核電用HDPE管道熔接質(zhì)量控制與評判

馮 建 錢文來 康 萏 李懷見 魏作友

（上海納川核能新材料技術(shù)有限公司，上海 201306）

0 引言

高密度聚乙烯管道（HDPE）管道由于具有耐腐蝕、耐輻照、衛(wèi)生性能好、抗震和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，大量被用于市政供水和燃?xì)廨斔偷阮I(lǐng)域[1]。目前，在國內(nèi)外核電廠的承壓水輸送系統(tǒng)，尤其是與海水直接接觸的管道輸送系統(tǒng)中，如循環(huán)水系統(tǒng)、重要廠用水系統(tǒng)、淡水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、除鹽水系統(tǒng)等，往往采用碳鋼、鑄鐵、混凝土管作為系統(tǒng)主要管材，一般采用內(nèi)襯塑膠管、外刷防腐漆或外加陰極電流等作為管道附加保護(hù)手段，但是，隨著核電廠服役時間的增長（特別服役周期超過20年后）、水源條件的惡化以及系統(tǒng)各種復(fù)雜運(yùn)行工況的累積作用，出現(xiàn)了管道的內(nèi)襯塑膠脫落，陰極電流失效等問題，導(dǎo)致管道得不到有效的保護(hù)而發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕、結(jié)垢等[2]。無論是停堆修復(fù)還是管路清洗等都消耗大量的財(cái)力物力，而且不能實(shí)現(xiàn)根本性解決。

圖1 國內(nèi)某核電站核3級鋼管的內(nèi)部結(jié)垢腐蝕

自上世紀(jì)90年代起，美國和法國部分核電站開始研究并利用耐腐蝕性和耐輻照性能優(yōu)異的HDPE管道替換原有的碳鋼管、襯塑鋼管和不銹鋼管。該系統(tǒng)運(yùn)行至今未發(fā)現(xiàn)任何腐蝕、結(jié)垢問題，系統(tǒng)運(yùn)行性能優(yōu)異[3]。國內(nèi)核電用HDPE管道的研發(fā)和工程應(yīng)用尚處于起步階段，我公司自2015年起開始著重核電HDPE管道國產(chǎn)化研究，并在2017年參與我國某核電站首次核電HDPE管道改造項(xiàng)目。HDPE管道系統(tǒng)的連接方式主要有熱熔對接和電熔連接。管道連接接頭的質(zhì)量控制是管路系統(tǒng)安全性的重要保障。由于國內(nèi)普通市政、燃?xì)庥肏DPE管道的熔接接頭的質(zhì)量評判是依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和ISO標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，而核電HDPE管道熔接接頭的評判則是依據(jù)美國ASME規(guī)范體系，兩者之間存在差異化。因此非常有必要針對核級HDPE管道的熔接質(zhì)量控制與評價進(jìn)行分析研究，確保核電站核級HDPE管路系統(tǒng)熔接質(zhì)量的安全可靠。

1 核電HDPE熱熔對接接頭質(zhì)量控制與評判

核電HDPE管道熱熔對接的原理是在熔接過程中，加熱后結(jié)合面形成熔融層，熔融層內(nèi)溫度大于聚乙烯的粘流溫度，聚乙烯分子鏈間自由體積增大，聚乙烯分子鏈可以進(jìn)行自由地?cái)U(kuò)散和滑移等。此時對其施加軸向熔接壓力使兩個熔融層緊緊地?cái)D壓在一起，部分聚乙烯分子鏈會在外力的作用下打開分子鏈纏結(jié)點(diǎn)，通過分子間空穴躍遷到另一熔融層的分子間隙中，并與其分子鏈發(fā)生纏結(jié)，兩個熔融層中的部分高分子鏈互相擴(kuò)散、纏結(jié)，最后實(shí)現(xiàn)材料的牢固連接，如圖2所示。

