高溫氣冷堆主蒸汽管道標(biāo)準(zhǔn)化等級(jí)研究

摘要：管道等級(jí)表規(guī)定了管道、管件、法蘭、墊片、緊固件等元件的材料、溫度、壓力、標(biāo)準(zhǔn)、尺寸規(guī)格等。高溫氣冷堆主蒸汽管道介質(zhì)溫度高、壓力大，并且包括核安全級(jí)管道，與火電機(jī)組和壓水堆相比，其對(duì)材料、標(biāo)準(zhǔn)的選用都有著更加嚴(yán)格的要求。以此管道系統(tǒng)為研究對(duì)象進(jìn)行主蒸汽管道標(biāo)準(zhǔn)化等級(jí)研究，進(jìn)而提出管道等級(jí)所應(yīng)包含的主要內(nèi)容及主要路線框架，并對(duì)管道等級(jí)關(guān)鍵技術(shù)、管道及組成件選用原則進(jìn)行分析研究。

關(guān)鍵字：高溫氣冷堆；管道等級(jí)；主蒸汽；標(biāo)準(zhǔn)化；材料；核安全

StudyonStandardizationClassofMainSteamPipeinHTGR

CAOXinping

ChinergyCo.，Ltd.，Beijing，100094China

Abstract：ThePipeClassTablespecifiesthematerial，temperature，pressure，standardandsizeofpipes，fittings，flanges，gaskets，fasteners，etc.ThemediumtemperatureandpressureofthemainsteampipeofaHighTemperatureGas-CooledReactor（HTGR）arehigh，andincludesnuclearsafetygradepipelines.ComparedwiththermalpowerunitandPressurizedWaterReactor（PWR），thematerialandstandardselectionofmainsteampipeforHTGRaremorestrict.Inthispaper，ittakesthepipesystemastheresearchobjectivetostudythemainsteampipelinestandardizationclass，andthenputforwardthemaincontentandmainrouteframeofthepipeclass，analyzesandstudiesthekeytechnologiesofpipeclassaswellastheselectionprinciplesofpipesandcomponents.

KeyWords：HighTemperatureGas-cooledReactor;Pipeclass;Mainsteam;Standardization;Material;Nuclearsafety

管道等級(jí)表一直是全球各工程公司和設(shè)計(jì)院關(guān)注的焦點(diǎn)，無論是石化行業(yè)的中石化，還是核電行業(yè)的中國(guó)核電工程公司，都有各自的管道等級(jí)選用標(biāo)準(zhǔn)，在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法及流程的基礎(chǔ)上，有效減少管道管件規(guī)格種類，提高設(shè)計(jì)效率，方便采購(gòu)實(shí)施，降低現(xiàn)場(chǎng)材料管理難度。

高溫氣冷堆核電站管道等級(jí)表以示范工程設(shè)備閥門管道管件匯總清冊(cè)為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上，加以材料匯總，規(guī)格擴(kuò)充，管件類型擴(kuò)充，全面滿足高溫氣冷堆核電站的工藝管道設(shè)計(jì)需求。其中，主蒸汽管道有介質(zhì)溫度高壓力大，核安全級(jí)管道，內(nèi)徑控制等特點(diǎn)，涵蓋了較多高溫氣冷堆工藝管道等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化過程中的技術(shù)難點(diǎn)。

1研究路線與難點(diǎn)分析

1.1研究路線

高溫氣冷堆（HighTemperatureGas-cooledReactor，HTGR）可以實(shí)現(xiàn)700℃～1000℃的出口溫度，因此，除高效發(fā)電外，在制氫、工藝熱應(yīng)用及聯(lián)合循環(huán)等方面都有著廣泛的應(yīng)用前景，能夠有效減少化石能源消耗和溫室氣體排放[1]。其中，主蒸汽管道介質(zhì)溫度高壓力大，這就意味著需要對(duì)主蒸汽的管道等級(jí)表進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)。

管道等級(jí)表包括了等級(jí)代碼名稱，連接方式，安全級(jí)別，管道及組成件材料，制造標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)格尺寸等信息，如圖1所示。

因此，定制主蒸汽管道標(biāo)準(zhǔn)化等級(jí)包括參考資料收集選用、適用范圍規(guī)定、管道的管徑計(jì)算、材料選擇、允許工作壓力確定、壁厚計(jì)算、強(qiáng)度校核計(jì)算、管道管件標(biāo)準(zhǔn)制品選型計(jì)算流程及等級(jí)代碼的意義等。

