Основы атомной энергетики Реакторная установка Паротурбинная установка АЭС Конденсационная установка Генеральный план АЭС Компоновка оборудования АЭС Трубопроводы атомной электростанции Тепловые схемы АЭС


Глава 14

ТРУБОПРОВОДЫ И АРМАТУРА АЭС

14.1. Трубопроводы атомной электростанции

Соединение между собой отдельных агрегатов АЭС требует большого числа трубопроводов. Кроме главных существует большое количество вспомогательных трубопроводов различных диаметров и назначений. Общая протяженность трубопроводов на мощной АЭС — несколько километров. Все трубопроводы и устанавливаемую на них арматуру различают по назначению и основным показателям, например, трубопроводы главного циркуляционного контура, вспомогательные реакторного контура, активной пульпы, питательные и конденсатные, свежего и отборного пара, дренажные и др. Различают также трубопроводы по параметрам (давление, температура), протекающей в них среде (вода, пар, пароводяная смесь, воздух) и уровня ее радиоактивности, периодичности работы (непрерывная работа, периодическое включение). Наиболее ответственны трубопроводы главного циркуляционного контура, так как по этим трубопроводам проходит радиоактивная среда с наибольшими параметрами и расходами.

На атомной электростанции в основном применяют бесшовные трубы — холоднотянутые и горячекатаные, для вспомогательных трубопроводов — сварные. Марки стали для труб, по которым транспортируют коррозионно-неагрессивные среды, зависят от температуры среды. При температуре до 450 ℃ используют углеродистые стали 10 и 20. В интервале температуры 450 — 570 ℃ — стали перлитного класса, легированные хромом 0,5 — 2,0%, молибденом 0,3 — 1,0% и ванадием 0,2 — 0,4%; наиболее распространены стали 12Х1МФ и 15ХМ1Ф. Такие же стали целесообразны и для температуры ниже 450 ℃, если диаметр трубопровода значителен и целесообразно уменьшить толщину стенки. Для АЭС это относится к трубопроводу насыщенного пара, идущему к турбинам. Мы рассматриваем сейчас замедление нейтронов, а слово замедление означает процесс, при котором уменьшается энергия нейтрона

Значительное распространение в атомной энергетике получили стали типа ОХ18Н10Т, обладающие наиболее высокой общей коррозионной стойкостью, что важно для поддержания высокой чистоты воды реакторного контура, а также при транспортировке коррозионно-агрессивных сред, например в системах дезактивации. В современных условиях эту сталь

с успехом заменяют сталью мартенситно-ферритного класса 10Х9МФБ. По сравнению со сталью 12Х1МФ она имеет более высокие прочностные свойства и высокопластична. В сравнении со сталью 1Х18Н9Т она имеет следующие преимущества — не содержит никеля, экономно легирована хромом, не склонна к коррозии под напряжением, более теплопроводна, менее дорога. Единственный ее прежний недостаток — плохая свариваемость — в настоящее время преодолен. Остальные трубопроводы АЭС выполняют из сталей перлитного класса, а наименее ответственные — из простых углеродистых. Как было указано выше, для реакторного контура ранее широко использовали сталь 1Х18Н9Т. Так, для ВВЭР-440 трубопроводы главного циркуляционного контура диаметром 550 мм выполняли из стали 1Х18Н10Т, что существенно удорожало оборудование АЭС. Поэтому трубопроводы диаметром 850 мм для ВВЭР-1000 и 750 — 900 мм для РБМК-1000 применены штампосварными из перлитной стали с плакировкой изнутри нержавеющей аустенитной сталью толщиной 5 мм. Главное назначение плакировки — защита стали от эрозии, так как при реальной скорости воды в реакторном контуре перлитная сталь в большой мере подвержена эрозии. При плакировке уменьшается поступление продуктов эрозии и коррозии в реакторную воду и возможность их осаждения на твэлах.

Трубопроводы КМПЦ реактора РБМК диаметром до 300 мм были выполнены из сталей типа ОХ18Н1ОТ.

Все трубопроводы и особенно те, температура среды в которых выше 45 ℃, должны иметь тепловую изоляцию, причем на швах и в местах сварки она выполняется так, чтобы допускался быстрый съем и восстановление ее. Наиболее ответственные трубопроводы имеют металлическую обшивку (листовым алюминием или оцинкованной сталью).

