Содержание материала

Двухстенные парогенераторы (ДПГ), обогреваемые щелочным металлом, имеют уже более чем тридцатилетнюю историю. Наиболее обширный опыт эксплуатации таких парогенераторов накоплен в США. Последнее десятилетие характеризуется значительным увеличением объема работ по двухстенным конструкциям. Усиление внимания к ДПГ проявляется и в появлении новых конструкций, патентуемых в ряде стран.
С 1951 по 1963 г. на установке ЕВР-1 работали парогенераторы, в которых в качестве теплопередающих труб использованы композитные трубы — внутренний и внешний слои из никеля, промежуточный из меди. Трехслойные трубы изготовлены совместной протяжкой с термическим диффузионным свариванием слоев для обеспечения лучшей теплопередачи. Полная толщина стенки трубы 7,9 мм, из них 4,8 мм составляет никель. За весь период с 1951 по 1963 г. на ДПГ не было ни одной аварии. Наработка под нагрузкой составила более 5000 тыс. ч. Конструктивно ПГ представлял собой три модуля — экономайзер, испаритель и пароперегреватель, каждый из которых выполнен в виде теплообменника типа «труба в трубе». Девять экономайзерных, 18 испарительных, 4 пароперегревательных модуля составили парогенератор тепловой мощностью 14,9 МВт.
На установке SRE были установлены два типа парогенераторов: с естественной циркуляцией и прямоточный. Прямоточный модуль был основным, модуль с ЕЦ практически не эксплуатировался. В обеих конструкциях в качестве теплопередающих труб использованы двухстенные трубы с ртутью в зазоре. Прямоточный модуль представлял собой U-образный горизонтальный теплообменник, содержащий 199 двухстенных труб длиной 24,4 м. Двухстенная труба составлена из нержавеющих труб, а зазор между ними заполнен ртутью, играющей роль индикационной среды. Контроль протечек осуществлялся по давлению ртути, которое поддерживалось на уровне, промежуточном между давлением натрия и давлением воды/пара. На этих модулях наблюдалась значительная температурная стратификация натрия и неравномерная раздача воды на малых нагрузках. Тем не менее за период с 1957 по 1964 г. ПГ наработал под нагрузкой примерно 19 000 ч с высокой надежностью — ни одной течи. Экстраполяция характеристик этой конструкции на крупные энергетические установки показала ее непригодность по экономическим показателям.
На установке ΗΝΡΕ были установлены три парогенератора, работающие на естественной циркуляции: горизонтальные, двухстенные, обратного типа. Каждый парогенератор состоял из испарителя, сепаратора и пароперегревателя. Теплопередающие элементы выполнены в виде трубок Фильда с двухстенной внешней трубкой. В зазоре между слоями двухстенной трубки находится гелий, по изменению давления которого осуществляется контроль протечек слоев. Слои двухстенной трубки совместно прокатаны для обеспечения максимальной теплопередачи. На внешней поверхности внутренней трубки нанесены продольные канавки. Материал — 2,25 Сr 1 Мо.
Парогенераторы HNPF проработали примерно 16 000 ч за период 1962—1964 гг.
Остановимся более подробно на парогенераторах установки EBR-Π, наработавших наибольшее количество часов среди всех ДПГ и во многом повлиявших на проектирование парогенераторов в США в последующие годы [14].
Парогенераторы EBR-II представляют собой восемь параллельно включенных испарителей с естественной циркуляцией воды/пара, сепаратор и два параллельно включенных пароперегревателя. Парогенераторы были спроектированы и изготовлены в 50-х годах с использованием технологии, доступной в тот период. При обосновании конструкции и выборе технических решений считалось наиболее важным добиться:
минимальной сложности управления и контроля;
минимизации возможности коррозионного растрескивания под напряжением со стороны воды/пара;
минимизации возможности взаимодействия натрия с водой.
Эти три цели определили выбор естественной циркуляции стали 2,25 Сr 1 Мо в качестве конструкционного материала и использование двухстенных труб и двойных трубных досок. Последнее обеспечивало отсутствие сварных швов, контактирующих с натрием и водой одновременно.
