大口径高温钠管道布置设计研究

常海军

中国核工业二三建设有限公司 北京 101300

作为世界上第四代先进核能系统的推荐堆型之一,钠冷快堆具有许多固有安全特性：高的热导率、低压钠系统、钠对快堆材料腐蚀甚微，熔融燃料与钠无剧烈互相作用，钠辐照后不产生寿命放射性核素、有足够的运动粘度和热膨胀系数，易于设计非能动事故余热排出系统等。但钠作为介质也有自身的危险性，主要有：化学活泼性，钠与水、空气等可发生剧烈化学反应，同时会发生自燃；由于熔点高，管道、设备应考虑预热，钠也需要预热熔化，并应考虑避免冷冻堵塞；由于导热良好而比热和粘度小，结构材料及设备应考虑承受较大的热冲击。因此，如果当发生设备或管道的失效破裂等意外事故时，作为高温液态金属钠从管道向空气中泄露，与空气中的氧气反应就会引起钠火甚至是爆炸，后果严重。所以，通过对钠冷快堆高温管道进行合理布置设计，并进行结构分析验证，避免液态钠的泄露，提高电站运行安全性，是快堆技术发展的一项难题[1]。

钠冷快堆工艺管道所处环境具有高温低压的特点，在布置设计时除了参考以往常规管道设计规则外，重点要考虑如下两方面的因素：a.运行温度高，部分管道设计温度达到550℃，属于高温管道，需谨慎选取适宜的管道材料，且管道热胀应力较大；b.输送介质为金属钠，钠极易与其它物质反应，容易发生火灾等安全事故，且钠在温度低于98.3℃下会结晶为固体，造成管道堵塞及阀门不能关闭。这两个因素也是钠工艺管道设计的重难点问题。

本论文以某项目机械泵原型样机钠介质试验区的钠回路（以下简称某项目机械泵项目钠回路）为例，对大口径高温钠工艺管道布置设计进行研究分析，另对于某项目机械泵的接管载荷进行分析校核，确保项目安全可靠，同时，为后续高温管道、液态金属管道、大口径泵进出口管道对泵的影响提供技术参考。

1 管道布置设计

1.1 系统介绍

某项目机械泵项目用于XX项目主循环钠泵原型样机的综合性能钠环境试验验证，最为重要的一点需要验证泵性能曲线是否与水介质的性能一致。

某项目机械泵项目钠循环回路设计压力为1.2MPa、设计温度为550℃，主要设备有某项目主循环钠泵、钠缓冲罐、空冷器，液态钠通过钠充排和钠接收系统实现充钠、排钠和钠净化。

1.2 布置设计原则

1.2.1 管道布置原则

钠工艺管道的设计温度500℃，设计压力1.2Mpa,设计寿命10年。为实现钠管道的功能要求，进行钠系统管道设计时，除了遵循常规管道设计规则外，还必须遵守下列原则：

（1）钠设备与管道必须焊接连接，不可用螺纹连接，焊后焊缝处进行射线探伤；

（2）钠设备与管道不能采用铸件材料；

（3）对于高温管道的设计要慎重选取设计规范，严格执行标准，目前主要采用美标ASMEBPVC-III、ASMEB31.3，而国内主要遵守GB50316、GB/T20801.1-6等标准；

（4）由于钠管道的高温以及不锈钢材料的特性，要重点考虑热应力、热冲击和热膨胀问题，应在调试期间进行热位移监测，及时发现危险，避免事故；

（5）冷加工后应进行热处理以消除应力，以减少裂纹源在钠介质条件下连续或断续扩展的可能；

（6）自由钠液面上必须有高于大气压的高纯惰性气体保护，以避免水和氧气进入系统；

（7）系统设计应尽量使安装后可以排空残存的钠，管道应有2%-5%倾斜度；

（8）除了提供自由液面的设备，系统中其它的设备上不能有存气的死空间，并且在钠系统充钠时，设备和管道的残存气体，应当能顺利排出[2]；

（9）系统设计时，必须考虑在役检查的要求。

1.2.2 管道布置案例

某项目机械泵原型样机钠介质试验区设计项目的管道连接均采用焊接，管材采用304H，布置设计严格执行主要采用GB50316、GB/T20801.1-6等标准，项目所有管道将根据本文第3章提到的计算方法开展应力分析，确保管道受力合理，钠工艺系统管道采用氦气进行装料前的置换气，并作为气压平衡的保护气体对钠工艺系统进行保护。同时，钠工艺管道按照2%的坡度进行设计确保试压结束钠的收集，为增加管道柔性，设置了相应的管道自然补偿器（π型补偿器），为了全面的分析掌握大口径、高温、与设备连接的钠管道设计，特选取了连接有机械泵、空冷器的JNCB0BR001管道为例进行研究[3]。

1.3 钠管道力学分析

采用CAESARⅡ进行应力分析，结合钠工艺管道的案例进行分析，确保设计的合理性。管道管径为325mm，壁厚12mm，材料为304H，分析时考虑自重、温度、压力、地震待工况。

1.3.1 分析模型

采取CAESAR II开展力学分析，从输入节点、管道特性、弯头特性、三通特性、刚性元件确定、管材、节点约束、支架约束、端点位移、均布载荷、力与力矩等方面进行计算模型数据输入，计算过程节点编制详见图1。

图1 CAESAR II分析节点计算模型

1.3.2 设备接管载荷

钠泵接口接管载荷参照API610，空冷器的设备接管载荷参照API661,缓冲罐等容器的接管载荷参照SH/T3074-2018附录D中要求进行开孔接管外载荷评定。

结合管道力学分析载荷、设备制造厂可承受载荷，最终系统的管道与泵设备的接管载荷分析。

图2 泵接管载荷分析图

最终根据计算机计算结果，管道传递给设备的接管载荷满足要求，可保证设备安全运行。

2 结语

目前公司承接了多个钠回路、铅铋等高温液态金属项目建设任务，高温液态金属大口径管道设计的合理与否直接影响到公司承接项目的安全性、可靠性。

图3 空冷器接管载荷分析图

本文主要从钠工艺管道的选材原则、钠管道布置设计的原则、力学分析计算、支吊架的选型、管道系统接管载荷分析等方面进行了详细的阐述，不仅为后续开展高温、大口径、液态金属管道的设计提供技术积累，也为公司开展高温、大口径、液态金属管道的安装过程提供合理性优化分析设计支撑，切实为公司在类似项目管道设计和安装技术创新，提供智慧。