57
1 2 3 4 5 NESCC Polymer Pipe Task Group (PPTG) 6 Polymer Pipe Codes and Standards for Nuclear 7 Power Plants 8 9 10 Current Status and Recommendations for Future 11 Development 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

NESCC Polymer Pipe Task Group (PPTG) Report - draft

  • Upload
    others

  • View
    3

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

 

 1 

 2 

 3 

 4 

 5 

NESCC Polymer Pipe Task Group (PPTG) 6 

Polymer  Pipe  Codes  and  Standards  for  Nuclear 7 

Power Plants 8 

 9 

 10 

Current Status and Recommendations  for Future 11 

Development 12 

 13 

 14 

 15 

 16 

 17 

 18 

 19 

 20 

 21 

 22 

 

Preparation of This Report 1 

 2 

This report was prepared by the NESCC Polymer Pipe Task Group (PPTG). Membership on the PPTG 3 was open. Efforts were made to  include representatives  from standards development organizations 4 (SDO), nuclear plant operators and design, and polyethylene pipe manufacturers that are involved in 5 nuclear power plant construction.  6 

 7 

Convener:  The  Convener  of  the  PPTG was  Aaron M.  Forster,  Engineering  Laboratory,  National 8 

Institute of Standards and Technology, Gaithersburg (USA) 9 

 10 

 11 

 12 

 13 

 14 

 15 

 16 

 17 

 18 

 19 

 20 

 21 

 22 

 23 

 24 

 25 

 26 

 27 

 

The table below lists the organizations and their representatives that participated in the PPTG:  1 

   Name     Title  Company     Last  First       1  August  James  VP  Technical 

Operations Core Inc.                                                 

2  Thompson  David    MSS 3  Boros  Stephen  Technical Director  Plastics Pipe Institute                           4  Clark  Mark     Nibco 5  Rowley  Wes  Vice President  Wesley Corporation 6  Focht  Eric     US Nuclear Regulatory 

Commission Office of Nuclear Regulatory Research 

7  Forster  Aaron  Materials Engineer  Engineering Laboratory  NIST 

8  Mason  Jim     Mason  Materials  Development, LLC 

9  Golliet  Matthew     Westinghouse Electric Co.                   

11  Lefler  Steven  Principal Engineer  Duke Energy                                           12  Lever  Ernest  Senior  Institute 

Engineer Gas Technology Institute                     

15  Schaaf  Frank  Consultant  648 Holt Road, Webster, NY,  16  Svetlik  Harvey  Director  of 

Engineering and QA Systems  

Independent Pipe Products, Inc.        

17  Wheeler  Larry  Reactor  Systems Engineer 

US Nuclear Regulatory Commission Office of New Reactors Division of Safety Systems and Risk Assessment 

18  Whelton  Andrew  Assistant Professor   University of South Alabama 19  Zhou  Jimmy   Research Scientist  The Dow Chemical Company 20  Zimmerman  David     Duke Energy                                            2 

 3 

 4 

 5 

 6 

 7 

 8 

 9 

 

Table of Contents 1 

1  Introduction ______________________________________________________________  6 2 

2  Objectives and Overview  ___________________________________________________  7 3 

3  Definitions _______________________________________________________________  9 4 

4  Standards Development Organizations and Nuclear Construction Codes ____________  12 5 

5  Review of Current Standards _______________________________________________  13 6 

5.1  Standards for Pipe Resins _____________________________________________________  13 7 

5.2  Standards for Design Basis and Strength Requirements _____________________________  15 8 

5.3  Standards for Valves and Fittings _______________________________________________  18 9 

5.4  Standards for Joining _________________________________________________________  20 10 5.4.1  Butt Fusion _______________________________________________________________________ 20 11 5.4.2  Electrofusion _____________________________________________________________________ 25 12 

5.5  Long‐term Performance Standards  _____________________________________________  27 13 5.5.1  Standards for PE Compounds  ________________________________________________________ 27 14 5.5.2  Standards for PE Pipe _______________________________________________________________ 30 15 5.5.3  Standards for PE Fusions ____________________________________________________________ 34 16 5.5.4  Standards to Evaluate Surface Flaws in PE pipe __________________________________________ 34 17 5.5.5  Standards for NDE Testing of Volumetric Flaws __________________________________________ 34 18 5.5.6  Standards to Develop HDB/HDS at Long‐times ___________________________________________ 35 19 

5.6  Standards for Chemical Resistance ______________________________________________  37 20 

6  Gaps in Current Standards _________________________________________________  39 21 

7  Roadmap for the Next Decade ______________________________________________  44 22 

7.1  Short Term Gaps (< 3 yrs) _____________________________________________________  44 23 7.1.1  Standards for Pipe Resins  ___________________________________________________________ 44 24 7.1.2  Standards for Design Basis and Strength ________________________________________________ 44 25 7.1.3  Standards for Joining _______________________________________________________________ 45 26 7.1.4  Standards for PE Compounds  ________________________________________________________ 45 27 7.1.5  Standards for PE Pipe _______________________________________________________________ 45 28 7.1.6  Standards for NDE Testing of Volumetric Flaws __________________________________________ 46 29 7.1.7  Develop HDB/HDS at Long‐times  _____________________________________________________ 46 30 7.1.8  Standards for Chemical Resistance ____________________________________________________ 46 31 7.1.9  Other Standards Gaps ______________________________________________________________ 47 32 

7.2  Medium Term Gaps (3 ‐ 8 yrs) __________________________________________________  48 33 7.2.1  Standards for Design Basis and Strength ________________________________________________ 48 34 7.2.2  Standards for Valves and Fittings  _____________________________________________________ 49 35 7.2.3  Standards for Joining _______________________________________________________________ 49 36 

 

7.2.4  Standards for PE Compounds  ________________________________________________________ 50 1 7.2.5  Standards for PE Fusions ____________________________________________________________ 50 2 7.2.6  Standards to Evaluate Surface Flaws ___________________________________________________ 50 3 7.2.7  Standards for Ultraviolet and Ionizing Radiation  _________________________________________ 50 4 

