Прежде чем приступить к рассмотрению принципиальных гидравлических схем АЭС. Необходимо сказать несколько слов о трубопроводах, которые связывают все устройства изображенные на этих схемах в единое целое, и арматуре которая является важным элементом любой гидравлической системы.
Трубопроводы АЭС
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 атомной станции — 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, острого и отборного пара, дренажные и др. Различают также трубопроводы по параметрам (давление, температура), степени радиоактивности, протекающей в них среде (вода, пар, пароводяная смесь, воздух и др.), периодичности работы (непрерывная работа, периодическое включение).
Наиболее ответственны главные трубопроводы, непосредственно связанные с технологическим процессом станции. По этим трубопроводам проходит радиоактивная среда с наибольшими параметрами и расходами. Проектированию трубопроводов атомной станции должно уделяться большое внимание, так как стоимость их достигает 10% общей стоимости оборудования станции, а от надежности их эксплуатации во многом зависит надежность работы всей станции в целом. На электростанциях в основном используют бесшовные трубы (холодно-тянутые и горячекатаные) и лишь для циркуляционных водоводов и некоторых вспомогательных трубопроводов — сварные. (обратно к содержанию)
Марки сталей для труб, по которым транспортируют коррозионнонеагрессивные среды, зависят от температуры среды. При температурах до 450°С используют углеродистые стали 10 и 20. В интервале температур 450 — 570°С — стали перлитного класса, легированные хромом 0,5—2%, молибденом 0,3—1% и ванадием 0,2—0,4%; наиболее распространены стали 12Х1МФ и 15Х1М1Ф. Такие же стали можно использовать и для температур ниже 450°С, если диаметр трубопроводов значителен и целесообразно уменьшать толщину стенок (например, паропроводы насыщенного пара, подводимые к турбинам). Для более высоких температур (до 620°С) можно применять нержавеющие мартенситно-ферритные стали с высоким содержанием хрома, например ЭИ-756 (11% Сг, 2% W, 0,7% Мо, 0,2%V). Наиболее жаропрочны и жаростойки стали аустенитного класса; больше всего в атомной энергетике распространена сталь типа ОХ18Н10Т. Однако в эксплуатационных условиях при высоких температурах она оказалась недостаточно надежной из-за процесса старения. Аустенитные стали обладают наиболее высокой общей коррозионной стойкостью, что важно при транспортировке коррозионно-агрессивных сред, например в системах дезактивации.
Стали различных классов существенно отличаются по стоимости. Отношения стоимостей углеродистых, перлитных легированных и аустенитных сталей составляют примерно 1:2,5:10(15), поэтому повышение температуры, вызывающее изменение класса сталей, приводит к значительному удорожанию трубопроводов. Для трубопроводов АЭС, за исключением главного циркуляционного контура реактора, применяют стали перлитного класса — легированные для участков насыщенного и перегретого пара и углеродистые для остальных участков. Для трубопроводов главного циркуляционного контура используют в основном нержавеющие аустенитные стали, что существенно удорожает оборудование AЭC, поэтому для трубопроводов очень больших диаметров применяют перлитные стали с плакировкой изнутри нержавеющей аустенитной сталью. Основное назначение плакировки — защита перлитной стали от эрозии, которая может иметь место в связи со значительными скоростями воды. (обратно к содержанию)
Особенности конструктивного исполнения
Все трубопроводы, температура среды в которых выше 45°С, имеют тепловую изоляцию с температурой на ее поверхности 45—48°С. На швах и в местах сварки теплоизоляция должна допускать ее быстрый съем и восстановление. Наиболее важные трубопроводы имеют металлическую обшивку (листовым алюминием или оцинкованной сталью). Размеры трубопроводов указываются в миллиметрах и обычно обозначаются дробью (или произведением): в числителе — наружный диаметр, в знаменателе — толщина стенки. Так, размеры трубопроводов главного циркуляционного контура для первой очереди Ново - Воронежской атомной станции — 550/25 (550х25), а для третьей очереди той же станции — 560/30 (560х30).
