核電廠玻璃纖維增強塑料(玻璃鋼)管道及材料的應用與探討

張興法，李淑娜

(1. 中核霞浦核電有限公司，福建 霞浦 355100；2. 浙江國檢檢測技術股份有限公司，浙江 嘉興 314000)

1 玻璃纖維增強塑料材料的應用現狀

玻璃纖維增強塑料(GFRP)俗名玻璃鋼，是當前全球技術成熟、應用廣泛且不斷改進創新的一類復合纖維材料。二戰期間，玻璃鋼(GFRP)因其比強度大和重量輕而率先進入軍事航空領域，一度風光無限。二戰后因其獨到的優良性質，比如耐腐蝕、內表面光滑、比強度大、安裝使用方便等，使這種材料迅速在海洋船舶、石油化工、市政工程、航空航天領域得到廣泛應用和推廣。北美西歐等發達國家在20世紀80年代對玻璃鋼材料的研究和應用達到一個極致。我國應用玻璃鋼材料相對比較晚，20世紀末開始有規模的推廣。我國玻璃鋼首先運用于石油化工和水輸送工程。住建部曾推薦在長距離水輸送工程中使用該材料管道[1]。目前國內玻璃鋼產品在航空航天、海洋工程、石油化工、電力、市政工程等領域都有應用，特別是石油化工、水處理系統、城市供水領域應用更為深入。

進入21世紀，節能、綠色、環保成為世界發展的主題，玻璃鋼材料以其優良的耐腐蝕性、水力光滑、壽命長并具備節能降耗等優點再次引起了許多工業領域的關注。

2 玻璃鋼的主要優點

1)物理性能良好。玻璃鋼材料比強度高，同口徑玻璃鋼管道的重量不足鋼管的1/3，強度相當，膨脹系數接近，但熱傳導系數只有鋼的0.5%，是一種良好的熱和電的絕緣體。

2)不生銹，能很好地防酸堿鹽腐蝕，抗老化特性優異，耐熱性能良好，壽命長。普通玻璃鋼壽命超過50年，可在-50～-70 ℃范圍內正常使用，添加抗高溫材料，可以承受更高溫度。某些高溫玻璃鋼可在250 ℃以上環境中正常使用[2]。

3)管道水力學特性優異。長距離輸送液體流體壓降小，可以選用小管徑或小功率輸送泵進行動力輸送。工程初期成本和系統運行成本都可以有效降低。

4)絕緣、非磁，無電腐蝕性，防水性能好，可在潮濕環境或水中長期使用而不變質。廣泛應用于制作電纜橋架和托盤；耐熱、防凍、防火、屬阻燃型，可以很好地用于通風和保溫材料和燃油系統輸送。

5)玻璃鋼管道及裝置的安裝、維護費用低，一般來說，玻璃鋼管不需防腐，保溫層可以減薄，甚至不保溫；單位比重輕，大部分情況下施工無需考慮特殊吊裝設備。玻璃鋼管長度比水泥管及鑄鐵管等長，接頭相對減少，可靠性增加，安裝和維護費用低。

6)各類型材設計靈活，改型周期短。玻璃鋼管道可以通過改變樹脂比例或種類來增強或調整其各種物理和化學性能，以達到滿足輸送不同介質或特殊工況條件。其性能遠優于各向同性的金屬管材[2]。

3 玻璃鋼管道及材料具備用于核電廠的基本條件

(1)承壓能力滿足要求

壓水堆核電廠一回路壓力為12～16 MPa，二回路壓力為6～8 MPa，三回路壓路及其輔助系統壓力一般不超過3 MPa，消防系統(一般3 MPa以下)、氣體系統(壓空N2H2等)為1.6～3 MPa，海水淡化、給排水、水處理、暴雨收集等系統均低于1.6 MPa，屬于低壓或無壓。

玻璃鋼管道的壓力范圍很大，特殊玻璃鋼承壓可達34.5 MPa[3]。承壓在10 MPa以下玻璃鋼管道國產化率比較高。3.0 MPa以下的優質管道，國產化率可以達到100%。目前國產的玻璃鋼管材已能滿足核電廠使用基本需求。

