壓水堆核電廠核安全3級(jí)塑料管道連接技術(shù)

鄭東宏，張培敬，王江濤，褚 爭

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233)

近年來，隨著塑料管道制造技術(shù)的提高，對(duì)于部分運(yùn)行壓力較低和運(yùn)行溫度不高的核安全3級(jí)的承壓工藝管道，逐漸采用了塑料材質(zhì)管材。ASME BPVC逐漸從質(zhì)保、材料、設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢驗(yàn)、試壓等方面，增加并完善了核安全級(jí)非金屬材質(zhì)塑料管道的建造要求。

在塑料管道中，常用的材質(zhì)主要分為熱塑性塑料(包括聚乙烯PE、聚氯乙烯PVC、聚苯醚PPE、氯化聚氯乙烯CPVC、聚丁烯PB)和熱固性塑料(包括環(huán)氧樹脂、呋喃、酚醛、聚酯、聚氨酯、乙烯酯)兩類。

在ASME BPVC第Ⅲ卷核級(jí)規(guī)范NCA-3970中，對(duì)聚乙烯材質(zhì)的材料組織的質(zhì)量體系大綱的要求進(jìn)行了規(guī)定[1]；在第Ⅲ卷強(qiáng)制性附錄ⅩⅩⅥ中，對(duì)核安全3級(jí)埋地聚乙烯壓力管的建造要求進(jìn)行了規(guī)定[2]；在ASME BPVC案例N-755-4中，對(duì)可用于第Ⅲ卷第1分卷中的核安全3級(jí)聚乙烯塑料管的應(yīng)用進(jìn)行了規(guī)定[3]；在ASME BPVC案例N-155-3中，對(duì)可用于第Ⅲ卷第1分卷中的核安全3級(jí)玻璃纖維增強(qiáng)的熱固性樹脂管的應(yīng)用進(jìn)行了規(guī)定[4]；在ASME BPVC第Ⅸ卷QF部分對(duì)塑料材質(zhì)的熱熔連接要求進(jìn)行了規(guī)定。本文根據(jù)2021版ASME BPVC規(guī)范，對(duì)壓水堆核電廠核安全3級(jí)塑料管道的材質(zhì)規(guī)范和連接技術(shù)進(jìn)行分析和總結(jié)。

1 聚乙烯管道

聚乙烯管道作為核安全3級(jí)承壓管道使用時(shí)，僅限于核安全3級(jí)服務(wù)水系統(tǒng)的埋地管道部分、核安全3級(jí)冷卻水系統(tǒng)的埋地管道部分。對(duì)聚乙烯管道的設(shè)計(jì)溫度，在正常服役工況Level A、瞬態(tài)工況Level B、應(yīng)急工況Level C下，聚乙烯管道的溫度不超過60 ℃；在故障工況Level D下，溫度不超過80 ℃。在長周期服役條件下(如服役壽期50年)、在不同的服役溫度下，要考慮相應(yīng)管道的承壓能力，例如，在35 ℃服役溫度下，許用應(yīng)力不大于4.79 MPa；在50 ℃服役溫度下，許用應(yīng)力不大于3.96 MPa。

1.1 材料規(guī)范

在核安全3級(jí)聚乙烯管道制造和供應(yīng)過程中，聚乙烯原材料制造商(包括天然化合物制造廠、顏料濃縮化合物制造廠、聚乙烯化合物制造廠)、聚乙烯材料制造商、聚乙烯材料供應(yīng)商或服務(wù)商，應(yīng)根據(jù)NCA-3970的要求，對(duì)其業(yè)務(wù)范圍的工作建立質(zhì)量體系大綱QSP，對(duì)其業(yè)務(wù)范圍內(nèi)的化合物、原材料、材料或提供的相關(guān)服務(wù)的質(zhì)量進(jìn)行控制。質(zhì)量體系大綱QSP，需經(jīng)ASME評(píng)估認(rèn)證后持有材料質(zhì)量體系認(rèn)證證書QSC，或經(jīng)N證持有單位對(duì)其進(jìn)行評(píng)定合格后，方可進(jìn)行其業(yè)務(wù)范圍內(nèi)的相關(guān)工作。

