核電廠用大口徑厚壁聚乙烯管道的制造工藝和試驗(yàn)方法研究

馮 建，吳 雙，趙云龍，王 亮

(1.上海納川核能新材料技術(shù)有限公司，上海 201306；2.上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233)

國(guó)內(nèi)外核電廠及部分火電廠的承壓水輸送系統(tǒng)，如循環(huán)水系統(tǒng)、廠用水系統(tǒng)和除鹽水系統(tǒng)等，之前采用的都是大口徑碳鋼襯膠、混凝土管、鋼筒混凝土管或碳鋼管加陰極保護(hù)等。但是隨著管道服役時(shí)間的增長(zhǎng)、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)了襯膠脫落，腐蝕結(jié)垢及海生物附著等問題，導(dǎo)致管道系統(tǒng)輸送能力下降，大量的維修或更換工作不僅導(dǎo)致運(yùn)行成本顯著增加，甚至威脅到核電廠冷源系統(tǒng)的安全性。

高密度聚乙烯管道具有極好的耐腐蝕能力，而且使用壽命長(zhǎng)，抗震性能優(yōu)異，焊接質(zhì)量可靠等性能優(yōu)勢(shì)[1-2]。近年來，隨著塑料加工技術(shù)的優(yōu)化及原材料性能的提升，大口徑聚乙烯管道在核電廠的應(yīng)用也越來越普遍。2005年，法國(guó)電力集團(tuán)(EDF)采用了外徑32 in(812.8 mm)，尺寸比DR11的聚乙烯管道對(duì)Sizewell B 核電站冷卻水管道系統(tǒng)腐蝕嚴(yán)重的管道進(jìn)行替換，改造后系統(tǒng)運(yùn)行良好，這也是全球首次使用聚乙烯 管道作為核安全相關(guān)冷卻水管道[3]。2012年，美國(guó)ISCO公司提供材料牌號(hào)為PE4710，管道外徑36 in(914.4 mm)，尺寸比為DR17的管道應(yīng)用在阿聯(lián)酋Barakah核電站1號(hào)至4 號(hào)機(jī)組冷卻水系統(tǒng)[4]。我國(guó)核電站目前聚乙烯承壓管道的使用仍是非常稀少，三門和海陽(yáng)核電站在廠用水系統(tǒng)中應(yīng)用了外徑30 in(762 mm)，尺寸比為DR9的聚乙烯管道，向汽輪機(jī)廠房提供冷卻水[5]。這也為后續(xù)我國(guó)大口徑厚壁管道的應(yīng)用提供了借鑒意義。

目前大口徑厚壁聚乙烯管道的應(yīng)用主要集中在核電站的特殊工藝管路系統(tǒng)，而且這些管道的原材料特性、制造工藝和檢驗(yàn)試驗(yàn)主要是依據(jù)美國(guó)ASME規(guī)范和ASTM標(biāo)準(zhǔn)，而且施工設(shè)計(jì)多數(shù)采用架空敷設(shè)[6]，有別于普通市政聚乙烯管道。所以對(duì)于推廣這些產(chǎn)品的普遍應(yīng)用仍有以下問題需要重點(diǎn)研究。

1 高密度聚乙烯原材料

目前核電用聚乙烯管道采用的原材料普遍為PE4710等級(jí)，按照ASTM D3350的規(guī)定，牌號(hào)PE4710體現(xiàn)了材料的物理特性(密度)，性能特性(耐慢速裂紋增長(zhǎng))和介質(zhì)為水時(shí)的設(shè)計(jì)應(yīng)力(HDB乘以給水用管設(shè)計(jì)參數(shù))。PE4710中的——“4”指密度要達(dá)到ASTM D3350規(guī)定的值(0.947到0.955 g/cm3)；高性能PE4710——“7”指耐慢速裂紋增長(zhǎng)性能(PENT試驗(yàn)要求2 000 h)。當(dāng)給水用管設(shè)計(jì)因子采用0.63時(shí)候，PE4710牌號(hào)最后2位為“10”就代表靜液壓設(shè)計(jì)應(yīng)力為1 000 psi。其主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1中PE4710的熔體質(zhì)量流動(dòng)速率技術(shù)要求范圍比較寬(4～20 g/10 min)，目前常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果在6～9 g/10 min范圍內(nèi)。而針對(duì)核電廠重要廠用水系統(tǒng)(SEC)或者廠用水系統(tǒng)(SWS)，所用管道外徑為DN800或者DN900，壁厚普遍在80～110 mm，這導(dǎo)致了聚乙烯管材生產(chǎn)加工難度大大提高。主要因?yàn)榫垡蚁┎牧显谑軣崴芑瘮D出過程中，聚乙烯分子鏈一般處于粘流態(tài)，如圖1所示。粘流態(tài)的聚乙烯熔體流動(dòng)變形較為容易，方便加工定型。