1.2難點(diǎn)分析

高溫氣冷堆主蒸汽管道內(nèi)部介質(zhì)為過熱蒸汽，設(shè)計(jì)溫度為576℃，設(shè)計(jì)壓力（絕壓）為15.7Mpa，端面連接形式為對(duì)接焊連接，100%功率設(shè)計(jì)流量為96kg/s，100%功率流速為48m/s，核安全級(jí)包含核安全二級(jí)、核安全三級(jí)和非核安全級(jí)。

筆者前期調(diào)研了行業(yè)上在用的主蒸汽管道等級(jí)，火電廠有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)手冊(cè)（典管2000），壓水堆也有基于PDMS開發(fā)的管道等級(jí)庫(kù)。但通過如表1所示的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，與壓水堆，火電機(jī)組主蒸汽設(shè)計(jì)參數(shù)相比，高溫氣冷堆主蒸汽管道等級(jí)研究中有以下技術(shù)難點(diǎn)。

1.2.1核安全級(jí)管道

高溫氣冷堆主蒸汽管道系統(tǒng)有核安全二級(jí)和核安全三級(jí)管道，這對(duì)管道計(jì)算校核標(biāo)準(zhǔn)都有著更嚴(yán)格的要求。故現(xiàn)有的火力發(fā)電廠主蒸汽管道等級(jí)表并不能滿足高溫氣冷堆主蒸汽管道的編制要求。

1.2.2介質(zhì)溫度高、壓力大

中國(guó)三代核電自主化依托項(xiàng)目采用的是美國(guó)西屋公司開發(fā)的AP1000第三代先進(jìn)壓水堆核電機(jī)組[2]。AP1000核島區(qū)域的主蒸汽管道設(shè)計(jì)壓力為8.17MPa，設(shè)計(jì)溫度為316℃，直徑為965.2ｍ，壁厚為44.2mm，材質(zhì)為合金鋼SA335P11。顯然，高溫氣冷堆主蒸汽管道的介質(zhì)溫度、壓力都比壓水堆高很多，這對(duì)管道的材料性能有著很大挑戰(zhàn)，照搬壓水堆主蒸汽管道等級(jí)不能滿足要求。

2主蒸汽管道等級(jí)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1材料選用研究

主蒸汽管道在工作中主要承受內(nèi)部水蒸氣溫度和壓力的作用，同時(shí)主蒸汽管道壁厚較大，自身重量大，導(dǎo)致主蒸汽管道受到的應(yīng)力較大[3]?，F(xiàn)有火力發(fā)電廠用于主蒸汽管道材料主要是SA-335P22，P91和P92號(hào)鋼，其中，P22適用溫度-20～580℃，若運(yùn)行中過熱蒸汽稍一超出設(shè)計(jì)溫度，管道性能將發(fā)生惡化。P92適用溫度滿足要求，但是它價(jià)格昂貴，除了成分成本高之外，還有就是國(guó)內(nèi)制造商尚未掌握原材料加工的關(guān)鍵技術(shù)，主要依靠進(jìn)口，采購(gòu)不經(jīng)濟(jì)。

P91現(xiàn)已作為500～650℃溫度范圍使用的理想的高壓鍋爐鋼管材料，并廣泛地用于超臨界發(fā)電機(jī)組的主蒸汽管道和高溫再熱蒸汽管道，顯示出了優(yōu)異的綜合性能。SA-335P91具有良好的使用性能、物理性能和工藝性能，是目前電站用高溫、高壓耐熱鋼最理想的材料。因此，高溫氣冷堆主蒸汽管道材料選擇SA-335P91。

2.2管徑選用研究

2.2.1內(nèi)徑控制原則

P91鋼是改進(jìn)后的9Cr耐熱合金鋼，具有明顯的抗蠕變性能優(yōu)勢(shì)[4]。用于主蒸汽管道的P91熱軋無縫鋼管，早先來自于國(guó)外公司進(jìn)口，主要由沖管法，垂直擠壓法生產(chǎn)，這兩種制管工藝均是通過控制管道內(nèi)徑的方式實(shí)現(xiàn)成品管的加工。與外徑控制管相比，內(nèi)徑控制管因?yàn)閮?nèi)徑公差小，因此實(shí)際壓降流速更接近于計(jì)算值，且管道柔性也優(yōu)于同規(guī)格的外徑管，對(duì)管道應(yīng)力計(jì)算也更有利。因此，對(duì)于核電站中主蒸汽這類重要管道，宜優(yōu)先采用內(nèi)徑控制管。

2.2.2管徑計(jì)算方法

高溫氣冷堆核電站蒸汽介質(zhì)輸送管道的管徑按照下式公式（1）計(jì)算：

式（1）中：為管道內(nèi)徑，單位為mm；G為介質(zhì)工作狀態(tài)下的質(zhì)量流量，單位為t/h；為介質(zhì)工作狀態(tài)下的比容，單位為m3/kg；w為介質(zhì)工作狀態(tài)下的流速，單位為m/s，推薦40～60m/s。

