張 旭，戴 云

（1.中國核電工程有限公司，北京 100840；2.南京新核復(fù)合材料有限公司，江蘇 南京 211212）

玻璃鋼管道在核電廠循環(huán)水系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張 旭1，戴 云2

（1.中國核電工程有限公司，北京 100840；2.南京新核復(fù)合材料有限公司，江蘇 南京 211212）

文章介紹了玻璃鋼管道在核電廠循環(huán)水系統(tǒng)中具有降低水損、節(jié)約電耗、方便施工等優(yōu)越性，并解決了大口徑循環(huán)水管道難以進(jìn)行水壓試驗(yàn)的難題。從玻璃鋼管道的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、使用壽命、管道的漲縮影響、泥砂磨損等方面，對(duì)玻璃鋼管道的設(shè)計(jì)、產(chǎn)品工藝、管道材料及試驗(yàn)要求等進(jìn)行了分析。目前該核電廠循環(huán)水系統(tǒng)已通過工程驗(yàn)收，運(yùn)行正常，為今后玻璃鋼管道在核電廠循環(huán)水系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了經(jīng)驗(yàn)和依據(jù)。

循環(huán)水系統(tǒng)；內(nèi)襯玻璃鋼管道；核電廠

1 工程概況

沿海核電廠的循環(huán)水系統(tǒng)采用海水直流循環(huán)冷卻，海水通過取水頭部、輸水隧道，由循環(huán)水泵加壓后通過循環(huán)水進(jìn)水溝道進(jìn)入凝汽器，換熱后由循環(huán)水排水溝道經(jīng)虹吸井排入大海。某核電廠有兩臺(tái)核電機(jī)組，單臺(tái)機(jī)組循環(huán)水量約為40 m3/s，采用兩條DN3000現(xiàn)澆鋼筋混凝土循環(huán)水溝道，每條溝道內(nèi)循環(huán)水量約為20 m3/s。循環(huán)水進(jìn)水溝道采用玻璃鋼管道外包鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)形式（見圖1）。

圖1 進(jìn)水溝道的結(jié)構(gòu)形式Fig.1 The structure of the feed water channel

玻璃鋼管是一種可設(shè)計(jì)性很強(qiáng)的管材，采用不同的樹脂基體和增強(qiáng)材料、不同的生產(chǎn)工藝、不同的設(shè)計(jì)壁厚，其管道性能及適用范圍也不同。該核電廠的循環(huán)水系統(tǒng)，輸送的是經(jīng)過簡單過濾的海水原水，循環(huán)水量大，流速高，水流沖擊力大；海水腐蝕性強(qiáng)；海水溫度隨季節(jié)變化較大；海水泥砂含量高；循環(huán)水溝道一般連續(xù)運(yùn)行11個(gè)月，要檢修1個(gè)月，使用強(qiáng)度高；循環(huán)水溝道埋設(shè)較深，一般埋深約15 m，維護(hù)檢修困難；循環(huán)水溝道使用壽命要求50年。對(duì)這樣嚴(yán)苛的使用條件，必須提出嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求、原材料要求、管道加工要求、敷設(shè)要求，才能得到長期、耐久、可靠的管道。針對(duì)此難題，進(jìn)行了核電廠循環(huán)水溝道內(nèi)襯玻璃鋼管的應(yīng)用研究。