天然化合物、顏料濃縮化合物、聚乙烯化合物、聚乙烯材料的材質(zhì)規(guī)范、性能試驗(yàn)規(guī)范、連接工藝規(guī)范，見表1。在質(zhì)量體系大綱QSP的正常運(yùn)行情況下，聚乙烯原材料制造商應(yīng)確保聚乙烯化合物的材質(zhì)屬性滿足的要求見表2。聚乙烯材料加工成管材時(shí)，公稱外徑小于76 mm時(shí)，遵循ASTM D3035材質(zhì)規(guī)范要求；公稱外徑不小于76 mm時(shí)，遵循ASTM F714材質(zhì)規(guī)范要求；每年要進(jìn)行兩次高溫下的持續(xù)壓力試驗(yàn)。

表1 聚乙烯塑料管道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范清單Table 1 The standards and specifications for the polyethylene plastic pipe

表2 聚乙烯化合物的屬性要求Table 2 Physical property requirements for the polyethylene compound

1.2 連接技術(shù)

核安全3級(jí)的聚乙烯管道的加工和安裝，主要采用熱熔對(duì)接和法蘭連接，不允許使用螺紋或粘結(jié)。在熱熔對(duì)接時(shí)，應(yīng)根據(jù)經(jīng)評(píng)定合格的熱熔對(duì)接工藝規(guī)程，由技能評(píng)定合格的熱熔對(duì)接操作工，操作熱熔對(duì)接機(jī)進(jìn)行熱熔對(duì)接。熱熔對(duì)接機(jī)所形成的記錄應(yīng)滿足熱熔對(duì)接工藝規(guī)程的參數(shù)要求。熱熔對(duì)接過程如圖1所示，其工藝流程如下。

圖1 熱熔對(duì)接壓力-時(shí)間曲線示意圖Fig.1 The pressure-time graph for the butt fusing procedure

1)對(duì)管道的端面進(jìn)行切削并清潔干凈，錯(cuò)邊量不超過壁厚的10%，在水平±45°范圍內(nèi)，將管道置于熱熔對(duì)接機(jī)上。

2)電加熱板溫度達(dá)到204～232 ℃要求后，將電加熱板插入管端之間并施加熱熔壓力P2(電加熱板接觸壓力為0.41～0.62 MPa)，對(duì)管道端面進(jìn)行預(yù)熱，在T1時(shí)長內(nèi)管端出現(xiàn)熔化顯示。

3)將壓力降至P1(電加熱板接觸壓力為0 MPa)，管端繼續(xù)吸熱，熱量在管端擴(kuò)散均勻，在T2時(shí)間內(nèi)使管端有足夠的熱熔物料，高度A達(dá)到要求(根據(jù)管徑的不同，A值范圍為1.5～14 mm)。

4)將電加熱板迅速抽出，相對(duì)應(yīng)的時(shí)間為T3，根據(jù)管道壁厚的不同，最大抽出時(shí)間范圍為8～30 s。

5)壓力升至P2，在穩(wěn)定持續(xù)壓力作用下熱熔對(duì)接，使其緊密接觸在一起，然后再緩慢冷卻，相對(duì)應(yīng)的時(shí)間為T4。

2 玻璃纖維增強(qiáng)熱固性樹脂管道

玻璃纖維增強(qiáng)熱固性樹脂管道作為核安全3級(jí)承壓管道在制造過程中，其設(shè)計(jì)和服役的溫度和壓力不得超過其書面的管道評(píng)定結(jié)果所計(jì)算的溫度和壓力。若采用聚酯為管道結(jié)構(gòu)材料時(shí)，其服役溫度不得超過82 ℃；若采用環(huán)氧為管道結(jié)構(gòu)材料時(shí)，服役溫度不得超過121 ℃。玻璃纖維增強(qiáng)熱固性樹脂管道的服役溫度不超過82 ℃時(shí)，其設(shè)計(jì)壓力不能大于3.4 MPa；當(dāng)其服役溫度在82～121 ℃范圍時(shí)，其設(shè)計(jì)壓力不能大于1.7 MPa；當(dāng)管道輸送介質(zhì)為連續(xù)蒸汽時(shí)，其表觀壓力不得超過34 kPa。

