CN105222117B - 一种具有石墨烯层的u型管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有石墨烯层的U型管，该U型管用于核电站一回路系统的蒸汽发生器中，其管壁设置石墨烯层；根据本发明提供的具有石墨烯层的U型管具有热阻小，发电效率高，机械强度大和经济实用等特点。
Description
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：
(1)一种具有石墨烯层的U型管，其特征在于：该具有石墨烯层的U型管用于核电站一回路系统的蒸汽发生器中，其包括呈U型的管体，管体的两侧管呈圆柱筒状，其管壁包括石墨烯层，其中，
U型管的外径为17～22mm，U型管管壁厚度为0.08～2mm；
石墨烯层的厚度为0.08～0.2mm，其中，石墨烯层化学气相沉积方法制备，其中沉积条件如下：
生长气体为将甲烷，甲烷通入速度15～25sccm，生长温度为920～980℃，降温速度为8～12℃/min；
U型管管体的侧管开口端设立环形阻力件。
(2)根据如上(1)所述的一种具有石墨烯层的U型管，其特征在于，所述石墨烯为多层石墨烯。
(3)根据如上(1)所述的一种具有石墨烯层的U型管，其特征在于，所述环形阻力件设置于距离管体的侧管开口端1～5cm处。
(4)根据如上(1)所述的一种具有石墨烯层的U型管，其特征在于，所述U型管管壁由石墨烯层构成，其中，U型管管壁厚度为0.08～0.12mm。
(5)根据如上(1)所述的一种具有石墨烯层的U型管，其特征在于，所述U型管管壁包括层压的内壁层1和外壁层2，其中，
内壁层1由因科镍690材料构成，外壁层2由石墨烯构成，其中，内壁层1的厚度为0.9～1.8mm，外壁层2厚度为0.1～0.2mm；
U型管管壁厚为1～2mm；
外壁层2通过气相沉积方法形成于内壁层1上。
(6)根据如上(1)所述的一种具有石墨烯层的U型管，其特征在于，所述U型管管壁包括层压的内壁层1和外壁层2，其中，
内壁层1由石墨烯构成，外壁层2由因科镍690材料构成，其中，内壁层1的厚度为0.1～0.2mm，外壁层2厚度为0.9～1.8mm；
U型管管壁厚为1～2mm；
内壁层1通过气相沉积方法形成于外壁层2上。
(7)根据如上(1)所述的一种具有石墨烯层的U型管，其特征在于，所述U型管管壁包括依次层压的内壁层1、中壁层3和外壁层2，其中，
内壁层1与外壁层2分别由石墨烯构成，中壁层3由因科镍690材料构成，其中，内壁层1和外壁层2的厚度分别为0.1～0.2mm，中壁层3厚度为0.8～1.6mm；
U型管管壁厚为1～2mm；
内壁层1和外壁层2分别通过气相沉积方法形成于中壁层3上。
(8)根据如上(1)所述的一种具有石墨烯层的U型管，其特征在于，所述U型管管壁包括依次层压的内壁层1、中壁层3和外壁层2，其中，
内壁层1与外壁层2分别由因科镍690材料构成，中壁层3由石墨烯构成，其中，内壁层1和外壁层2的厚度分别为0.45～0.9mm，中壁层3厚度为0.1～0.2mm；
U型管管壁厚为1～2mm；
中壁层3通过气相沉积方法形成于内壁层1上，外壁层2涂铸于中壁层3上。
(9)根据如上(1)所述的一种具有石墨烯层的U型管，其特征在于，所述U型管管内流通一回路冷却剂，U型管管外流通二回路冷却剂。
根据本发明提供的一种具有石墨烯层的U型管，具有如下有益效果：
(1)通过石墨烯材料的使用，减小了U型管热阻，有效地提高了蒸汽发生器U型管的导热能力，从而增加了一、二回路系统的传热效率，提高核电厂发电效率，增加经济效益；
(2)有效改善了U型管的耐高温、抗腐蚀性能及机械强度，从而提高其安全性、稳定性，不易损坏，从长远角度看，具有可观的经济性；