(2)廣泛成熟的社會應用基礎

核電廠除一、二回路外，其他相關工藝系統(包含消防、給排水)管道和化工、電力工程、市政供水等相關系統管道材質、壓力等參數要求等基本一致，甚至相關壓力等級還低于其他工程。北美西歐等幾個玻璃鋼技術先進國家，使用和研究玻璃鋼超過80年，玻璃鋼管道廣泛用于本國的化工、電力工程、市政供水、海洋和航空航天。每年新安裝管道中玻璃鋼比例很高，一般都在40%左右。挪威等北歐國家因氣候太冷幾乎不再使用熱膨脹系數較大金屬管道，他們玻璃鋼管使用量超80%。中東地區因考慮節水節能與安裝方便等因素，輸水管道100%使用玻璃鋼。

(3)核電廠已有應使用經驗

法國核電為應對濱海鹽霧潮濕環境對金屬管道的腐蝕，最先在核電廠的海水冷卻系統、消防系統和淡水和污水排放系統引入玻璃鋼管道。我國田灣核電I期于1998年也首次使用淡水供應系統采用玻璃鋼管道，效果良好。

核電廠的冷卻水系統和消防系統安全相關系統，反應堆運行階段，該系統需連續不斷供水，即使在核電廠遭受外力破壞的情況下，也不能斷水，否則將導致嚴重結果。核電廠的消防系統也是核電廠最重要同時也是范圍最廣的安全相關系統之一。目前玻璃鋼管道已在很多在建和運行的核電使用(主要用于海水和低壓管路)，經統計部分核電廠玻璃鋼管道使用情況見表1。

表1 玻璃鋼管道的核電廠應用Table 1 Application of GFRP pipes in NPP

以上情形足以說明核電廠在技術面和市場面均已初步具備規模使用玻璃鋼管道的條件。

4 玻璃鋼管道用于核電廠，其某些優勢比較明顯

4.1 耐腐性能良好

我國核電廠均位于濱海地區，潮濕的鹽霧環境對所有的金屬管道和金屬材料提出了很高的要求，玻璃鋼耐腐蝕的優越特性可以很好地解決海水腐蝕問題，還可以在多種不同濃度的酸、堿、鹽介質及溶劑中有較好的穩定性，可在潮濕鹽霧環境或海水中長期使用而不變質。而鋼鐵等金屬管道需內外表面應涂覆不同防腐材料，而且運行過程中，還需要不斷的對防腐措施進行維護，或者對金屬本底進行外加電流的陰極防護措施。其特性相當于變相延長了玻璃鋼管道的壽命周期，大幅度降低了系統的運維成本。大量采用耐腐蝕的玻璃鋼替代優質不銹鋼和合金鋼材料，可產生可觀的經濟效益。

4.2 比強度高、力學性能合理，抗疲勞性能好，滿足核電的抗震要求

優質玻璃鋼管拉伸強度超過500 MPa，但其密度不到鋼鐵等金屬材料的1/4，其比強度很大。玻璃鋼材料可以有效降低疲勞破壞對材料的影響[3]。其抗疲勞破壞性能遠優于鋼鐵原因在于其各向異性可以有效阻止疲勞裂紋擴展。玻璃鋼可適合于很多震動場合，安裝方便，可以有效滿足核電抗震要求。對比情況見表2。

表2 常見材料的比強度表Table 2 Specific strength of common materials

4.3 熱的不良導體，熱應力極低，具有較好的隔熱、耐火、阻燃特性

玻璃鋼管道與鋼管熱性能數據對比見表3。從表中數據可以看出，玻璃鋼管道的導熱系數遠低于鋼管，不到0.4%，具有較好的保溫性能，介質輸送時可以降低熱能損耗；玻璃鋼管道上產生的熱應力比鋼管小10倍。在實際應用中，玻璃鋼管設計過程可以不予考慮熱應力集中，鋼管卻必須考慮消除熱應力集中的措施。玻璃鋼的熱性能參數使得它具有非常好的抗高低溫特性，可適應核電特殊工況需求。

表3 GFRP管與鋼管熱性能數據表Table 3 Comparisonof thermal performance data of GFRP pipes and steel pipes

玻璃鋼材料熱應變小，是良好的隔熱材料和瞬時耐高溫材料[4].可以很好地用于核電站的通風和保溫系統。良好的防火和阻燃性能也是核電現場柴油機、汽輪機燃油系統的最佳選擇。

