ASME N-755 對核電用HDPE 管材料選擇和性能測試的指導

段頡頏 林 榕 孫霖杰 劉康林 賴煥生

（1.福州大學石油化工學院；2.中山大學中法核工程與技術學院）

核電站中，由埋地管道受損泄漏造成的地下水污染案例不斷增加，另外，因腐蝕和退化而堵塞的管道還可能導致與安全相關的管道喪失冷卻功能， 嚴重影響核電站運行安全與完整性［1］。2005 年，由Duke 電力公司提出，美國機械工程師學會（ASME）鍋爐及壓力容器委員會（BPVC）聚乙烯 （PE） 管特別工作組編寫了一份新的ASME 標準， 該標準以規范案例的形式出現，由BPVC 定期召開研討會制定而成， 內容包括在核電安全系統中使用PE 管時，對設計、采購、安裝、熔合、檢查和測試方面的要求。 同年，規范案例的第1 版正式通過， 但它僅包含Duke 電力公司將PE 管道安裝到核電廠安全系統的第一階段所需的最低要求［2］。 之后，BPVC 不斷測試更多的材料和組件， 若數據在測試完成時符合使用要求，工作組便修改并完善規范案例。 至2017 年，規范案例ASME N-755 已經發行至第4 版 （ASME N-755-4）［3］。

ASME N-755 對核電用高密度聚乙烯（HDPE）管從設計到安裝再到檢測的全過程都進行了嚴格且詳細的規定，盡管它仍然存在一些限制，但到目前為止，它還是指導核電用三級埋地HDPE 管道的最權威的適用規范之一， 具有相當關鍵的指導性意義。

1 對管道材料選擇的指導

ASME N-755 規定了在不同溫度下PE 管道的許用應力和預期使用壽命，其長期使用壽命可達50 年，溫度上限為60 ℃。 由于PE 材料具有相當好的延展性和柔韌性， 因此PE 管道適用于地震易發地區。 當應用適當時，PE 材料能夠提供更好的服務并具有更低的成本，是解決金屬管道腐蝕問題的良好替代品。

為了更好地將高性能PE4710 （歐洲分類為PE100） 聚乙烯化合物和聚乙烯材料用于三級埋地管道系統，ASME N-755 修訂版本中增加了強制性附錄Ⅳ。 該附錄給出了三級核電廠安全系統用PE4710 聚乙烯管道的采購和材料要求， 確定了PE4710 聚乙烯化合物和聚乙烯材料的性能特性和最低性能值，說明了預處理材料表、加工要求和后處理材料的驗證標準，以確保產品的抗裂性、耐環境能力及高溫性等［4］。 根據ASTM D3350—2014 《聚乙烯塑料管和配件材料標準規格》，PE4710 雙峰HDPE 樹脂的元件分類為445574C，是核安全相關唯一許用的材料［5］。

一般而言，HDPE 管道主要有3 種失效模式，即韌性破壞（因過載導致的塑性失效）、緩慢裂紋擴展（SCG）或脆性斷裂（因持續載荷和溫度導致的變形很小的失效，相當于金屬材料的蠕變裂紋擴展或疲勞裂紋擴展失效）、快速裂紋擴展（在低溫（0 ℃以下）下管道損壞引起的高速軸向斷裂）。其中，SCG 是設計和使用壽命預測關注的主要失效模式。 由于PE4710 材料具有較高的耐慢速裂紋擴展性能，因此在高溫加速試驗下對PE4710材料在SCG 失效機制開始時的使用壽命進行了線性回歸分析， 結果為50 年 （438 300 h）。 此外，PE4710 材料還具有較高性能的聚乙烯聚合物分子結構和較高的密度，符合PPI TR-33 第F.7部分對 高 性 能 聚 乙 烯 化 合 物 的 要 求［6，7］。 因 此，PE4710 材料是目前符合ASME N-755 要求的唯一許用材料。

ASME N-755 規定了聚乙烯管的指定標準為ASTM D3035 （外徑小于76 mm） 和ASTM F714（外徑不小于76 mm）， 這兩個標準主要包括工藝、尺寸、公差、短期和長期性能的要求與試驗方法［7］。 除了直管段外，ASME N-755 還規定了附加產品的要求， 包括法蘭接頭和彎頭的具體設計、尺寸規范和性能要求。 對于法蘭接頭的采購，ASME N-755 也進行了規范， 要求法蘭接頭制造商應確保聚乙烯法蘭接頭的額定壓力不小于連接管道的額定壓力、法蘭接頭應滿足規定設計的所有必要幾何尺寸和公差要求。

2 對材料性能測試的指導

2.1 目視檢測

ASME N-755 非強制性附錄C 給出了不合格熱熔對接接頭的結構外觀（圖1），可供對熔合接頭處進行目視檢測的人員進行參照對比。 熱熔對接接頭的結構要求如下［8］：接頭應具有適當的卷邊結構，大小均勻一致；不得有裂紋或未熔合的缺陷；在外觀上接頭不得斜接（成角或偏移），錯邊量應小于熔合部件最小壁厚的10%；焊接卷邊之間的焊道不得延伸至或低于外徑管表面；審查接頭焊接的數據采集記錄， 并與熔合程序規范（FPS）進行比較，以確保在制作熔合接頭時遵循正確的參數和程序。