В зависимости от расхода и скорости среды внутренний диаметр труб (м)

             (14.1)

где G — расход среды, кг/с; V — удельный объем среды, м3/кг; с — скорость среды, для выбора которой, по опыту проектных организаций, можно ориентироваться на следующие примерные значения; для свежего пара — 45 — 50 м/с, для пара низкого давления — 50 — 70 м/с, для конденсата и питательной воды — 2 — 3 м/с (трубы из углеродистых сталей) и 8 — 12 м/с (трубы из аустенитных нержавеющих сталей), для газа и воздуха — 10-20 м/с.

Необходимая толщина стенки трубопровода определяется из расчета на прочность, по сортаменту изготовляемых труб выбирают трубы, ближайшие по размерам и проверяют их на прочность.

Расходы насыщенного пара на турбины АЭС так велики, что даже для предельного диаметра труб, выпускаемых промышленностью, приходится предусматривать две нитки паропроводов для ВВЭР-440 и четыре нитки для АЭС мощностью 1000 МВт и более.

Все трубопроводы крепят к несущим строительным конструкциям. Соответствующие опорные или подвесные конструкции должны не только воспринимать массу трубопроводов и предохранять их от возможных вибраций, но и обеспечивать беспрепятственное температурное удлинение труб. Трубопроводы работают в условиях переменной температуры как при нормальной эксплуатации, так и, еще в большей мере, в процессах останова и расхолаживания, а также при разогреве и пуске после останова. В результате изменения температуры среды меняется температура металла, а поэтому и длина трубопроводов. Если не обеспечить возможности свободного удлинения трубопроводов, то в металле могут возникнуть дополнительные напряжения, значения которых зависят от температуры среды. Неучет этих удлинений может привести к разрушению труб.

Опоры распределяют по длине трубопроводов с обеспечением удлинения от неподвижных ("мертвых") опор в сторону к подвижным. Подвижные опоры подразделяют на три типа: допускающие перемещение в горизонтальном, вертикальном и любом направлениях. Опоры для горизонтальных перемещений труб большого диаметра обычно выполняют скользящими, реже шариковыми или роликовыми. Для трубопроводов главного циркуляционного контура ВВЭР мертвые точки — места присоединения их к корпусу реактора, а для КМПЦ РБМК — места присоединения к барабанам — сепараторам.

Пружинные опоры допускают вертикальные перемещения, а пружинные подвесные опоры обеспечивают свободное перемещение в любом направлении.

Предпочтительна такая трасса трубопроводов, чтобы ее гибкость была достаточной для самокомпенсации температурных удлинений. Это имеет место в трубопроводах, у которых протяженность взаимно перпендикулярных участков примерно равна. Если же гибкость недостаточна, то создают специальные изогнутые участки (компенсаторы), обычно П-образной формы, перпендикулярные направлению наибольшего температурного удлинения. Количество компенсаторов и их размеры зависят от температуры среды, коэффициента линейного расширения и расстояния между неподвижными опорами.

Чем меньше диаметр трубопровода, тем легче обеспечить самокомпенсацию удлинений, иногда этому способствует конструктивное оформление, например, для трубок теплообменной поверхности парогенератора обеспечена самокомпенсация удлинений.

Компенсация температурных удлинений может быть достигнута за счет перемещения оборудования, к которому присоединяется трубопровод (парогенератор, ГЦН и др.).

Опоры и подвески трубопроводов рассчитывают на массу трубопровода, наполненного водой и покрытого изоляцией. Расстояние между соседними опорами 2 — 8 м в зависимости от диаметра трубопровода: для меньшего диаметра принимают меньшие расстояния, так как гибкость таких трубопроводов больше.

Стали перлитного класса имеют существенно меньший коэффициент линейного расширения, чем стали аустенитного класса (табл. 14.1). Поэтому для реакторного контура предпочтительнее стали перлитного класса, тем более что с увеличением диаметра трубопровода возрастают трудности его трассировки с обеспечением самокомпенсации.

