玻璃钢管道在核电厂循环水系统中的设计及应用

张 旭，戴 云

（1.中国核电工程有限公司，北京 100840；2.南京新核复合材料有限公司，江苏 南京 211212）

玻璃钢管道在核电厂循环水系统中的设计及应用

张 旭1，戴 云2

（1.中国核电工程有限公司，北京 100840；2.南京新核复合材料有限公司，江苏 南京 211212）

文章介绍了玻璃钢管道在核电厂循环水系统中具有降低水损、节约电耗、方便施工等优越性，并解决了大口径循环水管道难以进行水压试验的难题。从玻璃钢管道的设计基准、使用寿命、管道的涨缩影响、泥砂磨损等方面，对玻璃钢管道的设计、产品工艺、管道材料及试验要求等进行了分析。目前该核电厂循环水系统已通过工程验收，运行正常，为今后玻璃钢管道在核电厂循环水系统中的应用提供了经验和依据。

循环水系统；内衬玻璃钢管道；核电厂

1 工程概况

沿海核电厂的循环水系统采用海水直流循环冷却，海水通过取水头部、输水隧道，由循环水泵加压后通过循环水进水沟道进入凝汽器，换热后由循环水排水沟道经虹吸井排入大海。某核电厂有两台核电机组，单台机组循环水量约为40 m3/s，采用两条DN3000现浇钢筋混凝土循环水沟道，每条沟道内循环水量约为20 m3/s。循环水进水沟道采用玻璃钢管道外包钢筋混凝土的结构形式（见图1）。

图1 进水沟道的结构形式Fig.1 The structure of the feed water channel

玻璃钢管是一种可设计性很强的管材，采用不同的树脂基体和增强材料、不同的生产工艺、不同的设计壁厚，其管道性能及适用范围也不同。该核电厂的循环水系统，输送的是经过简单过滤的海水原水，循环水量大，流速高，水流冲击力大；海水腐蚀性强；海水温度随季节变化较大；海水泥砂含量高；循环水沟道一般连续运行11个月，要检修1个月，使用强度高；循环水沟道埋设较深，一般埋深约15 m，维护检修困难；循环水沟道使用寿命要求50年。对这样严苛的使用条件，必须提出严格的设计要求、原材料要求、管道加工要求、敷设要求，才能得到长期、耐久、可靠的管道。针对此难题，进行了核电厂循环水沟道内衬玻璃钢管的应用研究。

2 内衬玻璃钢管道在循环水系统应用的优越性

（1）降低水损，节约电耗

玻璃钢管由内衬层、结构层和外表层组成。它具有质量轻、耐腐蚀、管道内壁光滑等特点。循环水系统的玻璃钢管道可以减少循环水沟道沿程、局部水头损失，降低循环水泵扬程，节约电耗。传统的混凝土沟道，为了耐海水腐蚀，保证沟道50年的使用寿命，一般会在沟道的过流部分，增加混凝土层的厚度，采用耐海水水泥砂浆，增加了工程投资。玻璃钢管道，具有很好的耐腐蚀性，且海生物难附着。玻璃钢管道的糙率系数为0.009，流速系数为C=150；混凝土沟道的糙率系数为0.014，流速系数为C=105。核电厂每台机组两条循环水进水沟道，单条循环水进水沟道长度约300 m，流量约为20 m3/s，采用了内衬玻璃钢管道外包混凝土的结构方式。根据哈斯－威廉姆斯公式进行计算，单条玻璃钢管道的循环水进水沟道沿程水损约为0.37 m，局部水损按照沿程水损的20%估算，得到单条玻璃钢管道的循环水沟道沿程及局部水损共约0.44 m。单条混凝土循环水进水沟道沿程水损约为0.71 m，局部水损按照沿程水损的20%进行估算，得到单条循环水沟道的沿程及局部水损约为0.85 m。采用玻璃钢管道后，单条循环水进水沟道可以降低水泵扬程0.41 m。按照循环水系统每年运行11个月，工业电费为0.4元/kW·h，循环水泵效率为90%，核电厂使用寿命按50年计算，单条循环水沟道50年可节约电费约为：(20 000×0.41/102/0.9)×0.4 ×24×30×11×50=1 415万元，两台机组4条循环水沟道共可节约5 660万元。DN3000玻璃钢管的材料费为7 725元/m，安装费为3 880元/m，合计为11 605元/m，单条循环水沟道的300 m玻璃钢管道，共增加费用约为348万元，4条沟道的玻璃钢管道增加费用1 392万元。节能费用与投入费用差：5 660-1 392＝4 268万元，可见投入产出的经济效益还是较为可观的，且符合国家节能环保的政策要求。

