本发明涉及一种核电站用高密度聚乙烯(HDPE)管严密性试验测试方法，具体涉及一种核电站用厚壁HDPE冷却水输送管的严密性测试流程和评判方法。
背景技术：
随着经济的高速发展，石油、煤炭等不可再生资源被大量开采使用，导致环境污染加剧。因此提高清洁能源比重，加快发展核电等新能源的开发建设，已成为大势所趋。核电站通常利用海水作为外围冷却回路的冷却剂，但是海水由于盐分和氯离子含量高，腐蚀性很强。HDPE管具有优越的耐腐蚀性能，目前已在美国Callaway、中国三门等核电站的冷却水管系统中应用，其既可以抵抗恶劣使用环境引起的外表面腐蚀，也可以防止流质引起的管内积垢和内表面腐蚀。
HDPE具有黏弹性的特性，管承受内压时，随着时间的增加，材料模量逐渐减小，导致管容积变大，其内部应力应变随之发生变化。该过程介于松弛和蠕变之间，但由于变形量很小，该过程可用松弛过程来描述。由水的状态方程可知，当环境温度一定时，水体积变大引起水压变小。因此在HDPE管承受内压时，即使管无泄漏发生，由于HDPE管发生应力松弛，管内压也会不断下降。此外，在管与管件的连接处不可避免的存在微量渗漏，也会导致管内压的下降。考虑运行效率和安全因素，核电站用HDPE管具有直径大、管壁厚的特点，在投入使用前，需进行严密性试验来检验其强度和严密性。
严密性试验方法的制定需综合考虑HDPE的力学性能、保压和稳压时间、试验压力、试验温度、管结构和管允许渗水量等因素，较为复杂。不同材料、结构以及温度下采用相同的严密性试验方法，测得的管压力降是完全不相同的。虽然现有技术中众多理论模型和研究成果已从材料、设计、制造、施工检验和无损检测等方面保证了核电站用HDPE管系统安全性，但直接用于核电站用HDPE管的严密性测试与评判方法仍未形成。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种核电站用高密度聚乙烯管严密性测试与评判方法。
为解决技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种核电站用高密度聚乙烯管严密性测试与评判方法，包括以下步骤：
(1)将待测HDPE管的一端封闭，另一端通过管路依次连接水泵和水箱；管路上设置截止阀、电动阀和压力传感器，水泵、电动阀和压力传感器分别通过信号线接至计算机，能通过计算机控制水泵的启停、电动阀的开度并记录压力传感器检测到的压力数据；
(2)在计算机上设置管设计压力的1.5倍作为试验压力，并设置升压速率、保压时间和稳压时间作为控制参数；然后通过水泵将待测HDPE管注满水并持续升压至试验压力，控制升压速率在40～120kPa/min范围内；
(3)升压至试验压力后保压4h，保压过程中由计算机根据压力传感器传递的压力数据来控制电动阀的开度，通过向待测HDPE管补水使管内压力维持在试验压力；
(4)保压结束后关闭截止阀并停运水泵，稳压1h；由于松弛和管渗漏，管内压力会不断下降，计算机记录压力数据并绘制压力变化曲线图；稳压结束后打开电动阀和截止阀，卸压、排空待测HDPE管；
(5)根据稳压阶段始末时刻的压力差与试验压力的比值得到严密性试验实际压力降，当实际压力降小于允许压力降时，视为HDPE管严密性试验合格；当实际压力降大于允许压力降时，视为HDPE管严密性试验不合格；
HDPE管的允许压力降通过以下方式计算获得：
步骤A、计算HDPE管任意时刻的模量E(t)
在不同的温度下对试样进行拉伸松弛试验，获得HDPE的松弛模量数据，利用扩展指数型经验公式(1)来表达松弛模量，拟合出考虑温度影响的松弛模量方程；
式中，t为试验时间；E0为初始模量，E∞为长期模量，通过松弛模量数据获得；β和τ是常数，0<β<1，τ>0，通过数据拟合得到；
步骤B、计算HDPE管容积Vi和管内压力Pi的关系
Do为HDPE管的平均外径，δ为平均壁厚，l为长度；在约束类型上采用端部固定约束进行计算；
系数C与管材料和结构有关，其表达式如式(3)所示：
尺寸比DR＝Do/δ，是平均外径Do和平均壁厚δ的比值，E为任一时刻HDPE的模量；v为管泊松比，取0.45；
步骤C、计算HDPE管内水的体积Vw与水的压力Pw的关系
从现有文献中直接获取水的压力-体积-温度的相关性原始数据，利用Tumlirz方程拟合出式(4)所示的水状态方程：