2 內(nèi)襯玻璃鋼管道在循環(huán)水系統(tǒng)應(yīng)用的優(yōu)越性

（1）降低水損，節(jié)約電耗

玻璃鋼管由內(nèi)襯層、結(jié)構(gòu)層和外表層組成。它具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、管道內(nèi)壁光滑等特點(diǎn)。循環(huán)水系統(tǒng)的玻璃鋼管道可以減少循環(huán)水溝道沿程、局部水頭損失，降低循環(huán)水泵揚(yáng)程，節(jié)約電耗。傳統(tǒng)的混凝土溝道，為了耐海水腐蝕，保證溝道50年的使用壽命，一般會(huì)在溝道的過流部分，增加混凝土層的厚度，采用耐海水水泥砂漿，增加了工程投資。玻璃鋼管道，具有很好的耐腐蝕性，且海生物難附著。玻璃鋼管道的糙率系數(shù)為0.009，流速系數(shù)為C=150；混凝土溝道的糙率系數(shù)為0.014，流速系數(shù)為C=105。核電廠每臺(tái)機(jī)組兩條循環(huán)水進(jìn)水溝道，單條循環(huán)水進(jìn)水溝道長度約300 m，流量約為20 m3/s，采用了內(nèi)襯玻璃鋼管道外包混凝土的結(jié)構(gòu)方式。根據(jù)哈斯－威廉姆斯公式進(jìn)行計(jì)算，單條玻璃鋼管道的循環(huán)水進(jìn)水溝道沿程水損約為0.37 m，局部水損按照沿程水損的20%估算，得到單條玻璃鋼管道的循環(huán)水溝道沿程及局部水損共約0.44 m。單條混凝土循環(huán)水進(jìn)水溝道沿程水損約為0.71 m，局部水損按照沿程水損的20%進(jìn)行估算，得到單條循環(huán)水溝道的沿程及局部水損約為0.85 m。采用玻璃鋼管道后，單條循環(huán)水進(jìn)水溝道可以降低水泵揚(yáng)程0.41 m。按照循環(huán)水系統(tǒng)每年運(yùn)行11個(gè)月，工業(yè)電費(fèi)為0.4元/kW·h，循環(huán)水泵效率為90%，核電廠使用壽命按50年計(jì)算，單條循環(huán)水溝道50年可節(jié)約電費(fèi)約為：(20 000×0.41/102/0.9)×0.4 ×24×30×11×50=1 415萬元，兩臺(tái)機(jī)組4條循環(huán)水溝道共可節(jié)約5 660萬元。DN3000玻璃鋼管的材料費(fèi)為7 725元/m，安裝費(fèi)為3 880元/m，合計(jì)為11 605元/m，單條循環(huán)水溝道的300 m玻璃鋼管道，共增加費(fèi)用約為348萬元，4條溝道的玻璃鋼管道增加費(fèi)用1 392萬元。節(jié)能費(fèi)用與投入費(fèi)用差：5 660-1 392＝4 268萬元，可見投入產(chǎn)出的經(jīng)濟(jì)效益還是較為可觀的，且符合國家節(jié)能環(huán)保的政策要求。

（2）解決了循環(huán)水溝道水壓試驗(yàn)的困難

由于循環(huán)水溝道直徑大，長度長，埋設(shè)深，溝道一般埋在廠坪下15 m左右，設(shè)計(jì)壓力0.3 MPa，試驗(yàn)壓力0.45 MPa。按照給排水施工驗(yàn)收規(guī)范要求進(jìn)行水壓試壓，需要的水量大。以核電廠為例，單條循環(huán)水進(jìn)水溝道水壓試壓需要約2 120 t水，下游排海溝道等尚未完工，水壓試驗(yàn)后排水困難。因此，水壓試驗(yàn)很難按照要求進(jìn)行。玻璃鋼管道一般12 m一根，采用承插膠圈連接，在接口處設(shè)置兩道密封橡膠圈，在兩道橡膠圈之間設(shè)有試壓嘴，可以在管道安裝后，通過試壓嘴在兩道橡膠圈之間進(jìn)行打壓試驗(yàn)，保證接口處密封達(dá)到要求，再進(jìn)行混凝土澆筑（見圖2）。DN3000玻璃鋼管道，可以在出廠前進(jìn)行整根管道的水壓試驗(yàn)，保證直管段及接口不會(huì)發(fā)生滲漏。因此直管段發(fā)生滲漏的概率非常小，可以忽略不計(jì)。通過接口處水壓試驗(yàn)，可以有效防止循環(huán)水溝道滲漏，達(dá)到了循環(huán)水管局部水壓試驗(yàn)要求。

圖2 玻璃鋼管接口水壓試驗(yàn)Fig.2 Hydrostatic test for FRP pipe interface

（3）施工方便

玻璃鋼管道在施工中可作為混凝土澆筑的模板，省略了混凝土溝道架設(shè)鋼模板及拆卸的工序，方便了施工，提高了施工進(jìn)度，節(jié)省了施工措施費(fèi)用。

3 內(nèi)襯玻璃鋼管道在循環(huán)水系統(tǒng)中應(yīng)用的難點(diǎn)

（1）內(nèi)襯玻璃鋼管道外包混凝土的結(jié)構(gòu)形式分析

玻璃鋼管道屬于薄壁管道，當(dāng)管頂敷土超過3.5 m時(shí)，管道強(qiáng)度不再是管道設(shè)計(jì)的制約因素，而管道剛度或穩(wěn)定性成為管道設(shè)計(jì)的主要制約因素。核電廠循環(huán)水溝道埋深約15 m，如果采用直接埋設(shè)玻璃鋼管道，則對(duì)管道的剛度要求非常大，會(huì)帶來管道壁厚大幅增加，工程投資增加，是非常不經(jīng)濟(jì)的。采用玻璃鋼管道作內(nèi)模，玻璃鋼管道只承受系統(tǒng)內(nèi)壓，玻璃鋼管道外包的混凝土結(jié)構(gòu)承受外部動(dòng)靜荷載要求，管路負(fù)壓由玻璃鋼管和混凝土溝道共同承擔(dān)，這樣的組合方式合理，工程投資控制在合理的范圍內(nèi)。