（2）解决了循环水沟道水压试验的困难

由于循环水沟道直径大，长度长，埋设深，沟道一般埋在厂坪下15 m左右，设计压力0.3 MPa，试验压力0.45 MPa。按照给排水施工验收规范要求进行水压试压，需要的水量大。以核电厂为例，单条循环水进水沟道水压试压需要约2 120 t水，下游排海沟道等尚未完工，水压试验后排水困难。因此，水压试验很难按照要求进行。玻璃钢管道一般12 m一根，采用承插胶圈连接，在接口处设置两道密封橡胶圈，在两道橡胶圈之间设有试压嘴，可以在管道安装后，通过试压嘴在两道橡胶圈之间进行打压试验，保证接口处密封达到要求，再进行混凝土浇筑（见图2）。DN3000玻璃钢管道，可以在出厂前进行整根管道的水压试验，保证直管段及接口不会发生渗漏。因此直管段发生渗漏的概率非常小，可以忽略不计。通过接口处水压试验，可以有效防止循环水沟道渗漏，达到了循环水管局部水压试验要求。

图2 玻璃钢管接口水压试验Fig.2 Hydrostatic test for FRP pipe interface

（3）施工方便

玻璃钢管道在施工中可作为混凝土浇筑的模板，省略了混凝土沟道架设钢模板及拆卸的工序，方便了施工，提高了施工进度，节省了施工措施费用。

3 内衬玻璃钢管道在循环水系统中应用的难点

（1）内衬玻璃钢管道外包混凝土的结构形式分析

玻璃钢管道属于薄壁管道，当管顶敷土超过3.5 m时，管道强度不再是管道设计的制约因素，而管道刚度或稳定性成为管道设计的主要制约因素。核电厂循环水沟道埋深约15 m，如果采用直接埋设玻璃钢管道，则对管道的刚度要求非常大，会带来管道壁厚大幅增加，工程投资增加，是非常不经济的。采用玻璃钢管道作内模，玻璃钢管道只承受系统内压，玻璃钢管道外包的混凝土结构承受外部动静荷载要求，管路负压由玻璃钢管和混凝土沟道共同承担，这样的组合方式合理，工程投资控制在合理的范围内。

（2）玻璃钢管道与混凝土沟道热胀冷缩影响分析

玻璃钢管道与混凝土的热膨胀系数不同。钢筋混凝土的热膨胀系数是1.5×10－5/℃；玻璃钢管的热膨胀系数通常在1.0×10-5～2.0×10-5/℃之间。玻璃钢管道和混凝土属于不同的材质，如何保证管道与混凝土在运行过程中能够紧密结合，不发生脱离、分层的现象。对于这样的难题，本工程通过在玻璃钢管道外面预埋钢筋，使之与外包的钢筋混凝土沟道的钢筋绑扎固定在一起，再浇筑混凝土。由于两者通过预埋的钢筋锚固成整体，解决了两种材料结构的不同热膨胀问题。保证了玻璃钢管和混凝土结构形成统一的整体结构。

（3）玻璃钢管道使用寿命分析

工程要求的内衬玻璃钢管道使用寿命为50年。玻璃钢管的使用寿命主要是管道设计的应力水平和输送的介质条件等决定的。循环水系统输送的是海水，目前玻璃钢管道采用的各种基体材料对海水都有较好的耐腐蚀性，其中以乙烯基树脂和间苯型聚酯树脂的耐腐蚀性尤其突出。工程选用无碱玻璃纤维和间苯型聚酯组成的材料体系是确保使用寿命不小于50年的设计基础；其余制约玻璃钢管使用寿命的是运行状态下的应力水平和应力状态。对于该问题，按照JC 552—2011《纤维缠绕增强热固性树脂压力管》[1]要求对管道进行设计，安全系数采用6.3，该系数是满足管道寿命设计要求的重要因素。