但在粘流態(tài)時(shí)，聚乙烯材料的流動(dòng)性，使得大口徑聚乙烯管材管壁厚內(nèi)部熔融態(tài)的材料在重力作用下沿著圓周方向流動(dòng)，產(chǎn)生熔垂現(xiàn)象。熔垂造成管材上方的壁厚最薄，管材端面4點(diǎn)鐘和8點(diǎn)鐘位置的壁厚最厚，如圖2箭頭位置區(qū)域，壁厚偏差超出標(biāo)準(zhǔn)要求。如何能增強(qiáng)聚乙烯材料的抗熔錘特性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)管道的壁厚尺寸偏差的精準(zhǔn)控制是目前原材料廠家和管道制造廠家共同面臨的技術(shù)難題。

圖2 36in DR11聚乙烯管道Fig. 2 The 36in DR11 HDPE pipe

1.1 原材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)在很多高等級(jí)的HDPE樹脂在聚合生產(chǎn)過程中都會(huì)通過引入1-丁烯、己烯或1-辛烯，以上少數(shù)單體的含量一般不超過1%～2%。通過引入這些長(zhǎng)鏈分子，一方面可以提高材料的耐慢速裂紋增長(zhǎng)性能[7]，現(xiàn)在很多材料慢速裂紋試驗(yàn)可以進(jìn)行6 000 h以上。同時(shí)，由于共聚單體的引入，也會(huì)使得聚乙烯分子鏈之間的纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)增加，能有效提高熔體強(qiáng)度，在實(shí)際擠出生產(chǎn)過程中，更容易控制管道壁厚均一性。這個(gè)需要石化廠家根據(jù)市場(chǎng)需求，從催化劑、聚合工藝及聚合單體的分子鏈長(zhǎng)度等方面考量，優(yōu)化HDPE的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升HDPE數(shù)值的抗熔錘性能。

1.2 PE4710與PE100的統(tǒng)一性

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)目前較為普遍的HDPE樹脂為PE100級(jí)，是采用ISO 9080方法(GB/T 18252等同采用)得到的最小要求強(qiáng)度(MRS)，目前適用大多數(shù)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)體系，其實(shí)PE100與PE4710是屬于兩個(gè)不同標(biāo)準(zhǔn)體系下的材料分類定級(jí)。具體差異如表2所示。

表2 PE100和PE4710兩種材料定級(jí)方法的區(qū)別

最終PE100的MRS和PE4710的HDB一方面是由于定級(jí)方法的不同而不同，另一個(gè)方面是兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系的設(shè)計(jì)因子不一樣，會(huì)導(dǎo)致同種材料生產(chǎn)的管道按不同標(biāo)準(zhǔn)體系有不同的公稱壓力值。

隨著聚合工藝、催化劑的優(yōu)化，很多材料的50年設(shè)計(jì)許用應(yīng)力(σLPL)已經(jīng)得到很大的提高，某些管道樹脂在20 ℃下50年的σLPL為11.3 MPa，屬于下一個(gè)11.2～12.5 MPa的定義等級(jí)[8]。ISO 技術(shù)委員會(huì)TC138 /SC4 于2000年同意PE壓力管道等級(jí)的下一個(gè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)分類為PE125。而且我們針對(duì)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的一些PE100混配料做過性能比對(duì)試驗(yàn)，一般性能都可以達(dá)到PE4710的技術(shù)指標(biāo)要求。后續(xù)如何能使用國(guó)內(nèi)廠家研發(fā)的PE100混配料制造核電廠廠用水HDPE管道，還需要原材料廠家、設(shè)計(jì)院以及制造廠家共同推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一性。

2 管配件制造工藝

目前部分市政工程也在應(yīng)用按照GB/T 13663.2或者ISO 4427標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)大口徑管道，但是相對(duì)核電或者火電等特殊場(chǎng)所的工藝管道而言，市政供水大口徑管道公稱壓力普遍為1.0 MPa或者0.8 MPa，壁厚較小。配套的管件如三通、彎頭等都是采用焊制工藝成型，如圖3所示。

圖3 按照ISO標(biāo)準(zhǔn)焊制90°彎頭和正三通Fig. 3 The fabricated 90° elbows and tee according to the ISO standard