式中，D、F是仅与温度有关的常数，D＝598.100+2.300T，F＝177.950+1.125T–0.00745T2；T为温度，M0为稳压阶段初始质量。
利用单位长度管允许渗水量Q对水状态方程进行修正：
式中t0为保压时间，t1为稳压时间，l为HDPE管的长度；
步骤D、计算严密性试验的允许压降
由式(2)求出保压阶段结束时刻HDPE管的容积，即稳压阶段初始时刻管的容积，进而由式(4)求得HDPE管稳压阶段初始时刻的水的质量M0；根据HDPE管的单位长度允许渗水量，由式(2)和式(5)计算得到稳压阶段结束时刻的压力，将之与试验压力的差值与试验压力相除即得到HDPE管严密性试验允许压力降。
与现有技术相比，本发明的技术效果是：
1、通过本发明的方法，可根据HDPE管的严密性试验保压和稳压时间、试验压力、试验温度、管结构和允许渗水量等试验条件确定试验评判方法。可使HDPE管的严密性试验不再简单套用钢管或其它固定材料、结构的管的测试标准或方法，而是根据具体的管材料、结构以及测试环境制定具体的严密性试验验收标准。
2、本发明特别适用于核电站等定制化要求高(不同工程的材料、结构各不相同)且防渗漏要求高的HDPE管的严密性试验。
附图说明
图1为HDPE管严密性试验装置示意图；
图2为HDPE管标准松弛试验试样；
图3为一组不同的温度下HDPE拉伸松弛试验得到的松弛模量数据结果图；
图4为HDPE管简化力学模型。
附图标记：1待测HDPE管、2压力传感器、3压力表、4电动阀、5截止阀、6截止阀、7计算机、8水泵、9水箱；
具体实施方式
本发明提供一种核电站用HDPE管严密性测试与评判方法，用于严密性试验的测试及验收。
如图1所示，HDPE管严密性试验装置包括待测HDPE管1、压力传感器2、压力表3、电动阀4、截止阀5、截止阀6、计算机7、水泵8、水箱9。系统利用压力传感器2、电动阀4、计算机7和水泵8实现试验流程的自动控制；利用压力传感器2和计算机7实现HDPE管内压力的实时采集、同步显示。
具体测试与评判方法的步骤如下：
(1)将待测HDPE管1的一端封闭，另一端通过管路依次连接水泵8和水箱9；管路上设置截止阀5、6、电动阀4和压力传感器2，水泵8、电动阀4和压力传感器2分别通过信号线接至计算机7，能通过计算机7控制水泵8的启停、电动阀4的开度并记录压力传感器2检测到的压力数据；
(2)在计算机7上设置管设计压力的1.5倍作为试验压力，并设置升压速率、保压时间和稳压时间作为控制参数；然后通过水泵8将待测HDPE管1注满水并持续升压至试验压力，控制升压速率在40～120kPa/min范围内；
(3)升压至试验压力后保压4h，保压过程中由计算机7根据压力传感器2传递的压力数据来控制电动阀4的开度，通过向待测HDPE管1补水使管内压力维持在试验压力；
(4)保压结束后关闭截止阀并停运水泵，稳压1h；由于松弛和管渗漏，管内压力会不断下降，计算机7记录压力数据并绘制压力变化曲线图；稳压结束后打开电动阀4和截止阀6，卸压、排空待测HDPE管1；
(5)根据稳压阶段始末时刻的压力差与试验压力的比值得到严密性试验实际压力降，当实际压力降小于允许压力降时，视为HDPE管1严密性试验合格；当实际压力降大于允许压力降时，视为HDPE管1严密性试验不合格；
HDPE管1的允许压力降通过以下方式计算获得：
步骤A、计算HDPE管任意时刻的模量E(t)
取与待测HDPE管1同批次的管，对其进行冲压，获得HDPE管标准试样，如图2所示。在不同的温度下，利用万能试验机对试样进行拉伸松弛试验，获得有效的HDPE的松弛模量数据。利用扩展指数型经验公式(1)来表达松弛模量，基于不同温度下的拉伸松弛试验获得的模量数据，拟合出考虑温度影响的松弛模量方程。松弛模量方程确定后，任意时刻HDPE的模量可知。
式中，t为试验时间；E0为初始模量，E∞为长期模量，可通过松弛模量数据获得；β和τ是常数，0<β<1，τ>0，可通过数据拟合得到。
典型的不同温度下HDPE拉伸松弛试验得到的松弛模量数据结果如图3所示，通过该实验结果可以拟合得到公式(1)中的各个参数。
步骤B、计算HDPE管容积Vi和管内压力Pi的关系
HDPE管长时力学模型用来描述管容积Vi与管内压力Pi的关系，需已知待测HDPE管1的结构参数、载荷参数、材料性能和边界约束，待测HDPE管力学模型可简化为图4所示。
