压水堆核电厂核安全3级塑料管道连接技术

郑东宏，张培敬，王江涛，褚 争

(上海核工程研究设计院有限公司，上海 200233)

近年来，随着塑料管道制造技术的提高，对于部分运行压力较低和运行温度不高的核安全3级的承压工艺管道，逐渐采用了塑料材质管材。ASME BPVC逐渐从质保、材料、设计、制造、安装、检验、试压等方面，增加并完善了核安全级非金属材质塑料管道的建造要求。

在塑料管道中，常用的材质主要分为热塑性塑料(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)和热固性塑料(包括环氧树脂、呋喃、酚醛、聚酯、聚氨酯、乙烯酯)两类。

在ASME BPVC第Ⅲ卷核级规范NCA-3970中，对聚乙烯材质的材料组织的质量体系大纲的要求进行了规定[1]；在第Ⅲ卷强制性附录ⅩⅩⅥ中，对核安全3级埋地聚乙烯压力管的建造要求进行了规定[2]；在ASME BPVC案例N-755-4中，对可用于第Ⅲ卷第1分卷中的核安全3级聚乙烯塑料管的应用进行了规定[3]；在ASME BPVC案例N-155-3中，对可用于第Ⅲ卷第1分卷中的核安全3级玻璃纤维增强的热固性树脂管的应用进行了规定[4]；在ASME BPVC第Ⅸ卷QF部分对塑料材质的热熔连接要求进行了规定。本文根据2021版ASME BPVC规范，对压水堆核电厂核安全3级塑料管道的材质规范和连接技术进行分析和总结。

1 聚乙烯管道

聚乙烯管道作为核安全3级承压管道使用时，仅限于核安全3级服务水系统的埋地管道部分、核安全3级冷却水系统的埋地管道部分。对聚乙烯管道的设计温度，在正常服役工况Level A、瞬态工况Level B、应急工况Level C下，聚乙烯管道的温度不超过60 ℃；在故障工况Level D下，温度不超过80 ℃。在长周期服役条件下(如服役寿期50年)、在不同的服役温度下，要考虑相应管道的承压能力，例如，在35 ℃服役温度下，许用应力不大于4.79 MPa；在50 ℃服役温度下，许用应力不大于3.96 MPa。

1.1 材料规范

在核安全3级聚乙烯管道制造和供应过程中，聚乙烯原材料制造商(包括天然化合物制造厂、颜料浓缩化合物制造厂、聚乙烯化合物制造厂)、聚乙烯材料制造商、聚乙烯材料供应商或服务商，应根据NCA-3970的要求，对其业务范围的工作建立质量体系大纲QSP，对其业务范围内的化合物、原材料、材料或提供的相关服务的质量进行控制。质量体系大纲QSP，需经ASME评估认证后持有材料质量体系认证证书QSC，或经N证持有单位对其进行评定合格后，方可进行其业务范围内的相关工作。

天然化合物、颜料浓缩化合物、聚乙烯化合物、聚乙烯材料的材质规范、性能试验规范、连接工艺规范，见表1。在质量体系大纲QSP的正常运行情况下，聚乙烯原材料制造商应确保聚乙烯化合物的材质属性满足的要求见表2。聚乙烯材料加工成管材时，公称外径小于76 mm时，遵循ASTM D3035材质规范要求；公称外径不小于76 mm时，遵循ASTM F714材质规范要求；每年要进行两次高温下的持续压力试验。

表1 聚乙烯塑料管道标准规范清单Table 1 The standards and specifications for the polyethylene plastic pipe

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

1.2 连接技术

核安全3级的聚乙烯管道的加工和安装，主要采用热熔对接和法兰连接，不允许使用螺纹或粘结。在热熔对接时，应根据经评定合格的热熔对接工艺规程，由技能评定合格的热熔对接操作工，操作热熔对接机进行热熔对接。热熔对接机所形成的记录应满足热熔对接工艺规程的参数要求。热熔对接过程如图1所示，其工艺流程如下。

图1 热熔对接压力-时间曲线示意图Fig.1 The pressure-time graph for the butt fusing procedure

1)对管道的端面进行切削并清洁干净，错边量不超过壁厚的10%，在水平±45°范围内，将管道置于热熔对接机上。

2)电加热板温度达到204～232 ℃要求后，将电加热板插入管端之间并施加热熔压力P2(电加热板接触压力为0.41～0.62 MPa)，对管道端面进行预热，在T1时长内管端出现熔化显示。

3)将压力降至P1(电加热板接触压力为0 MPa)，管端继续吸热，热量在管端扩散均匀，在T2时间内使管端有足够的热熔物料，高度A达到要求(根据管径的不同，A值范围为1.5～14 mm)。

4)将电加热板迅速抽出，相对应的时间为T3，根据管道壁厚的不同，最大抽出时间范围为8～30 s。

5)压力升至P2，在稳定持续压力作用下热熔对接，使其紧密接触在一起，然后再缓慢冷却，相对应的时间为T4。

2 玻璃纤维增强热固性树脂管道

玻璃纤维增强热固性树脂管道作为核安全3级承压管道在制造过程中，其设计和服役的温度和压力不得超过其书面的管道评定结果所计算的温度和压力。若采用聚酯为管道结构材料时，其服役温度不得超过82 ℃；若采用环氧为管道结构材料时，服役温度不得超过121 ℃。玻璃纤维增强热固性树脂管道的服役温度不超过82 ℃时，其设计压力不能大于3.4 MPa；当其服役温度在82～121 ℃范围时，其设计压力不能大于1.7 MPa；当管道输送介质为连续蒸汽时，其表观压力不得超过34 kPa。

