[發(fā)明專利]一種具有石墨烯層的U型管

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410245405.1
• 申請日: 2014-06-04
• 公開（公告）號: CN105222117B
• 公開（公告）日: 2017-10-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周濤;宋明強(qiáng);劉亮
• 申請（專利權(quán)）人: 華北電力大學(xué)
• 主分類號: F22B37/00
• 分類號: F22B37/00;F28F21/02;C23C16/26
• 代理公司: 北京康思博達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11426
• 代理人: 路永斌,余光軍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域和核能領(lǐng)域，特別涉及到蒸汽發(fā)生器中U型管結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

核電站是利用核裂變或核聚變反應(yīng)所釋放的能量產(chǎn)生電能的發(fā)電廠，其內(nèi)部通常由一回路系統(tǒng)和二回路系統(tǒng)組成，其中反應(yīng)堆是核電站的核心。反應(yīng)堆內(nèi)部發(fā)生核聚變或核裂變反應(yīng)，釋放出的熱能由一回路系統(tǒng)的冷卻劑帶出，通過蒸汽發(fā)生器使二回路冷卻劑轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝瑥亩?qū)動汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，因此，整個一回路系統(tǒng)被稱為“核供汽系統(tǒng)”，它相當(dāng)于火電廠的鍋爐系統(tǒng)，二回路系統(tǒng)與火電廠的汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)基本相同。

目前，大多數(shù)反應(yīng)堆采用的是輕水堆，即，用輕水對核反應(yīng)堆中的中子進(jìn)行慢化和冷卻，輕水堆又分為壓水堆和沸水堆。現(xiàn)以壓水堆為例說明蒸汽發(fā)生器的作用。

壓水堆核電站的一回路系統(tǒng)與二回路系統(tǒng)完全隔開，它是一個密閉的循環(huán)系統(tǒng)。該核電站的原理流程為：主泵將低溫高壓一回路冷卻劑送入反應(yīng)堆，使之保持在120～160倍大氣壓，在高壓條件下，一回路冷卻劑即使溫度高于300℃仍不會發(fā)生汽化，液態(tài)一回路冷卻劑把反應(yīng)堆中釋放出的熱量帶出反應(yīng)堆，并進(jìn)入蒸汽發(fā)生器，通過傳熱管，把熱量傳遞給管外的二回路冷卻劑，通常使用水，使水沸騰產(chǎn)生蒸汽；一回路冷卻劑流經(jīng)蒸汽發(fā)生器進(jìn)行熱交換后，再由主泵送回反應(yīng)堆，這樣往復(fù)循環(huán)，不斷地把反應(yīng)堆中產(chǎn)生的熱量帶出，并轉(zhuǎn)換產(chǎn)生蒸汽；而從蒸汽發(fā)生器出來的高溫高壓蒸汽，推動汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，做過功的廢汽在冷凝器中凝結(jié)成水，再由給水泵送入加熱器，重新加熱后送回蒸汽發(fā)生器，這就是二回路循環(huán)系統(tǒng)。

由此可見，蒸汽發(fā)生器是連接一、二回路的重要設(shè)備，被稱為一、二回路的樞紐。蒸汽發(fā)生器能否安全、可靠地運(yùn)行對整個核動力裝置的經(jīng)濟(jì)性和安全可靠性有著十分重要的影響。而所謂的蒸汽發(fā)生器中的傳熱管則為整齊排列的U型管束，U型管束是蒸汽發(fā)生器中最重要的換熱組件，由核反應(yīng)堆堆芯流出的高溫一回路冷卻劑經(jīng)由U型管束與管外的水進(jìn)行換熱后再流回堆芯，不斷循環(huán)往復(fù)，進(jìn)行熱傳遞，U型管束換熱能力的好壞決定了蒸汽發(fā)生器換熱能力的大小。因此，制造U型管材料需要同時具備熱強(qiáng)性、熱穩(wěn)定性和焊接性能好，導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)小，抗均勻腐蝕、抗局部腐蝕能力強(qiáng)，有足夠塑性和韌性等優(yōu)點(diǎn)，而普通金屬材料難以達(dá)到這一要求。

目前，核電站用蒸汽發(fā)生器中的U型管主要選用因科鎳690材料,它的導(dǎo)熱系數(shù)約為12.1W/m·K，高于普通鋼材，同時它具有優(yōu)良的抗晶間腐蝕和抗晶間應(yīng)力腐蝕開裂的能力，機(jī)械性能遠(yuǎn)超普通鋼材。

然而核電站蒸汽發(fā)生器中因科鎳690材料制造的U型管的導(dǎo)熱系數(shù)仍不甚理想，存在提升空間，而其它具有更優(yōu)導(dǎo)熱系數(shù)的金屬材料的耐腐蝕性，強(qiáng)度等性能均無法同時滿足核電站蒸汽發(fā)生器中U型管性能要求，同時U型管管壁結(jié)構(gòu)富有改造余地。

此外，目前蒸汽發(fā)生器中的U型管經(jīng)長期使用，管壁傳熱性能顯著下降，破損嚴(yán)重，影響核動力裝置的傳熱效率，同時引發(fā)嚴(yán)重安全隱患。

石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料。其是由碳六元環(huán)組成的二維周期蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)單元為有機(jī)材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán)結(jié)構(gòu)，它可以卷成一維的碳納米管。石墨烯是目前世上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料，其結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，迄今為止，仍未發(fā)現(xiàn)石墨烯中有碳原子缺失的情況，同時石墨烯具有極強(qiáng)的導(dǎo)熱能力，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m·K，高于碳納米管和金剛石。

相對于單層石墨烯而言，多層石墨烯強(qiáng)度增大，但其導(dǎo)熱能力有所下降，盡管如此，多層石墨烯的導(dǎo)熱能力仍然強(qiáng)于因科鎳690材料，根據(jù)圓柱筒壁熱阻計(jì)算公式石墨烯導(dǎo)熱能力隨厚度的增加而下降。石墨烯導(dǎo)熱系數(shù)為5300W/m·K，因科鎳690導(dǎo)熱系數(shù)為12.1W/m·K，所以石墨烯導(dǎo)熱能力強(qiáng)于同厚度的因科鎳690材料。

在高壓流體的沖擊作用下，多層石墨烯的層間可以發(fā)生相對滑動，這會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形造成傳熱惡化

目前，尚未有對作為核心部件的U型管管壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)的報道，如能通過對U型管管壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)并選用適當(dāng)?shù)牟牧希赡軙_發(fā)出導(dǎo)熱性能更好，機(jī)械性能更強(qiáng)的U型管，以獲得更好的經(jīng)濟(jì)性和安全可靠性。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：在保持U型管外形尺寸不變，即保持U型管外徑不變的情況下在U型管管壁中設(shè)置石墨烯層，利用石墨烯超高的導(dǎo)熱性能來提高U型管的導(dǎo)熱效率，同時利用其穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)及化學(xué)惰性來增加U型管的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性，從而完成本發(fā)明。

本發(fā)明目的在于提供以下方面：