某核电站SWS系统管材代换可行性分析

某核电站SWS系统管材代换可行性分析

刘静

(国核工程有限公司，上海 200233)

摘要：在某AP1000核电站SWS系统布管设计已经完成、水泵已经采购的基础上，通过对不同材质金属管道进行耐腐蚀性能分析、塑料管道耐压能力分析和不同管材系统水力学分析，寻找较为经济实用的管道材料。探讨了该核电站SWS系统管道材料代换的可行性，为AP1000 SWS系统的国产化设计与管道材料成本的降低提出了建议。

关键词：海水腐蚀；AP1000；材料代换；双相不锈钢

收稿日期:2015-04-12

作者简介：刘静(1981—)，女，河北蔚县人，工程师，研究方向：核电工艺系统、管道。

0引言

1某核电站AP1000厂用水系统简介

1.1AP1000厂用水系统

AP1000厂用水系统(SWS)将设备冷却水系统的传输热量带出，虽然是非安全相关系统，却具有重要的纵深防御和投资保护功能。

1.2SWS系统管道材质特点

SWS系统采用AL-6XN超级奥氏体不锈钢和PE4710 HDPE管道。AL-6XN虽然具有良好的抗腐蚀性能，但其高昂的价格大大增加了电站的初次投资费用，故采用其他价格相对较低的抗腐蚀性管材来替代具有研究意义和实际经济价值。本文基于不同材质管道性能及SWS系统的自身特点，对不锈钢、碳钢衬水泥砂浆、碳钢衬塑和HDPE管代换AL-6XN的可行性进行分析。

2可替代管材的选择

2.1不锈钢管道材质的确定

不锈钢在海水中的腐蚀存在全面腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀以及晶间腐蚀等5种形态。

井点管的埋设宜用套管冲枪或钻机成孔，孔深=井点管长+滤管长+0.5m，成孔孔径应达到0.3～0.35m，管壁与井点管之间有一定的间隙，以便于填充砂石过滤层，滤网厚度应选用60mm和100mm两层，以防止孔壁坍塌。

(1) 全面腐蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀。由于不锈钢在海水中的全面腐蚀速率很低，在设计时只要进行妥善考虑一般可以忽略。双相不锈钢相对普通奥氏体不锈钢具备良好的抗应力腐蚀和晶间腐蚀能力。

(2) 缝隙腐蚀。几乎所有金属与合金都会发生缝隙腐蚀，腐蚀的位置通常位于缝隙和其他隐蔽的区域。可通过破坏缝隙腐蚀产生的条件来阻止这种情况的发生。

(3) 点腐蚀。点腐蚀是海水介质中主要存在的腐蚀状态，由于海水中存在大量Cl-，会大大加强不锈钢电化学腐蚀程度。不锈钢的耐点蚀能力可以用耐点蚀当量(PREN)预测：PREN=[Cr%]+3.3[Mo%]+16[N%]。通常认为，当PREN大于40时，不锈钢的抗点蚀、缝隙腐蚀的能力很强，一般可用于海水环境。除AL-6XN外，254SMo、SAF2507的耐点蚀当量值均高于40。但由于254SMo与AL-6XN相比并无价格优势，本文拟将SAF2507作为AL-6XN的备选替代管材。

2.2HDPE替代AL-6XN的可行性分析

HDPE塑料相比金属管道具有材料更轻、绝对耐腐蚀、水力更光滑的优点，但由于温度升高时HDPE管的压力等级会相应下降，HDPE在使用过程中应特别关注温度对其强度的影响。SWS系统采用DR9的HDPE管道，温度为22.8 ℃时，管道的压力等级P=1.72 MPa。而在CCS热交换器之后温度升高，最高值为51.7 ℃，管道的压力等级P=1.06 MPa。

SWS系统最大水头：

Hmax=Hs+Hh-Hl

式中，Hmax为系统最大水头；Hs为泵的关闭扬程；Hh为泵出口与管路最低点位差；Hl为泵的最小吸入高度。

CCS热交换器后管路最低点标高为8.32 m，泵的最小吸入高度为-11.9 m，由泵的特性曲线可知，Hs为89 m，故可知：Hmax=92.58 m，Pmax=ρgHmax=0.93 MPa。

安全裕量：

CCS热交换器后安全裕量仅为许用压力的12.3%，低于HDPE厂家的建议值25%。所以选用DR9的HDPE管来代换AL-6XN并不足够安全，在本次代换中不予考虑。

2.3碳钢加内衬管道代换可行性

鉴于碳钢衬水泥砂浆管道及碳钢衬塑管道在国内其他核电站海水冷却系统的大量应用业绩，本文也把这两种管材作为备选材料。

2.4不同管材系统水力学分析

本文分别对20″2507不锈钢管、20″碳钢衬水泥砂浆管、22″碳钢衬水泥砂浆管、20″碳钢衬塑管的流阻进行计算，绘制管道特性曲线，分析所选管道与泵的匹配性。由图1可知，采用20″2507双相不锈钢管、20″碳钢衬塑管或22″碳钢衬水泥砂浆管时，SWS水泵的工作点几乎重合。泵的流量为2 800 m3/h，略高于SWS设计流量2 680 m3/h。若采用20″碳钢衬水泥砂浆管，水泵的流量为2 500 m3/h，不满足SWS系统设计要求。

图1　SWS水泵与管道特性曲线

2.5不同管材经济性对比

该核电站SWS系统一期两台机组，所用AL-6XN管长约580 m。根据市场调研价格，采用2507不锈钢相对AL-6XN可节约50%的管道成本，采用碳钢衬水泥砂浆管和碳钢衬塑管则分别节约94.3%和91.4%。

2.6其他因素分析

2507双相不锈钢管道作为金属管，焊接工艺成熟，施工方便，有利于控制施工质量。衬胶管道最后调整段的衬塑必须在现场外的加工厂进行，对施工进度有较大影响。

碳钢衬塑管道和碳钢衬水泥砂浆管道的使用寿命一般仅10余年，在机械冲击严重的地方，如阀门出口、管道转弯处发生内衬破损的几率会更大一些。碳钢衬水泥砂浆管道的加工、安装、保养以及接口处理等各方面都必须非常小心，需要严格控制各步骤的程序才能确保砂浆衬里管道的质量。另外，采用22″碳钢衬水泥砂浆管由于管径的变化需要对管道支架进行重新设计，同时还需考虑由此引起与周边物项的碰撞问题。

3结语

结合本工程特点，20″2507双相不锈钢管和20″碳钢衬塑管均可用于代换AL-6XN管道，但对于2507双相不锈钢管道和碳钢衬塑管道的选取需进行复杂的全寿命周期分析，碳钢衬塑管道发生腐蚀的严重程度和频率以及维修的难易程度等多种因素的不确定性都会加大该分析的不准确性。综合考虑AP1000核电60年使用寿命和高可靠性的要求，本文认为采用2507双相不锈钢代换AL-6XN更为合适。

[参考文献]

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