核電廠用超高分子量聚乙烯噴嘴研發(fā)與應(yīng)用

陳樹山，張廷晟，肖三平，李強(qiáng)濤，樊敏江，李志，何軍山

（1.深圳中廣核工程設(shè)計有限公司,廣東 深圳 518172；2.廣西防城港核電有限公司,廣西 防城港 538000；3.大亞灣核電運(yùn)營管理責(zé)任有限公司,廣東 深圳 518124；4.聚烯烴催化技術(shù)與高性能材料國家重點實驗室,上海 200062）

0 引言

沿海核電廠的運(yùn)行需要大量的海水進(jìn)行冷卻，核電廠設(shè)置旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)過濾海水保持其潔凈，并配置循環(huán)水過濾系統(tǒng)（CFI）通過噴嘴向旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)持續(xù)噴射高速水流，清潔濾網(wǎng)[1]。目前國內(nèi)核電廠采用不銹鋼噴嘴或進(jìn)口尼龍噴嘴，而核電廠均位于海邊[2]，不銹鋼噴嘴耐海水腐蝕能力不足[3]，尼龍噴嘴耐腐蝕性能雖好，但耐高速水流沖蝕的性能有限，需經(jīng)常更換。圖1 為噴嘴與管道組合安裝圖，每臺機(jī)組約200 個噴嘴。圖2 是使用過的尼龍噴嘴圖片，表1 為使用前后噴嘴孔口測量數(shù)據(jù)，可以看出，運(yùn)行一段時間以后，噴嘴由于磨損，初始的扇形流道磨損嚴(yán)重，出現(xiàn)不同程度的擴(kuò)孔，從現(xiàn)場情況來看，磨蝕嚴(yán)重的噴嘴噴射出的水流不再呈現(xiàn)扇形分布，沖洗范圍不能覆蓋濾網(wǎng)的完整截面，不利于鼓網(wǎng)沖洗，使濾網(wǎng)堵塞的可能性增大。此外，目前核電廠所采用的尼龍噴嘴為進(jìn)口產(chǎn)品，價格昂貴，供貨周期長。

圖1 噴嘴與管道安裝圖Fig.1 Nozzle and pipe installation picture

圖2 使用后的尼龍噴嘴Fig.2 Used nylon nozzle

表1 噴嘴喉部尺寸對比Tab.1 Nozzle laryngeal size comparison mm

通過調(diào)研，UHMWPE 材料是一種線性結(jié)構(gòu)的具有優(yōu)異綜合性能的熱塑性工程塑料，具有優(yōu)異的耐磨損、耐化學(xué)腐蝕等性能[4]。UHMWPE 的耐磨性為塑料之冠，對比幾類材料的砂漿磨損指數(shù)，UHMWPE的砂漿磨損指數(shù)最小[5]，其耐磨性是尼龍66 的4 倍，是碳鋼、不銹鋼的7～10 倍，能抵抗固體顆粒、粉體及固液混合高速摩擦磨損[6]。在加工性方面，UHMWPE 加工各種制品的能力不斷改進(jìn)、創(chuàng)新，應(yīng)用領(lǐng)域和數(shù)量逐年提高，國內(nèi)已經(jīng)具備較強(qiáng)的加工制造能力[7]。

基于此，本文利用國產(chǎn)UHMWPE 材料開發(fā)一種既耐海水腐蝕，又耐水流沖刷的噴嘴以滿足核電工程需求。本文從材料性能測試、產(chǎn)品制備及性能試驗進(jìn)行描述。

1 材料選擇及性能測試

1.1 UHMWPE 樹脂材料選擇

上?；ぱ芯吭河邢薰镜腢HMWPE 材料制造技術(shù)國內(nèi)領(lǐng)先，基于應(yīng)用需求，本項目選用了上海化工研究院有限公司聚合制備的UHMWPE Z-300樹脂，其力學(xué)性能與國際品牌對比見表2。

表2 國產(chǎn)UHMWPE 樹脂與國外品牌樹脂性能對比Tab.2 Comparison of domestic UHMWPE resin and foreign famous brand resin performance

通過表2 可以看出國產(chǎn)樹脂在力學(xué)性能方面與Ticona 公司產(chǎn)品相近，優(yōu)于日本三井化學(xué)產(chǎn)品；在可加工性能方面日本三井化學(xué)產(chǎn)品最優(yōu)，但是由于日本三井化學(xué)制品分子量僅為35～65×104g/mol 左右，力學(xué)性能一般；國產(chǎn)注塑級樹脂粘均分子量達(dá)到330×104g/mol，仍然具備2.0 g/10 min 的熔融指數(shù)（MFR），因此選用Z-300 作為本項目的噴嘴制作樹脂，兼顧成型性能及力學(xué)性能。