Таблица 14.1 Коэффициент теплового расширения и теплопроводность для
сталей различных классов

Класс сталиДопустимая температура, ℃Коэффициент теплового расширения, мм/(м · К)Теплопроводность, кДж/(м·ч·К)
Углеродистая (сталь 20)100 — 4500,0123 — 0,0145184 — 146
Легированная перлитная450 — 5800,0133 — 0,0147142 — 115
Мартенситно-ферритная500 — 7000,0121 — 0,0126100 — 99
Аустенитная100 — 400
500 — 700
0,0171 — 0,0186
0,0186 — 0,0195
50 — 78,5
80,5 — 95

Длина труб, выпускаемых промышленностью, обычно 8 — 12 м; длина трубопроводов всегда больше. Места соединений участков трубопроводов между собой, с арматурой и отдельными агрегатами в реакторном контуре требуют особого внимания. Ремонт трубопроводов реакторного контура чрезвычайно затруднителен, поэтому качеству сварки уделяется особое внимание, так как от этого во многом зависят срок службы и надежность работы установки. Необходимо точное соблюдение технологии сварки с последующей проверкой качества сварки современными методами контроля.

Трубопроводы главного циркуляционного контура приваривают к патрубкам корпуса реактора. Аналогично эти трубопроводы соединяют с коллектором теплоносителя в парогенераторе ВВЭР. Трубопроводы главного циркуляционного контура соединяют с ГЦН также сваркой. На эти трубопроводы приходятся наибольшие массовые расходы. Главный циркуляционный контур необходимо проектировать с максимальной простотой, минимальной протяженностью и высокой надежностью, без застойных зон и участков резкого изменения

скорости. Горизонтальные трубопроводы главного реакторного контура прокладывают с уклоном 0,004 в сторону выпуска дренажа из них.

Трубопроводы второго контура работают на нерадиоактивной среде, их также соединяют главным образом сваркой, хотя в отдельных случаях возможны и фланцевые соединения, например, подсоединение конденсатных и питательных насосов к трубопроводам. Учитывая, что эти соединения требуют постоянного внимания во время эксплуатации, количество их должно быть минимальным. Трасса трубопроводов конденсатно-питательного тракта должна быть максимально простой с учетом компенсации удлинений и уклоном не менее 0,004 в сторону вывода дренажа.

Все трубопроводы как первого, так и второго контуров в верхних точках снабжают воздушниками для удаления воздуха при заполнении систем. В двухконтурной АЭС такие воздушники устанавливают на ГЦН и верхних днищах коллекторов первого контура, вваренных в корпуса парогенераторов, так как они являются наивысшими точками контура.

Для трубопроводов большого диаметра и для крупного оборудования, особенно при высокой температуре, очень важен режим прогрева в процессе пуска и охлаждения во время останова. Для предотвращения недопустимых напряжений в металле оборудования главного циркуляционного контура скорость охлаждения не должна превышать 20 К/ч, а разогрева — 30 К/ч.

При прогреве паропроводов образуется значительное количество конденсата, для отвода которого организуется дренаж: пусковой и постоянный. Пусковой используется только в процессе пускового прогрева паропроводов; постоянный — при эксплуатации периодически включаемых в работу участков паропровода для поддержания их в прогретом состоянии. Постоянный дренаж трубопроводов высокого давления обычно осуществляют за счет непрерывного протока небольшого количества пара через дренажную трубу с установленной на ней дроссельной шайбой. Трубопроводы низкого и среднего давлений могут дренироваться через специальные конденсатоотводчики, отводящие только конденсат, образующийся за счет потери теплоты в окружающую среду, но не пропускающие пар.

Тупиковые участки вентилируют для предотвращения скопления в них конденсата, для чего трубой малого диаметра соединяют конечную точку тупикового участка с магистральным трубопроводом. Благодаря этому на участке паропровода от места подвода пара до места врезки вентилирующей трубы создается движение пара, обеспечивающее необходимый тепловой режим.

Трубопроводы прокладывают так, чтобы была возможность их полного опорожнения через систему спускных дренажей, трубы которых имеют уклон не менее 0,002.

Для сокращения потерь теплоты и конденсата дренажи паропроводов возвращают в паросиловой цикл станции: собирают в дренажные баки и дренажными насосами перекачивают через очистные фильтры в деаэраторные баки.

Трубопроводы низкого давления (2,2 МПа) из углеродистой стали при D<100 и из нержавеющей при D<80 поставляются в комплекте с опорами, арматурой и крепежом.

В схемах АЭС трубопроводы показывают следующим образом:

Место соединения трубопроводов отмечают точкой.

14.2. Арматура трубопроводов
14.3. Редукционные установки

 


Атомные электростанции с натриевым теплоносителем