بررسی مدل پیش بینی عمر مفید برای لوله‌های پلی اتیلن با چگالی بالا برای برنامه‌های مربوط به ایمنی هسته‌ای

چکیده
 انجمن آمریکایی مهندسان مکانیک (ASME) و کمیته کدهای مخفی مخازن دیگ بخار و دیگ فشار (BPVC) کد کیس به نام N-755 را منتشر کرد تا با آن بتوانند نیازهای استفاده از لوله های پلی اتیلن (PE) را در ساخت قسمت سوم ، بخش 1 درجه 3 سیستم لوله کشی مدفون در خاک را جهت استفاده برنامه های کاربردی نیروگاه های هسته ای توضیح دهد .
این کد کیس ، توسط گروه ویژه فعال بر لوله پلی اتیلن  ( pp-SWG) در بخش سوم طراحی BPVC ،توسعه یافته است. گرچه کمیسیون نظم دهنده‌ی اتمی ایالات متحده (USNRC) هنوز این دستورالعمل مورد را برای استفاده در تصمیم‌گیری‌های نظم دهنده تایید نکرده است.با این وجود، دو درخواست جایگزین برای نصب لوله کشی پلی اتیلن در برنامه‌های مربوط به ایمنی نیروگاه‌های انرژی هسته‌ای ایالات متحده توسط USNRC تایید شده‌اند.
این مقاله بر حساسیت لوله‌های پلی اتیلن در نارسایی زودرس با توجه به رشد کند ترک و شکاف (SCG) تمرکز میکند که در آن  به طور خاص از مدل‍‌های مختلف پیش بینی و پروتکل‌های تسریع کننده آزمایش استفاده شده  تا  بتوان با آن نتایج تجربی کوتاه مدت رابرای پیش بینی عمر مفید و بلند مدت لوله‌ها ( 50 سال و فراتر از آن) تجزیه تحلیل کنند .
یک بررسی نقادانه از این مدلها با توجه به عوامل تسریع کننده‌ی دما ،تنش وهمچنین فاکتورهای افزایش دهنده‌ی تنش در این مقاله ارائه شده است.
همانطور که انتظار میرود، درجه حرارت بالای کار، با استفاده از مدل‌های مختلف  تاثیر قابل توجهی در پیش بینی عمر مفید دارد.
در این مدل های پیش بینی کننده نسل جدیدتر یعنی PE100 یا  رزین های بیومدالPE4710 (دو نمایی)مناطقی که به توسعه نیاز دارند.مشخص شده اند.

معرفی و پس زمینه
صنعت انرژی هسته‌ای در نظر دارد از لوله های پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE) در ایمنی هسته ای لوله کشی ،برای خدمات آب در برنامه های کاربردی استفاده کند.
در حمایت از این کار ،بخش سوم از جامعه آمریکایی مهندسان مکانیک (ASME) کمیته عملکرد لوله های دیگ بخار و فشار (BPVC) اخیرا گروه کاری ویژه ای در رابطه با لوله های پلی اتیلن (SWG-pp ) برای توسعه عملکرد نمونه برای استفاده از لوله کشی پلی اتیلن در ایمنی نیروگاه های انرژی هسته ای تشکیل داده است.
تا به امروز،این SWG عملکرد نمونه CC N-755  را  تحت عنوان "استفاده از لوله های پلاستیکی پلی اتیلن (PE) برای قسمت سوم، بخش 1 ،ساخت و ساز و فعالیت های تعمیر/جایگزین بخش XI منتشر کرده است .(1)
این دستورالعمل نمونه، فشارهای مجاز برای استفاده از لوله کشی پلی اتیلن در دماهای مختلف و عمر مفید مورد انتظار را تعریف می کند.
جدول I در زیر این مقدار ها راهمانطور که در جدول 3021-1 مربوط به CC N-755 rev. 0 (1) تعریف شده است، نشان میدهد.

رزین های توصیه شده برای استفاده در لوله کشی آب هسته ای، باید یا مطابق با طبقه بندی پلی اتیلن  445474C به از ASTM D33502  باشد یا ازآن سبقت گیرد.  
موارد هایلایت شده در جدول شماره1 موارد نهایی را مطرح می کند که درآن به مقدار فشار و تنش مجازبرای بالاترین مدت شارژ50 ساله  ومدت شارژو ارزشهای تنش در دمای60 درجه سانتی گراد140 درجه اشاره می شود .همچنین در مورد کد کیس، مقدار مجاز ترک بر داشتن سطحی، در لوله کشی پلی اتیلن در تولید و نصب، 10% ضخامت دیوار در هر بخش2310a در CC N-755 rev.0 مشخص میشود.
هیچ تعریف دیگری که در راستای اندازه ی مجاز شکاف با توجه به طول -شکل - محل یا حد بریدگی ارائه نشده است.
تا به امروز، کمیسیون ساماندهی هسته ای آمریکا ، CC N-755 (1)  را به عنوان پایه ای برای طراحی، نصب، بازرسی و عملیات لوله کشی پلی اتیلن برای کلاس 3 ،ایمنی مربوط به آب بکارگرفته در نیروگاه های هسته ای را نپذیرفته است.دلیل آن از دو جنبه بررسی میشود :

• عدم وجود بازرسی های غیر مخرب حجمی از لوله کشی پلی اتیلن)به خصوص برای مفاصل(پس از نصب
• و عدم وجود داده های تجربی برای حمایت از قانون 10% نقص مجاز در قطر بزرگ لوله کشی پلی اتیلن، (> 304.8 میلیمتر یا 12 اینچ) به ویژه در درجه حرارت بالا, برای عمر سرویس مورد انتظار (مدت زمان شارژ) که برنامه معمولی را برای سرویس لوله کشی آب ارا ئه می دهد.

