核电厂玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)管道及材料的应用与探讨

张兴法，李淑娜

(1. 中核霞浦核电有限公司，福建 霞浦 355100；2. 浙江国检检测技术股份有限公司，浙江 嘉兴 314000)

1 玻璃纤维增强塑料材料的应用现状

玻璃纤维增强塑料(GFRP)俗名玻璃钢，是当前全球技术成熟、应用广泛且不断改进创新的一类复合纤维材料。二战期间，玻璃钢(GFRP)因其比强度大和重量轻而率先进入军事航空领域，一度风光无限。二战后因其独到的优良性质，比如耐腐蚀、内表面光滑、比强度大、安装使用方便等，使这种材料迅速在海洋船舶、石油化工、市政工程、航空航天领域得到广泛应用和推广。北美西欧等发达国家在20世纪80年代对玻璃钢材料的研究和应用达到一个极致。我国应用玻璃钢材料相对比较晚，20世纪末开始有规模的推广。我国玻璃钢首先运用于石油化工和水输送工程。住建部曾推荐在长距离水输送工程中使用该材料管道[1]。目前国内玻璃钢产品在航空航天、海洋工程、石油化工、电力、市政工程等领域都有应用，特别是石油化工、水处理系统、城市供水领域应用更为深入。

进入21世纪，节能、绿色、环保成为世界发展的主题，玻璃钢材料以其优良的耐腐蚀性、水力光滑、寿命长并具备节能降耗等优点再次引起了许多工业领域的关注。

2 玻璃钢的主要优点

1)物理性能良好。玻璃钢材料比强度高，同口径玻璃钢管道的重量不足钢管的1/3，强度相当，膨胀系数接近，但热传导系数只有钢的0.5%，是一种良好的热和电的绝缘体。

2)不生锈，能很好地防酸碱盐腐蚀，抗老化特性优异，耐热性能良好，寿命长。普通玻璃钢寿命超过50年，可在-50～-70 ℃范围内正常使用，添加抗高温材料，可以承受更高温度。某些高温玻璃钢可在250 ℃以上环境中正常使用[2]。

3)管道水力学特性优异。长距离输送液体流体压降小，可以选用小管径或小功率输送泵进行动力输送。工程初期成本和系统运行成本都可以有效降低。

4)绝缘、非磁，无电腐蚀性，防水性能好，可在潮湿环境或水中长期使用而不变质。广泛应用于制作电缆桥架和托盘；耐热、防冻、防火、属阻燃型，可以很好地用于通风和保温材料和燃油系统输送。

5)玻璃钢管道及装置的安装、维护费用低，一般来说，玻璃钢管不需防腐，保温层可以减薄，甚至不保温；单位比重轻，大部分情况下施工无需考虑特殊吊装设备。玻璃钢管长度比水泥管及铸铁管等长，接头相对减少，可靠性增加，安装和维护费用低。

6)各类型材设计灵活，改型周期短。玻璃钢管道可以通过改变树脂比例或种类来增强或调整其各种物理和化学性能，以达到满足输送不同介质或特殊工况条件。其性能远优于各向同性的金属管材[2]。

3 玻璃钢管道及材料具备用于核电厂的基本条件

(1)承压能力满足要求

压水堆核电厂一回路压力为12～16 MPa，二回路压力为6～8 MPa，三回路压路及其辅助系统压力一般不超过3 MPa，消防系统(一般3 MPa以下)、气体系统(压空N2H2等)为1.6～3 MPa，海水淡化、给排水、水处理、暴雨收集等系统均低于1.6 MPa，属于低压或无压。

玻璃钢管道的压力范围很大，特殊玻璃钢承压可达34.5 MPa[3]。承压在10 MPa以下玻璃钢管道国产化率比较高。3.0 MPa以下的优质管道，国产化率可以达到100%。目前国产的玻璃钢管材已能满足核电厂使用基本需求。