2.1 材料规范

在核安全3级玻璃纤维增强热固性树脂管道的制造和供应过程中，根据NCA-3800的要求，材料制造商需建立质量体系大纲QSP，材料供应商需建立材料识别和验证程序，对其业务范围内的原材料、材料或提供的相关服务的质量进行控制。质量体系大纲QSP，需经ASME评估认证后持有材料质量体系认证证书QSC，或经N证持有单位对其进行评定合格后，方可进行其业务范围内的相关工作。根据NCA-3812要求，材料制造商应负责热固性树脂管的构成材料的质量，如热固性树脂、增强材料和其他固体或液体材料的质量。构成材料的质量控制应在材料制造商的质量大纲中加以描述。

玻璃纤维增强热固性树脂管材料的材质规范、性能试验规范见表3。增强热固性树脂管，应按照ASTM D2996或D3517规范的要求，采用长丝缠绕工艺制造。在周向上，可采用连续的玻璃粗纱来增强；在轴向上，可采用连续的玻璃粗纱、短切的玻璃纤维、非同向的玻璃纤维来增强。增强热固性树脂管，若满足ASTM D2310中的类型1(制造方法为长丝缠绕)中的等级1(原材料为玻璃纤维增强环氧树脂)和等级2(原材料为玻璃纤维增强聚酯树脂)，以及分类A(无内衬)、C(环氧树脂内衬，无增强)、E(聚酯树脂内衬，增强)、F(环氧树脂内衬，增强)、H(热塑性树脂内衬，特殊指定材料)要求，也是许可的。

表3 玻璃纤维增强热固性树脂管道标准规范清单Table 3 The standards and specifications for the fiberglass reinforced thermosetting resin pipe

材料制造商在进行玻璃纤维增强热固性树脂管制造之前，应根据重要变素(玻璃纤维类型、树脂规格、构成材料含量百分比、绕制工艺、固化剂、固化时间和温度)、非重要变素(壁厚、单位管长重量、内衬、绕制张力)，编制书面的制造工艺评定规程，制造相关的试验样品进行相关的评定试验(包括静水压设计基准HDB试验、管道构成材料测定、管道温度评定)，复核管道的设计性能和力学性能是否满足要求。根据最终的经评定合格试验记录，确定最终制造工艺规程，然后按照最终的制造工艺规程来生产制造管道，在制造过程中通过定期抽样试验的方法控制管道制造质量。

2.2 连接技术

核安全3级玻璃纤维增强热固性树脂管的连接方法，主要有非约束性连接和约束性连接两大类。非约束性连接主要有采用橡胶密封的承插连接方法、柔性套筒接头连接方法。约束性连接主要有承插粘结方法、承插粘结外裹层状玻璃纤维方法、带密封圈的承插粘结外裹层状玻璃纤维方法、对接接头外裹层状玻璃纤维方法、法兰连接方法、带有卡具/螺纹/环扣连接方法。在工程实践中，使用最为广泛的是4种粘结方法，如图2所示。

图2 玻璃纤维增强热固性树脂管的连接方式Fig.2 The adhesive bonded joining procedures for the fiberglass reinforced thermosetting resin pipe

在粘结时，应根据经评定合格的书面粘结接工艺规程，由技能评定合格的粘结操作工进行粘结。在粘结工艺中，重要变素有：

1)玻璃纤维的类型、供货状态、制造工艺；

2)树脂的规格、性能；

3)构成材料百分占比；

4)固化剂性能；

5)固化时间；

6)连接材料类型；

7)连接组件几何尺寸、连接角度变化。

在粘结工艺过程中，需要注意以下操作要求。

1)所有的切面都要打磨平整干净，切面不能产生破损或分层；此外，还应防止管道切割过程所使用的夹具对管道造成额外的损伤。

2)检查粘结表面，应干净、完好、无任何异物，没有松散的纤维、没有毛边。

3)在粘结前，应确保粘结剂在存放保质有效期内；粘结剂应按粘结工艺规程进行混合、涂抹和固化；严禁使用出现凝胶的粘结剂。

4)在外裹层状玻璃纤维时，涂抹边缘应相互搭接交错覆盖，不能统一平齐。

5)所有机加或切割区域都要用粘结剂进行粘结密封；粘结固化后多余的部分应去除并光滑过度。

6)在粘结剂完全固化前，严禁连接管道之间发生位移。

3 结论

随着塑料管材制造技术的提高，塑料管材已逐渐应用于已建压水堆核电厂厂用服务水系统改造中和新建压水堆核电厂厂用服务水系统建设中。例如，在英国塞兹韦尔B、美国卡勒韦等核电厂改造过程中采用了聚乙烯管道；在新建的压水堆核电厂厂用水系统(非核级)也采用了聚乙烯管道。玻璃纤维增强热固性树脂管也在国内外核电厂海水循环管道中得到了应用。ASME BPVC已将其用于核安全3级的管道建造过程中。根据ASME BPVC案例N-755-4和N-155-3，对作为核安全3级承压的聚乙烯管道材质规范和热熔对接技术、对作为核安全3级承压的纤维增强热固性树脂管道的材质规范和粘结技术，进行了详细分析。