شناسایی مسائل فنی

عمده مسائل فنی پیرامون استفاده لوله کشی HDPE از جمله نارسایی زودرس به علت SCG شناسایی شده، به شرح زیر است:

• اثر درجه حرارت بالا
• اثر اندازه مجاز نقص تا 10% ضخامت دیواره
• فاکتور های طراحی برای ایمنی مربوط به لوله کشی آب
• مدل های تحلیلی برای پیش بینی عمر مفید بلند مدت
• و بازرسی های یکپارچه و  غیر مخرب حجمی از اتصالات لب به لب.

هر یک از مسائل فوق در مقاله قبلی مورد بحث و خلاصه قرار گرفت(5).
این مقاله به طور خاص، بر  مدل پیش بینی طول عمر بلند مدت سرویس برای لوله کشی پلی اتیلن با استفاده از داده های آزمایشگاهی تست کوتاه مدت تسریعی تمرکز کرده است.

مدل پیش بینی عمر مفید لوله پلی اتیلن
دلیل اولیه برای توسعه مدل های تحلیلی، پیش بینی مدت عمر طولانی (50 سال یا بیشتر)  با استفاده از روش های تست تسریع کوتاه مدت است.افزایش دما به عنوان عامل تسریع کننده برای تست کوتاه مدت با کمک قوانین کلاسیک زمان دما (TTSP) برای پیش بینی بلند مدت (6) استفاده می شود.
چهار مدل برای پیش بینی عمر مفید لوله کشی پلی اتیلن که در حال حاضر در دسترس هستند :

1-روش نرخ  فرایند یا RPM (7)
2-دیدگاه انتقال دو جهته (8)
3-ارتباط و هبستگی عمر پنت سرویس
4-انتگرال زمان جهت شروع نقص )ترک( و رشد آن تا شکست(10).

هر یک از این مدلهای با طرح مسئله در صورت نیاز در زیر توضیح داده شده است. از آنجا که در حال حاضر اطلاعات بسیار کمی برای PE4710 یا( PE 100) در دسترس است ، بنا بر این نوع مواد با طبقه بندی همراه 445574 C به ازای نتایج ASTM D3350 (2)  حاصله از مواد نسل قدیمی تر برای تجزیه و تحلیل استفاده می شود.

روش نرخ روند فرایند (RPM)

 گسترده ترین مدل برای پیش بینی عمر مفید طولانی لوله کشی پلی اتیلن ،روش  نرخ سرعت فرایند  (RPM) است که در توضیحات فنی  TN-16 از PPI (7) بیان شده است.
Rpm، از روش انرژی فعال سازی نوع آرهنیوس برای توصیف زمان شکست به عنوان تابعی از استرس و درجه حرارت استفاده میکند. (7) رویکرد RPM با استفاده از داده های تست پارگی لوله های بدون نقص درفشار به مدت طولانی و برای تعیین هیدرواستاتیک طراحی پایه (HDB) برای لوله کشی پلی اتیلن 40 ساله، بر پایه ی زمان شکست قطر کوچک در لوله کشی پلی اتیلن  (<4 اینچ قطر) در سطوح مختلف حلقه تنش و فشار استفاده می شود.با این حال، کاهش در عمر به دلیل وجود غالب نقص مجاز مانند 10% نقص دیواره لوله در  CC N755rev.0 (1)،  در روش RPM بشمار نمی اید.
هنگامی که یک ایزو استاندارد برای تست فشار گسسته در لوله کشی پلی اتیلن با شکاف سطحی محوری (11) وجود دارد، داده های بسیار کمی برای پلی رزین های جدیدتر همراه کلاس 445474 C یا) 445574( C که تحت بررسی برای برنامه های هسته ای به ازای  CC N-755 (1) هستند وجود دارد. محدودیت دیگر این است که هیچ پایه و اساسی برای مقایسه نتایج داده ها از آزمون قطر کوچک- و عملکرد لوله های بسیار بزرگ با قطر (> 24 اینچ )، به خصوص در حضور یک عیب(شکاف) ،وجود ندارد.
فرم کلی معادله مورد استفاده در ASTM D 1598 (12) که مدت زمان را به شکست "t‟ در ساعت، در سطح تنش حلقه به واحد MPa و درجه حرارت T در درجه کلوین به هم مرتبط میکند