По конструктивному исполнению испарители и пароперегреватели идентичны и представляют собой прямотрубные вертикальные кожухотрубные теплообменники. Трубный пучок состоит из 73 двухстенных труб 030,0X3,55 и 32,9X2,5 мм длиной 8 м. В трубы пароперегревателя вставлены вытеснители из трубы 0 20,64X0,71 мм.
Двухстенные трубы изготовлялись двумя способами — металлургическим и механическим.
Металлургический метод заключался в подборе труб подходящего диаметра, нанесении покрытия на внешнюю поверхность внутренней трубы и внутреннюю поверхность внешней трубы (никель—никельфосфористый сплав), сборке труб в пакет и последующем разогреве до расплавления сплава. Таким образом создавался твердый промежуточный слой с высокой теплопроводностью. После того как была изготовлена часть необходимого количества труб, был исследован механический метод соединения. Этот метод заключался в совместной протяжке труб через фильеры с оправкой, ограничивающей уменьшение внутреннего диаметра с последующим расширением сдвоенной трубы, протягиванием оправки по внутреннему диаметру без ограничения внешнего диаметра. Процесс обеспечивал контакт слоев в напряженном состоянии, причем сказалось, что примерно 80% поверхности находится в идеальном контакте и примерно 20% зоны контакта имеет зазор 2,5—5 мкм. Области неидеального контакта не были протяженными. Исследования показали, что металлургическая технология не дает существенного выигрыша в теплопередаче, и остальные трубы были изготовлены по механической технологии. В результате четыре испарителя изготовлены с трубами «металлургическими», остальные четыре испарителя и один пароперегреватель с трубами «механическими».
В феврале 1965 г. имело место попадание воды в пространство между натриевой и паровой трубными досками в верхней части одного из испарителей. Дефект в сварном шве приварки трубки к трубной доске был устранен ручной подваркой шва. Больше никаких течей не отмечалось. Коэффициент готовности парогенератора после упомянутого ремонта составлял 100%. Имел место отказ другого характера (частичный отказ). В 1974 г. у одного пароперегревателя, содержащего «механически» соединенные двухстенные трубы, неожиданно уменьшилась температура пара при подходе к номинальной мощности. Отмечено уменьшение на 40% среднего коэффициента теплопередачи, которое объяснено уменьшением контактного давления между слоями двухстенной трубы. В 1981 г. пароперегреватель был демонтирован, а вместо него установлен один из имевшихся испарителей. Такая замена не ограничила мощности установки в результате достаточно большого исходного запаса поверхности испарителей.
В США проводились работы и с принципиально другой конструкцией двухстенного парогенератора. Фирмой Westinghouse была предложена конструкция парогенератора, в которой натрий и вода протекают в трубах, установленных в твердой среде (матрице) с высокой теплопроводностью (алюминий); реализована определенная программа исследований, включающая анализ стоимости, исследование совместимости алюминия с конструкционными материалами труб при длительной работе в условиях высоких температур, конструктивные и технологические проработки, изготовление и испытание модели.
Была изготовлена и испытана модель мощностью 300 кВт, представляющая собой три параллельно включенных модуля с U-образными трубами из стали 304.
Водяные трубы спарены, проходят сначала вдоль потока натрия, затем противотоком в каждом колене U-образной натриевой трубы. После наработки около 1000 ч коэффициенты теплопередачи существенно уменьшились (в зоне пароперегрева почти в 4 раза). Последующая разрезка показала наличие трещин в зоне, контакта алюминия с трубами и увеличение зазора (до 250 мкм в зоне пароперегрева).
Аналогичная конструкция использована в Великобритании на первом крупном теплообменнике металл/вода тепловой мощностью 60 МВт. Из соображений безопасности парогенератора выполнен двухстенным. Труба, по которой прокачивается вода/пар, окружена четырьмя трубами, по которым прокачивается натрий/калий. Все пять труб объединены в матрице, собранной из медных пластин, что должно предотвратить контакт натрия с водой при появлении протечек и обеспечить хорошую теплопередачу. Парогенератор состоит из 12 испарителей, каждый по 6 МВт. Испаритель состоит из 10 блоков по 13 элементов в каждом. Элементы представляют собой 5 труб: в центре водяная и по углам четыре жидкометаллические. Каждый парогенератор заключен в металлический короб размером 8Х4 Х4 м. С 1961 г. с момента ввода в строй ПГ показали практически коэффициент готовности 100%. Имевшие место несколько малых течей со стороны жидкого металла были устранены во время перегрузки активной зоны. Несколько течей воды/пара были устранены без снятия нагрузки. Ни одного случая взаимодействия щелочного металла с водой не произошло [16].