测量HDPE管不同位置处的管外径和管壁厚，取平均值后得到HDPE管的平均外径Do和平均壁厚δ，同时测量HDPE管长度l；管端部约束介于端部自由和端部固定之间，但由于管约束类型对严密性试验压降影响极小，且实际管的端部约束偏向于端部固定，故本发明在约束类型上采用端部固定约束进行计算。
根据以上条件，可得到管容积Vi和管内压力Pi的关系，如式(2)所示。其中系数C是与管材料和结构有关的系数，其表达式如式(3)所示。尺寸比DR为平均外径Do和平均壁厚δ的比值，DR＝Do/δ，E为任一时刻HDPE的模量；v为管泊松比，取0.45。
步骤C、计算HDPE管内水的体积Vw与水的压力Pw的关系
水状态方程用来描述水的体积Vw与水的压力Pw的关系，关于水的压力-体积-温度的原始数据可从文献中直接获取，然后利用利用Tumlirz方程可拟合出水状态方程，关系式如式(4)所示。其中，D、F是仅与温度有关的常数，D＝598.100+2.300T，F＝177.950+1.125T–0.00745T2；T为温度，M0为稳压阶段初始质量。
试验过程中，待测HDPE管上存在不可避免的微量渗漏，计算需考虑HDPE管渗漏与管应力松弛的相互影响，因此需对式(4)进行修正。管渗漏可用单位长度管允许渗水量Q表示，考虑管渗漏的影响，可得到修正后的水状态方程如式(5)所示，式中t0为保压时间，t1稳压时间，l为HDPE管的长度。
步骤D、计算严密性试验的允许压降
由于HDPE管与水的相互作用和变形协调关系，严密性试验过程中，任一时刻管容积Vi和管内压力Pi与水的体积Vw和水的压力Pw保持一致。升压和卸压时间较短，可不考虑，确定HDPE管严密性试验允许压降主要考虑保压和稳压阶段。保压阶段，通过水泵8补水以维持管内压力恒定，由式(2)求出保压阶段结束时刻管的容积，即稳压阶段初始时刻管的容积，进而由式(4)求得管稳压阶段初始时刻的水的质量M0。稳压阶段初始时刻水的质量M0已知，根据HDPE管的单位长度允许渗水量，由式(2)和式(5)通过计算可得到稳压阶段结束时刻的压力，将之与试验压力的差值与试验压力相除即得到HDPE管严密性试验允许压力降。
实施例：
根据本发明提供的核电站用HDPE管严密性试验测试和评判方法，可对长度1km的铺设完成的HDPE管进行严密性试验。若该段管为外径762mm、DR9的HDPE管，试验压力为2.60MPa，现场测试温度23℃，依据本发明方法所述步骤(1)至步骤(4)，可得到实际压力降。
HDPE管的允许压力降根据本发明的步骤(5)得到：
步骤A、计算HDPE管任意时刻的模量E(t)
在现场测试温度23℃下，对获得的松弛模量数据进行拟合，可得到HDPE管任意时刻的模量为：
式中，t为试验时间，单位h；E(t)为HDPE管任意时刻的模量，单位MPa；
步骤B、计算HDPE管容积Vi和管内压力Pi的关系
根据现场测试条件可知，管道外径Do＝762mm，壁厚δ为＝84.7mm，长度l＝1km；管道尺寸比DR＝9；泊松比v＝0.45。依据以上各参数可得到HDPE管容积Vi和管内压力Pi的关系为：
式中，Vi为HDPE管容积，单位mm3；Pi为管内压力，单位MPa；E为任一时刻管模量，可由式(6)代入当前时刻得到，单位MPa。
步骤C、计算HDPE管内水的体积Vw与水的压力Pw的关系
从现有文献中直接获取水的压力-体积-温度的相关性原始数据，在测试温度23℃下，利用Tumlirz方程拟合出水状态方程为：
式中，Vw为HDPE管内水的体积，单位mm3；Pw为水的压力，单位MPa；M0为稳压阶段初始质量，单位g。
考虑管存在渗漏，管单位长度允许渗水量Q＝30L/(h·km)，利用单位长度管允许渗水量对水状态方程进行修正：
步骤D、计算严密性试验的允许压降
保压阶段结束时刻，t＝4，由式(6)、(7)求出HDPE管的容积Vi为2.869×1011mm3；管的容积与水的体积一致，将其代入式(8)求出稳压阶段初始时刻水的质量M0为2.858×108g。稳压阶段初始时刻，t＝5，根据式(7)、(9)，通过数值计算得到稳压阶段结束时刻压力为2.54MPa，将之与试验压力2.60MPa的差值与试验压力相除即得到HDPE管严密性试验允许压力降为2.3％。
若实际压力降小于2.3％，HDPE管严密性试验合格；若实际压力降大于2.3％，则HDPE管严密性试验不合格，需检查连接处是否存在泄漏或管材是否损伤。