2.1 材料規(guī)范

在核安全3級(jí)玻璃纖維增強(qiáng)熱固性樹脂管道的制造和供應(yīng)過程中，根據(jù)NCA-3800的要求，材料制造商需建立質(zhì)量體系大綱QSP，材料供應(yīng)商需建立材料識(shí)別和驗(yàn)證程序，對(duì)其業(yè)務(wù)范圍內(nèi)的原材料、材料或提供的相關(guān)服務(wù)的質(zhì)量進(jìn)行控制。質(zhì)量體系大綱QSP，需經(jīng)ASME評(píng)估認(rèn)證后持有材料質(zhì)量體系認(rèn)證證書QSC，或經(jīng)N證持有單位對(duì)其進(jìn)行評(píng)定合格后，方可進(jìn)行其業(yè)務(wù)范圍內(nèi)的相關(guān)工作。根據(jù)NCA-3812要求，材料制造商應(yīng)負(fù)責(zé)熱固性樹脂管的構(gòu)成材料的質(zhì)量，如熱固性樹脂、增強(qiáng)材料和其他固體或液體材料的質(zhì)量。構(gòu)成材料的質(zhì)量控制應(yīng)在材料制造商的質(zhì)量大綱中加以描述。

玻璃纖維增強(qiáng)熱固性樹脂管材料的材質(zhì)規(guī)范、性能試驗(yàn)規(guī)范見表3。增強(qiáng)熱固性樹脂管，應(yīng)按照ASTM D2996或D3517規(guī)范的要求，采用長絲纏繞工藝制造。在周向上，可采用連續(xù)的玻璃粗紗來增強(qiáng)；在軸向上，可采用連續(xù)的玻璃粗紗、短切的玻璃纖維、非同向的玻璃纖維來增強(qiáng)。增強(qiáng)熱固性樹脂管，若滿足ASTM D2310中的類型1(制造方法為長絲纏繞)中的等級(jí)1(原材料為玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂)和等級(jí)2(原材料為玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂)，以及分類A(無內(nèi)襯)、C(環(huán)氧樹脂內(nèi)襯，無增強(qiáng))、E(聚酯樹脂內(nèi)襯，增強(qiáng))、F(環(huán)氧樹脂內(nèi)襯，增強(qiáng))、H(熱塑性樹脂內(nèi)襯，特殊指定材料)要求，也是許可的。

表3 玻璃纖維增強(qiáng)熱固性樹脂管道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范清單Table 3 The standards and specifications for the fiberglass reinforced thermosetting resin pipe

材料制造商在進(jìn)行玻璃纖維增強(qiáng)熱固性樹脂管制造之前，應(yīng)根據(jù)重要變素(玻璃纖維類型、樹脂規(guī)格、構(gòu)成材料含量百分比、繞制工藝、固化劑、固化時(shí)間和溫度)、非重要變素(壁厚、單位管長重量、內(nèi)襯、繞制張力)，編制書面的制造工藝評(píng)定規(guī)程，制造相關(guān)的試驗(yàn)樣品進(jìn)行相關(guān)的評(píng)定試驗(yàn)(包括靜水壓設(shè)計(jì)基準(zhǔn)HDB試驗(yàn)、管道構(gòu)成材料測定、管道溫度評(píng)定)，復(fù)核管道的設(shè)計(jì)性能和力學(xué)性能是否滿足要求。根據(jù)最終的經(jīng)評(píng)定合格試驗(yàn)記錄，確定最終制造工藝規(guī)程，然后按照最終的制造工藝規(guī)程來生產(chǎn)制造管道，在制造過程中通過定期抽樣試驗(yàn)的方法控制管道制造質(zhì)量。