В ФРГ в 1971 и 1972 гг. на 5-мегаваттном стенде в Бенсберге проводились испытания модели ДПГ мощностью 2,27 МВт [14]. Парогенератор предназначался для работы без обычно используемого промежуточного натриевого контура с непосредственной передачей тепла от натрия первого контура к воде/пару через трехслойные теплопередающие трубки. Конструктивно ПГ представляет собой три трубки Фильда с движением натрия внутри и воды/ пара вне внешней трубы канала. Теплопередающая трубка трехслойная, внешний и внутренний слои из ферритной хромистой стали, промежуточный слой из меди с продольными канавками на внутренней и внешней поверхностях. Модель проработала около 3000 ч. Тепловые испытания и металлографический анализ трехслойных труб показали хорошее состояние труб и стабильность их характеристик во времени. Отмечается, что сохранению хорошего теплового контакта в рабочих условиях способствует выбор правильного направления теплового потока изнутри, при котором обеспечивается снятие зазоров за счет температурных расширений. При этом наблюдается зависимость проводимости теплопередающей трубки от теплового потока.
Итоги опыта эксплуатации ДПГ показывают, что к настоящему времени прошли экспериментальную проверку разнообразные технические решения как по конструкции самих парогенераторов, так и по конструкции и технологии изготовления двухстенных труб. Концепция ДПГ (многобарьерные разделения натрия и воды) полностью оправдывает надежды на повышение безопасности, устранение возможности взаимодействия натрия с водой, облегчение эксплуатации установок. Однако экономические показатели ДПГ в прошлые годы оказались достаточно низкими. В основном это связано со значительно большей стоимостью двухстенных труб по сравнению с обычными, большей металлоемкостью ПГ, обусловленной увеличением термического сопротивления теплообмену и использованием двойных трубных досок, усложнением технологии заделки труб в трубные доски или снижением коэффициента использования объема в конструкциях с раздельными натриевыми и водяными трубами. Вместе с тем можно отметить явную тенденцию к упрощению технологии изготовления двухстенных труб и конструкций ДПГ.
Опираясь на успешный опыт работы двухстенных парогенераторов, особенно EBR-II, и на возможность значительного улучшения характеристик двухстенных труб, фирма Westinghouse в 1973 г. начала активную разработку двухстенного парогенератора для промышленной АЭС с быстрым натриевым реактором. Активизации работ способствовали успехи в изготовлении двухстенных труб с заданными характеристиками. Уже к 1974 г. промышленность могла дать трубы, удовлетворяющие требованиям ПГ по теплопередающим характеристикам, возможности контроля изготовления и контроля за протечками воды или натрия посредством индикационной среды [18]. Проекты ПГ претерпели ряд эволюционных изменений, явившихся следствием выполнения обширной программы исследований. Эта программа включала исследования надежности регистрации протечек с помощью индикационной среды, закономерностей теплопередачи через двухстенные трубы, возможного влияния на теплообмен особенностей поведения термического сопротивления двухстенных труб, механического взаимодействия слоев при циклических изменениях температурного режима и др.
Коротко итоги выполнения программы можно сформулировать так: показано, что двухстенные трубы с продольными каналами в зоне контакта слоев могут быть изготовлены и проконтролированы с обеспечением эффективных и предсказуемых теплопередающих характеристик и уверенности в возможности регистрации течей со стороны натрия или воды/пара [12, 18].
Большая работа проведена по выбору конструктивного исполнения ДПГ.
J-образная конструкция с термообработанными двухстенными трубами, предлагаемая в начале работы по программе, уступила место прямотрубной конструкции с напряженными двухстенными трубами. Основными причинами такого изменения явились ограниченные возможности увеличения единичной мощности J-образной конструкции, наличие неэффективно используемой поверхности в области гиба корпуса и относительно большое термическое сопротивление термообработанных трубок.