（2）玻璃鋼管道與混凝土溝道熱脹冷縮影響分析

玻璃鋼管道與混凝土的熱膨脹系數(shù)不同。鋼筋混凝土的熱膨脹系數(shù)是1.5×10－5/℃；玻璃鋼管的熱膨脹系數(shù)通常在1.0×10-5～2.0×10-5/℃之間。玻璃鋼管道和混凝土屬于不同的材質(zhì)，如何保證管道與混凝土在運(yùn)行過程中能夠緊密結(jié)合，不發(fā)生脫離、分層的現(xiàn)象。對(duì)于這樣的難題，本工程通過在玻璃鋼管道外面預(yù)埋鋼筋，使之與外包的鋼筋混凝土溝道的鋼筋綁扎固定在一起，再澆筑混凝土。由于兩者通過預(yù)埋的鋼筋錨固成整體，解決了兩種材料結(jié)構(gòu)的不同熱膨脹問題。保證了玻璃鋼管和混凝土結(jié)構(gòu)形成統(tǒng)一的整體結(jié)構(gòu)。

（3）玻璃鋼管道使用壽命分析

工程要求的內(nèi)襯玻璃鋼管道使用壽命為50年。玻璃鋼管的使用壽命主要是管道設(shè)計(jì)的應(yīng)力水平和輸送的介質(zhì)條件等決定的。循環(huán)水系統(tǒng)輸送的是海水，目前玻璃鋼管道采用的各種基體材料對(duì)海水都有較好的耐腐蝕性，其中以乙烯基樹脂和間苯型聚酯樹脂的耐腐蝕性尤其突出。工程選用無堿玻璃纖維和間苯型聚酯組成的材料體系是確保使用壽命不小于50年的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)；其余制約玻璃鋼管使用壽命的是運(yùn)行狀態(tài)下的應(yīng)力水平和應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)于該問題，按照J(rèn)C 552—2011《纖維纏繞增強(qiáng)熱固性樹脂壓力管》[1]要求對(duì)管道進(jìn)行設(shè)計(jì)，安全系數(shù)采用6.3，該系數(shù)是滿足管道壽命設(shè)計(jì)要求的重要因素。

（4）密封橡膠圈使用壽命分析

工程要求的玻璃鋼管道使用壽命為50年，玻璃鋼管道靠橡膠圈進(jìn)行密封連接，如果橡膠圈使用壽命不能滿足要求50年，同樣是不能滿足工程要求。目前可供選擇的橡膠密封材料品種很多。玻璃鋼管道承插接口常用的是三元乙丙、丁腈、丁苯、氟橡膠4種。工程選用三元乙丙橡膠圈，這種橡膠圈的物理、化學(xué)性能優(yōu)越，耐水性好，適用于淡水原水、城市供水、海水和城市排水等，但是耐油性較差。工程的海水取水口在大件碼頭的上游，海水內(nèi)含油較少。HG/T 3087—2001《靜密封橡膠零件貯存期快速測(cè)定方法》[2]，對(duì)三元乙丙橡膠圈的使用壽命進(jìn)行了試驗(yàn)評(píng)估，試樣徑向壓縮變形量為25%，臨界值為50%，試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，外推得出該種橡膠圈的平均使用壽命為75年。根據(jù)評(píng)估結(jié)果，可以認(rèn)為三元乙丙橡膠密封圈的使用壽命與玻璃鋼管道的壽命相匹配。

（5）循環(huán)水系統(tǒng)瞬態(tài)負(fù)壓對(duì)玻璃鋼管道的影響

工程內(nèi)襯的玻璃鋼管道，是按耐內(nèi)壓進(jìn)行設(shè)計(jì)的，外壓由混凝土溝道承受。在循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)負(fù)壓情況下，空氣有可能穿透較薄的外保護(hù)層及結(jié)構(gòu)層，到達(dá)結(jié)構(gòu)層與內(nèi)襯層的界面。由于內(nèi)襯層具有防滲作用，空氣無法穿過，易造成內(nèi)襯層與結(jié)構(gòu)層剝離。對(duì)這樣的問題，工程的解決辦法是在玻璃鋼管道結(jié)構(gòu)層與外保護(hù)層之間，再增加一個(gè)防滲層，有效地解決負(fù)壓對(duì)玻璃鋼管道的影響。

