AP1000 HDPE熱熔焊施工技術(shù)

曾豪 劉昌年

摘要：由于HDPE材料在AP1000核電站中的使用屬于國內(nèi)核電建設中的首次應用，沒有施工先例和經(jīng)驗，本文根據(jù)海陽AP1000核電站SWS系統(tǒng)HDPE管道的施工過程和經(jīng)驗，總結(jié)了HDPE熱熔焊接的施工技術(shù)，包括管道之間熱熔焊接、接管座熱熔焊接、法蘭熱熔焊接，以及施工中應重點關(guān)注的問題。

關(guān)鍵詞：AP1000;HDPE;熱熔焊;施工技術(shù)

1.AP1000-?SWS系統(tǒng)介紹

1.1?SWS簡介

SWS是為CCS提供冷卻的系統(tǒng)，然后CCS再為主泵等設備提供冷卻。從循環(huán)水泵房前池取冷海水，經(jīng)三臺SWS立式泵打到過濾器，再到CCS換熱器換熱后排入虹吸井。整個系統(tǒng)管道材質(zhì)分為HDPE和鎳基合金兩大部分，其中室內(nèi)部分包括循環(huán)水泵房和常規(guī)島第一跨內(nèi)為鎳基合金，廠區(qū)部分都是HDPE材質(zhì)。該系統(tǒng)影響整個核電廠調(diào)試，是比較重要的一個制約系統(tǒng)。本文著重介紹HDPE部分的施工技術(shù)及施工中應注意的問題。

1.2國外HDPE管的應用和現(xiàn)狀

PE3408的管道等級樹脂已經(jīng)為電力行業(yè)提供管道服務超過25年了，近年來HDPE樹脂管在工程特性上有了發(fā)展，升級的PE4710樹脂，能提供超級抗裂性、優(yōu)良的耐磨、耐腐蝕性以及高壓工況下的工作能力，在2007年開始應用于工業(yè)。

PE3408的樹脂管道等級早已在美國AmerenUE?Callaway核電站中應用40多年，如冷卻塔排污管。在緊急廠用水（Essential?Service?Water）中第一次應用于核三級管道中，在這之前，從沒有HDPE管道應用在核級系統(tǒng)的工程中，故必須得到ASME以及美國核管會（NRC）的批準，為了達成此事，AmerenUE?Callaway?核電站以及工程顧問的質(zhì)量工程師包括ISCO公司工程師組成一個團隊研究制定了一個ASME核三級管道的新規(guī)范案例：ASME?Code?Case?N-755，它包括系統(tǒng)設計、培訓、預制、安裝、檢查檢驗等，在2007年被ASME批準，這是一個重大的突破，這也成為了AmerenUE?Callaway?核電站向美國核管會申請最終批準的基礎(chǔ)。便隨著ASME對HDPE管材的準入，HDPE在工程應用中的領(lǐng)域又擴大了。

2.?HDPE熱熔焊施工技術(shù)重點

在確定設備及材料供應商后，要提前組織供應商及設計方共同勘察施工環(huán)境并測量內(nèi)部數(shù)據(jù)，根據(jù)測量數(shù)據(jù)確定材料定尺長度及管件和焊機的選型。HDPE管道施工流程如下，本文著重介紹熱熔焊及檢驗和試驗的相關(guān)技術(shù)：

施工前準備→管道引入→定位放線→切割下料→熔接→焊縫檢查→水壓試驗

2.1管道的定位放線及切割下料

管道定位放線必須依據(jù)設計院發(fā)布的最新版布置圖及設計變更，所有坐標以核島坐標為基準，根據(jù)測量基準點進行放線。

HDPE管的切割宜選用木工鋸和電動鋸，因綜合管廊相對密閉，施工期間通風狀況不理想避免采用汽油鋸。

2.2?HDPE熱熔焊接

因熱熔焊接是國內(nèi)核電中的首次應用，沒有施工先例和施工經(jīng)驗，本文重點介紹熱熔焊接的施工技術(shù)，包括管道熱熔焊接、支管臺熱熔焊接、法蘭熱熔焊接三大部分。

2.2管道熱熔焊

焊接準備工作是確保焊機的工作條件滿足焊接要求。如：檢查卡具是否緊固、電氣連接是否正確、液壓裝置里的油夠不夠、加熱板是否符合外觀檢查的要求并對銑刀和油泵進行試運行。

放置HDPE?管

（1）清潔即將連接管段的內(nèi)外表面，清除需被焊機夾持的管道部件表面的雜物。

（2）管段固定時必須找正以使其表面在同一平面上。最大錯邊量應小于管道或配件壁厚的10%，且最大錯邊量不能超過2mm。

（3）固定管道時管端應伸出最后一個卡具約20～50mm，這樣有約5～15mm可以銑削，剩余長度用于熔接。

（4）管子就位后固定頂端的卡具。將頂部卡具的螺栓均勻地上緊以保證管子不變形。然后進行冷對口檢查需銑削的厚度。

銑削管子表面：分開兩管段置入銑刀，打開銑刀電源并調(diào)節(jié)到適當?shù)乃俣?。合攏管段兩端，并加以適當?shù)膲毫?，直到兩端均有連續(xù)的切屑出現(xiàn)。

銑削后，檢查管端的錯邊量與橢圓度。如需調(diào)整，通過扣緊高側(cè)的夾具，將高側(cè)的調(diào)低。不能松動低側(cè)的夾具，否則熔接期間可能出現(xiàn)滑動。

