بررسی مدل پیش بینی عمر مفید برای لولههای پلی اتیلن با چگالی بالا برای برنامههای مربوط به ایمنی هستهایچکیده 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.
• 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 فنیعمده 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 ، به شرح زیر است:
A= 13.57 , B= 5649.93 , C= -748.81 برای یک حلقه مجاز تنشpsi 500 (یا 3.5 Mpa ) ، ممکن است زمان شکست ،tT، به ازای همه ی دماها (T) به زمان شکست در 20 درجه سلسیوس (یا 293 درجه کلوین) به صورت زیر نرمال شود:
رویکرد تغییر دو سویه
روش دوم برای پیش بینی عمر مفید بلند مدت ، روش تغییر دو سویه است که در اصل به منظور استفاده از لوله کشی پلی اتیلن در صنعت توزیع گاز توسعه یافته است. (8) این روش برای هر دو نوع لوله کشی فاقد ترک یا دارای آن کاربرد دارد.تابع تغییر مکان برای حالت افقی (aT)و عمودی(bT) به صورت زیر است:
تصویر شماره یک که درقسمت پایین آمده،طرح شماتیکی ازرویکرد اساسی وفرایند سه مرحله ای را برای بدست آوردن توابع تغییر مکان افقی و عمودی معادلات(3) و(4)نشان می دهد همانطور که درقسمت با لاآمده . در اواخر 1980 و اوایل 1990 وقتی اصل (8،14) مبنی بر مقادیر ثابت در معادلات (3) و (4) ثابت شد پیرو آن این ادعا مطرح شد که که این اصل بطور جامع برای کلیه ی رزین پلی اتیلنها موجود با درجات متوسط و بالای چگالی کاملا کاربردی است.
با پیشرفت در رزین های پلی اتیلن در طول 15 سال اخیر، قابل اجرا بودن رویکرد تغییر دو سویه با ثابت های اصلی در معادلات واضح و مشخص نیست.بنابر این ممکن است قبل از استفاده از طرح پیش بینی ، تغییراتی لازم باشد.
همبستگی و ارتباط عمر پنت سرویسدر اصل ، آزمون PENT همانطور که در ASTM D1473 (15) توصیف شد، به منظور مقایسه مقاومت SCG رزین پلی اتیلن های مختلف برای رتبه بندی، طبقه بندی سلولی (2) و برای اهداف کنترل کیفیت ، توسعه داده شد.متعاقبا تست PENT برای همبستگی و پیش بینی عمر مفید لوله های پلی اتیلن دارای نقص (شکاف) استفاده میشود، اگرچه این روش پذیرش گسترده ای درصنعت ندارد.
همبستگی عمر مفید لوله های پنت توسط معادله زیر بدست می آید:
دوباره، معادله (9) فاکتور درجه حرارت را برای مدل های قبلی در معادله 8 و 2 مقایسه میکند. ادغام زمان شروع نقص و رشد آن تا شکستروش چهارم شامل ترکیب زمان نهفتگی نقص در لوله پلی اتیلن تا زمان شروع نقص ومتعابغا زمان لازم برای رشد آن نقص با استفاده از درجهSCG تا زمان کامل شکست.(10،17،18)
نرخ SCG معمولی برای نمای کلی نوعPENT و یک نوع از مواد پلی اتیلن در زیر نشان داده شده است.(10)
همانطور که در تصویر 2 میبینید، نرخ SCG یک تابع نمایی از دماست و از رابطه زیر بدست آمده:
تصویر 2 درجات معمولی SGS برای مواد PE(10)
که Q=104 KJ/mol ، p=3.7 ،log A =11.09
دوباره بر پایه ی داده های SCG ، فاکتور دمای نرمال برای این مدل میتواند برای پیش بینی زمان شکست (یا 1 da/dt) استفاده شود.