7.3  Long‐term Gaps (> 8 years) ____________________________________________________  51 5 7.3.1  Standards for PE Compounds, PE Pipe, and PE Fusions ____________________________________ 51 6 7.3.2  Standards for Chemical Resistance ____________________________________________________ 51 7 7.3.3  Incorporation of New Pipe Materials  __________________________________________________ 52 8 

8  Summary _______________________________________________________________  52 9 

Appendix A _________________________________________________________________  53 10 

Appendix B _________________________________________________________________  54 11 

12  13 

 14 

 15 

 16 

 17 

 18 

 19 

 20 

 21 

22 

 

Page | 6 

 

1 Introduction 1 

The Nuclear  Energy  Standards  Coordination  Collaborative  (NESCC)  is  a  joint  initiative  of  the 2 American  National  Standards  Institute  (ANSI)  and  the  National  Institute  for  Standards  and 3 Technology (NIST) to identify and respond to the current needs of the nuclear industry. NESCC 4 was  created  in  June  2009.  More  details  on  NESCC  and  its  activities  can  be  found  at: 5 (http://www.ansi.org/standards_activities/standards_boards_panels/nescc/overview.aspx?me6 nuid=3). 7 

In  July  2010,  NESCC  formed  a  task  group  “Polymeric  Piping  for  Nuclear  Power  Plants  Task 8 Group”,  referred  to  as  the  “Polymer  Pipe  Task  group”  (PPTG)  in  this  report.  The  request 9 (Appendix A) for the formation of the task group had the following scope: 10 

• Establish coordination and consistency of safety and non‐safety  related polymer 11 pipe requirements in nuclear power plants; 12 

• Identify and review all NRC regulatory documents related  to polymeric pipes  for 13 nuclear power plants; 14 

• Identify  and  review  all ASTM, ASME,  AWWA,  ISO  and  PPI  standards  related  to 15 polymeric pipe water applications; 16 

• Identify ancillary  standards needed  to certify manufacturers and  the  installation 17 and inspection of piping 18 

 19 

The scope, as presented at the NESCC meeting, was considered similar to task groups currently 20 operating within ASME to address Boiler and Pressure Vessel code issues.  The convener of the 21 PPTG held a meeting at  the ASME code week  in Washington D.C. with ASME members.   The 22 goal of this meeting was to develop a task group scope that was synergistic with ASME efforts 23 and would meet the needs of the NESCC.  The scope was expanded to the following: 24 

• Conduct a survey of current ASTM, ASME, AWWA, ISO, and PPI standards related 25 to polymeric pipe and fittings. 26 

• Comment on  the applicability of each piping and  fitting standard  to current and 27 future  applications  in  the nuclear  industry.   This  includes non‐safety  and  safety 28 related applications. 29 

• Identify existing gaps in piping standards for nuclear applications. 30 

• Identify a reasonable mechanism and time frame to fill identified gaps. 31 

• Develop a 5  to 10 year  roadmap  for  the application of polymeric piping  in non‐32 safety  and  safety  related  nuclear  applications  and  the  anticipated  standards 33 needs.     34 

 35 

 36 

 37 

 

Page | 7 

 

The  initial membership was determined  from an open call  to  the ASME community and an 1 announcement by  the NESCC.   The membership  remained open  to new members over  the 2 course of developing  the PPTG  report.   The group met by virtual meetings  regularly, and a 3 face‐to‐face  at  the  ASME  Code Week.  Each member  was  asked  to  contribute  on  topics 4 related to their expertise and to review the report during meetings.  In between meetings, a 5 formal vote was conducted  to ensure  that  the concerns of all members were addressed  in 6 the next version of the report. As of 2012, three ballots were conducted by e‐mail. Each time 7 a  report and a ballot  form were  sent  to members and  reviewers. The  comments were, as 8 assigned by the voter, either Primary (P) comments to  identify technical  issues, or Editorial 9 (E)  comments  to  identify  editorial  issues.    Voters were  required  to  provide  references  or 10 provide justification for P comments.  The ballots were returned to the Convener to organize 11 and  update  the  report.    P  comments were  addressed  by  the  group  for  clarification.  The 12 Convener  addressed  the  E  comments  directly.  After  each  ballot,  a  new  report  in  track 13 changes was sent to the members to address the primary comments.  It should be noted that 14 this report is limited to discussion of non‐metallic pipe, joints, and fittings. 15 

2 Objectives and Overview 16 

The  PPTG  decided  that  a  comprehensive  review  of  all  polymeric  standards  would  be 17 cumbersome and difficult to compile within one report. The specific PE standards for ASME 18 Code Case N‐755 may be  found  in Table  III‐I of the Mandatory Appendix  III.  Indeed, even a 19 focus  only  on  polyethylene  standards  would  be  extensive.  Three  other  sources  have 20 developed substantial lists of polyethylene standards in the U.S. and globally. The source for 21 U.S.  standards  for  polyethylene  and  other  common  non‐metallic  piping  materials  was 22 provided  by  the  ASME  working  group  on  non‐metallic  materials  and  is  reproduced  in 23 Appendix  B  from  their  charter  document.  The  second  source  has  been  developed  and 24 published  by  the  Plastics  Pipe  Institute  (PPI).    This  document  is  TR‐5/2010  “Standards  for 25 Plastics Piping” and it is an extensive list of standards related to plastic piping. The source for 26 global  standards  concerning polyethylene was  found at The Welding  Institute  (TWI)  in  the 27 U.K.  This  list  may  be  found  under  the  Standard  FAQs  link  under  the  Standards  for 28 Polyethylene  Pipe:  (http://www.twi.co.uk/services/technical‐information/faqs/standards‐29 faqs/faq‐standards‐used‐for‐polyethylene‐pipe/).  30  31 The task group decided to focus on the current gaps within the polyethylene piping ASME N‐32 755 Code Case process, as this  is a focused goal for deriving a gap analysis. PE has been the 33 guiding  material  through  ASME  Code  Case  N‐755  and  much  work  remains  to  finish  the 34 process.  Therefore,  this  material  can  serve  as  a  template  for  any  additional  polymeric 35 materials that seek approval and relief requests for nuclear applications.  An anticipated case 36 for the future could be graphite‐based materials. In order to provide completeness, the task 37 group  has  excerpted  a  section  of  the  technical  plan  from  the  ASME working  group Non‐38 Metallic Materials. This provides  an overview of ASTM  standards  that  govern  the material 39 