Современные экономические оценки показали, что прямотрубный ДПГ оказывается не на много дороже, чем другие конструкции. Малые различия в ценах связаны и с тем, что в двухстенных конструкциях нет влияния обезуглероживания на толщину внутренней трубки по отношению к давлению воды/пара, смягчаются требования к трубным доскам. Экспериментальные исследования теплотехнических характеристик в стационарных условиях и при кратковременных температурных ударах показали, что трубы с натягом обеспечивают высокую эффективность передачи тепла. При заполнении зазора гелием высокая теплопередача сохраняется при тепловых потоках, приводящих к расслоению стенок трубы. Длительные измерения показали, что теплопередача в начальный период несколько улучшается, оставаясь затем постоянной.
Исследования возможности детектирования протечек показали, что наилучшим решением, обеспечивающим быстрое определение течи, является контроль за содержанием гелия в натрии (хроматографический) и за содержанием водяных паров в гелии. Давление гелия может быть использовано как дополнительный параметр, позволяющий регистрировать протечки.
Основные характеристики прямотрубного ДПГ для промышленных АЭС с быстрым натриевым реактором следующие:
единичная мощность, МВт (тепл)...293
длина труб, м...23,5
активная длина труб, м...20,6
внешний диаметр труб, мм...21
внутренний диаметр труб, мм... 11 количество труб, шт. ...3366
внешний диаметр корпуса, мм...2340
сухая масса, т...347
Экономические показатели ДПГ можно еще более улучшить увеличением единичной мощности, но для этого необходимо разработать методы стыковки двухстенных труб. В этом отношении представляется интересным техническое решение [20], запатентованное в ряде стран. Теплообменная поверхность ПГ выполнена в виде плоских змеевиков из двухстенных труб, размещенных в кольцевом пространстве между центральной трубой и обечайкой корпуса. Стыковка труб осуществляется за пределами корпуса в специальных кольцевых камерах, соединенных с системой подачи индикационного газа и снабженных датчиками контроля. При этом обеспечивается не только отсутствие сварных соединений, разделяющих натрий и воду, но и контроль каждого из участков двухстенной трубы, составляющих одну плеть длиной свыше 100 м.

Значительный объем конструкторских и исследовательских проработок выполнен в ЧССР [21]. Прорабатывались четыре варианта конструктивного исполнения ДПГ: с натриевой индикацией, с гелиевой индикацией, обратный с гелиевой индикацией и с раздельным движением натрия и воды в трубах и заполнением межтрубного пространства сплавом Вуда. Эскизные проработки показали, что конструкция с раздельным течением теплоносителей в трубах значительно уступает остальным по экономическим показателям [18].
В своих проработках специалисты. ЧССР ограничились анализом модульных вариантов ДПГ. При технико-экономическом анализе [21] не были учтены различия в эксплуатации одно- и двухстенных конструкций. В настоящее время нет достаточно убедительного обоснования регламента работы ДПГ при потере герметичности одной из стенок двухстенной трубы. Без исследования этого вопроса не может быть убедительных технико-экономических оценок.
Ряд проработок ДПГ выполнен Подольским машиностроительным заводом им. С. Орджоникидзе. Указывается, что двухстенные парогенераторы обладают положительными качествами, среди которых особо выделяется возможность перехода к двухконтурной схеме АЭС. Авторы [4] считают, что возможно достижение высоких технико-экономических показателей ДПГ, но с оговоркой, что для практического их достижения необходимо решить ряд проблем, в основном касающихся контроля качества изготовления двухстенных труб и технологии сварки.
Таким образом, в настоящее время во всех заинтересованных странах ведутся достаточно серьезные проработки парогенератора для промышленных АЭС с РБН с двухстенными теплопередающими трубками. Основным стимулом к развитию этих работ является положительный опыт эксплуатации ДПГ, высокие показатели надежности и безопасности, перспективы перехода к двухконтурной схеме АЭС. Степень проработки двухстенных конструкций и опыт их практического применения пока значительно ниже, чем для обычных конструкций ПГ с одностенными трубами. Фактических данных по теплопередаче через двухстенные трубы, возможности контроля протечек слоев, поведению течей явно недостаточно, особенно если учесть существенное влияние технологических особенностей на эти характеристики.