（6）海水中泥砂沖刷對(duì)管道系統(tǒng)的影響

海水中含有泥砂顆粒時(shí)會(huì)對(duì)管路產(chǎn)生磨損，海水本身還有腐蝕作用，兩種作用的疊加會(huì)使問題更加嚴(yán)重。玻璃鋼管道及三元乙丙橡膠圈的耐海水腐蝕性能突出，腐蝕作用基本排除，可以僅考慮磨損作用。玻璃鋼管本質(zhì)上是耐磨性較好的管材，采用管段旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)法對(duì)幾種管材的耐磨性進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比見表1。

可見，玻璃鋼管道具有較好的耐磨性。

由于工程當(dāng)?shù)睾Ｋ骄傲繛椋?.021 kg/m3，海水泥砂含量較少，泥砂對(duì)管道的磨蝕作用較輕微。在工程設(shè)計(jì)中，為減少管道磨損，管路敷設(shè)平緩，減少了彎頭等管件。

表1 不同管材的耐磨性試驗(yàn)Table 1 Resistance test for different materials of pipeline

4 玻璃鋼管道工藝設(shè)計(jì)及材料

該核電廠內(nèi)襯玻璃鋼管道設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)條件如下：

輸水管徑/mm DN3000

輸水水量/（m3/s） 20

管道流速/（m/s） 2.8

設(shè)計(jì)壓力/MPa 0.3

試驗(yàn)壓力/MPa 0.45

設(shè)計(jì)真空壓力/MPa －0.1

海水溫度/℃ 最高32.8，最低13.7

混凝土單位重量/（kg/m3） 2 500

混凝土澆筑速度/（m3/h） ≤1.067

連接方式 承插膠圈連接

管道使用壽命/a 50

循環(huán)水進(jìn)水溝道采用內(nèi)襯玻璃鋼管道外包鋼筋混凝土的組合結(jié)構(gòu)，DN3000管道四周鋼筋混凝土溝壁厚600 mm。玻璃鋼管除承受內(nèi)壓、真空、施工時(shí)的鋼筋混凝土的重量外，外部荷載全由鋼筋混凝土承受。

4.1 設(shè)計(jì)要求

4.1.1 采用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

玻璃鋼管的管材、管件、接頭的設(shè)計(jì)、原材料體系、制造工藝及安裝操作執(zhí)行下述標(biāo)準(zhǔn)：

JC 552—2011 纖維增強(qiáng)熱固性樹脂壓力管；AWWA C950 fiberglass pipe；

AWWA M45 fiberglass pipe design；

ASTM D2992 確定玻璃鋼（玻璃纖維增強(qiáng)熱固性樹脂）管及管件靜水壓力或壓力基準(zhǔn)推薦實(shí)驗(yàn)方法；

BS 7159 design and construction of glass reinforced plastics (GRP) pipings systems for individual plant and sites；

ISO 14692 petroleum and natural gas industries-glass-reinforced plastics (GRP) piping。

4.1.2 重要設(shè)計(jì)參數(shù)的分析和確定

（1）設(shè)計(jì)應(yīng)變分析

確定玻璃鋼管設(shè)計(jì)應(yīng)變值的關(guān)鍵因素是組成材料的應(yīng)變特性。因?yàn)椴ＡЮw維的斷裂延伸率通常比樹脂基體大，因此在確定玻璃鋼管設(shè)計(jì)應(yīng)變值時(shí)，應(yīng)確保樹脂基體不發(fā)生開裂。在樹脂基體斷裂延伸率≤0.02時(shí)，要滿足式（1）要求：

式中：εd——玻璃鋼管設(shè)計(jì)應(yīng)變值；

εr——樹脂基體斷裂延伸率。假設(shè)εr=2%，則設(shè)計(jì)應(yīng)變值應(yīng)≤0.002。根據(jù)多年工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，工程選定的εd=0.001 7。

該值已經(jīng)在海口馬村電廠、秦山核電廠的循環(huán)水系統(tǒng)溝道得到驗(yàn)證。

（2）許用應(yīng)力和安全系數(shù)分析

玻璃鋼管道設(shè)計(jì)包括材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩部分，兩者既有區(qū)別又互為前提。在確定設(shè)計(jì)應(yīng)力許用值時(shí)，可以用強(qiáng)度極限值和靜水壓設(shè)計(jì)應(yīng)力基準(zhǔn)兩種方法。兩種方法的失效判據(jù)是相同的。