 

Page | 8 

 

properties of common thermoplastic, thermoset, and composite pipe materials and is located 1 in Appendix B. The application of PE pipe standards generally follows four categories that the 2 PPTG has tried to adhere to in the layout of this gap analysis. These categories are: 3 

• Standards for the resin pellets 4 

• Standards for the quality assurance of pipe or fittings produced from the resin 5 

• Standards for the industrial application such as nuclear, gas, or water 6 

• Standards for  long‐term performance, degradation, or disaster resilience of the pipe 7 or fitting 8 

 9 Five objectives were given to the PPTG as defined in Section 1.  A short summary is given here 10 along with a clarification of objectives and references to the appropriate sections. 11 

 12 1. Conduct a survey of current ASME, ASTM, AWWA, ISO, PPI, and ancillary standards related 13 

to polymeric pipe and fittings. 14  15 

2. Comment on  the applicability of  each  piping and  fitting  standard  to  current  and  future 16 applications  in  the  nuclear  industry.    This  includes  non‐safety  and  safety  related 17 applications. 18  19 

3. Identify existing gaps in piping standards for nuclear applications. 20 The report is composed of sections that address a specific structure or procedure related 21 to polymeric piping that is governed by specific standards.  Objectives 1 ‐ 3 are combined 22 together within  the  individual  sub‐sections of  Section 5.  The  standards  related  to  each 23 section are discussed in the following manner: 24 

Title 25 a) Status today 26 b) What needs to be changed for application to a nuclear power plant? 27 c) Why does the standard need to be changed?     28 d) Is the gap related to a lack of research, material data, or a specific application of 29 

the nuclear industry such as pressure or temperature?  Is the gap critical?  Does it 30 inhibit the wide application of a specific material or structure class to the nuclear 31 industry? 32 

 33 4. Identify a reasonable mechanism and time frame to fill identified gaps. 34 

In Section 6, priority  is given  to  critical gaps and  those where a  reasonable mechanism 35 exists  to  fill  the  identified  gaps  in  a  reasonable  time  frame.    In  this  section  the  PPTG 36 provided  input  as  to  which  entity  or  combination  of  entities  may  be  best  suited  to 37 facilitate  closing  an  identified  gap.    These  entities  include:  standards  development 38 organization  (SDO),  pipe  or  resin  manufacturer,  utilities,  regulatory,  academic,  and 39 governmental institutions.  40 

 

Page | 9 

 

 1 5. Develop a 5 to 10 year roadmap for the application of polymeric piping in non‐safety and 2 

safety related nuclear applications; including ancillary and anticipated standards needs.     3 In Section 7, the PPTG has organized a roadmap to generally address where standards for 4 PE materials  should be used  in  the next decade  to maximize  the benefit  to  the nuclear 5 industry.   This was done to provide guidance to the NESCC on the future outlook for this 6 class of materials and to anticipate standards coordination concerns before they become 7 critical. 8 

There are two types of gaps that may be  identified when evaluating a standard.   The first 9 gap (a process gap)  identifies a missing measurement technique, experimental control, or 10 technology  application  to  address  a  need  of  the  nuclear  industry.  The  second  gap  (a 11 specification gap)  is related to additional performance requirements to qualify a material 12 or piping  system  for nuclear plant applications. Specification gaps are not critical  for  the 13 success  of  the  standard.  In  the  case  of  the  nuclear  industry,  additional  performance 14 qualifiers are often placed within the ASME BPV code to fill the specification gap. This has 15 the advantage of leaving the reference standard relatively uncluttered with nuclear specific 16 requirements and available to other industries such as gas or water. The disadvantage is a 17 reduction  in  efficiency  for  the  nuclear  industry  since  two  sources  (the  code  and  the 18 standard)  are  required  for  material  specification/application.  The  PPTG  has  tried  to 19 minimize the identification of gaps related to the specification gap, but in certain cases the 20 number of additional  requirements  is  significant  compared  to  the  reference  standard.  In 21 these  cases,  the PPTG  included both process and  specification gaps  in  Section 6  to help 22 identify  instances where  amplifications were  added  to  the ASME Code Case N‐755.  The 23 PPTG has  also  identified  several definitions  that will  aid  in understanding  the  standards 24 gaps identified within the report and the need of the nuclear industry for PE piping. 25 

3 Definitions 26 

Nuclear utilities in the United States have replaced or are replacing buried service water lines 27 with  bimodal  high  density  polyethylene  (HDPE) materials.    Currently,  there  are  no  other 28 polymer‐based materials used in buried service water systems that are classified as Class 3 by 29 ASME.  In above ground applications for nuclear facilities, the number of polymeric materials 30 that have been used or are currently being used is still being assessed1.   31  32 Service water is the heat sink used in the active cooling system of nuclear plants in the case 33 of  a  design  basis  accident. Another  use  of  service water  is  to  cool  diesel  generators  that 34 

                                                            1 Sizewell B in England installed HDPE for plant safety related service water piping using ASME B31.1 in 2005. There have been instances of glass fiber composite pipe has been used in Europe, but references to these installations could not be located by the PPTG. 

