金屬反射型保溫結構在核電的應用

南小飛 劉悅強

(山東核電有限公司，山東 煙臺 265116)

金屬反射型保溫結構在核電的應用

南小飛 劉悅強

(山東核電有限公司，山東 煙臺 265116)

簡述了國內核電廠核島常用保溫材料的特點需求，介紹了傳統保溫和金屬反射型保溫形式，著重描述了金屬反射型保溫的結構原理及特點優勢。

金屬反射型保溫；核島；優勢；應用

0 引言

“十一五”期間，我國提出了“節能減排”的要求，以提高能源效率、優化能源結構、適應社會主義市場經濟體制，從而達到能源與經濟、社會、環境的協調發展。保溫，作為節能減排的重要措施之一，在國內電廠發展的數十年間，其材料和工藝都得到了長足的發展。而金屬反射型保溫作為一種新型的保溫形式，由于其固有的特點和優勢，在核電廠的應用更是取得了迅速的發展。

1 核電廠核島保溫材料的特點

目前，在火電、化工、冶金、機械制造等行業實際應用的保溫材料多以巖棉、膨脹珍珠巖、微孔硅酸鈣、玻璃纖維、硅酸鋁等非金屬材料為主。隨著我國大力推進核電建設，核電廠的保溫問題也逐漸突顯出來。同常規電廠比較，核電廠核島內采用的保溫材料應具有以下特點：

(1) 耐輻照性。由于核電站獨特的輻照環境，要求保溫材料應具有較好的耐輻照性。常規的非金屬保溫材料在經受一定劑量的輻照后，強度降低，易脆化，形成粉末或結塊收縮，導致部分保溫層形成“空殼”，使得保溫層的導熱系數增加，保溫性能大大降低。

(2) 相容性。核島內的設備和管道基本均為奧氏體不銹鋼材質，因此保溫材料的鹵素含量應符合標準GB/T17393—2008《覆蓋奧氏體不銹鋼用絕熱材料規范》的要求，以免對設備或管道造成腐蝕的風險。

(3) 快速拆裝性。由于核島內的輻射劑量較高，為了保護檢維修人員的身體健康，盡量減少人員所受輻射劑量，核島內的保溫材料應盡量采用可快速拆裝的結構，以縮短拆裝所需工時，從而減少人員受輻射劑量。

(4) 重復利用性。常規保溫材料和傳統保溫施工方法(捆扎、涂抹、粉刷等)的特點導致在核島內拆除的保溫材料易被破壞，重復利用性能相對較差，易產生粉塵，且具有放射性，難以去污，因此加大了核電廠放射性廢物的處置成本，同時增加了檢維修人員受輻照的風險。

AP1000機組核島內的設備和管道保溫基本全部采用金屬反射型保溫層，能有效降低壓力容器、蒸發器、泵、管道等一回路設備的散熱損失。

2 現行核島保溫的結構形式和特點

2.1 捆扎式保溫

捆扎式保溫是保溫領域應用最廣的方式。目前多應用于火電、核電常規島等區域，在核島內也有少量應用。該保溫方式將保溫材料(硅酸鋁棉、玻璃棉、硅酸鹽等)包覆在保溫對象外表面，并使用鋼絲捆扎固定；之后使用鋼板或鋁板制成外護板，敷設在保溫材料外部作為外護。

捆扎式保溫的優點在于成本低，施工工藝較簡單。缺點在于更換周期短、現場施工周期較長、保溫結構強度差(常出現電廠尚未投產，大量管線的外護已被踩扁的現象，嚴重影響保溫性能和美觀度)、保溫材料更換時粉塵大且具有放射性、對人員的傷害嚴重、更換下來的材料不可重復使用，提高了電廠的廢物處置成本。

2.2 金屬雙壁式保溫

金屬雙壁式保溫的結構為不銹鋼板制成保溫殼體，內部填充常規非金屬保溫材料。該保溫方式目前大量使用在已投產的核電廠核島設備和管線上。

金屬雙壁式保溫的優點在于拆裝方便、不易產生粉塵，因此，放射性廢物對人員的傷害相對較小。缺點在于長時間使用后內部保溫材料會出現粉化、收縮現象，影響保溫效果。

日本福島事故之后，國家核安全局對國內在役核電廠的安全設施進行了檢查。其中地坑濾網事故下的堵塞風險受到了業內各方的關注，而保溫材料作為堵塞的重要源項自然也受到了極高的重視。目前大量采用的金屬雙壁式保溫在事故下不能規避大量保溫棉絮的產生，從而增大了地坑濾網堵塞的風險。

2.3 金屬反射型保溫

1955年，英國首先在熱力工程上使用金屬反射型保溫。20世紀60年代初，前蘇聯在600～800 ℃的燃氣輪機上使用多層的金屬反射型保溫結構，采用0.15～0.2 mm厚的1Cr18Ni9Ti不銹鋼箔制成多層的熱屏，熱屏間隙為1.5 mm，屏間有點接觸的針式、三角形、波紋形的反射襯片。后來，經過從業人員多年的努力發展，金屬反射型保溫取得了長足的進步，保溫性能和結構形式有了很大的提升。