Внутренний диаметр труб принимают в зависимости от расхода и скорости среды, а необходимую толщину стенки и наружный диаметр трубопровода — исходя из расчета на прочность. По сортаменту изготовляемых труб выбирают трубы, ближайшие по размерам, и проверяют их на прочность.
Для трубопровода важна скорость среды (параметры и расход которой заданы), так как она влияет на диаметр, а поэтому на толщину стенки, вес и стоимость. Чем больше скорость, тем дешевле трубопровод и общая стоимость станции, но тем больше гидравлические потери, на преодоление которых расходуется перепад давления среды (паропроводы) или электро-энергия на перекачивающие насосы. Поэтому выбор скоростей сред делается на основе технико-экономических расчетов. Учитывая опыт проектных организаций, приняты следующие примерные значения: для острого пара — 45—50 м/с; для пара низкого давления —50—70 м/с; для питательной воды — 4—6 м/с (трубы из углеродистых сталей) и 8—12 м/с (трубы из аустенитных нержавеющих сталей); для газа и воздуха — 10—20 м/с. (обратно к содержанию)
Все трубопроводы крепят к несущим строительным конструкциям. Соответствующие опорные или подвесные конструкции должны не только воспринимать вес трубопроводов и предохранять их от возможных вибраций, но и обеспечивать беспрепятственное удлинение труб. Трубопроводы работают в условиях переменных температур 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 возможность свободного удлинения трубопроводов, то в их металле могут возникнуть дополнительные напряжения, величина которых зависит от температуры среды. Это в ряде случаев может привести к разрушению труб. Опоры распределяют по длине трубопроводов с обеспечением удлинения от неподвижных («мертвых») опор в сторону к подвижным опорам. Подвижные опоры подразделяют на три типа, допускающие перемещение в горизонтальном, вертикальном и любом направлениях. Опоры для горизонтальных перемещений труб большого диаметра обычно выполняют шариковыми, реже — роликовыми.
Вертикальные перемещения допускают пружинные опоры. Пружинные подвесные опоры обеспечивают свободное перемещение в любом направлении. Чтобы определить, допустимы ли напряжения, возникающие от температурных удлинений в трубах, рассчитывают самокомпенсацию всех главных трубопроводов. Расчет требует предварительную трассировку трубопроводов. Предпочтительно иметь такую трассу, чтобы ее гибкость была достаточной для компенсации температурных удлинений. Этому требованию соответствуют трубопроводы, 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. Компенсация температурных удлинений может быть достигнута за счет смещения оборудования, к которому присоединяется трубопровод.
При существовании герметичной проходки через стенку обеспечивают удлинения трубопроводов по обе стороны прохода, чтобы в месте прохода трубы через кладку не требовалось ее перемещения. Опоры и подвески трубопроводов рассчитывают на вес трубопровода, наполненного водой и покрытого изоляцией. Расстояния между соседними опорами должны быть от 2 до 8 м в зависимости от диаметра трубопроводов: для меньших диаметров принимают меньшие расстояния, так как гибкость таких трубопроводов больше. Трубопроводы обычно прокладывают параллельно поперечной и продольной осям здания, а в вертикальном направлении — параллельно осям колонн.