 

Page | 10 

 

supply emergency power  for  the continued operation of  important plant equipment  in  the 1 event of  loss of offsite power. A third configuration  is to continuously run the water system 2 at a lower pressure and temperature for basic plant operations, but the system is capable of 3 handling higher pressure, temperature, and flow in the case of an accident. 4  5 There  are  several  definitions  that  are  relevant  to  discussing  polymeric  piping  in  nuclear 6 power  plant  applications.    These  definitions  will  be  presented  in  order  to  frame  the 7 discussion of the different standards that are related to the polymeric pipe system in nuclear 8 power plant applications. 9 

Safety Related:   Piping that  is relied upon to remain  functional during and  following design 10 basis events.  The standards and design code for safety related polyethylene piping is covered 11 by ASME Code Case N‐755. 12 

Non‐Safety Related:   This  is  all other piping  standards  and  the design  code  covered by or 13 related to ASME B31.1 code. In addition to in‐plant piping there is buried or embedded yard 14 piping which may be designed  to  civil building  codes  in place of ASME B31.1 and  includes 15 cooling water  piping  as well  as  drain  and  fire  protection  piping.  Examples  of  this  type  of 16 piping in a nuclear plant include cooling water provided for heat exchangers, pump bearings, 17 air compressor and motor cooler equipment associated with  the conventional power plant 18 equipment.  19 

Underground  Piping:  Piping  that  is  located  below  grade  such  as  buried  piping  and  piping 20 located in covered trenches. 21 

Buried:  Piping that resides underground and covered by backfill. 22 

Above ground: Piping that resides above ground whether exposed to outdoor environment 23 or within an environmentally controlled building. 24 

Operating  Conditions:    Conditions  of  temperature,  pressure,  and  time  that  the  pipe  is 25 expected to safely perform in the nuclear plant. 26 

Standard:  a  protocol  set  up  and  established  by  authority  as  a  rule  for  the  measure  of 27 quantity, weight, extent, value, or quality.   28 

Design:   The structure or form of a pipe, fitting, valve, flange, or fusion developed to safely 29 operate at a set operating condition for a set design life.  30 

 

Page | 11 

 

Hydrostatic Design Basis (HDB): The term HDB refers to the categorized long‐term hydrostatic 1 strength (LTHS) in the circumferential or hoop direction, for a given set of end use conditions, 2 as established by ASTM Test Method D 28372.  3 

Hydrostatic  Design  Stress  (HDS):  The  estimated  maximum  tensile  stress  the  material  is 4 capable of withstanding continuously with a high degree of certainty that failure of the pipe 5 will  not  occur.  This  stress  is  circumferential  when  internal  hydrostatic  water  pressure  is 6 applied2.  7 

This  section  categorizes needs  for buried  service water piping outlined  through  the ASME 8 Code Case N‐755 process3.   9  10 Information on operating conditions: 11 

1. Operating temperatures up to 175 °F (79 °C)for 30 days in an emergency event. 12 2. Nominal operating temperatures not to exceed 140 °F  (60 °C), although  it  is not 13 

typical  to  have  a  constant  elevated  temperature.    The  minimum  operating 14 temperature is 50 °F.  15 

Information required for design:Error! Reference source not found. 16 3. Determination of tolerable flaw size based on pipe dimension ratio (DR), pressure, 17  3. Determination of tolerable flaw size based on pipe dimension ratio (DR), pressure, 17 

and temperatureError! Reference source not found.. 18 4. The  apparent modulus of  elasticity of HDPE pipe  as  a  function of  temperature, 19  4. The  apparent modulus of  elasticity of HDPE pipe  as  a  function of  temperature, 19 

pressure, and timeError! Reference source not found.. 20 5. Standardized valves and fittings fabricated or molded. 21  5. Standardized valves and fittings fabricated or molded. 21 6. Availability of  long  term  creep data  for design of pipe  systemsError! Reference 22 

source not found.. 23 7. Models  for quantitative  service  life prediction  for parent material and  joint  that 24  7. Models  for quantitative  service  life prediction  for parent material and  joint  that 24 

account  for  temperature,  stress, and  tolerable  flaw  sizeError! Reference  source 25 not found.. 26 

Information on standards needs: 27  Information on standards needs: 27 1. A  standard  that describes essential  variables, performance demonstrations, and 28 

fusion  qualifications  needed  for  fusion  operators,  equipment,  and 29 proceduresError! Reference source not found.. 30 

2. Standard  test method  for slow crack growth resistance of butt  fusion  jointError! 31  2. Standard  test method  for slow crack growth resistance of butt  fusion  jointError! 31 Reference source not found.. 32 

3. NDE  (surface  and  volumetric)  test  standards  to qualify measurement  resolution 33  3. NDE  (surface  and  volumetric)  test  standards  to qualify measurement  resolution 33 and  sensitivity  limits  and  errors  associated  with  each  non‐destructive 34 techniqueError! Reference source not found.. 35 

4. Standards to qualify performance of valves and fittings in HDPE pipe systems. 36                                                             2 ASTM D2837‐08 Standard Test Method for Obtaining Hydrostatic Design Basis for Thermoplastic Pipe Materials or Pressure Design Basis for Thermoplastic Pipe Products ASTM International, 2008 3 “Formal Response to NRC Concerns with ASME Code Case N‐755”, Rev. A; ASME B&PV Section III Special Working Group on Polyethylene Pipe (2009) 

 

Page | 12 

 

4. Standards to qualify performance of valves and fittings in HDPE pipe systems. 1 5. Fire and seismic standards for implementation of above ground installations. 2 6. Standard test methods for quantitative service life prediction 3 

These  needs  do  not  represent  guidance  from  the  PPTG  on  the  acceptability  of  HDPE  for 4 nuclear  service water  applications.    The  report  has  been  organized  to  reflect  the  current 5 attention of the nuclear industry.  The body of the report addresses standards for HDPE pipe 6 materials  (Section 5) and  is  focused on safety‐related applications described  in ASME Code 7 Case N‐755.  Applications not specifically declared in the code case, but immediately relevant 8 to safety applications are discussed in the Gap analysis section. 9 

4 Standards Development Organizations and Nuclear 10 

Construction Codes  11 

The NESCC scope of work was limited to the survey of a few SDOs, but the PPTG incorporated 12 other SDOs related to polymeric pipe and fittings.  This section provides a brief outline of the 13 standards  determining  organizations  that  are  involved  in  polymeric  pipe  materials  and 14 ancillary  systems  or  components.    The  standards  developed  by  these  organizations were 15 reviewed in the application sub‐sections of this document. 16 

American Society of Mechanical Engineers  (ASME  International)  ‐ ASME  is a not‐for‐profit 17 professional  organization  that  develops  codes  and  standards  relevant  to  piping  in  nuclear 18 reactors.    The main document  is  the Boiler  and  Pressure Vessel  code, which  is developed 19 through voluntary consensus. This is an ANSI accredited organization. 20 