圖1 不合格熱熔對接接頭結構外觀

2.2 水壓試驗

ASME N-755 中的關鍵設計依據規定， 三級PE 管道在不大于50 年使用壽命的條件下，溫度小于60 ℃時的長期許用應力為3.45 MPa；此外，允許存在任何不大于壁厚10%的表面缺陷［9］。 水壓試驗是檢驗管道嚴密性的重要手段， 為此ASME N-755 規定了水壓試驗的標準， 用于規范試驗流程和驗收指標［10］。 其中，靜水壓試驗要求最小試驗壓力應為設計內壓的1.5 倍再加上70 kPa。 另外， 在安裝過程中也需要進行水壓試驗，在達到滿意的試驗結果之前不得埋管。 需要注意的是，所有接頭包括熔合接頭，應在試驗期間暴露在外進行檢查。 對于長管段，可通過在長管段的小部分進行試驗來完成水壓試驗，在對每一小部分進行試驗并符合要求后，可將管道埋入地下。 所有的試驗過程都應記錄在經過授權的檢驗機構認證證書中［8］。

2.3 熔合性能試驗

ASME N-755 對三級埋地HDPE 管道的熱熔對接接頭進行了詳細規定，其中強制性附錄Ⅰ規定了標準FPS 的要求， 包括加熱板表面溫度、凸緣翻邊尺寸、加熱板拆除時間、熔合壓力及熔合壓力下的冷卻時間等。

ASME N-755 中規定的熱熔對接要求適用于單高壓（SHP）程序，同時需要進行熔合性能試驗，并作為對接熔合程序的鑒定。 FPS 鑒定的目的是確定擬用于施工的熔合接頭是否能夠提供預期所需的性能。具體而言，ASME N-755 中要求使用光滑試樣進行高速拉伸沖擊試驗和高溫持續壓力試驗以鑒定是否符合FPS， 并要求進行自由彎曲試驗以鑒定管焊機操作員的操作是否達標。

3 總結與展望

3.1 總結

在使用規范案例ASME N-755 時， 需要特別注意以下幾點：

a. ASME N-755 規定了設計溫度不超過60 ℃、設計應力不超過許用應力的核電廠三級安全埋地HDPE 管道的設計、制造和安裝要求；

b. 在熔合過程中必須使用數據采集記錄儀記錄熔合過程的所有信息，以供熔合后與FPS 進行比較，以確保熔合過程的可靠性；

c. 所有性能檢查均應按照規范程序執行并達到安全要求，同時應向授權的檢查員提供書面程序、 程序能力證明記錄和人員資格的相關證明；

d. 材料采購和接收人員、對熔合接頭進行檢查的人員和對管道進行性能測試的人員都應接受相應要求的培訓，并獲取資質，所有過程都必須接受相關第三方人員的監督，并將數據記錄存檔。

3.2 展望

由于ASME 是針對所有機械設備的標準，因此它所規定的內容范圍設置得較低， 導致ASME N-755 存在一定的限制性， 僅適用于符合ASME第Ⅲ卷三級部件要求的核電廠埋地管道系統用HDPE 管。 近年來，隨著材料科學、焊接技術等的快速發展，ASME N-755 也應順應科技發展適當增改其適用條件。 如：

a. 早期，美國核電站所用的HDPE 管道材料為PE3408 樹脂， 該材料為電力行業提供管道服務超過25 年。 近年來，升級的PE4710 樹脂材料由于具有良好的抗裂性和優良的耐腐蝕性，于2007 年開始應用于工業。 可以預見，將來會有性能更優良的樹脂材料代替PE4710。

b. 熱熔焊機的尺寸相對龐大，在HDPE 管道焊接安裝時，若遇到較小的管廊施工空間將會極大地影響熱熔施工進度，而電熔設備的尺寸相對較小，所需的操作空間也小。 因此，在保證電熔焊接的嚴密性不小于熱熔焊接的條件下，可以考慮修改主要連接方式，以縮短工期、提高效率。 此外，還可以考慮將電熔焊接主要運用于對管道的修復工作中。

c. 在管道焊接過程中，不可避免地會出現未焊透、夾雜及氣孔等內部缺陷，這些缺陷將嚴重影響HDPE 管的長期使用壽命。 通常，采用超聲無損檢測方法對焊接接頭常見的內部缺陷進行檢測，但ASME N-755 并未對核電用HDPE 管道焊接接頭內部缺陷的無損檢測方法和缺陷判定提出具體規定。 因此，這將是今后完善規范的主要方向之一。

d. Kim J S 等通過對核電站三級安全埋地HDPE 管道熱熔對接性能進行研究發現，與ASME N-755-3 中的單高壓熔合接頭相比，ISO 21307 中給出的單低壓（SLP）熔合接頭顯示出更好的熔合性能。為此，ASME N-755 中的熔合程序應朝著更好性能的方向給出相應的修正。

e. 近年來，我國在核電建造的自主創新方面也有了長足的進步。 HDPE 材料在AP1000 核電站中的首次使用獲得了很多實踐經驗。 因此，我國也應積極承擔核電用HDPE 管規范的研究和編寫工作，促進和推廣HDPE 管在我國核電站的運用。