圖2 核電HDPE管道熱熔對接示意圖

核電HDPE管道熱熔熔接過程中要通過以下辦法控制熔接質(zhì)量：（1）HDPE管道熱熔對接端面要垂直平整，不得有油污、雜質(zhì)等；（2）熱熔焊機(jī)夾具加緊后，兩段管材的錯邊量不允許超過管材壁厚的10%；（3）焊接人員要嚴(yán)格按照ASME BPVC.III.A XXVI-4000進(jìn)行資格評定；（4）按照評定后的工藝進(jìn)行，如果環(huán)境溫度偏差大，需要進(jìn)行補(bǔ)償。

熔接完成后需要通過以下辦法進(jìn)行質(zhì)量評判：（1）目視；（2）無損檢測；（3）高速拉伸沖擊試驗(yàn)。對于目視方法，ASME規(guī)范要求有以下評判準(zhǔn)則：a：不應(yīng)有裂紋或未焊區(qū)；b：接頭卷邊光滑均勻，高度一致，高于HDPE管道外壁本體；c：（接頭未發(fā)現(xiàn)傾斜，外徑錯變量小于公稱壁厚的10%；d：（評定試驗(yàn)結(jié)果記錄應(yīng)審查，確認(rèn)參數(shù)符合要求[4]。圖3為實(shí)際工程施工中的典型焊接缺陷示意圖。圖3（b）一般是由于以下三個原因?qū)е拢海?）兩個熔融段加熱溫度和加熱時間不一樣；（2）兩段焊管的材質(zhì)不同，非同一廠家或者非同一批次等，一般HDPE熔融溫度會有所出入；（3）兩段管材對中不好，發(fā)生偏移。圖3（c）能是熔接端面有夾雜等。圖3（d）則是由于HDPE管材水分含量過高。圖3（e）的焊縫中間皸裂等一般是由于切換時間過長或者加熱溫度過低導(dǎo)致。圖3（f）中焊縫卷邊未貼合一般是焊接壓力不夠或者是熔接面不平整導(dǎo)致。

圖3 核電HDPE管道熱熔焊縫外觀缺陷典型樣品

對于無損檢測，針對核電HDPE管道熱熔對接ASME規(guī)范推進(jìn)采用超聲波衍射時差法（Time Of Flight Diffraction，簡稱TOFD）和超聲波相控陣方法（Phased Array）。其中對于熱熔對接接頭通常采用TOFD方法，如圖4所示，該方法利用一發(fā)一收對稱布置的探頭精確測量缺陷的“端角”或“端點(diǎn)”處的縱波衍射傳播時間，以三角方程為理論基礎(chǔ)，圖像化顯示缺陷，并結(jié)合計(jì)算機(jī)完成缺陷尺寸和位置的定量檢測。TOFD和PA技術(shù)在金屬管道無損檢測領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是對于核級HDPE管道非金屬領(lǐng)域尚處于空白，我司前期通過大量的核級HDPE熔接缺陷模擬試驗(yàn)，研制了專用的超聲波設(shè)備，為核級HDPE管道工程施工提供了更安全的技術(shù)保障。

ASME BPVC.III.IX-QF分卷明確要求核級HDPE熱熔接頭的檢驗(yàn)試驗(yàn)采用方法是高速拉伸沖擊，對于壁厚≥32mm試樣，拉伸速度900mm/min；對于壁厚<32mm試樣，拉伸速度600mm/min。試驗(yàn)合格的依據(jù)是熔接焊縫不破壞或者韌性破壞[5]。而國內(nèi)針對普通HDPE管道的熱熔接頭檢驗(yàn)則是依據(jù)GB/T 19810-2005（ISO13953-2001），標(biāo)準(zhǔn)要求以5mm/min的恒定拉伸速度對接頭施加拉力，通過看接頭的破壞型式來評估熔接接頭性能[6]。高速拉伸沖擊的拉伸速度是普通拉伸速度的120～180倍。在實(shí)際試驗(yàn)過程中兩種評價方法的差別還是非常明顯。對于國內(nèi)某核電站項(xiàng)目中同一批拉伸樣品，高速拉伸沖擊如圖5（a）所示，在0.2s內(nèi)試驗(yàn)拉力達(dá)到9800N左右，試樣斷裂位置在焊縫以外且端面相對光滑。圖5（b）為國標(biāo)普通拉伸試驗(yàn)，在2.8～3s時間內(nèi)，試驗(yàn)拉力達(dá)到8000N，試樣斷裂位置在焊縫以為且斷裂面成“拉絲”狀?？梢园l(fā)現(xiàn)，ASME規(guī)范的要求更為苛刻，極短時間內(nèi)對熔接接頭施加巨大的拉應(yīng)力，能更好的評判熔接接頭的抗拉伸和沖擊能力。