ASTM International (ASTM) – ASTM International develops international standards based on 21 voluntary consensus. This is an ANSI accredited organization. 22 

International  Organization  for  Standardization  (ISO)  –  ISO  is  an  international  consensus 23 based  standards  developer.  Country  membership  includes  163  National  institutes  and 24 industry experts.   25 

The following organizations also produce standards related to plastic piping: 26 

American  Water  Works  Association  (AWWA)  –  AWWA  is  a  non‐profit  professional 27 organization  focused  on  the  improvement  of water  quality  and  supply.   AWWA  publishes 28 standard  practice  and  testing  articles  for  drinking  and wastewater  applications.  This  is  an 29 ANSI accredited organization.  30 

Manufacturers  Standardization  Society  (MSS)  – MSS  is  a  non‐profit  technical  association 31 organized  for development and  improvement of  industry, national and  international  codes 32 and  standards  for  Valves,  Valve Actuators,  Pipe  Fittings,  Valve Modification,  Flanges,  Pipe 33 Hangers, and Associated Supports. This is an ANSI accredited organization. 34 

 

Page | 13 

 

Plastics  Pipe  Institute  (PPI)  –  Trade  association  representing  the  plastic  pipe  industry,  in 1 particular  polyethylene  pipe.    PPI  develops  technical  literature  and  methodologies  to 2 determine  the  long‐term  strength  of  thermoplastics  for  piping  applications.  These  reports 3 may  be  used  for  the  development  of  voluntary  consensus  standards  by  other  standards 4 developing organizations. 5 

Uni‐Bell – Trade association representing the PVC pipe industry.  Uni‐Bell develops technical 6 literature and methodologies to determine strength and  lifetime of PVC pipe. These reports 7 may  be  used  for  the  development  of  voluntary  consensus  standards  by  other  standards 8 developing organizations. 9 

Plastic  Pipe  and  Fittings  Association  (PPFA)  ‐  National  trade  association  comprised  of 10 member  companies  that  manufacture  plastic  piping,  fittings  and  solvent  cements  for 11 plumbing and related applications, or supply raw materials, ingredients or machinery for the 12 manufacturing process. 13 

FM  Global  (FM  Approvals)  ‐  FM  Global  provides  comprehensive  global  commercial  and 14 industrial  property  insurance,  engineering‐driven  underwriting  and  risk  management 15 solutions, property  loss prevention research and prompt, professional claims handling. As a 16 function  of  assessing  risk  for  underwriting,  industry much meet  FM  Approval  standards. 17 These approval standards may reference voluntary consensus standards developed through 18 other SDOs. 19 

 Underwriters Laboratories (UL) – UL is a global independent safety science company offering 20 expertise  across  five  key  strategic businesses:  Product  Safety,  Environment,  Life & Health, 21 Verification  Services  and  Knowledge  Services.  One  component  of  this  expertise  is  fire 22 resistance and safety of materials and products.  23 

5 Review of Current Standards 24 

5.1 Standards for Pipe Resins 25 

ASTM D3350 Standard Specification for Polyethylene Plastics Pipe and Fittings Materials 26  27 

a) Scope and Status today 28 Current edition approved Jan. 1, 2010 and published February 2010.  Original 29 approval  in 1974. D3350  is a broad standard used to classify and  identify the 30 basic  properties  of  PE  resins  intended  for  pressure  and  non‐pressure  pipe 31 applications. The standard does not differentiate between pressure and non‐32 pressure  applications.    The  scope  of  D3350  is  broader  than  applies  to  the 33 narrow specification of nuclear plant piping.  34  35 

b) What needs to be changed for application to a nuclear power plant? 36 

 

Page | 14 

 

Amendments to ASTM D3350 or a development of a new standard for nuclear 1 applications are needed  to  tailor  the end‐user  requirements  from a nuclear 2 power plant perspective to the new requirements for the nuclear water pipe 3 application.  These include, but are not limited to; extension of failure time for 4 PENT  testing,  limits  on  maximum  stress  with  elevated  temperature, 5 specifications on carbon black content, and  restrictions on pipe composition 6 to one resin lot. 7  8 Since these resins will be used  in PE pipe that will be subjected to  long term 9 elevated temperature testing,  it should be considered whether this standard 10 should  include  the measurement of  thermal degradation  through Oxidation 11 Induction Temperature (OIT) rather than induction temperature (IT) specified 12 in  ASTM  D3350  measurements  of  thermally  aged  samples.  OIT  is  an 13 isothermal technique that  is specified within ASTM D3895‐074 that has been 14 accepted  within  the  PE  community  for  evaluating  relative  effectiveness  of 15 anti‐oxidant  ingredients  in  PE  compounds.  Guidelines  may  need  to  be 16 established  for  thermal  oxidation  that  are  acceptable  and  meaningful  to 17 nuclear applications. 18 

 19 c) Why does the standard need to be changed?     20 

How to select the specific requirements from ASTM D3350 remains an issue to 21 be solved for nuclear piping. The requirements  in ASTM D3350 are based on 22 the  average  of  many  measurements  over  several  lots,  where  as  nuclear 23 applications focus on individual lots of resin materials. ASME Code Case N755 24 has  increased material  and performance  requirements  for nuclear  PE  resin, 25 which are not reflected in this current standard, but they have been placed in 26 the code case. 27 

 28 d) Is the gap related to a lack of research, material data, or a specific application 29 

of the nuclear  industry such as pressure or temperature?    Is the gap critical?  30 Does  it  inhibit the wide application of a specific material or structure class to 31 the nuclear industry? 32 Polymer piping  for use  in nuclear power plants has occurred only within the 33 last 20 years in the United States.  PE materials property specification is more 34 complicated given the semi‐crystalline and viscoelastic nature of polyethylene 35 material.   In the past 50 years, many PE pipe standards, specifications, codes 36 and  regulations have been developed  to ensure  the  success of a HDPE pipe 37 system  for  gas,  industrial  and municipal  water  applications  as  provided  in 38 

