金屬反射型保溫結(jié)構(gòu)在核電的應(yīng)用

南小飛 劉悅強(qiáng)

(山東核電有限公司，山東 煙臺(tái) 265116)

金屬反射型保溫結(jié)構(gòu)在核電的應(yīng)用

南小飛 劉悅強(qiáng)

(山東核電有限公司，山東 煙臺(tái) 265116)

簡(jiǎn)述了國(guó)內(nèi)核電廠核島常用保溫材料的特點(diǎn)需求，介紹了傳統(tǒng)保溫和金屬反射型保溫形式，著重描述了金屬反射型保溫的結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。

金屬反射型保溫；核島；優(yōu)勢(shì)；應(yīng)用

0 引言

“十一五”期間，我國(guó)提出了“節(jié)能減排”的要求，以提高能源效率、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、適應(yīng)社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制，從而達(dá)到能源與經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。保溫，作為節(jié)能減排的重要措施之一，在國(guó)內(nèi)電廠發(fā)展的數(shù)十年間，其材料和工藝都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。而金屬反射型保溫作為一種新型的保溫形式，由于其固有的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在核電廠的應(yīng)用更是取得了迅速的發(fā)展。

1 核電廠核島保溫材料的特點(diǎn)

目前，在火電、化工、冶金、機(jī)械制造等行業(yè)實(shí)際應(yīng)用的保溫材料多以巖棉、膨脹珍珠巖、微孔硅酸鈣、玻璃纖維、硅酸鋁等非金屬材料為主。隨著我國(guó)大力推進(jìn)核電建設(shè)，核電廠的保溫問(wèn)題也逐漸突顯出來(lái)。同常規(guī)電廠比較，核電廠核島內(nèi)采用的保溫材料應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

(1) 耐輻照性。由于核電站獨(dú)特的輻照環(huán)境，要求保溫材料應(yīng)具有較好的耐輻照性。常規(guī)的非金屬保溫材料在經(jīng)受一定劑量的輻照后，強(qiáng)度降低，易脆化，形成粉末或結(jié)塊收縮，導(dǎo)致部分保溫層形成“空殼”，使得保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)增加，保溫性能大大降低。

(2) 相容性。核島內(nèi)的設(shè)備和管道基本均為奧氏體不銹鋼材質(zhì)，因此保溫材料的鹵素含量應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T17393—2008《覆蓋奧氏體不銹鋼用絕熱材料規(guī)范》的要求，以免對(duì)設(shè)備或管道造成腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 快速拆裝性。由于核島內(nèi)的輻射劑量較高，為了保護(hù)檢維修人員的身體健康，盡量減少人員所受輻射劑量，核島內(nèi)的保溫材料應(yīng)盡量采用可快速拆裝的結(jié)構(gòu)，以縮短拆裝所需工時(shí)，從而減少人員受輻射劑量。

(4) 重復(fù)利用性。常規(guī)保溫材料和傳統(tǒng)保溫施工方法(捆扎、涂抹、粉刷等)的特點(diǎn)導(dǎo)致在核島內(nèi)拆除的保溫材料易被破壞，重復(fù)利用性能相對(duì)較差，易產(chǎn)生粉塵，且具有放射性，難以去污，因此加大了核電廠放射性廢物的處置成本，同時(shí)增加了檢維修人員受輻照的風(fēng)險(xiǎn)。

AP1000機(jī)組核島內(nèi)的設(shè)備和管道保溫基本全部采用金屬反射型保溫層，能有效降低壓力容器、蒸發(fā)器、泵、管道等一回路設(shè)備的散熱損失。

2 現(xiàn)行核島保溫的結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn)

2.1 捆扎式保溫

捆扎式保溫是保溫領(lǐng)域應(yīng)用最廣的方式。目前多應(yīng)用于火電、核電常規(guī)島等區(qū)域，在核島內(nèi)也有少量應(yīng)用。該保溫方式將保溫材料(硅酸鋁棉、玻璃棉、硅酸鹽等)包覆在保溫對(duì)象外表面，并使用鋼絲捆扎固定；之后使用鋼板或鋁板制成外護(hù)板，敷設(shè)在保溫材料外部作為外護(hù)。

捆扎式保溫的優(yōu)點(diǎn)在于成本低，施工工藝較簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)在于更換周期短、現(xiàn)場(chǎng)施工周期較長(zhǎng)、保溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差(常出現(xiàn)電廠尚未投產(chǎn)，大量管線的外護(hù)已被踩扁的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響保溫性能和美觀度)、保溫材料更換時(shí)粉塵大且具有放射性、對(duì)人員的傷害嚴(yán)重、更換下來(lái)的材料不可重復(fù)使用，提高了電廠的廢物處置成本。