2 核電HDPE電熔接頭質(zhì)量控制與評判

圖4 核電HDPE管道熱熔焊縫TOFD檢測

圖5 核電HDPE管道高速拉伸沖擊試驗(yàn)

核電HDPE管道電熔連接的原理是：電熔套筒或其他類型電熔管件內(nèi)壁有按照一定的工藝布置的銅絲電阻線圈，當(dāng)電熔套筒接電后，電阻絲發(fā)熱促使HDPE管材外壁和電熔套筒內(nèi)壁材料軟化、熔融和膨脹。HDPE熔體在受限空間內(nèi)的膨脹力促進(jìn)HDPE分子鏈的相互擴(kuò)散纏結(jié)，冷卻后形成可靠的熔接面。

圖6 核級HDPE管道電熔連接示意圖

核電HDPE管道電熔連接過程中需要通過以下方法進(jìn)行熔接質(zhì)量控制：（1）測量電熔焊機(jī)的電源電壓，確保電壓符合要求。國內(nèi)通用的標(biāo)注電壓為39.5±0.5V，電壓不穩(wěn)、過高或者過低都會導(dǎo)致熔接失?。唬?）待熔接的核級HDPE管材或者管件端部氧化皮的去除。一般采用專用工具，如手動刮刀，電動旋轉(zhuǎn)刮刀等。一般刮削量0.1～0.2mm；（3）待熔接的HDPE管材端面應(yīng)與軸線垂直，誤差控制在5mm以內(nèi)；（4）通電之前，要確保電熔套筒和待熔接管材同軸度≥2%，在大口徑厚壁HDPE管道電熔連接中需要做支撐，避免由于管材自重導(dǎo)致熔接組件同軸度偏差過大，影響焊接面質(zhì)量。

電熔熔接完成后需要通過以下辦法進(jìn)行質(zhì)量評判[4]：（1）目視；（2）無損檢測；（3）剝離試驗(yàn)；（4）壓碎試驗(yàn)。對于目視方法，ASME規(guī)范要求有以下評判準(zhǔn)則：（1）熔接區(qū)域外表面和可見內(nèi)表面無裂紋、過熱導(dǎo)致的內(nèi)部熔化和管件缺陷等；（2）電熔管件觀察孔應(yīng)當(dāng)有少量的HDPE熔融料頂出；（3）切開后的熔接面截面出現(xiàn)的孔洞或者空隙應(yīng)為圓形或者橢圓且無尖銳邊緣；（4）單個空隙尺寸不得超過熔區(qū)長度的10%，多個空隙的組合尺寸不得超過熔區(qū)長度的20%；（5）評定試驗(yàn)結(jié)果記錄應(yīng)審查，確認(rèn)參數(shù)符合要求。圖7為實(shí)際工程施工中的典型焊接缺陷示意圖。圖7（a）為焊接質(zhì)量合格的熔接面剖面，圖7（b），圖7（c）和圖7（d）分別為虛焊、孔洞和過焊的典型接頭剖面。虛焊一般是由于焊接熱量不夠或者氧化層未刮除干凈，需要檢查焊接電源電壓、焊接時間和氧化層去除情況。環(huán)境溫度過低往往也是導(dǎo)致虛焊的隱形因素。在電熔焊接時，如果兩段管材同軸度差，熔融的HDPE材料會因?yàn)閮?nèi)應(yīng)力和間隙不勻而流動，流向有間隙較大的部位，熔融的HDPE料會帶動電阻絲滑動，有的部位電阻絲會搭接在一起，有的分散嚴(yán)重，分散嚴(yán)重部位局部過熱，形成氣化空間。圖7（d）過焊往往是電熔焊機(jī)電壓過高或者焊接時間過長導(dǎo)致。但是實(shí)際工程施工應(yīng)用中，大功率設(shè)備和電熔焊機(jī)串聯(lián)使用，一旦大功率設(shè)備停機(jī)也會導(dǎo)致電熔焊接電壓突升，造成過焊。