根據(jù)材料極限強(qiáng)度確定許用應(yīng)力時(shí)，先通過水壓爆破試驗(yàn)獲得或校核爆破壓力，計(jì)算環(huán)向失效強(qiáng)度；其次是確定合理的安全系數(shù)，見式（2）：式中：σd——許用設(shè)計(jì)應(yīng)力，MPa；

σn——水壓試驗(yàn)的環(huán)向失效應(yīng)力，MPa；s——安全系數(shù)。

設(shè)計(jì)壽命為50年時(shí)，安全系數(shù)應(yīng)不低于6.3（JC 552—2011)。

4.2 產(chǎn)品工藝要求

工程的玻璃鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合JC 552—2011要求。

（1）管道要求

結(jié)構(gòu)層采用玻璃纖維在成型芯模上連續(xù)纏繞制成。玻璃纖維的重量含量65%左右，纏繞角為55°，可適當(dāng)調(diào)整但不得超過55°。

玻璃鋼管的標(biāo)準(zhǔn)長一般為12 m，允許誤差為±12.7 mm。

（2）管件和接頭要求

彎頭、三通、變徑管和法蘭及其他特殊部件和接頭采用手糊工藝成型。管件性能應(yīng)等于或高于同壓力等級(jí)管材；材料體系規(guī)格與管材相同。彎頭的曲率半徑，除另有規(guī)定外，一般為管徑的1.5倍。

（3）承插接口要求

管道承插口與管段同時(shí)纏繞成型，是管材整體的一部分，其長度調(diào)節(jié)能力是接口的標(biāo)準(zhǔn)位移加每個(gè)管段的允許熱應(yīng)力位移。導(dǎo)向口保證最小25%的密封圈壓縮量。法蘭接口設(shè)計(jì)應(yīng)考慮熱應(yīng)力和彎曲等組合荷載。

（4）密封圈的要求

密封圈的邵氏A硬度為40～60，由三元乙丙橡膠制成。

5 結(jié)束語

核電廠循環(huán)水系統(tǒng)已經(jīng)調(diào)試運(yùn)行，循環(huán)水溝道的內(nèi)襯玻璃鋼管道運(yùn)行良好。在國內(nèi)目前已建成并運(yùn)行的這類組合結(jié)構(gòu)中，其玻璃鋼管道直徑是最大的。內(nèi)襯玻璃鋼管道的使用，降低了循環(huán)水泵的揚(yáng)程，減少了溝道的滲漏，解決了循環(huán)水溝道水壓試驗(yàn)的難題，加快了工程進(jìn)度。通過細(xì)化玻璃鋼管的設(shè)計(jì)、工藝要求，解決了玻璃鋼管道及密封圈的使用壽命、熱膨脹、設(shè)計(jì)應(yīng)變及負(fù)壓等問題，為循環(huán)水系統(tǒng)內(nèi)襯玻璃鋼管的設(shè)計(jì)、使用提供了經(jīng)驗(yàn)和依據(jù)。

[1] JC 552-2011 纖維纏繞增強(qiáng)熱固性樹脂壓力管[S].（JC552-2011 Two fiber winding strengthened thermoset resin pressure pipe [S].）

[2] HG/T 3087—2001 靜密封橡膠零件貯存期快速測(cè)定方法[S].（HG/T 3087-2001 Rapid determination method for static sealing rubber parts storage duration [S].）

The Design and Application of FRP Pipes in Nuclear Power Plant Circulation Water System

ZHANG Xu1，DAI Yun2
(1.China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100840，China；2.Nanjing New Nuclear Composite Materials Co.，Ltd.，Nanjing of Jiangsu Prov. 211212，China)

This article introduces the FRP pipes in the circulation water system which can reduce water loss and save power consumption, facilitate construction, and solve the problem of large diameter circulation water pipes difficult for the water pressure test. For harsh working conditions for the circulation water system, in terms of the design basis of the FRP pipe, service life, effect of pipe swelling and shrinking, and sand wear, the design, product process, pipe material and test requirements of FRP pipeline were analyzed. Now the nuclear power plant circulation water system has passed the acceptance check, and operated normally, which will provide experience and reference for the future application of FRP pipeline in the circulation water system.

circulation water system；lined FRP pipeline；nuclear power plant

TL37Article character：A

：1674-1617(2014)04-0297-05

TL37

A

：1674-1617(2014)04-0297-05

2014-07-16

張 旭（1972—），男，北京人，高級(jí)工程師，學(xué)士，從事循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。