2.2 連接技術(shù)

核安全3級(jí)玻璃纖維增強(qiáng)熱固性樹脂管的連接方法，主要有非約束性連接和約束性連接兩大類。非約束性連接主要有采用橡膠密封的承插連接方法、柔性套筒接頭連接方法。約束性連接主要有承插粘結(jié)方法、承插粘結(jié)外裹層狀玻璃纖維方法、帶密封圈的承插粘結(jié)外裹層狀玻璃纖維方法、對(duì)接接頭外裹層狀玻璃纖維方法、法蘭連接方法、帶有卡具/螺紋/環(huán)扣連接方法。在工程實(shí)踐中，使用最為廣泛的是4種粘結(jié)方法，如圖2所示。

圖2 玻璃纖維增強(qiáng)熱固性樹脂管的連接方式Fig.2 The adhesive bonded joining procedures for the fiberglass reinforced thermosetting resin pipe

在粘結(jié)時(shí)，應(yīng)根據(jù)經(jīng)評(píng)定合格的書面粘結(jié)接工藝規(guī)程，由技能評(píng)定合格的粘結(jié)操作工進(jìn)行粘結(jié)。在粘結(jié)工藝中，重要變素有：

1)玻璃纖維的類型、供貨狀態(tài)、制造工藝；

2)樹脂的規(guī)格、性能；

3)構(gòu)成材料百分占比；

4)固化劑性能；

5)固化時(shí)間；

6)連接材料類型；

7)連接組件幾何尺寸、連接角度變化。

在粘結(jié)工藝過程中，需要注意以下操作要求。

1)所有的切面都要打磨平整干凈，切面不能產(chǎn)生破損或分層；此外，還應(yīng)防止管道切割過程所使用的夾具對(duì)管道造成額外的損傷。

2)檢查粘結(jié)表面，應(yīng)干凈、完好、無任何異物，沒有松散的纖維、沒有毛邊。

3)在粘結(jié)前，應(yīng)確保粘結(jié)劑在存放保質(zhì)有效期內(nèi)；粘結(jié)劑應(yīng)按粘結(jié)工藝規(guī)程進(jìn)行混合、涂抹和固化；嚴(yán)禁使用出現(xiàn)凝膠的粘結(jié)劑。

4)在外裹層狀玻璃纖維時(shí)，涂抹邊緣應(yīng)相互搭接交錯(cuò)覆蓋，不能統(tǒng)一平齊。

5)所有機(jī)加或切割區(qū)域都要用粘結(jié)劑進(jìn)行粘結(jié)密封；粘結(jié)固化后多余的部分應(yīng)去除并光滑過度。

6)在粘結(jié)劑完全固化前，嚴(yán)禁連接管道之間發(fā)生位移。

3 結(jié)論

隨著塑料管材制造技術(shù)的提高，塑料管材已逐漸應(yīng)用于已建壓水堆核電廠廠用服務(wù)水系統(tǒng)改造中和新建壓水堆核電廠廠用服務(wù)水系統(tǒng)建設(shè)中。例如，在英國塞茲韋爾B、美國卡勒韋等核電廠改造過程中采用了聚乙烯管道；在新建的壓水堆核電廠廠用水系統(tǒng)(非核級(jí))也采用了聚乙烯管道。玻璃纖維增強(qiáng)熱固性樹脂管也在國內(nèi)外核電廠海水循環(huán)管道中得到了應(yīng)用。ASME BPVC已將其用于核安全3級(jí)的管道建造過程中。根據(jù)ASME BPVC案例N-755-4和N-155-3，對(duì)作為核安全3級(jí)承壓的聚乙烯管道材質(zhì)規(guī)范和熱熔對(duì)接技術(shù)、對(duì)作為核安全3級(jí)承壓的纖維增強(qiáng)熱固性樹脂管道的材質(zhì)規(guī)范和粘結(jié)技術(shù)，進(jìn)行了詳細(xì)分析。