（4）密封橡胶圈使用寿命分析

工程要求的玻璃钢管道使用寿命为50年，玻璃钢管道靠橡胶圈进行密封连接，如果橡胶圈使用寿命不能满足要求50年，同样是不能满足工程要求。目前可供选择的橡胶密封材料品种很多。玻璃钢管道承插接口常用的是三元乙丙、丁腈、丁苯、氟橡胶4种。工程选用三元乙丙橡胶圈，这种橡胶圈的物理、化学性能优越，耐水性好，适用于淡水原水、城市供水、海水和城市排水等，但是耐油性较差。工程的海水取水口在大件码头的上游，海水内含油较少。HG/T 3087—2001《静密封橡胶零件贮存期快速测定方法》[2]，对三元乙丙橡胶圈的使用寿命进行了试验评估，试样径向压缩变形量为25%，临界值为50%，试验数据经统计分析，外推得出该种橡胶圈的平均使用寿命为75年。根据评估结果，可以认为三元乙丙橡胶密封圈的使用寿命与玻璃钢管道的寿命相匹配。

（5）循环水系统瞬态负压对玻璃钢管道的影响

工程内衬的玻璃钢管道，是按耐内压进行设计的，外压由混凝土沟道承受。在循环水系统运行出现负压情况下，空气有可能穿透较薄的外保护层及结构层，到达结构层与内衬层的界面。由于内衬层具有防渗作用，空气无法穿过，易造成内衬层与结构层剥离。对这样的问题，工程的解决办法是在玻璃钢管道结构层与外保护层之间，再增加一个防渗层，有效地解决负压对玻璃钢管道的影响。

（6）海水中泥砂冲刷对管道系统的影响

海水中含有泥砂颗粒时会对管路产生磨损，海水本身还有腐蚀作用，两种作用的叠加会使问题更加严重。玻璃钢管道及三元乙丙橡胶圈的耐海水腐蚀性能突出，腐蚀作用基本排除，可以仅考虑磨损作用。玻璃钢管本质上是耐磨性较好的管材，采用管段旋转试验法对几种管材的耐磨性进行试验，试验结果进行对比见表1。

可见，玻璃钢管道具有较好的耐磨性。

由于工程当地海水平均含砂量为：0.021 kg/m3，海水泥砂含量较少，泥砂对管道的磨蚀作用较轻微。在工程设计中，为减少管道磨损，管路敷设平缓，减少了弯头等管件。

表1 不同管材的耐磨性试验Table 1 Resistance test for different materials of pipeline

4 玻璃钢管道工艺设计及材料

该核电厂内衬玻璃钢管道设计的基准条件如下：

输水管径/mm DN3000

输水水量/（m3/s） 20

管道流速/（m/s） 2.8

设计压力/MPa 0.3

试验压力/MPa 0.45

设计真空压力/MPa －0.1

海水温度/℃ 最高32.8，最低13.7

混凝土单位重量/（kg/m3） 2 500

混凝土浇筑速度/（m3/h） ≤1.067

连接方式 承插胶圈连接

管道使用寿命/a 50

循环水进水沟道采用内衬玻璃钢管道外包钢筋混凝土的组合结构，DN3000管道四周钢筋混凝土沟壁厚600 mm。玻璃钢管除承受内压、真空、施工时的钢筋混凝土的重量外，外部荷载全由钢筋混凝土承受。

4.1 设计要求

4.1.1 采用的设计标准

玻璃钢管的管材、管件、接头的设计、原材料体系、制造工艺及安装操作执行下述标准：

JC 552—2011 纤维增强热固性树脂压力管；AWWA C950 fiberglass pipe；

AWWA M45 fiberglass pipe design；

ASTM D2992 确定玻璃钢（玻璃纤维增强热固性树脂）管及管件静水压力或压力基准推荐实验方法；

BS 7159 design and construction of glass reinforced plastics (GRP) pipings systems for individual plant and sites；

ISO 14692 petroleum and natural gas industries-glass-reinforced plastics (GRP) piping。