                                                            4 ASTM D3895‐07 Standard Test Method for Oxidative‐Induction Time of Polyolefins by Differential Scanning Calorimetry ASTM International 

 

Page | 15 

 

ASTM  D3350.  Resin  property  characteristics  are  critical  for  controlling 1 performance5  in the field and the ability for a utility or pipe manufacturer to 2 specify a high performance PE  resin at  the onset  is critical  to  the  successful 3 long‐term performance of HDPE pipe in nuclear piping applications.  Since PE 4 pipe  is  relatively  new  to  the  nuclear  industry,  the  existing  standard  has 5 specification  gaps  and  regulatory  needs  concerning  operation  at  elevated 6 temperature and pressure. Currently, these have been hard coded into ASME 7 Code Case N‐755. 8  9 OIT has been utilized in the water and gas industry, but has not been used to 10 identify degradation performance of nuclear resins that have been subjected 11 to elevated temperature exposure beyond the current requirements of ASTM 12 D3350. Research and specification  is required to  identify  the proper thermal 13 stabilizer performance and measurement method    to evaluate  the  resiliency 14 of nuclear PE resins  in  their expected operating environments. This research 15 should  include  the  development  of  an  oxidation  indication  test  that  is 16 indicative of both short and long‐term performance of the PE resin. 17 

5.2 Standards for Design Basis and Strength Requirements 18 

 19 ASTM  D  2837,  “Test Method  for  Obtaining  Hydrostatic  Design  Basis  for  Thermoplastic  Pipe 20 Materials or Pressure Design Basis for Thermoplastic Pipe Products” 21 

 22 a) Scope and Status today 23 

In the United States and most of North America, the standard methodology to 24 determine  and  categorize  the  long‐term  hydrostatic  strength  (LTHS)  of  a 25 thermoplastic  material  for  a  piping  application,  or  thermoplastic  based 26 composite pipe, is ASTM D 2837.  A corollary used in other parts of the World 27 is  ISO  9080,  “Plastics  piping  and  ducting  systems  –  Determination  of  the 28 long‐term  hydrostatic  strength  of  thermoplastics materials  in  pipe  form  by 29 extrapolation”.    Both methods  are  similar  in  their  approach,  but  differ  in 30 assumptions made and criteria to arrive at a  long‐term strength value. These 31 differences  are  discussed  further  in  Section  5.5  “Long  Time  Performance 32 Standards for Pipe”. 33  34 In addition,  the Hydrostatic  Stress Board  (HSB) of  the Plastics Pipe  Institute 35 (PPI) has developed polices that utilize ASTM D2837 as the basis, along with 36 other  requirements  as  needed,  to  provide  recommendations  of  the 37 

                                                            5 Davis, P; Burn, S; Gould, S; Cardy, M; Tjandraatmadja, G; Sadler P; Long Term Performance Prediction for PE Pipes; AWWA Research Foundation, Denver Colorado 2007  

 

Page | 16 

 

Hydrostatic  Design  Basis  (HDB)  as  well  as  a  recommended  maximum 1 Hydrostatic  Design  Stress  (HDS)  for  the  material  when  used  in  a  piping 2 application. These requirements are in the PPI Technical Report TR‐3, “Policies 3 and  Procedures  for Developing Hydrostatic Design  Basis  (HDB), Hydrostatic 4 Design Stress (HDS), Pressure Design Basis (PDB), Strength Design Basis (SDB), 5 and  Minimum  Required  Strength  (MRS)  Ratings  for  Thermoplastic  Piping 6 Materials or Pipe.”   7  8 These HDB and HDS values are published  in PPI Technical Report TR‐4, “PPI 9 Listings  of Hydrostatic Design  Basis  (HDB), Hydrostatic Design  Stress  (HDS), 10 Strength  Design  Basis  (SDB),  Pressure  Design  Basis  (PDB),  and  Minimum 11 Required Strength (MRS) Ratings for Thermoplastic Piping Materials or Pipe”, 12 and are required by some code bodies and recognized by many standard and 13 certification agencies. 14  15 

b) What needs to be changed for application to a nuclear power plant? 16 The  methodology  in  ASTM  D2837  used  to  determine  the  HDB  for  a 17 thermoplastic compound is not application specific. It is applicable to nuclear 18 power  plant  applications,  but  there  are  subtle  differences  between  this 19 technique and  ISO 9080  that will be discussed  in Section 5.5 “Standards  for 20 Long Term Performance of Polyethylene”.   21  22 ASME Code Case N‐755  (rev. 1)  requires  an  increased  level of performance 23 will  only  allow  the  highest  performing  PE  compounds.    This  higher  level  of 24 performance includes a 73° F HDB of 1600 psi and HDS of 1000 psi, as well as 25 a 140 °F HDB of 1000 psi as  listed  in PPI TR‐4.     The code case further  limits 26 the maximum allowable stress values by assigning a design factor (DF) of 0.5. 27 This design factor is more conservative DF than the 0.63 currently used in PPI 28 TR‐46for  these  grades  of  polyethylene  compounds.    How  the  current 29 conservative  design  factor  accounts  for  the  impact  of  temperature  and 30 pressure excursions above  the HDB and HDS of  the piping system should be 31 investigated further. 32  33 Currently,  the ASME  Code  Case N‐755  (rev.  1)  limits  the  application  of  the 34 allowable  stress values  to a 50 yr  time period. Traditionally, HDS values are 35 considered  time  independent.    The  50  yr  limit  imposed  by  the  code  case 36 should  be  investigated  in  order  to  determine  whether  HDS  (i.e.  allowable 37 stress)  is  time  independent  for nuclear water applications, and whether  the 38 

                                                            6 TR‐4/2010/HDB/HDS/SDB/PDB/MRS Listed Materials; Plastic Pipe Institute, Irving, TX 2010 

 

