Development and Application of UHMWPE Nozzle for Nuclear Power Plant

沿海核电厂的运行需要大量的海水进行冷却，核电厂设置旋转滤网过滤海水保持其洁净，并配置循环水过滤系统（CFI）通过喷嘴向旋转滤网持续喷射高速水流，清洁滤网^[1]。目前国内核电厂采用不锈钢喷嘴或进口尼龙喷嘴，而核电厂均位于海边^[2]，不锈钢喷嘴耐海水腐蚀能力不足^[3]，尼龙喷嘴耐腐蚀性能虽好，但耐高速水流冲蚀的性能有限，需经常更换。图1为喷嘴与管道组合安装图，每台机组约200个喷嘴。图2是使用过的尼龙喷嘴图片，表1为使用前后喷嘴孔口测量数据，可以看出，运行一段时间以后，喷嘴由于磨损，初始的扇形流道磨损严重，出现不同程度的扩孔，从现场情况来看，磨蚀严重的喷嘴喷射出的水流不再呈现扇形分布，冲洗范围不能覆盖滤网的完整截面，不利于鼓网冲洗，使滤网堵塞的可能性增大。此外，目前核电厂所采用的尼龙喷嘴为进口产品，价格昂贵，供货周期长。

Figure 1.  Nozzle and pipe installation picture

Figure 2.  Used nylon nozzle

通过调研，UHMWPE材料是一种线性结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料，具有优异的耐磨损、耐化学腐蚀等性能^[4]。UHMWPE的耐磨性为塑料之冠，对比几类材料的砂浆磨损指数，UHMWPE的砂浆磨损指数最小^[5]，其耐磨性是尼龙66的4倍，是碳钢、不锈钢的7～10倍，能抵抗固体颗粒、粉体及固液混合高速摩擦磨损^[6]。在加工性方面，UHMWPE加工各种制品的能力不断改进、创新，应用领域和数量逐年提高，国内已经具备较强的加工制造能力^[7]。

基于此，本文利用国产UHMWPE材料开发一种既耐海水腐蚀，又耐水流冲刷的喷嘴以满足核电工程需求。本文从材料性能测试、产品制备及性能试验进行描述。

上海化工研究院有限公司的UHMWPE材料制造技术国内领先，基于应用需求，本项目选用了上海化工研究院有限公司聚合制备的UHMWPE Z-300树脂，其力学性能与国际品牌对比见表2。

通过表2可以看出国产树脂在力学性能方面与Ticona公司产品相近，优于日本三井化学产品；在可加工性能方面日本三井化学产品最优，但是由于日本三井化学制品分子量仅为35～65×10⁴ g/mol左右，力学性能一般；国产注塑级树脂粘均分子量达到 330×10⁴ g/mol，仍然具备2.0 g/10 min的熔融指数（MFR），因此选用Z-300作为本项目的喷嘴制作树脂，兼顾成型性能及力学性能。

喷嘴在使用过程中，需连续运行18个月，为确保产品的可靠性，针对UHMWPE材料的耐磨性能分别开展滚动磨损试验、砂浆磨损试验。另外，考虑高分子材料老化的影响，开展老化试验，测试其强度变化，相关试验的情况介绍如下。

1）滚动磨损试验

为横向比较材料的耐磨特性，委托国家能源核电非金属材料实验室对尼龙材料、高密度聚乙烯（HDPE）材料、以及UHMWPE材料开展滚动磨损试验^[8]，试验数据见表3。在滚动磨损试验下，UHMWPE的磨损体积小于HDPE和尼龙，耐磨性最好。

2）砂浆磨损试验

由聚烯烃催化技术与高性能材料国家重点实验室对尼龙材料、UHMWPE材料开展砂浆磨损试验，采用水和砂子混合物，对材料开展高速砂浆磨蚀^[9]，试验数据见表4，表中磨损指数越小，耐磨性越好。砂浆磨损试验中，UHMWPE材料耐磨性大大优于尼龙材料。此试验采用砂、水配比作为试验介质，能够很好的反应现场运行工况。

3）老化性能试验

UHMWPE材料具有良好的耐冲击性和拉伸强度。冲击强度约为聚碳酸酯的2倍，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）的5倍，尼龙的10余倍^[10]。考虑老化对材料的影响，在−25 ℃～80 ℃进行热循环250次，历时250 h，得出热老化试验数据见表5。由表5可知，老化前后材料的性能基本没有变化，具有优良得耐老化性能。

同时，UHMWPE材料的拉伸强度达到30 MPa左右，断裂伸长率大于300%，具有良的韧性^[11]，核电厂冲洗喷嘴的使用压力一般小于1 MPa，其强度可满足喷嘴的使用要求。