(2)广泛成熟的社会应用基础

核电厂除一、二回路外，其他相关工艺系统(包含消防、给排水)管道和化工、电力工程、市政供水等相关系统管道材质、压力等参数要求等基本一致，甚至相关压力等级还低于其他工程。北美西欧等几个玻璃钢技术先进国家，使用和研究玻璃钢超过80年，玻璃钢管道广泛用于本国的化工、电力工程、市政供水、海洋和航空航天。每年新安装管道中玻璃钢比例很高，一般都在40%左右。挪威等北欧国家因气候太冷几乎不再使用热膨胀系数较大金属管道，他们玻璃钢管使用量超80%。中东地区因考虑节水节能与安装方便等因素，输水管道100%使用玻璃钢。

(3)核电厂已有应使用经验

法国核电为应对滨海盐雾潮湿环境对金属管道的腐蚀，最先在核电厂的海水冷却系统、消防系统和淡水和污水排放系统引入玻璃钢管道。我国田湾核电I期于1998年也首次使用淡水供应系统采用玻璃钢管道，效果良好。

核电厂的冷却水系统和消防系统安全相关系统，反应堆运行阶段，该系统需连续不断供水，即使在核电厂遭受外力破坏的情况下，也不能断水，否则将导致严重结果。核电厂的消防系统也是核电厂最重要同时也是范围最广的安全相关系统之一。目前玻璃钢管道已在很多在建和运行的核电使用(主要用于海水和低压管路)，经统计部分核电厂玻璃钢管道使用情况见表1。

表1 玻璃钢管道的核电厂应用Table 1 Application of GFRP pipes in NPP

以上情形足以说明核电厂在技术面和市场面均已初步具备规模使用玻璃钢管道的条件。

4 玻璃钢管道用于核电厂，其某些优势比较明显

4.1 耐腐性能良好

我国核电厂均位于滨海地区，潮湿的盐雾环境对所有的金属管道和金属材料提出了很高的要求，玻璃钢耐腐蚀的优越特性可以很好地解决海水腐蚀问题，还可以在多种不同浓度的酸、碱、盐介质及溶剂中有较好的稳定性，可在潮湿盐雾环境或海水中长期使用而不变质。而钢铁等金属管道需内外表面应涂覆不同防腐材料，而且运行过程中，还需要不断的对防腐措施进行维护，或者对金属本底进行外加电流的阴极防护措施。其特性相当于变相延长了玻璃钢管道的寿命周期，大幅度降低了系统的运维成本。大量采用耐腐蚀的玻璃钢替代优质不锈钢和合金钢材料，可产生可观的经济效益。

4.2 比强度高、力学性能合理，抗疲劳性能好，满足核电的抗震要求

优质玻璃钢管拉伸强度超过500 MPa，但其密度不到钢铁等金属材料的1/4，其比强度很大。玻璃钢材料可以有效降低疲劳破坏对材料的影响[3]。其抗疲劳破坏性能远优于钢铁原因在于其各向异性可以有效阻止疲劳裂纹扩展。玻璃钢可适合于很多震动场合，安装方便，可以有效满足核电抗震要求。对比情况见表2。

表2 常见材料的比强度表Table 2 Specific strength of common materials

4.3 热的不良导体，热应力极低，具有较好的隔热、耐火、阻燃特性

玻璃钢管道与钢管热性能数据对比见表3。从表中数据可以看出，玻璃钢管道的导热系数远低于钢管，不到0.4%，具有较好的保温性能，介质输送时可以降低热能损耗；玻璃钢管道上产生的热应力比钢管小10倍。在实际应用中，玻璃钢管设计过程可以不予考虑热应力集中，钢管却必须考虑消除热应力集中的措施。玻璃钢的热性能参数使得它具有非常好的抗高低温特性，可适应核电特殊工况需求。

表3 GFRP管与钢管热性能数据表Table 3 Comparisonof thermal performance data of GFRP pipes and steel pipes

玻璃钢材料热应变小，是良好的隔热材料和瞬时耐高温材料[4].可以很好地用于核电站的通风和保温系统。良好的防火和阻燃性能也是核电现场柴油机、汽轮机燃油系统的最佳选择。