Page | 17 

 

potential service life, or design life, of PE piping systems under the code case 1 design  parameters  are  considered  limited  to  a  specific  time  frame.  These 2 should be  reflected as amendments  to  the classification system of a nuclear 3 pipe material  in ASTM D2837 and published  in PPI TR‐4  since  this does not 4 reflect  the potential  service  life of  the pipe.  The development of  long‐term 5 performance predictions using ASTM D2837 will be addressed  in Section 5.5 6 “Standards for Long Term Performance of Polyethylene”. 7  8 

c) Why does the standard need to be changed?     9 The  standard currently  reflects  the design of PE pipe  for  lower  temperature 10 and  pressure  water  applications.  The  decrease  in  the  maximum  stress 11 allowable values (HDS) is a reflection of the desire for a greater design margin 12 for  safety applications  in nuclear  installations vs. a “non‐safety”  installation. 13 ASME Code Case N‐755 uses a conservative 0.5 design  factor applied  to  the 14 HDB  for  safety  applications.  These  changes  are  not  reflected  in  the  ASTM 15 D2837, which  does  not  provide  design  factor  recommendations. While  the 16 design  factor  is  conservative,  the  impact  of  temporary  temperature  and 17 pressure excursions on long‐term HDB are not directly considered. 18 

 19 d) Is the gap related to a lack of research, material data, or a specific application 20 

of the nuclear  industry such as pressure or temperature?    Is the gap critical?  21 Does  it  inhibit the wide application of a specific material or structure class to 22 the nuclear industry? 23 There  are  two  gaps  mentioned  for  ASTM  D2837;  the  lower  HDS  values 24 through a  lower design  factor of 0.5 and  limit of a 50 yr applicability of  the 25 allowable stress values. These gaps are not critical, but should be addressed 26 because  they  will  require  revisiting  for  new  pipe  components  and  resins. 27 These gaps are the result of the nature of safety water piping and the need to 28 maximize  the  design margin when  operating  at  elevated  temperature  and 29 pressure in these systems. There is no accepted standard to account for creep 30 that may occur during short‐term temperature or pressure excursions above 31 the HDB or HDS. Utilities  should determine whether  these excursions  are  a 32 significant occurrence during the 60 yr life of a nuclear power plant in order to 33 justify additional research. 34 

These  gaps  remain  due  to  a  lack  of  materials  research  combined  with 35 available  empirical  data.  The  development  of  elevated  temperature  creep 36 data  and  rate‐process‐method  models  for  nuclear  grade  resins  for  both 37 ductile and brittle  failure will  support HDB and HDS values. This data would 38 also provide a methodology  to  identify  the  lifetime of pipe as a  function of 39 temperature and stress  in order  to extend  the design  lifetime. Power plants 40 

 

Page | 18 

 

are  certified  for 40 years with  recertification up  to 20 additional years. The 1 use  of  validated  and  tabulated  empirical  data  obtained  through  the  gas 2 industry and water industry historical experience with PE pipe should be used 3 to develop a basis  for  the design  factor. A  full discussion of  this gap will be 4 addressed  in  Section  5.5  “Standards  for  Long  Term  Performance  of 5 Polyethylene”. 6 

5.3 Standards for Valves and Fittings  7 

 8 a) Scope and Status today 9 

There  are no HDPE  fitting  standards  that presently exist  for  fittings used  in 10 nuclear power plants.   ASTM F2880‐11a “Standard Specification for Lap‐Joint 11 Type flange Adapters for Polyethylene Pressure Pipe  In Nominal Pipe sizes ¾ 12 in.  to  65  in.”  has  been  approved  for  use  in  2011.  There  are  several work 13 groups that have been started within ASTM  in 2011 to address standards for 14 numerous types of fittings.  15  16 In regard to plastic bodied valves, standards exist for the design and rating of 17 thermoplastic  valves  used  in  the  natural  gas  industry.   ASME  B16.40  has  a 18 description of the design requirements for these valves for buried use  in the 19 gas  industry. There  are  currently  two efforts underway  in ASME  to  address 20 standards  and  codes  for  plastic  bodied  valves  and  fittings  under  the  B16 21 process.  22  23 

b) What needs to be changed for application to a nuclear power plant? 24 Standards are needed for a wide range of fittings that include molded elbows, 25 mitered elbows, tees, wyes, saddle fittings, reducers and socket electrofusion 26 couplings.    Fitting  standards  need  to  include manufacturing  requirements, 27 dimensional  information,  tolerances,  marking,  information  needed  for 28 procurement,  workmanship  requirements  and  requirements  for  testing  to 29 verify pressure rating and lifetime of fitting. 30  31 Plastic bodied valve design standards for the gas industry do not extend to the 32 pipe  diameters,  design  temperatures  and  pressures  required  for  nuclear 33 applications.   For example, the maximum diameter and pressure specified  in 34 ASME  B16.40  is  6  inches  and  100  psig  at  the  HDB  design  temperature, 35 respectively.    Temperature  derating  tables  have  been  provided  in  ASME 36 B16.40 for PVC, CPVC, PP, and PVDF valves, unions, and flanges up to 280 °F, 37 but these tables need to be adapted to HDPE materials. ASME Code Case N‐38 755 has provided  temperature derating  tables  for HDPE pipe  (Table 3210‐3, 39 

 

Page | 19 

 

3220,  and  3223‐3),  but  these  tables would  need  to  be  adapted  to  specific 1 fittings and construction methods including ASTM F2880‐11a. 2  3 In  general,  conservative  values  are  used  for  temperature  and  strength 4 derating.  These  values  are  used  to  derate  the  HDS/HDB  of  pipe  and  pipe 5 fusions  developed  in  ASTM  D2837  under  long‐term  testing.  There  are  no 6 specific  standards  to  address  the  long‐term  performance  and modeling  of 7 fusion  joint performance under the complex stresses experienced  in a fitting 8 in order to derate a fitting based on fitting design. 9  10 Two ancillary standards exist for the certification of small diameter (nominal 11 size 12 and smaller) plastic valves, which are the following:  12 