(3)设计U型管的外形尺寸与现有通用U型管外形尺寸相同，从而能够保持蒸汽发生器结构不发生改变，因此不会由于本发明提供的U型管的使用而引起核电站的改建，便于U型管的推广使用。
附图说明
图1示出根据本发明优选实施方式(一)的U型管的横剖面图；
图2示出根据本发明优选实施方式(一)的U型管的纵剖面图；
图3示出根据本发明优选实施方式(二)的U型管的纵剖面图；
图4示出根据本发明优选实施方式(二)的U型管的横剖面图；
图5示出根据本发明优选实施方式(三)的U型管的纵剖面图；
图6示出根据本发明优选实施方式(三)的U型管的横剖面图。
附图标号说明：
1-内壁层
2-外壁层
3-中壁层
具体实施方式
以下通过具体实施方式进一步解释或说明本发明内容，但实施例不应被理解为对本发明保护范围的限制。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明公开的是一种导热效率高，耐腐蚀性能好，安全可靠的具有石墨烯层的U型管，具体地：
本发明提供的具有石墨烯层的U型管，其特征在于：该具有石墨烯层的U型管用于核电站一回路系统的蒸汽发生器中，其包括呈U型的管体，管体的两侧管呈圆柱筒状，其管壁包括石墨烯层，其中，
U型管的外径为17～22mm，U型管管壁厚度为1～2mm；
石墨烯层的厚度为0.08～0.2mm；
U型管管体的侧管开口端设立环形阻力件。
单层石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，其由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的二维材料，被认为是平面多环芳香烃原子晶体。因此，石墨烯是目前世上最薄同时也是最坚硬的纳米材料；也是由于其上述的特殊结构，石墨烯具有化学惰性，即使在高温高压下一般也不与其它物质发生化学反应，具有良好的耐高温耐腐蚀的性能；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。因此，本发明采用石墨烯作为提高U型管性能的材料。
本发明中所述石墨烯为多层石墨烯，其层数为5.5×104～1.5×106层，层间距为0.34nm，总厚度为0.08～0.2mm。
在本发明中，设计U型管的外形尺寸与现有通用U型管外形尺寸相同，从而能够保持蒸汽发生器结构不发生改变，因此不会由于本发明提供的U型管的使用而引起核电站的改建，便于U型管的推广使用；同时，由于多层石墨烯的机械强度大，耐高温高压耐腐蚀性能卓越，因此可以减小管壁厚度，从而节约材料，节省成本。
在高压高速流体冲击作用下，多层石墨烯层间可能发生相对滑动，从而导致U型管结构变形，进而造成传热恶化，然而，石墨烯滑动容易在平面上进行，其在U型管弯曲部分不易发生相对滑动，而在两侧管部分容易发生相对滑动，因此本发明在U型管管体的侧管开口端设置环形阻力件，来阻碍这种相对滑动。
在根据本发明提供一种具有石墨烯层的U型管，该U型管管壁包括石墨烯层。
石墨烯层可以采用气相沉积方法，即CVD方法制备。作为生长石墨烯层的CVD方法，现有技术中有相关报道，例如Large area few-layer graphenegraphite films astransparent thin conducting electrodes，Applied physics letters95，123115，2009；Large-scale growth of grapheme films for stretchable transparent electrodes，Nature，doi:10.1038/nature07719。