4.1.2 重要设计参数的分析和确定

（1）设计应变分析

确定玻璃钢管设计应变值的关键因素是组成材料的应变特性。因为玻璃纤维的断裂延伸率通常比树脂基体大，因此在确定玻璃钢管设计应变值时，应确保树脂基体不发生开裂。在树脂基体断裂延伸率≤0.02时，要满足式（1）要求：

式中：εd——玻璃钢管设计应变值；

εr——树脂基体断裂延伸率。假设εr=2%，则设计应变值应≤0.002。根据多年工程设计经验，工程选定的εd=0.001 7。

该值已经在海口马村电厂、秦山核电厂的循环水系统沟道得到验证。

（2）许用应力和安全系数分析

玻璃钢管道设计包括材料设计和结构设计两部分，两者既有区别又互为前提。在确定设计应力许用值时，可以用强度极限值和静水压设计应力基准两种方法。两种方法的失效判据是相同的。

根据材料极限强度确定许用应力时，先通过水压爆破试验获得或校核爆破压力，计算环向失效强度；其次是确定合理的安全系数，见式（2）：式中：σd——许用设计应力，MPa；

σn——水压试验的环向失效应力，MPa；s——安全系数。

设计寿命为50年时，安全系数应不低于6.3（JC 552—2011)。

4.2 产品工艺要求

工程的玻璃钢管结构设计符合JC 552—2011要求。

（1）管道要求

结构层采用玻璃纤维在成型芯模上连续缠绕制成。玻璃纤维的重量含量65%左右，缠绕角为55°，可适当调整但不得超过55°。

玻璃钢管的标准长一般为12 m，允许误差为±12.7 mm。

（2）管件和接头要求

弯头、三通、变径管和法兰及其他特殊部件和接头采用手糊工艺成型。管件性能应等于或高于同压力等级管材；材料体系规格与管材相同。弯头的曲率半径，除另有规定外，一般为管径的1.5倍。

（3）承插接口要求

管道承插口与管段同时缠绕成型，是管材整体的一部分，其长度调节能力是接口的标准位移加每个管段的允许热应力位移。导向口保证最小25%的密封圈压缩量。法兰接口设计应考虑热应力和弯曲等组合荷载。

（4）密封圈的要求

密封圈的邵氏A硬度为40～60，由三元乙丙橡胶制成。

5 结束语

核电厂循环水系统已经调试运行，循环水沟道的内衬玻璃钢管道运行良好。在国内目前已建成并运行的这类组合结构中，其玻璃钢管道直径是最大的。内衬玻璃钢管道的使用，降低了循环水泵的扬程，减少了沟道的渗漏，解决了循环水沟道水压试验的难题，加快了工程进度。通过细化玻璃钢管的设计、工艺要求，解决了玻璃钢管道及密封圈的使用寿命、热膨胀、设计应变及负压等问题，为循环水系统内衬玻璃钢管的设计、使用提供了经验和依据。

[1] JC 552-2011 纤维缠绕增强热固性树脂压力管[S].（JC552-2011 Two fiber winding strengthened thermoset resin pressure pipe [S].）

[2] HG/T 3087—2001 静密封橡胶零件贮存期快速测定方法[S].（HG/T 3087-2001 Rapid determination method for static sealing rubber parts storage duration [S].）

The Design and Application of FRP Pipes in Nuclear Power Plant Circulation Water System

ZHANG Xu1，DAI Yun2
(1.China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100840，China；2.Nanjing New Nuclear Composite Materials Co.，Ltd.，Nanjing of Jiangsu Prov. 211212，China)

This article introduces the FRP pipes in the circulation water system which can reduce water loss and save power consumption, facilitate construction, and solve the problem of large diameter circulation water pipes difficult for the water pressure test. For harsh working conditions for the circulation water system, in terms of the design basis of the FRP pipe, service life, effect of pipe swelling and shrinking, and sand wear, the design, product process, pipe material and test requirements of FRP pipeline were analyzed. Now the nuclear power plant circulation water system has passed the acceptance check, and operated normally, which will provide experience and reference for the future application of FRP pipeline in the circulation water system.

circulation water system；lined FRP pipeline；nuclear power plant

TL37Article character：A

：1674-1617(2014)04-0297-05

TL37

A

：1674-1617(2014)04-0297-05

2014-07-16

张 旭（1972—），男，北京人，高级工程师，学士，从事循环水系统设计工作。