摘要：针对高温液态金属泵在核电站的重要性，本文通过从介质物理特性、腐蚀与磨损，泵结构与吸入性能等多方面因素分析，以确定水力设计指标，并以分析要求优化水力模型，从而保证高温液态泵性能指标和提高运行可靠性，具有实用的设计价值，为高温液态金属泵的设计提供了新的方法及理论基础。
一、引言
目前，国内核电高端泵的关键设备技术受制于国外，不利于国家核电的发展，所以对于这样关键设备国产化是非常有意义的，可以减少国家外汇支出，同时也避免国外技术的约束。现代发电设备和热机提高工作温度，以提高系统安全性和系统效率，传统介质水已不能满足发电系统的要求；液态金属有低熔点、高热导效率、低汽化压力、低中子吸收系数等的优点，如钠、铅铋等已成功应用于核反应堆。
泵是循环高温液态金属介质的必需设备，其长期在高温环境下无故障连续运转的可靠性要求比水泵高。过流部件是泵的关键部件，泵的性能（包括流量Q、扬程H、汽蚀）是其重要指标；由于泵输送液态金属介质时，受到介质的物理特性、腐蚀与磨损，及泵结构布置与吸入性能等多方面影响因素，故泵的水力模型的设计指标需要综合这些因素的分析再确定。
本文在我公司科研项目的基础上，内容主要以液态钠作分析，从影响泵性能指标的多方面因素分析，并以分析要求优化水力模型，从而保证泵的性能指标和提高运行可靠性，为试验提供了理论依据。
二、泵性能指标相关因素分析
为保证高温泵性能指标和满足运行可靠性，水力部件是泵的重要关键部件。其水力模型选型和设计至关重要，下面我们从泵送介质物理特性、腐蚀与磨损，泵结构布置与吸入性能等方面来分析。
2.1 介质物理特性[1]
1）钠的物理特性：熔点98℃，沸点881.4℃；
泵设计温度350℃，密度0.868g/cm3，粘度0.311CP，饱和汽压14.7Pa；
查水物理特性知，250-500℃的液态钠粘度指标与70-100℃的水类似，但液态钠汽化压力非常低，只有0.017m，故使用液态金属作为传热介质，泵吸性能非常好，循环泵设计为低压高温泵。钠液的物理性质会随温度变化而变化，钠液的密度、粘度、比热、导热系数等参数根。
考虑钠的材料特性，材料应该考虑其物理-机械特性、与钠的相容性、工艺特性及焊接特性，保证泵的寿期内，都具有很好的工作性能。与钠接触的主要结构材料为奥氏体不锈钢，司太立合金；在堆外的结构材料可选用碳素钢、合金钢。
2.2腐蚀与磨损
过流部件的腐蚀、磨损与介质的温度、流速相关。
1）温度：温度对材料腐蚀的影响最显著。无论固体材料中，还是材料和液态金属界面，温度都直接影响了元素的扩散、溶解。系统温差是影响质量迁移的重要因素。
2）流速：钠系统低流速下，腐蚀速率随流速增加而明显增加；高流速下，腐蚀速率则保持在一个稳定值。时间：运行初期，材料的腐蚀速率随时间不断上升；长时间运行后，材料的腐蚀速率达到稳定状态。
304、316奥氏体不锈钢在高温动态钠的已有相关的腐蚀试验数据[2]：600℃液钠，奥氏体不锈钢表现为失重，2000h平均腐蚀量≤0.014mm/a。
由于叶轮浸没在液钠中，为保证过流部件水力尺寸稳定和使用寿命，腐蚀与磨损还与材料表面处理有关系，叶轮的选材应具耐高温液态钠腐蚀及空蚀的性能，同时具有较好的刚强度和抗疲劳性能以及抗冲击性能。因此过流部件必需采用稳定化处理，叶轮应渗铬后氮化复合处理减少叶片磨损。
由于泵体的温度梯度很大，不能简单地使用平均温度下的物性用于计算。为了更准确地模拟泵体内部温度场，应采用非线性物性用于计算。通过ASME II-D-Metric TableTCD Group K P728-744 查阅到泵体材料（F316H）在各温度下的物性：密度为7900kg/m³，比热容和热导率通过Origin软件进行拟合，得到其在温度变化范围内的关于温度T的函数，最后通过CEL语言编写载入到CFX 中进行计算，拟合曲线见图1-1、图1-2。式中：T—热力学温度，K
TC=13.9004+0.01459×（T-273.15）
SH=484.77161+0.36938×（T-273.15）-0.00144×（T-273.15）2+4.13979×10-6×（T-273.15）3-5.5173×10-9×（T-273.15）4+2.64558×10-12×（T-273.15）5-1.48626×10-6×（T-273.15）3