表面加熱：在加熱板放入夾具前，所有的操作人員都應掌握操作中要求的參數(shù)。

清潔加熱工具器面。對每個管段外端口封堵以阻止空氣流動到加熱板上。檢查加熱板的溫度是否處于指定溫度范圍。

保持熔接壓力，直到觀察到管道端部出現(xiàn)少量熔化物，才可降低壓力。每英寸管壁厚上保持4.5分鐘的熱浸時間。持續(xù)加熱管端，直到加熱表面上產(chǎn)生了符合要求尺寸的熔珠。

達到加熱時間后，立即分開兩根管段，取出加熱板，快速合攏兩管端，在規(guī)定壓力下兩管端保持接觸一定時間直至冷卻，對于每英寸壁厚至少保持11分鐘冷卻時間，對于焊后要進行拖運的管段，要額外增加30分鐘冷卻時間。

2.2.1支管臺熱熔焊接

使用硬度為50至60的砂布，將待連接配件的主管表面刮擦約0.007英寸深，以清除所有氧化物或污染物。

清潔加熱器面。將加熱工具放置在主管上配件底部所在的中心處。立即將配件移向加熱面，施加初始加熱壓力，直到在主管頂部觀察到熔體后將該壓力減小至熱浸壓力。保持熱浸壓力直到加熱結(jié)束。注意：不管現(xiàn)場環(huán)境溫度如何，都要按規(guī)定的加熱溫度加熱。

在支座熱熔合格后，用HDPE專用開孔工具對主管進行開孔，并清理內(nèi)部碎屑，保持管道內(nèi)部清潔。

2.2.2法蘭熱熔焊接

法蘭熔接基本程序跟管道相同。注意：在法蘭跟管道或者彎頭連接之前，先要把跟法蘭配套的Back-Up-Ring套在管道或者法蘭上，否則焊好后將無法套入。

法蘭面緊固需要用力矩扳手按照十字交叉順序且分四次，每次25%力矩，緊固到要求力矩。力矩扳手校驗不能超過4個月，且要求緊固力矩不能超過力矩扳手所能緊固的最大力矩的60%。緊固法蘭螺栓時，沿圓周選取至少3?到4?處測量法蘭間的間隙，以證實法蘭均勻貼合。每擰緊一圈，記錄間隙位置和間隙閉合距離。[2]

2.3焊縫檢查

焊縫檢查主要依靠外觀檢查，看兩側(cè)熔珠是否均勻、大小是否合乎標準。注意：焊珠之間的V形槽深度不得大于管表面上方的焊珠高度的一半。[3]

對于支管臺焊縫，將接頭與目測檢查指南進行對比。應有三個熔珠，配件底部周圍有一個熔珠，加熱工具邊緣處的主管上有一個熔珠，以及一個主管熔珠。配件和管的熔珠應為圓形，且大約1?8英寸寬，全部圍繞配件底部。

對于法蘭焊縫檢測方法同管道。

除目視檢測外，還可以依據(jù)ASTM2620中的side?back方法用Side-Bender對焊縫進行抽樣檢測，原理是在焊縫處截取一段，把截取部分銑成不低于1”厚度的薄板，然后用Side-Bender進行側(cè)彎試驗，要求試樣彎曲后，靠彎內(nèi)側(cè)的彎曲半徑比最小壁厚小，檢查焊縫的抗彎破壞能力。[4]

2.4水壓試驗

在所有管線施工完成后，進行水壓試驗，試驗方法同金屬管道。注意：因HDPE材質(zhì)特殊，在水壓過程中管道膨脹率較大且管線長，導致升壓時間長，建議采用大功率升壓泵;水壓試驗前要保證支架完整，防止試驗過程中管道擺動傷人。

3.HDPE熱熔焊接優(yōu)點

HDPE熱熔焊在國外是成熟的工藝，在美國已經(jīng)應用在核電站核級系統(tǒng)中，在開闊的環(huán)境下相對于傳統(tǒng)電焊，有以下優(yōu)點：

（1）熔接快速，對于30”大口徑管道來說，HDPE材質(zhì)熱熔一個焊口時間約為3小時，包括管道倒運、組對、切削、熱熔等階段時間，而傳統(tǒng)金屬材質(zhì)焊接時間約需2天的時間，節(jié)約工期明顯

（2）無需焊接填充材料，只需一次投入購買熱熔焊機的資金

（3）熱熔焊機對操作和儲運的環(huán)境要求相對寬松，環(huán)境溫度0～50℃之間，相對濕度低于95%且無可見結(jié)露的情況下，都可以運行。相對于傳統(tǒng)電焊對相對濕度的要求較寬松。

（4）熱熔焊機操作工需要在廠家培訓后并考試合格即可取得操作證，培訓加取證時間為7～10天，相對于傳統(tǒng)焊工ASME取證（約20天）快捷很多。

參考文件：

[1]?ISCO?Documents：PT800?Operating?Manual

[2]?PPI?Documents：?TN-38/July?2011?Bolt?Torque?For?Polyethylene?Flanged?Joints

[3]?PPI?Documents：?TR-33?Generic?Butt?Fusion?Joining?Procedure?for?Field?Joining?of?Polyethylene3

[4]?ASTM-F2620-12?Standard?Practice?for?Heat?Fusion?Joining?of?Polyethylene?Pipe?and?Fittings

作者簡介：

曾豪，男，1980年11月出生，山東平度人，工程師，畢業(yè)于青島大學熱能與動力工程專業(yè)，工程碩士，現(xiàn)從事核島管道施工技術(shù)及管理工作。