壓水堆核電廠核安全3級塑料管道連接技術

鄭東宏，張培敬，王江濤，褚 爭

(上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233)

近年來，隨著塑料管道制造技術的提高，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管材。ASME BPVC逐漸從質保、材料、設計、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塑料管道的建造要求。

在塑料管道中，常用的材質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卷核級規范NCA-3970中，對聚乙烯材質的材料組織的質量體系大綱的要求進行了規定[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行了規定[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用進行了規定[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用進行了規定[4]；在ASME BPVC第Ⅸ卷QF部分對塑料材質的熱熔連接要求進行了規定。本文根據2021版ASME BPVC規范，對壓水堆核電廠核安全3級塑料管道的材質規范和連接技術進行分析和總結。

1 聚乙烯管道

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級服務水系統的埋地管道部分、核安全3級冷卻水系統的埋地管道部分。對聚乙烯管道的設計溫度，在正常服役工況Level A、瞬態工況Level B、應急工況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，要考慮相應管道的承壓能力，例如，在35 ℃服役溫度下，許用應力不大于4.79 MPa；在50 ℃服役溫度下，許用應力不大于3.96 MPa。

1.1 材料規范

在核安全3級聚乙烯管道制造和供應過程中，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、聚乙烯材料供應商或服務商，應根據NCA-3970的要求，對其業務范圍的工作建立質量體系大綱QSP，對其業務范圍內的化合物、原材料、材料或提供的相關服務的質量進行控制。質量體系大綱QSP，需經ASME評估認證后持有材料質量體系認證證書QSC，或經N證持有單位對其進行評定合格后，方可進行其業務范圍內的相關工作。

天然化合物、顏料濃縮化合物、聚乙烯化合物、聚乙烯材料的材質規范、性能試驗規范、連接工藝規范，見表1。在質量體系大綱QSP的正常運行情況下，聚乙烯原材料制造商應確保聚乙烯化合物的材質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材質規范要求；公稱外徑不小于76 mm時，遵循ASTM F714材質規范要求；每年要進行兩次高溫下的持續壓力試驗。

表1 聚乙烯塑料管道標準規范清單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

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。在熱熔對接時，應根據經評定合格的熱熔對接工藝規程，由技能評定合格的熱熔對接操作工，操作熱熔對接機進行熱熔對接。熱熔對接機所形成的記錄應滿足熱熔對接工藝規程的參數要求。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，將管道置于熱熔對接機上。

2)電加熱板溫度達到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)，對管道端面進行預熱，在T1時長內管端出現熔化顯示。

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

4)將電加熱板迅速抽出，相對應的時間為T3，根據管道壁厚的不同，最大抽出時間范圍為8～30 s。

5)壓力升至P2，在穩定持續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，相對應的時間為T4。

2 玻璃纖維增強熱固性樹脂管道

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，其設計和服役的溫度和壓力不得超過其書面的管道評定結果所計算的溫度和壓力。若采用聚酯為管道結構材料時，其服役溫度不得超過82 ℃；若采用環氧為管道結構材料時，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，其設計壓力不能大于3.4 MPa；當其服役溫度在82～121 ℃范圍時，其設計壓力不能大于1.7 MPa；當管道輸送介質為連續蒸汽時，其表觀壓力不得超過34 kPa。

2.1 材料規范

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過程中，根據NCA-3800的要求，材料制造商需建立質量體系大綱QSP，材料供應商需建立材料識別和驗證程序，對其業務范圍內的原材料、材料或提供的相關服務的質量進行控制。質量體系大綱QSP，需經ASME評估認證后持有材料質量體系認證證書QSC，或經N證持有單位對其進行評定合格后，方可進行其業務范圍內的相關工作。根據NCA-3812要求，材料制造商應負責熱固性樹脂管的構成材料的質量，如熱固性樹脂、增強材料和其他固體或液體材料的質量。構成材料的質量控制應在材料制造商的質量大綱中加以描述。

玻璃纖維增強熱固性樹脂管材料的材質規范、性能試驗規范見表3。增強熱固性樹脂管，應按照ASTM D2996或D3517規范的要求，采用長絲纏繞工藝制造。在周向上，可采用連續的玻璃粗紗來增強；在軸向上，可采用連續的玻璃粗紗、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(無內襯)、C(環氧樹脂內襯，無增強)、E(聚酯樹脂內襯，增強)、F(環氧樹脂內襯，增強)、H(熱塑性樹脂內襯，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準規范清單Table 3 The standards and specifications for the fiberglass reinforced thermosetting resin pipe

材料制造商在進行玻璃纖維增強熱固性樹脂管制造之前，應根據重要變素(玻璃纖維類型、樹脂規格、構成材料含量百分比、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、內襯、繞制張力)，編制書面的制造工藝評定規程，制造相關的試驗樣品進行相關的評定試驗(包括靜水壓設計基準HDB試驗、管道構成材料測定、管道溫度評定)，復核管道的設計性能和力學性能是否滿足要求。根據最終的經評定合格試驗記錄，確定最終制造工藝規程，然后按照最終的制造工藝規程來生產制造管道，在制造過程中通過定期抽樣試驗的方法控制管道制造質量。

2.2 連接技術

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方法、承插粘結外裹層狀玻璃纖維方法、帶密封圈的承插粘結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/環扣連接方法。在工程實踐中，使用最為廣泛的是4種粘結方法，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

在粘結時，應根據經評定合格的書面粘結接工藝規程，由技能評定合格的粘結操作工進行粘結。在粘結工藝中，重要變素有：

1)玻璃纖維的類型、供貨狀態、制造工藝；

2)樹脂的規格、性能；

3)構成材料百分占比；

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，切面不能產生破損或分層；此外，還應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)檢查粘結表面，應干凈、完好、無任何異物，沒有松散的纖維、沒有毛邊。

3)在粘結前，應確保粘結劑在存放保質有效期內；粘結劑應按粘結工藝規程進行混合、涂抹和固化；嚴禁使用出現凝膠的粘結劑。

4)在外裹層狀玻璃纖維時，涂抹邊緣應相互搭接交錯覆蓋，不能統一平齊。

5)所有機加或切割區域都要用粘結劑進行粘結密封；粘結固化后多余的部分應去除并光滑過度。

6)在粘結劑完全固化前，嚴禁連接管道之間發生位移。

3 結論

隨著塑料管材制造技術的提高，塑料管材已逐漸應用于已建壓水堆核電廠廠用服務水系統改造中和新建壓水堆核電廠廠用服務水系統建設中。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(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外核電廠海水循環管道中得到了應用。ASME BPVC已將其用于核安全3級的管道建造過程中。根據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規范和熱熔對接技術、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規范和粘結技術，進行了詳細分析。