4.4 玻璃鋼管道耐磨性優異，內表面光潔度高，防污效果好

為確保核電廠設備閥門及工藝系統有效長期運行，系統對介質的要求非常高，而金屬管材在儲存、使用過程中，會因化學、電化學的作用產生局部電池反應，表面極易生銹腐蝕，對輸送介質也往會產生污染，因而其表面需進行特殊防腐和光滑處理，閉式冷卻水系統還需對介質進行凈化處理或定期更換；同時由于金屬管道(特別是碳鋼)耐磨性相對較差，也會進一步污染介質，磨損管線，影響核電廠的設備的運行壽命；玻璃鋼材質管道由非金屬材料制成，電極電位高，表面不會發生氧化銹蝕，無需處理，不會污染水質，同時其磨損基本可以忽略不計。

玻璃鋼管內壁光滑可有效阻止污水或海水中的菌類、貝類等微生物玷污腐蛀。核電采用玻璃鋼管道可實現其污水處理系統、海水主冷卻系統、安全廠用水系統長時間安全平穩運行。而鋼鐵等金屬管或混凝土管道表面粗糙很容易被甲貝等微生物腐蛀，且不易清除，管道粗糙率增大，有效管徑縮小，全系統阻力增加，運行機械無用功增加。

4.5 玻璃鋼管道壽命長，還有優良的耐輻照能力

玻璃鋼管材料本身性能穩定，且其破壞壓力設計冗余度很大(一般為工作壓力6倍)的，可以確保50年使用壽命(見AWWA、ASTM標準)。鋼鐵等金屬管道使用壽命一般為20年，強腐蝕介質或環境下壽命更短。

玻璃鋼管道還有優良的耐輻照能力，在較高輻照條件下，其高分子材料穩定性良好。添加特殊纖維的玻璃鋼材料其機械強度輻照時還有一定加強[5]。

4.6 材料可設計性強，適用于核電的復雜性和多樣性

根據具體使用情況，可對管道的具體性能及形狀進行設計：比如不同的縱/環向強度的材料；不同介電目的、阻燃目的、耐腐蝕的材料；不同接頭方式的管道，可有效提高工程安裝速度；因成型容易可制成不同形狀材料，適用于不同區域、不同空間。這些特性金屬管材很難達到。

5 核電廠使用玻璃鋼管道的積極意義

5.1 玻璃鋼比造價低，經濟優勢明顯

(1)經久耐磨，使用壽命長，壽命周期費用低

玻璃鋼耐磨性能良好，根據奧地利HOBAS公司1997實驗數據，玻璃鋼管道內襯25萬次循環的磨損僅為碳鋼管道的1/30，核電壽命周期內玻璃鋼材料幾乎不用更換，因維護次數少，維護費用很低。

(2)玻璃鋼管道水力性能優越，可有效降低能耗

玻璃鋼管道屬水力學光滑管，其絕對粗糙度遠小于鋼管及水泥管，相關水力特性和節能效果見表4(管徑DN2200，L=36 000 m，介質為水)。

表4 流量相同不同管材能耗比較Table 4 Comparison of energy consumption of different pipes with the same flow

上表中，鋼管、水泥管和玻璃鋼管的能量消耗之比為2.02∶2.32∶1，玻璃鋼管道最節能。

從上表知道，玻璃鋼管道的有效功最大，運行過程中降低能耗非常明顯。若泵運行功率和輸送液體流量一致情況下，玻璃鋼管道選型可比碳鋼管道小1～2個管徑等級。這可以降低初期投資成本的1/10以上，可有效節約工程的初期投資成本。

(3)玻璃鋼管道防滲漏性能良好，強度高，系統可靠性增加，設計費用低

玻璃鋼管防滲性能好，管材強度高、延展性好，不會因水錘作用和瞬間超壓產生破壞。這對核電廠地下管線布置優化幫助很大，系統設計不用考慮不同介質管道的先后順序和上下布置要求，滿足工程設計和施工的優化要求，可以很大程度上降低了設計費用。

(4)安裝輕便，工期短，節省投資

玻璃鋼管道比重小，大約是鋼管或鑄鐵管的1/4或1/5，同等內壓條件下，重量比碳鋼管道輕40%以上，安裝無需大型的吊裝設備，降低了運輸和安裝費用。各種分支管安裝相對簡單，不受場地和外在環境的條件限制，用戶經過培訓很容易掌握玻璃鋼管的安裝通用技術，這也進一步提升了玻璃鋼管道施工的性價比。

表5所示為核電廠不同埋地管的特性比較。玻璃鋼管相比其他材質管道，優勢明顯。玻璃鋼管道適應環境的能力是最強的，施工最簡便，在運行過程中基本上無須任何維護。玻璃鋼管道比造價低，適合核電的復雜工況，對促進核電的大發展意義重大。