1.2 材料性能測試

噴嘴在使用過程中，需連續(xù)運(yùn)行18 個月，為確保產(chǎn)品的可靠性，針對UHMWPE 材料的耐磨性能分別開展?jié)L動磨損試驗、砂漿磨損試驗。另外，考慮高分子材料老化的影響，開展老化試驗，測試其強(qiáng)度變化，相關(guān)試驗的情況介紹如下。

1）滾動磨損試驗

為橫向比較材料的耐磨特性，委托國家能源核電非金屬材料實驗室對尼龍材料、高密度聚乙烯（HDPE）材料、以及UHMWPE 材料開展?jié)L動磨損試驗[8]，試驗數(shù)據(jù)見表3。在滾動磨損試驗下，UHMWPE 的磨損體積小于HDPE 和尼龍，耐磨性最好。

表3 滾動磨損試驗測試數(shù)據(jù)Tab.3 Roll abrasion test result

2）砂漿磨損試驗

由聚烯烴催化技術(shù)與高性能材料國家重點實驗室對尼龍材料、UHMWPE 材料開展砂漿磨損試驗，采用水和砂子混合物，對材料開展高速砂漿磨蝕[9]，試驗數(shù)據(jù)見表4，表中磨損指數(shù)越小，耐磨性越好。砂漿磨損試驗中，UHMWPE 材料耐磨性大大優(yōu)于尼龍材料。此試驗采用砂、水配比作為試驗介質(zhì)，能夠很好的反應(yīng)現(xiàn)場運(yùn)行工況。

表4 砂漿磨損測試數(shù)據(jù)Tab.4 Slurry abrasion test result

3）老化性能試驗

UHMWPE 材料具有良好的耐沖擊性和拉伸強(qiáng)度。沖擊強(qiáng)度約為聚碳酸酯的2 倍，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）的5 倍，尼龍的10 余倍[10]。考慮老化對材料的影響，在?25 ℃～80 ℃進(jìn)行熱循環(huán)250 次，歷時250 h，得出熱老化試驗數(shù)據(jù)見表5。由表5 可知，老化前后材料的性能基本沒有變化，具有優(yōu)良得耐老化性能。

表5 超高分子量聚乙烯老化前后性能對比Tab.5 UHMWPE aging test data comparison

同時，UHMWPE 材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到30 MPa左右，斷裂伸長率大于300%，具有良的韌性[11]，核電廠沖洗噴嘴的使用壓力一般小于1 MPa，其強(qiáng)度可滿足噴嘴的使用要求。

2 UHMWPE 噴嘴制備

UHMWPE 材料線性長分子鏈結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)異的綜合性能，但長分子鏈結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致其熔體粘度極高，其加工成型難度大[12]，一般加工方式有模壓、機(jī)加工、注塑等。UHMWPE 精密零部件僅僅依靠模壓成型或者機(jī)械加工實現(xiàn)，效率低、成本高昂，且尺寸精確度無法達(dá)到應(yīng)用需求，考慮本項目研制噴嘴對精度要求高，本項目選擇了注塑成型工藝用于制備核電用噴嘴。

注塑成型的工藝參數(shù)直接影響成品的質(zhì)量，工藝探索過程中主要針對注塑速率、模具溫度、冷卻時間進(jìn)行多輪次試驗。首先優(yōu)化選擇本項目注射速率，研究發(fā)現(xiàn)隨著注射速率提升，UHMWPE 熔體的剪切速率逐漸升高，在注塑機(jī)提供強(qiáng)剪切的情況下，高分子趨向于在流動方向取向，這種在流動方向發(fā)生取向的現(xiàn)象的外在宏觀表現(xiàn)就是熔體黏度下降，注射時間降低，在本項目中注射速率超過60%之后，注射時間下降趨于平緩，從表6 也可以看出，注射時間基本穩(wěn)定在2.0 s 左右，因此選擇最佳注射速率為額定注射速率的60%為最大注射速率。

表6 注射速率對制品的影響Tab.6 Effects of injection rate on products

其次，分析模具溫度對成型制品的影響。試驗各種模具溫度對注塑成型制品表面質(zhì)量的影響見表7，可以看出，隨著模具溫度的增加，注塑成型制品表面光滑度增加，在模具溫度增加到60 ℃之后，注塑制品的外觀合格率達(dá)到40%，在模具溫度增加到80 ℃之后，注塑制品的外觀合格率達(dá)到100%，因此本項目模具溫度選定為80 ℃。

表7 模具溫度對制品表面質(zhì)量的影響Tab.7 Effect of mold temperature on product surface quality