在本发明中，发明人经过研究发现，适于在本发明石墨烯层生长的条件如下：生长气体为将甲烷，甲烷通入速度15～25sccm，生长温度为920～980℃，生长时间为30～60分钟，降温速度为10℃/min，冷却末温度为室温。
在根据本发明的一个优选的实施方式(一)中，如图1和图2所示，所述的具有石墨烯层的U型管管壁完全由多层石墨烯构成，厚度为0.08～0.12mm。
该包含石墨烯层的U型管是通过以下方法制造的：
将甲烷通入内径为17～22mm，温度为920～980℃的因科镍690管的内表面30～60分钟，使甲烷在因科镍690管的内表面分解，并在降温速度为10℃/min的条件下，降温至室温，从而形成0.08～0.12mm厚的石墨烯层。
当一回路冷却剂流经U型管内时，热量自一回路冷却剂经由石墨烯壁层传递至二回路冷却剂。
在另一个优选的实施方式(二)中，如图3和图4所示，所述的具有石墨烯层的U型管包括层压的内壁层1和外壁层2，其中内壁层1或外壁层2由石墨烯构成，其厚度为0.1～0.2mm，其另一层为因科镍690材料构成，其厚度为0.9～1.8mm。
其中，该包含石墨烯层的U型管通过以下步骤制造：将甲烷通入内径为20～21mm(或外径为21.8～21.9mm)，温度为920～980℃的因科镍690管的内表面(或外表面)30～60分钟，使甲烷在因科镍690管的内表面(或外表面)上分解，并在降温速度为10℃/min的条件下，降温至室温，从而形成0.1～0.2mm厚的石墨烯层。
当一回路冷却剂流经U型管内时，热量自一回路冷却剂依次经由内壁层1、外壁层2传递至二回路冷却剂，具体而言，热量自一回路冷却剂传递至内壁层1内表面，经内壁层1传至外壁层2内表面，再经外壁层2的热传导，热量由外壁层2外表面传递至二回路冷却剂。
在另一个优选的实施方式(三)中，如图5和图6所示，所述的具有石墨烯层的U型管包括依次层压的内壁层(1)、中壁层(3)和外壁层(2)，其中内壁层1和外壁层2由石墨烯构成，其厚度为0.1～0.2mm，中壁层3由因科690材料构成，其厚度为0.8～1.6mm；或者内壁层1和外壁层2由因科镍690材料构成，其厚度为0.45～0.9mm，中壁层3由石墨烯构成，其厚度为0.1～0.2mm。
其中，该包含石墨烯层的U型管通过以下步骤制造而得：
将甲烷通过内径为19.9～22mm，温度为920～980℃的因科镍690材料的外表面30～60分钟，使甲烷在其外表面上分解，并在降温速度为8～12℃/min的条件下，降温至室温，从而形成0.1～0.2mm厚的石墨烯层，继续在石墨烯层表面涂布熔融态的因科镍690材料，形成厚度为0.45～0.9mm的因科镍690层。
当一回路冷却剂流经U型管内时，热量自一回路冷却剂依次经由内壁层1、中壁层3、外壁层2传递至二回路冷却剂，具体而言，热量自一回路冷却剂传递至内壁层1内表面，经由内壁层1传递至中壁层3，再由中壁层3传递至外壁层2，热量由外壁层3外表面传至二回路冷却剂。
根据本发明提供的具有石墨烯层的U型管，有以下优点：
第一，通过石墨烯材料的使用，减小了U型管热阻，有效地提高了蒸汽发生器U型管的导热能力，从而增加了一、二回路系统的传热效率，提高核电厂发电效率，增加经济效益；
第二，有效改善了U型管的耐高温、抗腐蚀性能及机械强度，从而提高其安全性、稳定性，不易损坏，从长远角度看，具有可观的经济性；
第三，设计U型管的外形尺寸与现有通用U型管外形尺寸相同，从而能够保持蒸汽发生器结构不发生改变，因此不会由于本发明提供的U型管的使用而引起核电站的改建，便于U型管的推广使用。
实施例
实施例1
本实施例采用气相沉积方法制备石墨烯层，其中，生长气体为甲烷，甲烷通入速度20sccm，生长温度为950℃，生长时间为60分钟，因科镍690管的内径为21mm，降温速度为8℃/s，降温至室温，从而形成0.2mm厚的直管状石墨烯层。