4.4 玻璃钢管道耐磨性优异，内表面光洁度高，防污效果好

为确保核电厂设备阀门及工艺系统有效长期运行，系统对介质的要求非常高，而金属管材在储存、使用过程中，会因化学、电化学的作用产生局部电池反应，表面极易生锈腐蚀，对输送介质也往会产生污染，因而其表面需进行特殊防腐和光滑处理，闭式冷却水系统还需对介质进行净化处理或定期更换；同时由于金属管道(特别是碳钢)耐磨性相对较差，也会进一步污染介质，磨损管线，影响核电厂的设备的运行寿命；玻璃钢材质管道由非金属材料制成，电极电位高，表面不会发生氧化锈蚀，无需处理，不会污染水质，同时其磨损基本可以忽略不计。

玻璃钢管内壁光滑可有效阻止污水或海水中的菌类、贝类等微生物玷污腐蛀。核电采用玻璃钢管道可实现其污水处理系统、海水主冷却系统、安全厂用水系统长时间安全平稳运行。而钢铁等金属管或混凝土管道表面粗糙很容易被甲贝等微生物腐蛀，且不易清除，管道粗糙率增大，有效管径缩小，全系统阻力增加，运行机械无用功增加。

4.5 玻璃钢管道寿命长，还有优良的耐辐照能力

玻璃钢管材料本身性能稳定，且其破坏压力设计冗余度很大(一般为工作压力6倍)的，可以确保50年使用寿命(见AWWA、ASTM标准)。钢铁等金属管道使用寿命一般为20年，强腐蚀介质或环境下寿命更短。

玻璃钢管道还有优良的耐辐照能力，在较高辐照条件下，其高分子材料稳定性良好。添加特殊纤维的玻璃钢材料其机械强度辐照时还有一定加强[5]。

4.6 材料可设计性强，适用于核电的复杂性和多样性

根据具体使用情况，可对管道的具体性能及形状进行设计：比如不同的纵/环向强度的材料；不同介电目的、阻燃目的、耐腐蚀的材料；不同接头方式的管道，可有效提高工程安装速度；因成型容易可制成不同形状材料，适用于不同区域、不同空间。这些特性金属管材很难达到。

5 核电厂使用玻璃钢管道的积极意义

5.1 玻璃钢比造价低，经济优势明显

(1)经久耐磨，使用寿命长，寿命周期费用低

玻璃钢耐磨性能良好，根据奥地利HOBAS公司1997实验数据，玻璃钢管道内衬25万次循环的磨损仅为碳钢管道的1/30，核电寿命周期内玻璃钢材料几乎不用更换，因维护次数少，维护费用很低。

(2)玻璃钢管道水力性能优越，可有效降低能耗

玻璃钢管道属水力学光滑管，其绝对粗糙度远小于钢管及水泥管，相关水力特性和节能效果见表4(管径DN2200，L=36 000 m，介质为水)。

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

上表中，钢管、水泥管和玻璃钢管的能量消耗之比为2.02∶2.32∶1，玻璃钢管道最节能。

从上表知道，玻璃钢管道的有效功最大，运行过程中降低能耗非常明显。若泵运行功率和输送液体流量一致情况下，玻璃钢管道选型可比碳钢管道小1～2个管径等级。这可以降低初期投资成本的1/10以上，可有效节约工程的初期投资成本。

(3)玻璃钢管道防渗漏性能良好，强度高，系统可靠性增加，设计费用低

玻璃钢管防渗性能好，管材强度高、延展性好，不会因水锤作用和瞬间超压产生破坏。这对核电厂地下管线布置优化帮助很大，系统设计不用考虑不同介质管道的先后顺序和上下布置要求，满足工程设计和施工的优化要求，可以很大程度上降低了设计费用。

(4)安装轻便，工期短，节省投资

玻璃钢管道比重小，大约是钢管或铸铁管的1/4或1/5，同等内压条件下，重量比碳钢管道轻40%以上，安装无需大型的吊装设备，降低了运输和安装费用。各种分支管安装相对简单，不受场地和外在环境的条件限制，用户经过培训很容易掌握玻璃钢管的安装通用技术，这也进一步提升了玻璃钢管道施工的性价比。

表5所示为核电厂不同埋地管的特性比较。玻璃钢管相比其他材质管道，优势明显。玻璃钢管道适应环境的能力是最强的，施工最简便，在运行过程中基本上无须任何维护。玻璃钢管道比造价低，适合核电的复杂工况，对促进核电的大发展意义重大。

