鄭東宏,張培敬,王江濤,褚 爭
(上海核工程研究設(shè)計院有限公司,上海 200233)
近年來,隨著塑料管道制造技術(shù)的提高,對于部分運行壓力較低和運行溫度不高的核安全3級的承壓工藝管道,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、制造、安裝、檢驗、試壓等方面,增加并完善了核安全級非金屬材質(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卷核級規(guī)范NCA-3970中,對聚乙烯材質(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卷強制性附錄ⅩⅩⅥ中,對核安全3級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,對可用于第Ⅲ卷第1分卷中的核安全3級聚乙烯塑料管的應(yīng)用進(jìn)行了規(guī)定[3];在ASME BPVC案例N-155-3中,對可用于第Ⅲ卷第1分卷中的核安全3級玻璃纖維增強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,對壓水堆核電廠核安全3級塑料管道的材質(zhì)規(guī)范和連接技術(shù)進(jìn)行分析和總結(jié)。
聚乙烯管道作為核安全3級承壓管道使用時,僅限于核安全3級服務(wù)水系統(tǒng)的埋地管道部分、核安全3級冷卻水系統(tǒng)的埋地管道部分。對聚乙烯管道的設(shè)計溫度,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。
在核安全3級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,對其業(yè)務(wù)范圍的工作建立質(zhì)量體系大綱QSP,對其業(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證持有單位對其進(jìn)行評定合格后,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,公稱外徑小于76 mm時,遵循ASTM D3035材質(zhì)規(guī)范要求;公稱外徑不小于76 mm時,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。
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
核安全3級的聚乙烯管道的加工和安裝,主要采用熱熔對接和法蘭連接,不允許使用螺紋或粘結(jié)。在熱熔對接時,應(yīng)根據(jù)經(jīng)評定合格的熱熔對接工藝規(guī)程,由技能評定合格的熱熔對接操作工,操作熱熔對接機進(jìn)行熱熔對接。熱熔對接機所形成的記錄應(yīng)滿足熱熔對接工藝規(guī)程的參數(shù)要求。熱熔對接過程如圖1所示,其工藝流程如下。
圖1 熱熔對接壓力-時間曲線示意圖Fig.1 The pressure-time graph for the butt fusing procedure
1)對管道的端面進(jìn)行切削并清潔干凈,錯邊量不超過壁厚的10%,在水平±45°范圍內(nèi),將管道置于熱熔對接機上。
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),對管道端面進(jìn)行預(yù)熱,在T1時長內(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,熱量在管端擴散均勻,在T2時間內(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,相對應(yīng)的時間為T3,根據(jù)管道壁厚的不同,最大抽出時間范圍為8~30 s。
5)壓力升至P2,在穩(wěn)定持續(xù)壓力作用下熱熔對接,使其緊密接觸在一起,然后再緩慢冷卻,相對應(yīng)的時間為T4。
玻璃纖維增強熱固性樹脂管道作為核安全3級承壓管道在制造過程中,其設(shè)計和服役的溫度和壓力不得超過其書面的管道評定結(jié)果所計算的溫度和壓力。若采用聚酯為管道結(jié)構(gòu)材料時,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,服役溫度不得超過121 ℃。玻璃纖維增強熱固性樹脂管道的服役溫度不超過82 ℃時,其設(shè)計壓力不能大于3.4 MPa;當(dāng)其服役溫度在82~121 ℃范圍時,其設(shè)計壓力不能大于1.7 MPa;當(dāng)管道輸送介質(zhì)為連續(xù)蒸汽時,其表觀壓力不得超過34 kPa。
在核安全3級玻璃纖維增強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)商需建立材料識別和驗證程序,對其業(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證持有單位對其進(jìn)行評定合格后,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。
玻璃纖維增強熱固性樹脂管材料的材質(zhì)規(guī)范、性能試驗規(guī)范見表3。增強熱固性樹脂管,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;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。增強熱固性樹脂管,若滿足ASTM D2310中的類型1(制造方法為長絲纏繞)中的等級1(原材料為玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂)和等級2(原材料為玻璃纖維增強聚酯樹脂),以及分類A(無內(nèi)襯)、C(環(huán)氧樹脂內(nèi)襯,無增強)、E(聚酯樹脂內(nèi)襯,增強)、F(環(huán)氧樹脂內(nèi)襯,增強)、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定規(guī)程,制造相關(guān)的試驗樣品進(jìn)行相關(guān)的評定試驗(包括靜水壓設(shè)計基準(zhǔn)HDB試驗、管道構(gòu)成材料測定、管道溫度評定),復(fù)核管道的設(shè)計性能和力學(xué)性能是否滿足要求。根據(jù)最終的經(jīng)評定合格試驗記錄,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的方法控制管道制造質(zhì)量。
核安全3級玻璃纖維增強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,應(yīng)根據(jù)經(jīng)評定合格的書面粘結(jié)接工藝規(guī)程,由技能評定合格的粘結(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,涂抹邊緣應(yīng)相互搭接交錯覆蓋,不能統(tǒng)一平齊。
5)所有機加或切割區(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。
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)也采用了聚乙烯管道。玻璃纖維增強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級的管道建造過程中。根據(jù)ASME BPVC案例N-755-4和N-155-3,對作為核安全3級承壓的聚乙烯管道材質(zhì)規(guī)范和熱熔對接技術(shù)、對作為核安全3級承壓的纖維增強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。