该U型管的拉伸强度1000Gpa、杨氏模量1060Gpa，
热阻为1.13×10-3m2K/w。
实施例2
本实施例采用气相沉积方法制备石墨烯层，其中，生长气体为甲烷，甲烷通入速度22sccm，生长温度为980℃，生长时间为40分钟，因科镍690管的外径为21.8mm，使甲烷在因科镍690管的外表面上分解，降温速度为10℃/s，降温至室温，从而形成0.2mm厚的石墨烯层。
该U型管的拉伸强度1000Gpa、杨氏模量1060Gpa，
热阻为1.65×10-3m2K/w。
实施例3
本实施例采用气相沉积方法制备石墨烯层，其中，生长气体为甲烷，甲烷通入速度22sccm，生长温度为980℃，生长时间为40分钟，因科镍690管的外径为21.8mm，使甲烷在因科镍690管的外表面上分解，降温速度为10℃/s，降温至室温，从而形成0.2mm厚的石墨烯层。
该U型管的拉伸强度1000Gpa、杨氏模量1060Gpa，
热阻为1.70×10-3m2K/w。
实施例4
本实施例采用气相沉积方法制备石墨烯层，其中，生长气体为甲烷，甲烷通入速度25sccm，生长温度为930℃，生长时间为50分钟，因科镍690管的外径为21.1mm，内径为19.9mm，降温速度为8℃/s，降温至室温，从而在因科镍690管内壁和外壁分别形成0.9mm厚的石墨烯层。
该U型管的拉伸强度1000Gpa、杨氏模量1060Gpa，
热阻为2.23×10-3m2K/w。
实施例5
本实施例采用气相沉积方法制备石墨烯层，其中，生长气体为甲烷，甲烷通入速度18sccm，生长温度为960℃，生长时间为45分钟，因科镍690管的内径为19.9mm，降温速度为12℃/s，降温至室温，从而在因科镍690管内壁和外壁分别形成0.9mm厚的石墨烯层，继续在石墨烯层表面涂布熔融态的因科镍690材料，形成厚度为0.9mm的因科镍690层。
该U型管的拉伸强度1000Gpa、杨氏模量1060Gpa，
热阻为2.39×10-3m2K/w。
对比例
本对比例为外径为22mm，壁厚为2mm的因科镍690材料的U型管，其机械强度，传热效率，耐腐蚀性等实验数据如下：
其拉伸强度为1200Mpa、杨氏模量9000Mpa，
热阻为2.64×10-3～3.52×10-3m2K/w。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
Claims (2)
1.一种具有石墨烯层的U型管，其特征在于：该具有石墨烯层的U型管用于核电站一回路系统的蒸汽发生器中，其包括呈U型的管体，管体的两侧管呈圆柱筒状，其管壁包括石墨烯层，其中，
U型管的外径为17～22mm，
所述U型管管壁包括依次层压的内壁层(1)、中壁层(3)和外壁层(2)，
内壁层(1)与外壁层(2)分别由石墨烯构成，中壁层(3)由因科镍690材料构成，其中，内壁层(1)和外壁层(2)的厚度分别为0.1～0.2mm，中壁层(3)厚度为0.8～1.6mm；
U型管管壁厚为1～2mm；
内壁层(1)和外壁层(2)分别通过气相沉积方法形成于中壁层(3)上，其中，沉积条件如下：
生长气体为甲烷，甲烷通入速度为15～25sccm，生长温度为920～980℃，降温速度为8～12℃/min；
U型管管体的侧管开口端设立环形阻力件，所述环形阻力件设置于距离管体的侧管开口端1～5cm处，
所述U型管管内流通一回路冷却剂，U型管管外流通二回路冷却剂。
2.根据权利要求1所述的一种具有石墨烯层的U型管，其特征在于，所述石墨烯为多层石墨烯。
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