某核電站SWS系統(tǒng)管材代換可行性分析

劉靜

(國核工程有限公司，上海 200233)

摘要：在某AP1000核電站SWS系統(tǒng)布管設(shè)計已經(jīng)完成、水泵已經(jīng)采購的基礎(chǔ)上，通過對不同材質(zhì)金屬管道進行耐腐蝕性能分析、塑料管道耐壓能力分析和不同管材系統(tǒng)水力學(xué)分析，尋找較為經(jīng)濟實用的管道材料。探討了該核電站SWS系統(tǒng)管道材料代換的可行性，為AP1000 SWS系統(tǒng)的國產(chǎn)化設(shè)計與管道材料成本的降低提出了建議。

關(guān)鍵詞：海水腐蝕；AP1000；材料代換；雙相不銹鋼

收稿日期:2015-04-12

作者簡介：劉靜(1981—)，女，河北蔚縣人，工程師，研究方向：核電工藝系統(tǒng)、管道。

0引言

1某核電站AP1000廠用水系統(tǒng)簡介

1.1AP1000廠用水系統(tǒng)

AP1000廠用水系統(tǒng)(SWS)將設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的傳輸熱量帶出，雖然是非安全相關(guān)系統(tǒng)，卻具有重要的縱深防御和投資保護功能。

1.2SWS系統(tǒng)管道材質(zhì)特點

SWS系統(tǒng)采用AL-6XN超級奧氏體不銹鋼和PE4710 HDPE管道。AL-6XN雖然具有良好的抗腐蝕性能，但其高昂的價格大大增加了電站的初次投資費用，故采用其他價格相對較低的抗腐蝕性管材來替代具有研究意義和實際經(jīng)濟價值。本文基于不同材質(zhì)管道性能及SWS系統(tǒng)的自身特點，對不銹鋼、碳鋼襯水泥砂漿、碳鋼襯塑和HDPE管代換AL-6XN的可行性進行分析。

2可替代管材的選擇

2.1不銹鋼管道材質(zhì)的確定

不銹鋼在海水中的腐蝕存在全面腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕以及晶間腐蝕等5種形態(tài)。

井點管的埋設(shè)宜用套管沖槍或鉆機成孔，孔深=井點管長+濾管長+0.5m，成孔孔徑應(yīng)達到0.3～0.35m，管壁與井點管之間有一定的間隙，以便于填充砂石過濾層，濾網(wǎng)厚度應(yīng)選用60mm和100mm兩層，以防止孔壁坍塌。

(1) 全面腐蝕、應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕。由于不銹鋼在海水中的全面腐蝕速率很低，在設(shè)計時只要進行妥善考慮一般可以忽略。雙相不銹鋼相對普通奧氏體不銹鋼具備良好的抗應(yīng)力腐蝕和晶間腐蝕能力。

(2) 縫隙腐蝕。幾乎所有金屬與合金都會發(fā)生縫隙腐蝕，腐蝕的位置通常位于縫隙和其他隱蔽的區(qū)域?？赏ㄟ^破壞縫隙腐蝕產(chǎn)生的條件來阻止這種情況的發(fā)生。

(3) 點腐蝕。點腐蝕是海水介質(zhì)中主要存在的腐蝕狀態(tài)，由于海水中存在大量Cl-，會大大加強不銹鋼電化學(xué)腐蝕程度。不銹鋼的耐點蝕能力可以用耐點蝕當量(PREN)預(yù)測：PREN=[Cr%]+3.3[Mo%]+16[N%]。通常認為，當PREN大于40時，不銹鋼的抗點蝕、縫隙腐蝕的能力很強，一般可用于海水環(huán)境。除AL-6XN外，254SMo、SAF2507的耐點蝕當量值均高于40。但由于254SMo與AL-6XN相比并無價格優(yōu)勢，本文擬將SAF2507作為AL-6XN的備選替代管材。

2.2HDPE替代AL-6XN的可行性分析

HDPE塑料相比金屬管道具有材料更輕、絕對耐腐蝕、水力更光滑的優(yōu)點，但由于溫度升高時HDPE管的壓力等級會相應(yīng)下降，HDPE在使用過程中應(yīng)特別關(guān)注溫度對其強度的影響。SWS系統(tǒng)采用DR9的HDPE管道，溫度為22.8 ℃時，管道的壓力等級P=1.72 MPa。而在CCS熱交換器之后溫度升高，最高值為51.7 ℃，管道的壓力等級P=1.06 MPa。