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

5.2 核电采用玻璃钢材料，也是节能减排大趋势，为后续核电竞价上网奠定条件

作为负责任的世界大国，中国已宣布自己 “碳达峰和碳中和”基本目标，并为之积极践行。快速发展核电，不仅有助推进“双碳”战略目标实现，也可以有效促进我国能源结构优化，实现我国的能源战略安全。《“十四五”规划和2035年远景目标纲要》中明确，2025年在运核电7 000万kW，在建核电5 000万kW。截至2023年1月底，我国共有在建和运行核电81台，其中运行55台，总装机容量5 700万kW，在建26台，总装机容量约2 800万kW。2023—2025年，每年批复开工百万千瓦机组将不少于10台，2025年后平均每年并网百万千瓦机组将不少10台，才能满足“十四五”规划和2035远景目标的要求。

近年来，央企企业的节能减排目标也越来越具体化和制度化，黄淑和说“央企要围绕节能、节材、节水、节地和污染物减排等重点，进一步增强资源节约和环境保护意识”，助力碳达峰碳减排目标实现。

为实现国家“双碳”战略目标，大力发展核电是必须的，但由于核电安全的基本投入太大，虽有燃料的高密度性，但核电竞价上网劣势还是比较明显。中国的能源电力供应实际情况是局部饱和，特定时间短缺。随着新能源的进一步快速发展，国家对核电的保护政策将趋于逐步降低，电站竞价上网竞争将会更加激烈。目前部分核电机组已无法全年满负荷上网。核电竞价上网是的当前核电建设必须考虑的关键因素。

目前我国核电国产化目标已达到瓶颈状态，超过了70%，接近80%，片面提高国产化率可能对降低核电比造价没有实质性贡献。另辟蹊径，确保核安全的前提下，核电厂大规模使用环保节能的高科技的复合材料、管道(比如玻璃钢)或许为核电可持续发展探索出一条可行之路。

6 我国玻璃钢行业存在的问题和不足

6.1 玻璃钢行业标准体系不健全，产品质量参差不齐，缺乏统一质量规范和标准化要求，行业推广及服务无序化严重

中国玻璃钢材料研究基础工作比较薄弱，行业标准尚在完善阶段，未有成体系且统一的标准和支持文件，产品质量靠行业自律，服务质量很大程度上依赖于从业人员的个人能力和经验，无法进行规模化管理和有效复制。由于玻璃钢制品企标的设计标准不统一，市场的无序竞争造成产品质量差别非常大。我国在20世纪90年代大规模引入玻璃钢生产线，由于体系规范不健全，技术人员欠缺，整个行业出现了产品无设计、检测无手段，选材无标准，产品无检验的比较尴尬局面。由于缺乏统一的标准，没有独立的监管机构，行业服务质量以自律为主，导致质量问题多发，严重影响用户体验。

6.2 低端玻璃钢制品冲击高端市场

目前我国玻璃钢制品企业无序化较严重，在产品制造领域，仍属于低层次的产业集聚，产品主要集中在以建筑、石油、市政工程等为主的普通低压领域，涉及核电、环境工程、轨道交通、新能源等高新领域的新产品较少。这种低层次的产业发展方式主要受制于市场价格竞争，不利于玻璃钢制品行业的创新和升级换代。

由于生产企业准入条件低，一些目光短浅的企业通过不正当竞争，造成国产玻璃钢企业低价低质量无序竞争，质优价高的供应商没有市场。利润太低导致企业创新发展意愿普遍不高。低质量、低层次产品充斥市场，社会对玻璃钢的认可程度普遍不高，玻璃钢管道产品成为价低质次的代名词。受招标价格影响，制造商为追求利润，原材料常常以次充好，辅材也偷工减料，因质量缺陷造成一些管道渗漏事故的经济损失时有发生，用户对玻璃钢制品产生了很大的认识偏差，影响了高质玻璃钢管道市场推广。