UHMWPE材料线性长分子链结构赋予其优异的综合性能，但长分子链结构也导致其熔体粘度极高，其加工成型难度大^[12]，一般加工方式有模压、机加工、注塑等。UHMWPE精密零部件仅仅依靠模压成型或者机械加工实现，效率低、成本高昂，且尺寸精确度无法达到应用需求，考虑本项目研制喷嘴对精度要求高，本项目选择了注塑成型工艺用于制备核电用喷嘴。

注塑成型的工艺参数直接影响成品的质量，工艺探索过程中主要针对注塑速率、模具温度、冷却时间进行多轮次试验。首先优化选择本项目注射速率，研究发现随着注射速率提升，UHMWPE熔体的剪切速率逐渐升高，在注塑机提供强剪切的情况下，高分子趋向于在流动方向取向，这种在流动方向发生取向的现象的外在宏观表现就是熔体黏度下降，注射时间降低，在本项目中注射速率超过60%之后，注射时间下降趋于平缓，从表6也可以看出，注射时间基本稳定在2.0 s左右，因此选择最佳注射速率为额定注射速率的60%为最大注射速率。

其次，分析模具温度对成型制品的影响。试验各种模具温度对注塑成型制品表面质量的影响见表7，可以看出，随着模具温度的增加，注塑成型制品表面光滑度增加，在模具温度增加到60 ℃之后，注塑制品的外观合格率达到40%，在模具温度增加到80 ℃之后，注塑制品的外观合格率达到100%，因此本项目模具温度选定为80 ℃。

最后，分析冷却时间对制品的影响，试验不同冷却时间制品尺寸的变化，数据见表8。由表8可见，随着冷却时间的增加，注塑成型制品尺寸逐渐下降，这主要是由于随着冷却结晶的进行，注塑制品尺寸逐渐收缩，在冷却时间达到150 s之后，注塑制品的尺寸趋于平稳，因此本项目冷却时间选定为150 s。

在各主要工艺参数确定的基础上，采用自主开发的动态锁模技术，通过注塑模具制作喷嘴样件。

为验证成品的耐冲刷性能，开展高压冲刷试验。另外，为验证开发的喷嘴水力特性满足要求，进行综合水力试验，获取流量压力性能参数。

试验采用6个喷嘴进行冲刷试验，其中包含了UHMWPE喷嘴和原进口尼龙喷嘴。试验在一段管道的侧面安装六个喷嘴，试验系统压力为1.3 MPa，远高于电厂正常运行压力0.5 MPa，累计冲刷600 h，进行极限试验，最后通过重量变化量对比磨损量，试验结果为超高分子量聚乙烯喷嘴的重量变化率为0.2%～0.267%，而尼龙的重量变化率为1.687%，验证了UHMWPE喷嘴优良的耐磨性能，优于原进口产品。

为验证喷嘴的水力特性参数，建造水力试验台架，开展了43个喷嘴的大型水力试验，用于测量喷嘴的流量压力数据^[13]。试验台架如图3所示，通过测量得到各压力下的流量数据。 结合某核电厂的系统配置数据，采用AFT Fathom软件对CFI系统进行水力学建模，详细模拟系统的泵、阀、喷嘴、管道管件等部件^[14]，将喷嘴流量压力试验结果数据代入AFT水力学模型进行计算，结果表明，喷嘴的水力性能达到核电厂旋转滤网冲洗需求。

Figure 3.  Overall hydraulic test equipment

通过各项试验及软件模拟计算，验证了所开发的喷嘴可以满足电站使用的需求。

UHMWPE材料是优良的耐腐蚀、抗磨蚀材料，但其熔体低流动性对产品制造的影响很大，在产品制备工艺摸索过程中，需充分考虑产品的结构形状，设计合理的工艺参数以及模具流道。并在应用前设计合适的试验，验证试制产品的性能。

UHMWPE喷嘴研发成功以后，在国内某核电厂进行了应用，在运行过程中观察运行情况，喷射情况良好，如图4所示。运行一个换料周期（18个月）后^[15]，拆卸部件进行检查，喷嘴无冲刷扩孔现象，完美达到了其功能要求。

Figure 4.  Nozzle operation in nuclear power plant

1）本文研发的UHMWPE喷嘴使用效果良好，解决了数十年来该部件依赖国外进口的问题，成本和供货周期更加可控。

2）通过滚动磨损试验，砂浆磨损试验以及水力冲刷试验充分论证了UHMWPE材料的耐磨性，在有冲刷、磨蚀的场合，此材料是很好的选择。

3）在后续进一步的运行数据累积验证后，该产品具备各核电基地批量使用的条件。

4）基于UHMWPE优良的材料性能，可结合本文思路，研发新产品，替代更多的传统材料，促进核电厂的技术革新。