2.2 金屬雙壁式保溫

金屬雙壁式保溫的結(jié)構(gòu)為不銹鋼板制成保溫殼體，內(nèi)部填充常規(guī)非金屬保溫材料。該保溫方式目前大量使用在已投產(chǎn)的核電廠核島設(shè)備和管線上。

金屬雙壁式保溫的優(yōu)點(diǎn)在于拆裝方便、不易產(chǎn)生粉塵，因此，放射性廢物對(duì)人員的傷害相對(duì)較小。缺點(diǎn)在于長(zhǎng)時(shí)間使用后內(nèi)部保溫材料會(huì)出現(xiàn)粉化、收縮現(xiàn)象，影響保溫效果。

日本福島事故之后，國(guó)家核安全局對(duì)國(guó)內(nèi)在役核電廠的安全設(shè)施進(jìn)行了檢查。其中地坑濾網(wǎng)事故下的堵塞風(fēng)險(xiǎn)受到了業(yè)內(nèi)各方的關(guān)注，而保溫材料作為堵塞的重要源項(xiàng)自然也受到了極高的重視。目前大量采用的金屬雙壁式保溫在事故下不能規(guī)避大量保溫棉絮的產(chǎn)生，從而增大了地坑濾網(wǎng)堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 金屬反射型保溫

1955年，英國(guó)首先在熱力工程上使用金屬反射型保溫。20世紀(jì)60年代初，前蘇聯(lián)在600～800 ℃的燃?xì)廨啓C(jī)上使用多層的金屬反射型保溫結(jié)構(gòu)，采用0.15～0.2 mm厚的1Cr18Ni9Ti不銹鋼箔制成多層的熱屏，熱屏間隙為1.5 mm，屏間有點(diǎn)接觸的針式、三角形、波紋形的反射襯片。后來(lái)，經(jīng)過(guò)從業(yè)人員多年的努力發(fā)展，金屬反射型保溫取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，保溫性能和結(jié)構(gòu)形式有了很大的提升。

2.3.1 結(jié)構(gòu)與保溫原理

金屬反射型保溫結(jié)構(gòu)是由多層壓制成一定形狀的厚度在0.05～0.1 mm的不銹鋼箔片重疊、具備氣隙結(jié)構(gòu)、放置在不銹鋼板材制成的殼體內(nèi)組合而成的一種保溫結(jié)構(gòu)，如圖1所示。反射型保溫在結(jié)構(gòu)上主要由內(nèi)板(高溫側(cè))、外板(低溫側(cè))、端板、側(cè)板、金屬箔片及快速搭扣、把手等附件組成，如圖2所示。金屬反射型保溫根據(jù)金屬箔片的形式大致分為3種基本形式：

(1) 壓紋箔式，是在金屬外板之間重疊多層壓成波紋的金屬箔組成；

(2) 平行板式，是在金屬外板之間把平板形的金屬箔等間距排列，層與層之間用導(dǎo)熱系數(shù)小的多條隔熱條(2～3 mm)把金屬箔分隔開(kāi)而組成的；

(3) 凸起式，是在金屬外板之間重疊多層壓制成突起樣式的金屬箔組成。保溫塊之間使用快速搭扣連接以便現(xiàn)場(chǎng)能夠快速拆卸，減少安裝或檢維修時(shí)間。金屬反射型保溫可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及管道形狀預(yù)制成板狀、彎頭、三通、閥門、泵、容器等形狀。

圖1 金屬反射型保溫結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 金屬反射型保溫實(shí)物圖

在金屬反射型保溫中，熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射3種熱傳遞方式是同時(shí)存在的，其中散熱損失的比例約為：傳導(dǎo)占7%，對(duì)流占28%，輻射占65%。金屬反射型保溫結(jié)構(gòu)的保溫原理是利用不銹鋼箔片之間的點(diǎn)接觸限制熱傳導(dǎo)；利用不銹鋼箔片之間的薄間隙給空氣對(duì)流造成阻礙，以限制內(nèi)部空氣的對(duì)流；并利用金屬箔的反射特性增加反射次數(shù)以減少熱輻射，從而實(shí)現(xiàn)保溫的目的。總之，反射型保溫主要通過(guò)降低熱對(duì)流和熱輻射的形式來(lái)達(dá)到保溫目的。

2.3.2 特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

AP1000機(jī)組核島內(nèi)幾乎全部采用金屬反射型保溫，這是由它的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)決定的，總結(jié)起來(lái)主要有以下幾點(diǎn)：