2.3.1 結構與保溫原理

金屬反射型保溫結構是由多層壓制成一定形狀的厚度在0.05～0.1 mm的不銹鋼箔片重疊、具備氣隙結構、放置在不銹鋼板材制成的殼體內組合而成的一種保溫結構，如圖1所示。反射型保溫在結構上主要由內板(高溫側)、外板(低溫側)、端板、側板、金屬箔片及快速搭扣、把手等附件組成，如圖2所示。金屬反射型保溫根據金屬箔片的形式大致分為3種基本形式：

(1) 壓紋箔式，是在金屬外板之間重疊多層壓成波紋的金屬箔組成；

(2) 平行板式，是在金屬外板之間把平板形的金屬箔等間距排列，層與層之間用導熱系數小的多條隔熱條(2～3 mm)把金屬箔分隔開而組成的；

(3) 凸起式，是在金屬外板之間重疊多層壓制成突起樣式的金屬箔組成。保溫塊之間使用快速搭扣連接以便現場能夠快速拆卸，減少安裝或檢維修時間。金屬反射型保溫可根據現場設備及管道形狀預制成板狀、彎頭、三通、閥門、泵、容器等形狀。

圖1 金屬反射型保溫結構簡圖

圖2 金屬反射型保溫實物圖

在金屬反射型保溫中，熱傳導、熱對流和熱輻射3種熱傳遞方式是同時存在的，其中散熱損失的比例約為：傳導占7%，對流占28%，輻射占65%。金屬反射型保溫結構的保溫原理是利用不銹鋼箔片之間的點接觸限制熱傳導；利用不銹鋼箔片之間的薄間隙給空氣對流造成阻礙，以限制內部空氣的對流；并利用金屬箔的反射特性增加反射次數以減少熱輻射，從而實現保溫的目的?？傊?，反射型保溫主要通過降低熱對流和熱輻射的形式來達到保溫目的。

2.3.2 特點與優勢

AP1000機組核島內幾乎全部采用金屬反射型保溫，這是由它的特點和優勢決定的，總結起來主要有以下幾點：

(1) 相容性好，且耐腐蝕。安全殼內設備與管道的安全運行條件要求較高，設備和管道多采用不銹鋼材料。金屬反射型保溫全部由不銹鋼材料制成，對設備和管道不會產生腐蝕，同時對酸堿溶液具有良好的耐蝕性。

(2) 易拆裝，無粉塵，輻照劑量小。在設備維護和檢查時，縮短停運時間和減少對工作人員放射性輻照十分重要，而金屬反射型保溫拆裝快捷，不產生任何粉塵，更不會產生放射性粉塵，適應在役檢查等維修工作需要，避免和減少放射性物質對操作人員和維修人員的輻照時間，降低電廠的整體劑量水平，從而大大節省放射性管理費用。

(3) 易清洗，保溫性能穩定，機械性能好，重復利用率高，使用時間長。為避免保溫吸潮結塊及伴隨產生的帶有放射性顆粒的污染水處理問題，反射型保溫材料采用經過光澤加工的不銹鋼材料，表面光滑，沾染的放射性物質可以用水清洗掉，去污時即使浸水也不影響性能。同時，不銹鋼材質耐輻照性能較好，因此，保溫性能穩定，能長期保持初期的保溫效果；另外，由于其具有良好的機械性能，可反復使用，使用壽命長。

(4) 重量輕，保溫效果好，制作靈活。金屬反射型保溫導熱系數與非金屬材料大體相當，且重量輕，能根據設備形狀進行預制，應用靈活。

除此之外，金屬反射型保溫由于材料、結構和制作特點，還具有抗震、適合高溫及潮濕環境等優勢。

2.3.3 國內應用情況

目前在役的核電機組和在建的二代加機組核島保溫中，基本只有反應堆壓力容器采用金屬反射型保溫結構；在建的AP1000核電站雖然核島內基本全部采用金屬反射型保溫結構，但是由于種種原因，基本全部是國外公司供貨，造成價格壟斷和服務響應相對較慢等問題。

針對這種情況，國內保溫行業積極開展金屬反射型保溫的國產化科研和市場推廣工作，經過不懈努力，陸續完成了國外標準要求的各項試驗，滿足了規范要求并通過了相關行業協會的鑒定，為金屬反射型保溫在國內核電保溫領域的推廣和應用奠定了堅實的基礎。

3 結語

保溫對電廠的經濟效益和安全性有著重要的作用，隨著國內核電行業的發展，保溫工作在業內也得到了越來越多的重視。面對核電發展的新形勢和新要求，整體提高核電廠的安全性和經濟效益，金屬反射型保溫的研發和推廣已逐漸成為核電建設中不可或缺的環節。相信在不久的將來，隨著國內金屬反射型保溫行業的繼續發展，金屬反射型保溫會在核電行業得到更加廣泛的應用。

[1] 潘家禎.管路手冊[M].化學工業出版社，2011

[2] 冉崇富.反射型保溫結構[J].核動力工程，1982(6)

[3] 楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].高等教育出版社，1998

[4] 吳川林.金屬反射型保溫材料的性能與應用[J].電力建設，1991(11)

2014-09-03

南小飛(1980—)，男，湖北人，工程師，研究方向：核電廠維修。

劉悅強(1985—)，男，山東人，助理工程師，研究方向：核電廠維修。