6.3 大部分企业欠缺适用于核电的企业文化、质保体系和质量认证体系

核电质保大纲明确：玻璃钢厂家必须依据ET/T9001<核工业质量体系要求》或GB/T 19001质量管理体系要求建立质量管理体系，并获得认证，相关体系必须满足《核电厂质量保证安全规定》(HAF003)或导则HAD003的内容要求。同时制造商必须有相应机构和足够的人员确保体系能够持续有效运行。我国玻璃钢制品行业产品合格率低是行业发展的主要风险之一。业内部分企业的质量意识、诚信意识、品牌意识、服务意识都不到位，生产、销售流程也不满足国家和行业标准要求，既损害了消费者的权益，也败坏了行业的信誉和口碑。而正是以上不足，造成绝大部分玻璃钢生产企业无法取得核电合格供应商资质。

由于核电准入条件过高，生产企业前期体系和人力投入过高，盈利预期风险太大，优质企业(产能饱和)涉猎核电市场意愿不强，对涉核高技术含量的材料研发动力和投入不足，一般企业和新成立企业又不具备核电技术研发软实力，同时也受制于人力资源和资本市场，没有能力或不愿意大规模投入，致使大部分玻璃钢生产企业和研发单位对核电市场望而却步。

6.4 缺乏用于堆芯的材料辐照老化数据

玻璃钢材料用于核电厂时间较短，缺乏相关材料辐照的有关数据积累。而且玻璃钢材料的更新换代也较快，其自身参数也在不断改进和提高。ASME、RCCM、GOST等核电标准(规范)对玻璃钢材料的在核电厂的应用研究较少，这也是反应堆安全壳内较少使用玻璃钢制品的重要原因之一。核电厂使用新研发材料一直是一个比较敏感的内容。

我国核电厂国标都是对于金属管道制定的，没有相应适用于核电厂一、二回路的国家标准，而且核工程设计院也没有相应一、二回路玻璃钢管道设计的经验。其根本原因在于我国的核电标准是参考ASME或者RCCM内容，目前仍处在消化吸收阶段，不管是设计或是研发，其创新能力和创新手段都有局限。

7 对中国玻璃钢企业期冀和建议

1)玻璃钢行业必须立足自主创新，重点研发一些高科技的玻璃钢复合材料，做好过程实验记录，为进军核电市场做好过程控制和数据分析，特别是涉核安全及高压管道及其他堆芯可能涉及辐照的堆芯结构材料。

2)加快玻璃钢行业的标准规范制定，确保玻璃钢材料标准体系统一和适应性，对玻璃钢产品的设计、检测和材料选配进行科学规范，产业内竞争科学有序。国家出台相关政策，对玻璃钢材料的高科技产业和创新型高新企业给予资金和政策面扶持，实现玻璃钢企业做大、做强、做精、做尖，为国家的核电和高科技产业提供政策面支持。

3)国家核电规范标准编制委员会可考虑利用核电大发展机遇，创新性对核电选材可采用玻璃钢复合材料使用进行明文规定，在标准中列入相关条款为全面促进核电厂引入玻璃钢材料使用创造条件。

4)核电厂与玻璃钢复合材料(特别是玻璃钢管道)研发部门、生产企业进行联合研发，以应用带动研发，以高科技和创新动力驱动我国玻璃钢产业的更新换代，做到研发、使用的有效结合，以核电厂规模化使用玻璃钢复合管道等材料为目标，为我国的玻璃钢产业产品升级提供原动力，最终为实现中国核电产业的可持续发展服务。

5)中国玻璃钢协会应促进玻璃钢生产企业与高校、设计院等研发单位进行产研合作，加快玻璃钢复合材料的研发人才培养，制定政策鼓励和促进玻璃钢生产企业的高技术含量玻璃钢管道及其他复合材料产品的创新。

8 结束语

玻璃钢复合材料是目前工程应用领域中发展最快的产品之一，在原材料、制造设备、工艺技术、结构设计、施工以及质量管理等方面均取得了长足的进步，市场占有率不断取得新的突破，新产品、新技术也不断涌现。目前玻璃钢产品的长期性能实验方面我们刚刚起步，其应用和研发还不满足现有核电规范和标准的要求，在核电厂玻璃纤维管道的应用方面，我们还有大量基础性的技术问题等待我们去完成。相信玻璃纤维复合材料的优良表现必将让核电界有识之士、管理人员认可和接受，成为中国核电产业的可持续发展重要基础产品之一。