مقایسه مدل های عمر مفید – اثر دمابرای هر چهار مدل بررسی شده در بالا، عمر (یا زمان شکست) داده شده به صورت : خدمات زندگی = F (استرس، هندسه، فاکتور شدت تنش، مواد) EXP*(T) این است که، درجه حرارت دارای یک اثر “نمایی” در سرعت بخشیدن به زمان شکست به علت SCG در لوله کشی پلی اتیلن دارد. از این رو مقایسه چهار مدل جالب میباشد، مخصوصا با توجه به عامل درجه حرارت نرمال آنها در معادلات (2)، (7)، (9) و (11). شکل 3 در زیر این مقایسه را به عنوان یک نمودار از عوامل درجه حرارت،افزایش سرعت نرمال برای چهار مدل به عنوان تابعی از درجه حرارت را نشان می دهد. مشاهدات انتقادی زیر را می توان از شکل 3 برداشت کرد: ●عامل درجه حرارت در هر چهار مدل در شرایطی نسبتا نزدیک با یکدیگر هستند. ●اثر افزایش درجه حرارت در کاهش عمر نمایی است .شکل 3 نمودار نیمه لگاریتمی است ●مهمتر از همه، برای هر 20 درجه سانتی گراد افزایش در دمای .بین 20 تا 80 درجه سانتی گراد فاکتور دما با یک گروه از یک دامنه بزرگ به طور تقریبی کاهش پیدا میکند برای مثال عمر مفید مورد انتظار بوسیله فاکتور ١٠ کاهش میابد. واقعیت این است که چهار مدل، به طور مستقل در ارتباط با طیف های متنوعی از رزین های پلی اتیلن توسعه یافته است که در طول چند دهه توانسته در مهار تاثیر دما بر زمان های شکست مداومت کند که این امری قابل توجه است. مگر در مواردی که غیرازاین نشان داده شده است، این احتمال وجود دارد که رزین های جدیدتر که به طور قابل توجهی بهبود مقاومت SCG یافته اند و همچنین به دما مشابه وابستگی داشته باشند. مفاهیم ایمنی هسته ای برای لوله کشی پلی اتیلنکار بالا پیامدهای مهمی در توسعه پایه و اساس خدمات پیش بینی عمر مفید لوله کشی پلی اتیلن برای برنامه های هسته ای دارد. قبل از بحث در مورد پیامدها، یک نکته مهم برای تاکید این است که داده ها و عوامل درجه حرارت فوق برای غیر دونمایی ها ، رزین های پلی اتیلن نسل قدیمی تر که معمولا از بیشتر رزین های دونمایی اخیر – PE4710 یا PE100- نسبت به SCG حساس تر هستند، توسعه داده شدند. رزین های جدیدتر (کلاس سلولی C 445574 به ازای ASTM D3350) تنها نمونه ای است که برای کلاس 3 سرویس کاربردی آب در نیروگاه هسته ای در ایالات متحده در نظر گرفته شده است.گرچه هر یک از مدل های پیش بینی عمر مفید بالا و همین طور کاتالیزگرها به منظور نگه داشتن دما برای رزین های جدیدتر هنوز محقق میباشد. برای برنامه های هسته ای،بیشتر پیش نویس های تجدید نظر اخیر 1 از ASM کد مورد CC N-755 (1) این است که لوله های پلی اتیلن در 140 فارنهایت (60 درجه سانتی گراد) در فشار 500 psi، تنش مماسی برای 50 سال با میزان نقص مجاز 10 ٪ از قطر و ضخامت دیوار لوله به کار گرفته شود. در بررسی شکل 3 با شروطی که در ذهن داریم میفهمیم –عمر 50 ساله در 60 درجه سلسیوس ، گواهی این است که داده های تجربی کوتاه مدت در آزمایشگاه در دمایی بیشتر از 60 درجه انجام شده است.با این حال ، حد فوقانی 95 درجه است که بالاتر از حدی است که مواد پلی اتیلن دستخوش تغییر میشوند. اگر دمای فوق بوسیله فاکتور 10 به ازای هر 20 درجه در رزین های جدید کاهش پیدا کند، آزمون های کوتاه مدت ،در مدت 5 سال با دمای 80 درجه سلسیوس 176 F) ( یا ~ 0.67 سال (8 ماه) در دمای 95 درجه سلسیوس درحالی که همه ی فاکتور های دیگر ( تنش، هندسه ،عمق نقص) یکسان است، انجام میشود. بنابر این ، با توجه به ملزومات PENT این مقدار برای رزین های دونمایی فقط 500 ساعت است)0.057 سال(، داده های تجربی وسیع برای اثبات عمر 50 ساله لوله کشی پلی اتیلن در دمای بالای 60 درجه سلسیوس با تحمل کافی، لازمه ی شروع نقص و رشد آن است. سپاسگزاری لازم است ازکمیسیون نظارتی هسته ای ایالات متحده و دفتر تحقیقات هسته ای که این کار را حمایت کردند و ناظر پروژه جناب آقای اریک فوچ ، که پشتیبانی و راهنمایی خود را دریغ نکردند ،تشکر فراوان کرد. سلب مسئولیتاین گزارش به عنوان شرح کار حمایت شده توسط آژانس دولت ایالات متحده آماده شده است. دولت ایالات متحده ، سازمان های وابسته به آن و هیچ کدام از کارکنان هیچ تضمین و مسئولیتی در قبال استفاده شخص دیگری و نتایج حاصل از استفاده آن یا استفاده از اطلاعات ، دستگاه ، محصولات یا فرایند فاش شده در این گزارش ندارد. و استفاده از این گزارش توسط شخص سومی تعدی از حقوق خصوصی نیست.