最終的方案還應(yīng)結(jié)合各國現(xiàn)有的技術(shù)儲備及工業(yè)工藝水平最終確定

4. 革新型蒸汽發(fā)生器關(guān)鍵技術(shù)蒸汽發(fā)生器運行溫度為500℃左右，水汽側(cè)工作壓力達14~16 MPa，傳熱管處于鈉/水介質(zhì)熱交換邊界，兩相流傳熱惡化段的溫度脈動、流動不穩(wěn)定性、冷卻劑的侵蝕、腐蝕，管束和支撐間的振動、磨損、瞬變應(yīng)力、熱沖擊和熱疲勞均易導(dǎo)致傳熱管缺陷擴展形成穿透性缺陷，進而導(dǎo)致水或蒸汽向鈉中泄漏引起鈉水反應(yīng)

上述問題是傳統(tǒng)的蒸汽發(fā)生器和各種革新型蒸汽發(fā)生器都需解決的

在設(shè)計方面，由于革新型蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)尺寸和管束數(shù)量大幅度增加，設(shè)備內(nèi)部的流動將更為復(fù)雜，為了滿足水汽側(cè)流量最大限值(2000 kg/m2 s)、基于沖蝕考慮的蒸汽流速限值(60 m/s)、基于降低水側(cè)腐蝕的最大熱流密度限值(725 kW/m2)，同時還要避免蒸汽發(fā)生器所有的運行工況下出現(xiàn)流動不穩(wěn)定性、過大的管束溫差應(yīng)力，需要開展耦合兩相傳熱和流動的三維精細化溫度場分析及必要的試驗驗證工作

在制造工藝方面，除了開展性能更好的材料進行實驗室評定和工程化試制外，還需重點研究的關(guān)鍵工藝包括新型管板與壓力腔室一體化鍛造技術(shù)、需通過疲勞及蠕變性能試驗驗證的高穩(wěn)定性內(nèi)孔焊技術(shù)、雙璧或局部彎曲的傳熱管成型技術(shù)等

此外，由于革新型蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)尺寸的增加，蒸汽發(fā)生器部分關(guān)鍵部件也需重新開展工藝研究，如一體化波紋管膨脹節(jié)成型技術(shù)等

5. 結(jié)論

開展革新型蒸汽發(fā)生器研究是提高鈉冷快堆經(jīng)濟性和安全性的必要之路，鈉冷技術(shù)發(fā)展較快的國家已經(jīng)提出了多種方案并開展了深入的研究

通過對已有方案的研究，本文認為：1) 革新型蒸汽發(fā)生器應(yīng)最大程度的延續(xù)已開展的蒸汽發(fā)生器研發(fā)和運行的有益經(jīng)驗

2) 傳熱管更長、結(jié)構(gòu)尺寸更大、性能更好的主材、新型結(jié)構(gòu)的管板和傳熱管、對接焊接的管接頭連接方案等是蒸汽發(fā)生器改進的主要方向

3) 耦合兩相傳熱和流動的三維精細化溫度場分析、關(guān)鍵部件的制造工藝是革新型蒸汽發(fā)生器需重點關(guān)注的研究內(nèi)容

參考文獻

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摘要: 蒸汽發(fā)生器是鈉冷快堆電站中最為關(guān)鍵的設(shè)備，也是最容易出現(xiàn)安全問題的設(shè)備之一。為了提高蒸汽發(fā)生器的安全性和經(jīng)濟性，鈉冷快堆技術(shù)發(fā)展較快的國家在傳統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上提出了多種革新型方案。本文對各種革新型方案進行了研究，論述了各方案的主要特點，總結(jié)了改進的主要方向和發(fā)展趨勢，并給出了革新型蒸汽發(fā)生器需解決的關(guān)鍵技術(shù)。本文的結(jié)果可為鈉冷快堆未來革新型蒸汽發(fā)生器研究提供幫助和指導(dǎo)。

標簽：鈉冷快堆,革新型蒸汽發(fā)生器,研究綜述,Sodium

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