图2-1 热导率-温度曲线
图2-2 比热容-温度曲线
2.3 泵结构布置与吸入性能
泵常用为机械泵，采用立式单级离心式，自由液面，可抽芯泵。
泵可抽芯部分包括叶轮、导叶、流体静压轴承（下部轴承）、轴、连接壳体、泵盖、检修密封、机械密封、上部轴承等。泵的抽芯部分与外壳体采用环形舌沿焊接密封；通过搭接法兰与外壳体固定。
根据泵的控制尺寸要求及参数，确定钠供给回路中钠泵的水力模型。整个计算域分为进口段、叶轮、导叶和蜗壳四部分组成，在进行计算分析之前，根据零件二维图将主要的过流部件进行三维建模。为了保证进口段、出口段具有较稳定的流动状态，进口段、出口段必须加长处理（加长尺寸为4倍直径）。
泵的水力部件的薄弱环节为叶轮，叶轮的主要故障模式为叶片与前后盖板结合处出现裂纹以及叶轮与密封环的摩擦。水力部件固有可靠性的提高首先应消除薄弱环节故障，其次应努力降低或消除危害度较大的故障模式发生的概率。
叶轮采用闭式叶轮，浸没在自由液面的液钠里，叶轮的选材应具耐高温液态钠腐蚀及空蚀的性能，同时具有较好的刚强度和抗疲劳性能以及抗冲击性能。液面上用氩气覆盖，以保证泵的吸入压力、防止钠泄漏、隔热等作用。
2.3.1提高泵吸入性能
泵布置一般采用池式或从缓冲罐内吸液、自由液面，都需要考虑叶轮吸入状态，避免进口无漩涡和气体旋入。
措施：1）减少吸入口速度，叶轮浸没在一定深度的液钠中；
2）降低汽蚀余量，有利于降低覆盖氩气压力。
在叶轮盖板与叶轮叶片的连接处属于几何突变部分，存在较大的应力集中。因此应降低此处的应力集中值。建议采用整体加工模式，避免采用焊接结构；在过渡段设置合理的倒圆降低该处最大应力集中值；采用高标准控制表面光洁度。
2.3.2优选泵设计转速
泵采用立式离心泵，单轴，上下两轴承支撑结构，因此泵结构需要先分析泵临界转速，轴系设计为刚性轴，同时分析汽蚀性能，选择运行高可靠性的设计转速。 高温液态金属泵要求使用寿命比较长，根据水力部件可靠性模型，将螺栓和垫片的组合看成一个组件，则水力部件的可靠度等于其所有零部件的可靠度与螺栓垫片组件可靠度的乘积。
2.3.3 轴承方面泄漏量
泵下部轴承采用滑动轴承，尤其是动静压轴承，是泵最关键的核心部件，其位于下部壳体，用于支撑泵转子部件；由于轴系长，要求轴承在转速在 150-990r/min范围内具有很高的承载性能，以保证轴系的稳定性。静压轴承与上部组合轴承一起支撑泵转子部件；所要求的承载性能非常高。静压轴承摩擦副采用堆焊耐高温耐磨司太立合金，泵腔的压力通过双缝隙节流，通过外壁上的螺旋槽向静压轴承的静压腔提供钠液，以实现轴承的润滑和承载；正常运行时永不碰擦。在确定设计水力模型前，先分析轴承润滑流量损失和耗功；水力设计指标流量需增加这部分的流量损失，避免性能指标远低于设计要求。
满足高温液态金属泵性能指标是非常重要的，在确定水力模型设计指标时必需通过上述影响因素的分析，确定流量，扬程，转速，汽蚀余量和结构尺寸参数（叶片厚度，入口要求）等后进行水力模型设计，再仿真流场分析进行模型优化设计，最后通过水力模型试验台验证，保证泵过流部件的性能设计指标。
三、总结
1）提供设计准则，应采用模块化设计，通过泵的简化设计，对泵及其部件功能进行分析权衡，合并相同或相似功能，取消不必要的功能设计。水力模型设计要简单，便于加工与制作；
2）采用成熟的技术和工艺，过流表面打磨处理光洁度Ra≤6.3，提高过流部件的流道吸入性能；
3）可通过提高平均强度（如通过加大安全系数）、降低平均应力、减小应力变化（如通过对使用条件的限制）、和减小强度变化（如合理选择工艺方法，严格控制工艺过程，或通过检验试验剔除不合格的零部件）来进行结构设计。影响任务成功的关键部件如果具有单点故障模式，则应考虑采用冗余设计技术。绕组测温元件进行备份；
4）因泵在高温使用工况，模型设计还需考虑过流件材料性膨胀系数的水力尺寸效应。
参考文献
[1]《钠-钠钾合金工程手册》.
[2] 许咏丽.《国产快堆材料与高温钠相容性研究概况》.
论文作者:徐德耀,明国卿
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/8/29
标签：水力论文; 叶轮论文; 液态论文; 部件论文; 性能论文; 轴承论文; 高温论文; 《基层建设》2019年第11期论文;