表5 不同材料管道性能對比Table 5 Characteristics of different buried pipes inNPP

5.2 核電采用玻璃鋼材料，也是節能減排大趨勢，為后續核電競價上網奠定條件

作為負責任的世界大國，中國已宣布自己 “碳達峰和碳中和”基本目標，并為之積極踐行。快速發展核電，不僅有助推進“雙碳”戰略目標實現，也可以有效促進我國能源結構優化，實現我國的能源戰略安全。《“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要》中明確，2025年在運核電7 000萬kW，在建核電5 000萬kW。截至2023年1月底，我國共有在建和運行核電81臺，其中運行55臺，總裝機容量5 700萬kW，在建26臺，總裝機容量約2 800萬kW。2023—2025年，每年批復開工百萬千瓦機組將不少于10臺，2025年后平均每年并網百萬千瓦機組將不少10臺，才能滿足“十四五”規劃和2035遠景目標的要求。

近年來，央企企業的節能減排目標也越來越具體化和制度化，黃淑和說“央企要圍繞節能、節材、節水、節地和污染物減排等重點，進一步增強資源節約和環境保護意識”，助力碳達峰碳減排目標實現。

為實現國家“雙碳”戰略目標，大力發展核電是必須的，但由于核電安全的基本投入太大，雖有燃料的高密度性，但核電競價上網劣勢還是比較明顯。中國的能源電力供應實際情況是局部飽和，特定時間短缺。隨著新能源的進一步快速發展，國家對核電的保護政策將趨于逐步降低，電站競價上網競爭將會更加激烈。目前部分核電機組已無法全年滿負荷上網。核電競價上網是的當前核電建設必須考慮的關鍵因素。

目前我國核電國產化目標已達到瓶頸狀態，超過了70%，接近80%，片面提高國產化率可能對降低核電比造價沒有實質性貢獻。另辟蹊徑，確保核安全的前提下，核電廠大規模使用環保節能的高科技的復合材料、管道(比如玻璃鋼)或許為核電可持續發展探索出一條可行之路。

6 我國玻璃鋼行業存在的問題和不足

6.1 玻璃鋼行業標準體系不健全，產品質量參差不齊，缺乏統一質量規范和標準化要求，行業推廣及服務無序化嚴重

中國玻璃鋼材料研究基礎工作比較薄弱，行業標準尚在完善階段，未有成體系且統一的標準和支持文件，產品質量靠行業自律，服務質量很大程度上依賴于從業人員的個人能力和經驗，無法進行規模化管理和有效復制。由于玻璃鋼制品企標的設計標準不統一，市場的無序競爭造成產品質量差別非常大。我國在20世紀90年代大規模引入玻璃鋼生產線，由于體系規范不健全，技術人員欠缺，整個行業出現了產品無設計、檢測無手段，選材無標準，產品無檢驗的比較尷尬局面。由于缺乏統一的標準，沒有獨立的監管機構，行業服務質量以自律為主，導致質量問題多發，嚴重影響用戶體驗。

6.2 低端玻璃鋼制品沖擊高端市場

目前我國玻璃鋼制品企業無序化較嚴重，在產品制造領域，仍屬于低層次的產業集聚，產品主要集中在以建筑、石油、市政工程等為主的普通低壓領域，涉及核電、環境工程、軌道交通、新能源等高新領域的新產品較少。這種低層次的產業發展方式主要受制于市場價格競爭，不利于玻璃鋼制品行業的創新和升級換代。

由于生產企業準入條件低，一些目光短淺的企業通過不正當競爭，造成國產玻璃鋼企業低價低質量無序競爭，質優價高的供應商沒有市場。利潤太低導致企業創新發展意愿普遍不高。低質量、低層次產品充斥市場，社會對玻璃鋼的認可程度普遍不高，玻璃鋼管道產品成為價低質次的代名詞。受招標價格影響，制造商為追求利潤，原材料常常以次充好，輔材也偷工減料，因質量缺陷造成一些管道滲漏事故的經濟損失時有發生，用戶對玻璃鋼制品產生了很大的認識偏差，影響了高質玻璃鋼管道市場推廣。

