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)計院有限公司，上海 200233)

國內(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等。但是隨著管道服役時間的增長、水源條件的惡化以及系統(tǒng)各種復(fù)雜運行工況的累積作用，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，抗震性能優(yōu)異，焊接質(zhì)量可靠等性能優(yōu)勢[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，法國電力集團(EDF)采用了外徑32 in(812.8 mm)，尺寸比DR11的聚乙烯管道對Sizewell B 核電站冷卻水管道系統(tǒng)腐蝕嚴(yán)重的管道進行替換，改造后系統(tǒng)運行良好，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ISCO公司提供材料牌號為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號至4 號機組冷卻水系統(tǒng)[4]。我國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，向汽輪機廠房提供冷卻水[5]。這也為后續(xù)我國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、制造工藝和檢驗試驗主要是依據(jù)美國ASME規(guī)范和ASTM標(biāo)準(zhǔn)，而且施工設(shè)計多數(shù)采用架空敷設(shè)[6]，有別于普通市政聚乙烯管道。所以對于推廣這些產(chǎn)品的普遍應(yīng)用仍有以下問題需要重點研究。

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，按照ASTM D3350的規(guī)定，牌號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)和介質(zhì)為水時的設(shè)計應(yīng)力(HDB乘以給水用管設(shè)計參數(shù))。PE4710中的——“4”指密度要達到ASTM D3350規(guī)定的值(0.947到0.955 g/cm3)；高性能PE4710——“7”指耐慢速裂紋增長性能(PENT試驗要求2 000 h)。當(dāng)給水用管設(shè)計因子采用0.63時候，PE4710牌號最后2位為“10”就代表靜液壓設(shè)計應(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)量流動速率技術(shù)要求范圍比較寬(4～20 g/10 min)，目前常規(guī)試驗結(jié)果在6～9 g/10 min范圍內(nèi)。而針對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。主要因為聚乙烯材料在受熱塑化擠出過程中，聚乙烯分子鏈一般處于粘流態(tài)，如圖1所示。粘流態(tài)的聚乙烯熔體流動變形較為容易，方便加工定型。

但在粘流態(tài)時，聚乙烯材料的流動性，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，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點鐘和8點鐘位置的壁厚最厚，如圖2箭頭位置區(qū)域，壁厚偏差超出標(biāo)準(zhǔn)要求。如何能增強聚乙烯材料的抗熔錘特性，進而實現(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

現(xiàn)在很多高等級的HDPE樹脂在聚合生產(chǎn)過程中都會通過引入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%。通過引入這些長鏈分子，一方面可以提高材料的耐慢速裂紋增長性能[7]，現(xiàn)在很多材料慢速裂紋試驗可以進行6 000 h以上。同時，由于共聚單體的引入，也會使得聚乙烯分子鏈之間的纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)增加，能有效提高熔體強度，在實際擠出生產(chǎn)過程中，更容易控制管道壁厚均一性。這個需要石化廠家根據(jù)市場需求，從催化劑、聚合工藝及聚合單體的分子鏈長度等方面考量，優(yōu)化HDPE的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計，提升HDPE數(shù)值的抗熔錘性能。

1.2 PE4710與PE100的統(tǒng)一性

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

表2 PE100和PE4710兩種材料定級方法的區(qū)別

最終PE100的MRS和PE4710的HDB一方面是由于定級方法的不同而不同，另一個方面是兩個標(biāo)準(zhǔn)體系的設(shè)計因子不一樣，會導(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11.2～12.5 MPa的定義等級[8]。ISO 技術(shù)委員會TC138 /SC4 于2000年同意PE壓力管道等級的下一個產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)分類為PE125。而且我們針對國內(nèi)生產(chǎn)的一些PE100混配料做過性能比對試驗，一般性能都可以達到PE4710的技術(shù)指標(biāo)要求。后續(xù)如何能使用國內(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)計院以及制造廠家共同推動標(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，但是相對核電或者火電等特殊場所的工藝管道而言，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，管件的壓力折減系數(shù)宜取1.0；切割角大于7.5°時，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。但是對于核電廠來說，管路系統(tǒng)壓力較大，一般管路設(shè)計壓力最大可達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等級的大口徑厚壁管道焊制管件的通徑較小，整個管路系統(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 性能試驗驗證

3.1 管件短期耐壓性能試驗

根據(jù)ASME規(guī)范及ASTM D3261標(biāo)準(zhǔn)要求[10]，針對大口徑注塑管件包括焊制管件，需要開展外觀檢驗、尺寸檢驗、高溫液壓試驗、短期液壓性能試驗。其尤其針對大口徑管配件的短期液壓試驗屬于一個技術(shù)難點。ASTM D3261中對于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)，材料會發(fā)生輕微膨脹變形。因此爆破試驗設(shè)備需要具備短時間快速智能補水功能，同時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——真實應(yīng)力，MPa;

ε——真實應(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，并控制液壓補水泵的補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驗證，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，僅需要核算好產(chǎn)品的蠕變膨脹、補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驗證表明產(chǎn)品的最小爆破壓力往往會高于公式(1)的計算值，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)計密切相關(guān)。

3.2 管材的短期液壓性能試驗

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[12]。ASTM D2290的規(guī)定PE4710材料的管材表觀環(huán)向拉伸屈服強度至少為20 MPa[13]。該標(biāo)準(zhǔn)針對環(huán)向拉伸試驗一共給出有A方法，B方法，C方法和D方法四個測試方法。其中針對大口徑厚壁管材可以優(yōu)先選用方法D。因為針對不同外徑的管材夾具可以通用性，減少試驗投入成本；另一個是所需試樣的尺寸比較小，對于拉伸試驗設(shè)備的行程空間要求低，提高了試驗的可行性，如圖5所示。

圖5 方法D測試夾具Fig. 5 The testing fixture of the method D

4 結(jié)論

國外的工程應(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)有國產(chǎn)化的ASME核3級HDPE成功應(yīng)用。所以后續(xù)在國內(nèi)推動HDPE管道在核電廠的應(yīng)用具有非常大的經(jīng)濟價值和社會效益。