Все стали перлитного класса имеют существенно меньший коэффициент линейного расширения, чем стали аустенитного класса (смотри таблицу 1). Поэтому для реакторных контуров предпочтительнее стали перлитного класса, тем более, что чем больше диаметр трубопровода, тем труднее его трассировка с обеспечением самокомпенсации. У труб малого диаметра, например у змеевиков поверхности нагрева, легко обеспечить компенсацию удлинений, но так как коэффициент теплопроводности углеродистых сталей выше, то их применение целесообразно и для змеевиков. (обратно к содержанию)
Таблица 1 Средние коэффициенты теплового удлинения и теплопроводности для сталей различных классов.
|
Класс сталей |
Температура ° С |
Коэффициент теплового удлинения мм/(м x град) |
Коэффициент теплового удлинения кДж/(м x ч x град) |
|
Углеродистые (Сталь 20) |
100-450 |
0.0123-0.0145 |
184-146 |
|
легированные: |
|||
|
перлитные (12ХМФ) |
450-580 |
0.0133-0.0147 |
142-115 |
|
ферритные (ЭИ756) |
500-700 |
0.0121-0.0126 |
100-99 |
|
аустенитные (ОХ18Н10Т) |
100-400 |
0.0171-0.0186 |
50-78.9 |
|
500-700 |
0.0186-0.-195 |
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 реакторных контурах требуют особого внимания. Все соединения сварные; фланцевые применяются в виде исключения. Ремонт трубопроводов первого контура чрезвычайно затруднителен, поэтому качеству сварки уделяется особое внимание, так как от этого во многом зависит срок службы трубопроводов. Необходимо также иметь в виду, что сварные соединения более подвержены коррозии, чем основной материал. Из сказанного следует, что необходимо точное соблюдение технологии сварки с последующей проверкой качества сварки современными методами контроля.
Трубопроводы контура многократной принудительной циркуляции соединяют с главным циркуляционным насосом и главной задвижкой также сваркой. На эти трубопроводы приходятся наибольшие весовые расходы. Количество воды, циркулирующей по контуру реактора, в 5—6 раз больше его паропроизводительности, отвечающей расходам в паропроводах и питательных трубопроводах. (обратно к содержанию)
Так как контур многократной принудительной циркуляции имеет высокую радиоактивность, то необходимо проектировать его с максимальной простотой, минимальной протяженностью и высокой надежностью. При этом должна быть обеспечена возможность естественной циркуляции в режимах как плавного, так и аварийного расхолаживания. Горизонтальные трубопроводы главного реакторного контура прокладывают с уклоном 0,001 в сторону выпуска дренажа из них.
Трассировка внереакторных трубопроводов одноконтурных АЭС и трубопроводов второго контура двухконтурных также должна быть максимально простой с учетом самокомпенсации и распределением мертвых и подвижных опор. Уклон должен быть не менее 0,004 в сторону организованного дренажа. Главные трубопроводы одноконтурных станций сооружают без застойных зон и участков резкого снижения скоростей, в которых могли бы образовываться отложения. Вся система главных трубопроводов подлежит предпусковой химической очистке и периодическим эксплуатационным промывкам. Выбор реагентов, режима и периодичности химических очисток зависит от состава и величины отложений и использованных конструкционных материалов, а также от уровня радиоактивности оборудования. Все трубопроводы, рабочая среда для которых — вода, в верхних точках снабжают воздушниками для удаления воздуха при заполнении систем. Тем самым уменьшается интенсивность коррозионных процессов и предотвращаются нарушения гидродинамики. (обратно к содержанию)
Для трубопроводов больших диаметров и высоких температур очень важен режим прогрева в процессе пуска. В трубопроводах коммуникаций и во внереакторной части скорость прогрева ограничивается только для паропроводов, учитывая их наибольший диаметр (наибольшую толщину стенок) и наиболее высокие температуры среды. Для предотвращения недопустимых напряжений в металле скорости прогрева и охлаждения должны соответствовать рекомендациям. (обратно к содержанию)
Таблица 2 Допустимые скорости прогрева и расхолаживания трубопроводов в зависимости от их диаметра (град/мин).
| Процесс |
Диаметр трубопровода x толщина стенки, мм |
||||
|
219x29 |
273x36 |
325x43 |
275x62.5 |
219x52 |
|
|
Разогрев |
10 |
8 |
5 |
3 |
4 |
|
Охлаждение |
8 |
6 |
5 |
2 |
3 |