6.3 大部分企業欠缺適用于核電的企業文化、質保體系和質量認證體系

核電質保大綱明確：玻璃鋼廠家必須依據ET/T9001<核工業質量體系要求》或GB/T 19001質量管理體系要求建立質量管理體系，并獲得認證，相關體系必須滿足《核電廠質量保證安全規定》(HAF003)或導則HAD003的內容要求。同時制造商必須有相應機構和足夠的人員確保體系能夠持續有效運行。我國玻璃鋼制品行業產品合格率低是行業發展的主要風險之一。業內部分企業的質量意識、誠信意識、品牌意識、服務意識都不到位，生產、銷售流程也不滿足國家和行業標準要求，既損害了消費者的權益，也敗壞了行業的信譽和口碑。而正是以上不足，造成絕大部分玻璃鋼生產企業無法取得核電合格供應商資質。

由于核電準入條件過高，生產企業前期體系和人力投入過高，盈利預期風險太大，優質企業(產能飽和)涉獵核電市場意愿不強，對涉核高技術含量的材料研發動力和投入不足，一般企業和新成立企業又不具備核電技術研發軟實力，同時也受制于人力資源和資本市場，沒有能力或不愿意大規模投入，致使大部分玻璃鋼生產企業和研發單位對核電市場望而卻步。

6.4 缺乏用于堆芯的材料輻照老化數據

玻璃鋼材料用于核電廠時間較短，缺乏相關材料輻照的有關數據積累。而且玻璃鋼材料的更新換代也較快，其自身參數也在不斷改進和提高。ASME、RCCM、GOST等核電標準(規范)對玻璃鋼材料的在核電廠的應用研究較少，這也是反應堆安全殼內較少使用玻璃鋼制品的重要原因之一。核電廠使用新研發材料一直是一個比較敏感的內容。

我國核電廠國標都是對于金屬管道制定的，沒有相應適用于核電廠一、二回路的國家標準，而且核工程設計院也沒有相應一、二回路玻璃鋼管道設計的經驗。其根本原因在于我國的核電標準是參考ASME或者RCCM內容，目前仍處在消化吸收階段，不管是設計或是研發，其創新能力和創新手段都有局限。

7 對中國玻璃鋼企業期冀和建議

1)玻璃鋼行業必須立足自主創新，重點研發一些高科技的玻璃鋼復合材料，做好過程實驗記錄，為進軍核電市場做好過程控制和數據分析，特別是涉核安全及高壓管道及其他堆芯可能涉及輻照的堆芯結構材料。

2)加快玻璃鋼行業的標準規范制定，確保玻璃鋼材料標準體系統一和適應性，對玻璃鋼產品的設計、檢測和材料選配進行科學規范，產業內競爭科學有序。國家出臺相關政策，對玻璃鋼材料的高科技產業和創新型高新企業給予資金和政策面扶持，實現玻璃鋼企業做大、做強、做精、做尖，為國家的核電和高科技產業提供政策面支持。

3)國家核電規范標準編制委員會可考慮利用核電大發展機遇，創新性對核電選材可采用玻璃鋼復合材料使用進行明文規定，在標準中列入相關條款為全面促進核電廠引入玻璃鋼材料使用創造條件。

4)核電廠與玻璃鋼復合材料(特別是玻璃鋼管道)研發部門、生產企業進行聯合研發，以應用帶動研發，以高科技和創新動力驅動我國玻璃鋼產業的更新換代，做到研發、使用的有效結合，以核電廠規模化使用玻璃鋼復合管道等材料為目標，為我國的玻璃鋼產業產品升級提供原動力，最終為實現中國核電產業的可持續發展服務。

5)中國玻璃鋼協會應促進玻璃鋼生產企業與高校、設計院等研發單位進行產研合作，加快玻璃鋼復合材料的研發人才培養，制定政策鼓勵和促進玻璃鋼生產企業的高技術含量玻璃鋼管道及其他復合材料產品的創新。

8 結束語

玻璃鋼復合材料是目前工程應用領域中發展最快的產品之一，在原材料、制造設備、工藝技術、結構設計、施工以及質量管理等方面均取得了長足的進步，市場占有率不斷取得新的突破，新產品、新技術也不斷涌現。目前玻璃鋼產品的長期性能實驗方面我們剛剛起步，其應用和研發還不滿足現有核電規范和標準的要求，在核電廠玻璃纖維管道的應用方面，我們還有大量基礎性的技術問題等待我們去完成。相信玻璃纖維復合材料的優良表現必將讓核電界有識之士、管理人員認可和接受，成為中國核電產業的可持續發展重要基礎產品之一。