(1) 相容性好，且耐腐蝕。安全殼內(nèi)設(shè)備與管道的安全運(yùn)行條件要求較高，設(shè)備和管道多采用不銹鋼材料。金屬反射型保溫全部由不銹鋼材料制成，對(duì)設(shè)備和管道不會(huì)產(chǎn)生腐蝕，同時(shí)對(duì)酸堿溶液具有良好的耐蝕性。

(2) 易拆裝，無(wú)粉塵，輻照劑量小。在設(shè)備維護(hù)和檢查時(shí)，縮短停運(yùn)時(shí)間和減少對(duì)工作人員放射性輻照十分重要，而金屬反射型保溫拆裝快捷，不產(chǎn)生任何粉塵，更不會(huì)產(chǎn)生放射性粉塵，適應(yīng)在役檢查等維修工作需要，避免和減少放射性物質(zhì)對(duì)操作人員和維修人員的輻照時(shí)間，降低電廠的整體劑量水平，從而大大節(jié)省放射性管理費(fèi)用。

(3) 易清洗，保溫性能穩(wěn)定，機(jī)械性能好，重復(fù)利用率高，使用時(shí)間長(zhǎng)。為避免保溫吸潮結(jié)塊及伴隨產(chǎn)生的帶有放射性顆粒的污染水處理問(wèn)題，反射型保溫材料采用經(jīng)過(guò)光澤加工的不銹鋼材料，表面光滑，沾染的放射性物質(zhì)可以用水清洗掉，去污時(shí)即使浸水也不影響性能。同時(shí)，不銹鋼材質(zhì)耐輻照性能較好，因此，保溫性能穩(wěn)定，能長(zhǎng)期保持初期的保溫效果；另外，由于其具有良好的機(jī)械性能，可反復(fù)使用，使用壽命長(zhǎng)。

(4) 重量輕，保溫效果好，制作靈活。金屬反射型保溫導(dǎo)熱系數(shù)與非金屬材料大體相當(dāng)，且重量輕，能根據(jù)設(shè)備形狀進(jìn)行預(yù)制，應(yīng)用靈活。

除此之外，金屬反射型保溫由于材料、結(jié)構(gòu)和制作特點(diǎn)，還具有抗震、適合高溫及潮濕環(huán)境等優(yōu)勢(shì)。

2.3.3 國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況

目前在役的核電機(jī)組和在建的二代加機(jī)組核島保溫中，基本只有反應(yīng)堆壓力容器采用金屬反射型保溫結(jié)構(gòu)；在建的AP1000核電站雖然核島內(nèi)基本全部采用金屬反射型保溫結(jié)構(gòu)，但是由于種種原因，基本全部是國(guó)外公司供貨，造成價(jià)格壟斷和服務(wù)響應(yīng)相對(duì)較慢等問(wèn)題。

針對(duì)這種情況，國(guó)內(nèi)保溫行業(yè)積極開(kāi)展金屬反射型保溫的國(guó)產(chǎn)化科研和市場(chǎng)推廣工作，經(jīng)過(guò)不懈努力，陸續(xù)完成了國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)要求的各項(xiàng)試驗(yàn)，滿足了規(guī)范要求并通過(guò)了相關(guān)行業(yè)協(xié)會(huì)的鑒定，為金屬反射型保溫在國(guó)內(nèi)核電保溫領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 結(jié)語(yǔ)

保溫對(duì)電廠的經(jīng)濟(jì)效益和安全性有著重要的作用，隨著國(guó)內(nèi)核電行業(yè)的發(fā)展，保溫工作在業(yè)內(nèi)也得到了越來(lái)越多的重視。面對(duì)核電發(fā)展的新形勢(shì)和新要求，整體提高核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)效益，金屬反射型保溫的研發(fā)和推廣已逐漸成為核電建設(shè)中不可或缺的環(huán)節(jié)。相信在不久的將來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)金屬反射型保溫行業(yè)的繼續(xù)發(fā)展，金屬反射型保溫會(huì)在核電行業(yè)得到更加廣泛的應(yīng)用。

[1] 潘家禎.管路手冊(cè)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2011

[2] 冉崇富.反射型保溫結(jié)構(gòu)[J].核動(dòng)力工程，1982(6)

[3] 楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].高等教育出版社，1998

[4] 吳川林.金屬反射型保溫材料的性能與應(yīng)用[J].電力建設(shè)，1991(11)

2014-09-03

南小飛(1980—)，男，湖北人，工程師，研究方向：核電廠維修。

劉悅強(qiáng)(1985—)，男，山東人，助理工程師，研究方向：核電廠維修。