根據(jù)推薦流速計(jì)算結(jié)果，并遵循國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《管道元件公稱尺寸的定義和選用》（GB/T1047—2019），選取主蒸汽管徑通徑。

2.3壁厚取用與校核方法研究

2.3.1標(biāo)準(zhǔn)選用研究

有些管道材料經(jīng)過計(jì)算后形成多個(gè)壁厚等級(jí)，看似節(jié)省了重量與造價(jià)，實(shí)質(zhì)上由于品種規(guī)格繁多，加大了采購(gòu)成本。因此，對(duì)管道壁厚系列的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化很是關(guān)鍵。

高溫氣冷堆主蒸汽管道系統(tǒng)采用了美標(biāo)牌號(hào)的對(duì)接焊管道壁厚，則應(yīng)按照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)《ASME焊接和無縫軋制鋼管》（B36.10M）的管表號(hào)Schedule壁厚系列中選取。

2.3.2壁厚計(jì)算公式

管道標(biāo)準(zhǔn)壁厚按照《ASME焊接和無縫軋制鋼管》（B36.10M）標(biāo)準(zhǔn)管表號(hào)Schedule（Sch.No）的方式獲得相應(yīng)壁厚系列下的標(biāo)準(zhǔn)壁厚，具體計(jì)算如下。

式（2）中：P為設(shè)計(jì)壓力，單位為MPa；為管道材質(zhì)對(duì)應(yīng)溫度下的許用應(yīng)力，單位為MPa。計(jì)算值圓整到正整數(shù)后，取最接近的值作為標(biāo)準(zhǔn)管子表號(hào)。

2.3.3壁厚強(qiáng)度校核

主蒸汽管道采用美標(biāo)牌號(hào)，并包括核安全二級(jí)和核安全三級(jí)管道，管徑、壁厚等規(guī)格尺寸需要代入相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范《ASME核電規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)》《ASME核電規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)》。當(dāng)校核計(jì)算壓力值不小于管道管件的設(shè)計(jì)壓力值時(shí)，管道管件的強(qiáng)度校核通過。具體公式如下。

（1）最小壁厚

主蒸汽管道分為核二級(jí)管道、核三級(jí)管道、非核安全級(jí)管道，管道最小壁厚的計(jì)算公式如下[5]。

式（3）中：為許用應(yīng)力修正系數(shù)；Y為溫度對(duì)管道壁厚的修正系數(shù)，；為考慮腐蝕、磨損和機(jī)械強(qiáng)度要求的附加壁厚，合金管道為1.6-2.0。

（2）設(shè)計(jì)壁厚

任何情況下，管道的設(shè)計(jì)壁厚不得小于計(jì)算壁厚。對(duì)于采用內(nèi)徑控制尺寸的管道，設(shè)計(jì)壁厚計(jì)算如下。

式（4）中，A1為管道內(nèi)徑正偏差，單位為mm。

3實(shí)際應(yīng)用

依據(jù)管道管件等級(jí)表，在S3D系統(tǒng)后臺(tái)將管道材料描述與物理尺寸關(guān)聯(lián)起來建立管道等級(jí)庫(kù)，設(shè)計(jì)人員即可在S3D中直接調(diào)取后臺(tái)等級(jí)庫(kù)進(jìn)行管道布置工作，利用等級(jí)驅(qū)動(dòng)還可以使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中直接選取所需等級(jí)，無需進(jìn)行材料選型、腐蝕余量計(jì)算、溫壓計(jì)算等，從而在不影響設(shè)計(jì)質(zhì)量的前提下，加快設(shè)計(jì)進(jìn)度，節(jié)約設(shè)計(jì)成本。

4結(jié)語

本文以主蒸汽管道為例提出高溫氣冷堆管道等級(jí)應(yīng)包括的主要路線框架，并對(duì)編制要點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行研究，具有參考意義。并且基于S3D系統(tǒng)開發(fā)了管道設(shè)計(jì)的高級(jí)功能，將復(fù)雜計(jì)算選型流程前置，減少設(shè)計(jì)人員工作量，規(guī)范選用標(biāo)準(zhǔn)件，提高設(shè)計(jì)效率，方便采購(gòu)實(shí)施，并在60萬標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中得到了實(shí)際應(yīng)用。其管道管件規(guī)格涵蓋全面，乃至可以滿足百萬千瓦級(jí)高溫氣冷堆主蒸汽管道設(shè)計(jì)使用。

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