但是按照ISO 4427-3的規(guī)定，切割角度對(duì)焊制管件最終成品的耐壓性能是有一定影響的[9]。如圖4所示，焊制彎頭的每段管材的切割角度β小于7.5°時(shí)，管件的壓力折減系數(shù)宜取1.0；切割角大于7.5°時(shí)，管件的壓力折減系數(shù)宜取0.8。焊制三通管件的壓力折減系數(shù)宜取0.5。但是對(duì)于核電廠來說，管路系統(tǒng)壓力較大，一般管路設(shè)計(jì)壓力最大可達(dá)1.3 MPa，而且系統(tǒng)安全余量要求高。目前應(yīng)用的管道如36 in DR9規(guī)格，最小壁厚已超過100 mm。如果仍采用焊制工藝預(yù)制彎頭和三通，考慮相應(yīng)的壓力折減，需要SDR7厚壁管道來制備相應(yīng)的焊制彎頭、三通等。SDR7的壁厚等級(jí)的大口徑管道受限于原材料的抗熔錘特性及加工過程的模具和工藝，不但生產(chǎn)難度比較大，而且采用降低SDR等級(jí)的大口徑厚壁管道焊制管件的通徑較小，整個(gè)管路系統(tǒng)的通流能力受到一定影響。所以一體注塑成型的大口徑厚壁管件將會(huì)是未來工程應(yīng)用的首選。

圖4 焊制管件的切割角βFig. 4 The cut angle of fabricated fittings

3 性能試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 管件短期耐壓性能試驗(yàn)

根據(jù)ASME規(guī)范及ASTM D3261標(biāo)準(zhǔn)要求[10]，針對(duì)大口徑注塑管件包括焊制管件，需要開展外觀檢驗(yàn)、尺寸檢驗(yàn)、高溫液壓試驗(yàn)、短期液壓性能試驗(yàn)。其尤其針對(duì)大口徑管配件的短期液壓試驗(yàn)屬于一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。ASTM D3261中對(duì)于DN350～DN1600的聚乙烯注塑管件，要求60～70 s超過最小爆破壓力，試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D1599。

(1)

式中，S——環(huán)應(yīng)力，PE4710取20 MPa；

Do——管材外徑，mm；

t——管材壁厚，mm；

P——管材的使用壓力，MPa。

例如32 in DR11三通，按標(biāo)準(zhǔn)要求，需要在60～70 s達(dá)到或超過最小爆破壓力4.0 MPa。但是32 in三通來講，內(nèi)部體積約1 500 L。聚乙烯材料在外界應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生蠕變效應(yīng)，材料會(huì)發(fā)生輕微膨脹變形。因此爆破試驗(yàn)設(shè)備需要具備短時(shí)間快速智能補(bǔ)水功能，同時(shí)兩端封堵的夾具必須具備耐高壓能力，以克服材料膨脹產(chǎn)生的壓力降。根據(jù)研究表明[11]，PE材料的應(yīng)力與應(yīng)變有如下關(guān)系：

(2)

式中，σ——真實(shí)應(yīng)力，MPa;

ε——真實(shí)應(yīng)變。

可以通過材料的斷裂應(yīng)力來反算管道爆破最大內(nèi)壓，并控制液壓補(bǔ)水泵的補(bǔ)水余量以克服管配件打壓過程中的蠕變膨脹造成的壓力降。我們通過大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，表明大口徑聚乙烯管道及其配件是可以通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的短期液壓試驗(yàn)，僅需要核算好產(chǎn)品的蠕變膨脹、補(bǔ)水泵的功率以及樣件的密封即可。而且通過多次的爆破試驗(yàn)驗(yàn)證表明產(chǎn)品的最小爆破壓力往往會(huì)高于公式(1)的計(jì)算值，尤其是中小口徑DR7壁厚系列的HDPE管道的最小爆破壓力往往可以接近10 MPa，這個(gè)應(yīng)該跟材料本身的斷裂應(yīng)力和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密切相關(guān)。

3.2 管材的短期液壓性能試驗(yàn)

按照ASTM F714的要求，直管的短期液壓性能還可以采用爆破或者表觀環(huán)向拉伸試驗(yàn)[12]。ASTM D2290的規(guī)定PE4710材料的管材表觀環(huán)向拉伸屈服強(qiáng)度至少為20 MPa[13]。該標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)環(huán)向拉伸試驗(yàn)一共給出有A方法，B方法，C方法和D方法四個(gè)測(cè)試方法。其中針對(duì)大口徑厚壁管材可以優(yōu)先選用方法D。因?yàn)獒槍?duì)不同外徑的管材夾具可以通用性，減少試驗(yàn)投入成本；另一個(gè)是所需試樣的尺寸比較小，對(duì)于拉伸試驗(yàn)設(shè)備的行程空間要求低，提高了試驗(yàn)的可行性，如圖5所示。

圖5 方法D測(cè)試夾具Fig. 5 The testing fixture of the method D

4 結(jié)論

國(guó)外的工程應(yīng)用案例表明，HDPE管道是非常有效解決核電廠現(xiàn)役金屬管道的海水腐蝕的問題的方案。而且我國(guó)核電站從2015年起已經(jīng)陸續(xù)開始采用HDPE管道作為金屬管道腐蝕的解決方案，2020年已經(jīng)有國(guó)產(chǎn)化的ASME核3級(jí)HDPE成功應(yīng)用。所以后續(xù)在國(guó)內(nèi)推動(dòng)HDPE管道在核電廠的應(yīng)用具有非常大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。