[发明专利]一种具有石墨烯层的U型管

说明书

技术领域

本发明涉及机械设备领域和核能领域，特别涉及到蒸汽发生器中U型管结构。

背景技术

核电站是利用核裂变或核聚变反应所释放的能量产生电能的发电厂，其内部通常由一回路系统和二回路系统组成，其中反应堆是核电站的核心。反应堆内部发生核聚变或核裂变反应，释放出的热能由一回路系统的冷却剂带出，通过蒸汽发生器使二回路冷却剂转变为蒸汽，从而驱动汽轮发电机组进行发电，因此，整个一回路系统被称为“核供汽系统”，它相当于火电厂的锅炉系统，二回路系统与火电厂的汽轮发电机系统基本相同。

目前，大多数反应堆采用的是轻水堆，即，用轻水对核反应堆中的中子进行慢化和冷却，轻水堆又分为压水堆和沸水堆。现以压水堆为例说明蒸汽发生器的作用。

压水堆核电站的一回路系统与二回路系统完全隔开，它是一个密闭的循环系统。该核电站的原理流程为：主泵将低温高压一回路冷却剂送入反应堆，使之保持在120～160倍大气压，在高压条件下，一回路冷却剂即使温度高于300℃仍不会发生汽化，液态一回路冷却剂把反应堆中释放出的热量带出反应堆，并进入蒸汽发生器，通过传热管，把热量传递给管外的二回路冷却剂，通常使用水，使水沸腾产生蒸汽；一回路冷却剂流经蒸汽发生器进行热交换后，再由主泵送回反应堆，这样往复循环，不断地把反应堆中产生的热量带出，并转换产生蒸汽；而从蒸汽发生器出来的高温高压蒸汽，推动汽轮发电机组发电，做过功的废汽在冷凝器中凝结成水，再由给水泵送入加热器，重新加热后送回蒸汽发生器，这就是二回路循环系统。

由此可见，蒸汽发生器是连接一、二回路的重要设备，被称为一、二回路的枢纽。蒸汽发生器能否安全、可靠地运行对整个核动力装置的经济性和安全可靠性有着十分重要的影响。而所谓的蒸汽发生器中的传热管则为整齐排列的U型管束，U型管束是蒸汽发生器中最重要的换热组件，由核反应堆堆芯流出的高温一回路冷却剂经由U型管束与管外的水进行换热后再流回堆芯，不断循环往复，进行热传递，U型管束换热能力的好坏决定了蒸汽发生器换热能力的大小。因此，制造U型管材料需要同时具备热强性、热稳定性和焊接性能好，导热率高、热膨胀系数小，抗均匀腐蚀、抗局部腐蚀能力强，有足够塑性和韧性等优点，而普通金属材料难以达到这一要求。

目前，核电站用蒸汽发生器中的U型管主要选用因科镍690材料,它的导热系数约为12.1W/m·K，高于普通钢材，同时它具有优良的抗晶间腐蚀和抗晶间应力腐蚀开裂的能力，机械性能远超普通钢材。

然而核电站蒸汽发生器中因科镍690材料制造的U型管的导热系数仍不甚理想，存在提升空间，而其它具有更优导热系数的金属材料的耐腐蚀性，强度等性能均无法同时满足核电站蒸汽发生器中U型管性能要求，同时U型管管壁结构富有改造余地。

此外，目前蒸汽发生器中的U型管经长期使用，管壁传热性能显著下降，破损严重，影响核动力装置的传热效率，同时引发严重安全隐患。

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。其是由碳六元环组成的二维周期蜂窝状点阵结构，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环结构，它可以卷成一维的碳纳米管。石墨烯是目前世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，其结构非常稳定，迄今为止，仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况，同时石墨烯具有极强的导热能力，导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石。

相对于单层石墨烯而言，多层石墨烯强度增大，但其导热能力有所下降，尽管如此，多层石墨烯的导热能力仍然强于因科镍690材料，根据圆柱筒壁热阻计算公式石墨烯导热能力随厚度的增加而下降。石墨烯导热系数为5300W/m·K，因科镍690导热系数为12.1W/m·K，所以石墨烯导热能力强于同厚度的因科镍690材料。

在高压流体的冲击作用下，多层石墨烯的层间可以发生相对滑动，这会导致结构变形造成传热恶化

目前，尚未有对作为核心部件的U型管管壁结构进行改进的报道，如能通过对U型管管壁结构进行合理设计并选用适当的材料，可能会开发出导热性能更好，机械性能更强的U型管，以获得更好的经济性和安全可靠性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案：在保持U型管外形尺寸不变，即保持U型管外径不变的情况下在U型管管壁中设置石墨烯层，利用石墨烯超高的导热性能来提高U型管的导热效率，同时利用其稳定的晶格结构及化学惰性来增加U型管的机械强度和耐腐蚀性，从而完成本发明。

本发明目的在于提供以下方面：