最后，分析冷卻時間對制品的影響，試驗不同冷卻時間制品尺寸的變化，數(shù)據(jù)見表8。由表8 可見，隨著冷卻時間的增加，注塑成型制品尺寸逐漸下降，這主要是由于隨著冷卻結(jié)晶的進(jìn)行，注塑制品尺寸逐漸收縮，在冷卻時間達(dá)到150 s 之后，注塑制品的尺寸趨于平穩(wěn)，因此本項目冷卻時間選定為150 s。

表8 冷卻時間對成型制品尺寸的影響Tab.8 Effect of cooling time on the size of products

在各主要工藝參數(shù)確定的基礎(chǔ)上，采用自主開發(fā)的動態(tài)鎖模技術(shù)，通過注塑模具制作噴嘴樣件。

3 綜合性能測試

為驗證成品的耐沖刷性能，開展高壓沖刷試驗。另外，為驗證開發(fā)的噴嘴水力特性滿足要求，進(jìn)行綜合水力試驗，獲取流量壓力性能參數(shù)。

3.1 高壓沖刷試驗

試驗采用6 個噴嘴進(jìn)行沖刷試驗，其中包含了UHMWPE 噴嘴和原進(jìn)口尼龍噴嘴。試驗在一段管道的側(cè)面安裝六個噴嘴，試驗系統(tǒng)壓力為1.3 MPa，遠(yuǎn)高于電廠正常運(yùn)行壓力0.5 MPa，累計沖刷600 h，進(jìn)行極限試驗，最后通過重量變化量對比磨損量，試驗結(jié)果為超高分子量聚乙烯噴嘴的重量變化率為0.2%～0.267%，而尼龍的重量變化率為1.687%，驗證了UHMWPE 噴嘴優(yōu)良的耐磨性能，優(yōu)于原進(jìn)口產(chǎn)品。

3.2 水力性能試驗

為驗證噴嘴的水力特性參數(shù)，建造水力試驗臺架，開展了43 個噴嘴的大型水力試驗，用于測量噴嘴的流量壓力數(shù)據(jù)[13]。試驗臺架如圖3 所示，通過測量得到各壓力下的流量數(shù)據(jù)。結(jié)合某核電廠的系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)，采用AFT Fathom 軟件對CFI 系統(tǒng)進(jìn)行水力學(xué)建模，詳細(xì)模擬系統(tǒng)的泵、閥、噴嘴、管道管件等部件[14]，將噴嘴流量壓力試驗結(jié)果數(shù)據(jù)代入AFT 水力學(xué)模型進(jìn)行計算，結(jié)果表明，噴嘴的水力性能達(dá)到核電廠旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)沖洗需求。

圖3 整體水力學(xué)試驗裝置Fig.3 Overall hydraulic test equipment

通過各項試驗及軟件模擬計算，驗證了所開發(fā)的噴嘴可以滿足電站使用的需求。

4 討論與分析

4.1 制備工藝

UHMWPE 材料是優(yōu)良的耐腐蝕、抗磨蝕材料，但其熔體低流動性對產(chǎn)品制造的影響很大，在產(chǎn)品制備工藝摸索過程中，需充分考慮產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形狀，設(shè)計合理的工藝參數(shù)以及模具流道。并在應(yīng)用前設(shè)計合適的試驗，驗證試制產(chǎn)品的性能。

4.2 應(yīng)用反饋

UHMWPE 噴嘴研發(fā)成功以后，在國內(nèi)某核電廠進(jìn)行了應(yīng)用，在運(yùn)行過程中觀察運(yùn)行情況，噴射情況良好，如圖4 所示。運(yùn)行一個換料周期（18 個月）后[15]，拆卸部件進(jìn)行檢查，噴嘴無沖刷擴(kuò)孔現(xiàn)象，完美達(dá)到了其功能要求。

圖4 某核電廠噴嘴運(yùn)行情況Fig.4 Nozzle operation in nuclear power plant

5 結(jié)論

1）本文研發(fā)的UHMWPE 噴嘴使用效果良好，解決了數(shù)十年來該部件依賴國外進(jìn)口的問題，成本和供貨周期更加可控。

2）通過滾動磨損試驗，砂漿磨損試驗以及水力沖刷試驗充分論證了UHMWPE 材料的耐磨性，在有沖刷、磨蝕的場合，此材料是很好的選擇。

3）在后續(xù)進(jìn)一步的運(yùn)行數(shù)據(jù)累積驗證后，該產(chǎn)品具備各核電基地批量使用的條件。

4）基于UHMWPE 優(yōu)良的材料性能，可結(jié)合本文思路，研發(fā)新產(chǎn)品，替代更多的傳統(tǒng)材料，促進(jìn)核電廠的技術(shù)革新。