SWS系統(tǒng)最大水頭：

Hmax=Hs+Hh-Hl

式中，Hmax為系統(tǒng)最大水頭；Hs為泵的關(guān)閉揚程；Hh為泵出口與管路最低點位差；Hl為泵的最小吸入高度。

CCS熱交換器后管路最低點標高為8.32 m，泵的最小吸入高度為-11.9 m，由泵的特性曲線可知，Hs為89 m，故可知：Hmax=92.58 m，Pmax=ρgHmax=0.93 MPa。

安全裕量：

CCS熱交換器后安全裕量僅為許用壓力的12.3%，低于HDPE廠家的建議值25%。所以選用DR9的HDPE管來代換AL-6XN并不足夠安全，在本次代換中不予考慮。

2.3碳鋼加內(nèi)襯管道代換可行性

鑒于碳鋼襯水泥砂漿管道及碳鋼襯塑管道在國內(nèi)其他核電站海水冷卻系統(tǒng)的大量應(yīng)用業(yè)績，本文也把這兩種管材作為備選材料。

2.4不同管材系統(tǒng)水力學(xué)分析

本文分別對20″2507不銹鋼管、20″碳鋼襯水泥砂漿管、22″碳鋼襯水泥砂漿管、20″碳鋼襯塑管的流阻進行計算，繪制管道特性曲線，分析所選管道與泵的匹配性。由圖1可知，采用20″2507雙相不銹鋼管、20″碳鋼襯塑管或22″碳鋼襯水泥砂漿管時，SWS水泵的工作點幾乎重合。泵的流量為2 800 m3/h，略高于SWS設(shè)計流量2 680 m3/h。若采用20″碳鋼襯水泥砂漿管，水泵的流量為2 500 m3/h，不滿足SWS系統(tǒng)設(shè)計要求。

圖1　SWS水泵與管道特性曲線

2.5不同管材經(jīng)濟性對比

該核電站SWS系統(tǒng)一期兩臺機組，所用AL-6XN管長約580 m。根據(jù)市場調(diào)研價格，采用2507不銹鋼相對AL-6XN可節(jié)約50%的管道成本，采用碳鋼襯水泥砂漿管和碳鋼襯塑管則分別節(jié)約94.3%和91.4%。

2.6其他因素分析

2507雙相不銹鋼管道作為金屬管，焊接工藝成熟，施工方便，有利于控制施工質(zhì)量。襯膠管道最后調(diào)整段的襯塑必須在現(xiàn)場外的加工廠進行，對施工進度有較大影響。

碳鋼襯塑管道和碳鋼襯水泥砂漿管道的使用壽命一般僅10余年，在機械沖擊嚴重的地方，如閥門出口、管道轉(zhuǎn)彎處發(fā)生內(nèi)襯破損的幾率會更大一些。碳鋼襯水泥砂漿管道的加工、安裝、保養(yǎng)以及接口處理等各方面都必須非常小心，需要嚴格控制各步驟的程序才能確保砂漿襯里管道的質(zhì)量。另外，采用22″碳鋼襯水泥砂漿管由于管徑的變化需要對管道支架進行重新設(shè)計，同時還需考慮由此引起與周邊物項的碰撞問題。

3結(jié)語

結(jié)合本工程特點，20″2507雙相不銹鋼管和20″碳鋼襯塑管均可用于代換AL-6XN管道，但對于2507雙相不銹鋼管道和碳鋼襯塑管道的選取需進行復(fù)雜的全壽命周期分析，碳鋼襯塑管道發(fā)生腐蝕的嚴重程度和頻率以及維修的難易程度等多種因素的不確定性都會加大該分析的不準確性。綜合考慮AP1000核電60年使用壽命和高可靠性的要求，本文認為采用2507雙相不銹鋼代換AL-6XN更為合適。

[參考文獻]

[1]劉飛華，任愛，楊帆，等.核電站海水冷卻系統(tǒng)的腐蝕與防腐蝕設(shè)計[J].腐蝕與防護，2007(6).

[2]林紅先，樊玉光，熊惠，等.22Cr雙相不銹鋼與304L、316L鋼在氯化物溶液中耐應(yīng)力腐蝕性能的比較[J].腐蝕與防護，2009(6).

[3]Jean Pierre Audouard，Verneau M.Highly Alloyed Stainless Steels for Sea Water Applications[J].CORROSION，1996(3).

[4]AP1000廠用水(SWS)系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范書[Z].

[5]Handbook of Polyethylene(PE)Pipe，Plastic Pipe Institute[Z].