圖7 核電HDPE管道電熔接頭典型缺陷示意圖

核電HDPE管道電熔接頭的無損檢驗(yàn)一般采用PA技術(shù)進(jìn)行，由于電熔管件內(nèi)部的銅絲線圈的干擾，該項(xiàng)檢測需要人員具備非常專業(yè)的檢驗(yàn)和分析技能。一般電阻絲滑移、孔洞等缺陷出現(xiàn)的概率較大。由于該方法涉及設(shè)備、人員和計(jì)算機(jī)軟件分析等繁多內(nèi)容，本文就不做詳細(xì)闡述。

ASME BPVC.III.IX-QF分卷中提到的剝離試驗(yàn)具體試樣尺寸可以參考ASTM F1055，試驗(yàn)拉伸速度為5mm/min。國標(biāo)GB/T 19808-2005針對燃?xì)庥秒娙酃芗惨?guī)定了拉伸剝離的要求，除了制樣尺寸跟ASME規(guī)范要求不一致以外，拉伸速率也是出入較大，國標(biāo)規(guī)定以25mm/min的拉伸速度作為仲裁[7]。因此針對核級HDPE電熔接頭的檢驗(yàn)試驗(yàn)，必須以相應(yīng)ASME和ASTM規(guī)范為依據(jù)，不能參照普通市政、燃?xì)庥肏DPE管道的檢驗(yàn)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。圖8是核電HDPE管道電熔接頭按照ASME規(guī)范進(jìn)行的拉伸剝離試驗(yàn)，該試驗(yàn)的評判依據(jù)是黃色標(biāo)記區(qū)的分離情況。若是熔接面不分離或者分離區(qū)域不超過熔合面總面積的15%，則認(rèn)為電熔連接接頭是合格的，否則可以判定電熔焊接有缺陷。

圖8 核電HDPE管道電熔接頭剝離試驗(yàn)示意圖

圖9 核電HDPE管道電熔接頭壓碎試驗(yàn)示意圖

對于核電HDPE管道的電熔接頭的壓碎試驗(yàn)，ASME BPVC.III.IX-QF分卷規(guī)定試樣取樣依據(jù)ASTM F1055，具體如圖9所示。試驗(yàn)的判定依據(jù)是只要熔合面完整，管材或者管件出現(xiàn)韌性破壞都可以接受；如果是熔合面破壞，則破壞面積要小于熔合面面積的15%。如圖9所示國內(nèi)某核電站項(xiàng)目核級HDPE管道電熔接頭的壓碎試驗(yàn)，經(jīng)過擠壓后熔合面外部發(fā)生分離，證明熔接質(zhì)量合格。

3 結(jié)論

綜上所述，國內(nèi)外工程案例表明核電HDPE管道能很好地解決目前核電站鋼管、鑄鐵管和襯塑鋼管的海水腐蝕問題。對于核電HDPE熱熔對接接頭采用目視、無損檢測和高速拉伸沖擊三個手段可以實(shí)現(xiàn)焊縫的質(zhì)量控制；對于電熔接頭采用目視、無損檢測、剝離試驗(yàn)和壓碎試驗(yàn)等四個方法可以實(shí)現(xiàn)電熔熔接的質(zhì)量控制。因此，在核電HDPE管道工程應(yīng)用過程中，科學(xué)合理地控制核電HDPE管道的熔接質(zhì)量，保證管路系統(tǒng)安全對于推廣核電HDPE管道國產(chǎn)化工程應(yīng)用具有十分重要的意義。