نظرات بیان شده در این مقاله لزوما از کمیسیون هسته ای ایالات متحده نیست. منابع : ASME Code Case N-755 “Use of Polyethylene (PE) Plastic Pipe for Section III, Division 1, Construction and Section XI Repair/Replacement Activities”, March, 2007. ASTM D3350-05, “Standard Specification for Polyethylene Plastics Pipe and Fittings Materials,” 2005 Catawba Nuclear Station, Units 1 and 2, Relief 06-CN-003 for Use of Polyethylene Material in Buried Service Water Piping (TAC NOS. ME0234 AND ME0235) U.S. Nuclear Regulatory Commission ADAMS Accession No. ML091240156, May 2009.. Callaway Plant, Unit 1- Relief Request I3R-10 for Third 10-Year Inservice Inspection Interval – Use of Polyethylene Pipe in Lieu of Carbon Steel Pipe in Buried Essential Service Water Piping System (TAC No. MD6792), U.S. Nuclear Regulatory Commission ADAMS Accession No, ML082640007, October 2008. Krishnaswamy, P. and others, Proceedings of Plastics Pipes XIV, September, 2008 Ferry, J., Viscoelastic Properties of Polymers, John Wiley & Sons, 1980. Rate Process Method for Projecting Performance of Polyethylene Piping Components, Plastic Pipe Institute, Technical Note TN-16. 1999 Popelar, C. H. and others, “An Accelerated Methods for Establishing the Long Term Performance of Polyethylene Gas Pipe Materials,” Polymer Engineering and Science, Vol. 31, No. 24, December 1991. Brown, N. and others, “Intrinsic Lifetime of Polyethylene Pipelines,” Polymer Engineering and Science, Volume 47, Issue 4, April 2007. Corleto, C. “Accelerated Methods to Determine or Predict Failure in Polyethylenes,” Proceedings of Plastics Pipes XIII, October 2006. ISO Standard 13479, “Polyolefin pipes for the conveyance of fluids – Determination of resistance to crack propagation – Test method for slow crack growth on notched pipes (notch test),” 1997. ASTM D2837-04, Standard Test Method for Obtaining Hydrostatic Design Basis for Thermoplastic Pipe Materials or Pressure Design Basis for Thermoplastic Pipe Products, 2004. 13. Hsuan, G. and others, Session 3B, Plastics Pipes XIII, Washington, DC, 2006. Wooster, P. M.S. Thesis, The Ohio State University, 1991. ASTM F1473-07, “Standard Test Method for Notch Tensile Test to Measure the Resistance to Slow Crack Growth of Polyethylene Pipes and Resins,” 2007. Plastics Pipe Institute, Technical Note on PENT Test Investigation, TN-21, 2000. Corleto, C. “Fundamental Slow Crack Growth Properties Using Instrumented PENT Testing,” Proceedings of the 17th International Plastic Fuel Gas Pipe Symposium, Oct. 20-23, 2002. Gas Research Institute (now Gas Technology Institute) Technical Reports, www.gastechnology.org, 1980 – 2006. ..:: پارس اتیلن کیش نامی که سالهاست می شناسید و به آن اعتماد دارید ::.. |