• ASTM F1970; Specification for Special Engineered Fittings, Appurtenances 13 or  Valves  for  use  in  Poly  (Vinyl  Chloride)  (PVC)  or  Chlorinated  Poly  (Vinyl 14 Chloride) (CPVC) Systems 15 • MSS SP‐122; Plastic Industrial Ball Valves 16  17 There  are  several work  items within ASTM  to  address  the  additional  fitting 18 standards.  The  scope  of  these  standards  will  include  materials  and  pipe 19 specifications, fusion and molding procedures, and design equations to specify 20 the dimensions of the various fittings.  21 • F17.10.11.18; Standard Specification for Miter‐Bends (Elbows) Fabricated 22 

by  Heat  Fusion  Joining  Polyethylene  Pressure  Pipe  Segments  using 23 Nominal Pipe Sizes 2‐inch to 65‐inch. 24 

• F17.10.11.19;  Polyethylene  Reducing  Tee Massive  Base  Branch  Saddles 25 (MBBS)  for Outlet Diameters  in Nominal Pipe Sizes 2‐inch  to 36‐inch,  for 26 Sidewall Heat‐Fusion to Polyethylene Pipe Mains. 27 

• F17.10.11.20; Mechanical  Joint  (MJ) Adapters  for  Polyethylene  Pressure 28 Pipe in Nominal Pipe Sizes (NPS) 2‐inch to 60‐inch (63mm to 1524mm). 29 

• F17.10.11.21;  End  Caps  for  Polyethylene  Pressure  Pipe  in Nominal  Pipe 30 Sizes (NPS) 2‐inch to 54‐inch (63mm to 1372mm). 31 

• F17.10.11.23;  Equal Outlet  Pipe  Tees  Fabricated  by Heat  Fusion  Joining 32 Polyethylene Pressure Pipe Segments of Nominal Pipe Sizes  (NPS) 2‐inch 33 to 65‐inch (63 mm to 1651mm). 34 

• F17.10.11.24;  Pipe  WYES  Fabricated  by  Heat‐Fusion  Joining  Mitered 35 Polyethylene Pipe Segments of Nominal Pipe Sizes (NPS) 2‐inch to 65‐inch, 36 using Flat Heater Plates. 37 

 38  39  40 

c) Why does the standard need to be changed?  41 Development  of  fitting  and  plastic  bodied  valve  standards  would  facilitate 42 design, procurement, and installation of HDPE fittings within a piping system.  43 

 

Page | 20 

 

Fitting, non‐plastic valves, and flange standards would  increase the flexibility 1 of piping system design while ensuring reliability of HDPE piping systems.    2  3 

d) Is the gap related to a lack of research, material data, or a specific application 4 of the nuclear  industry such as pressure or temperature?    Is the gap critical?  5 Does  it  inhibit the wide application of a specific material or structure class to 6 the nuclear industry? 7 The gap is related to material data and research concerning the application of 8 elevated temperature and pressure in the nuclear industry. It is critical in the 9 long term, but may be addressed in the short term.  The gap for temperature 10 derating and  long‐term properties  is based on  the performance of  the  resin 11 and manufactured fitting subjected to hydrostatic testing. The derating values 12 for  the  fitting  geometry  are  derived  from  stress  analysis  based  on metallic 13 components. These derating values  lead to conservative design stress values. 14 In order to further validate those values, the impact of multi‐axial stress states 15 within fusion joints on SCG resistance and RPM factors are needed to support 16 the  development  of  models  with  predictive  capabilities.  In  addition,  test 17 geometries that reflect the most common stress risers in these fittings should 18 be developed to support SCG resistance and RPM measurements. 19 

5.4 Standards for Joining 20 

5.4.1 Butt Fusion 21 

ASTM F2620 Standard Practice  for Heat Fusion  Joining of Polyethylene Pipe and 22 Fittings 23 

 24 a) Scope and Status today 25 

Current.    Standard was  editorially  revised  in March  2010.    This  standard  is 26 applicable  to  the  nuclear  industry  since  joints  are made  through  the  butt 27 fusion  process.      The  standard  also  addresses  saddle  and  socket  fusion 28 practices.   29  30 

b) What needs to be changed for application to a nuclear power plant? 31 This  standard  is  applicable  for  conventional  PE  installations.  In  its  current 32 form, the standard  is not sufficient and would need changes  in detail for the 33 nuclear industry.  A new standard would need to be developed specifically for 34 those fusion processes allowed in the nuclear industry.   35 

    ASTM F2620 does not adequately address: 36  37 

 

Page | 21 

 

(i) A  code  of  practice  for  large  diameter  pipe  that  gives  the  operator 1 guidance on how to: 2 

a. Measure  critical  fusion  variables  and  limits  to  those  variables 3 within the field, 4 

b. Determination  of whether weather  conditions,  pipe  conditions, 5 and  fusion  equipment  fall  within  the  capabilities  of  a  specific 6 operation, 7 

c. How to properly prepare the assembly for fusion, 8 d. How to properly carry out the fusion,   9 e. Recordation of the fusion process for record keeping, 10 

(ii) A  technical  document  specific  to  the  large  diameter  pipe  fusion 11 instrument  and pipe manufacturer  that defines  the  critical  variables  for 12 fusing specific types and sizes of pipe: 13 

a. Alignment and diameter tolerances, 14 b. Cleaning tolerances,  15 c. Heating/pressure/cooling restrictions, 16 d. Connection of rheological parameters to fusion processing, 17 

(iii) A  methodology  for  evaluating  the  combined  effects  of  alignment 18 tolerances, fusion machine, and ambient conditions on the integrity of the 19 joint  20 

(iv) A method  to  evaluate  the  integrity  of  joints,  both  short  and  long  term 21 performance, in a non‐destructive and quantitative manner. 22 

c) Why does the standard need to be changed?    23 Establishing  a  viable  melt  bead,  controlled  movement  of  the  pipe  during 24 fusion,  and  controlling  the  cooling  process  are  critical  for  developing  a 25 successful fusion bond.   26 

a. The  standard does not adequately  specify where and how often 27 the  temperature  of  the  heating  tools  should  be measured  and 28 whether  those  should  be  recorded.    It  does  not  specify  the 29 magnitude of a “cold spot”.   30 

b. The standard encourages data logging in Appendix X1, but the list 31 is incomplete and not required. 32 

c. The  standard  does  provide  specifications  regarding  minimum 33 heating  and  cleaning  tolerances,  but  does  not  address  pressure 34 and  alignment  tolerances.    The  standard  does  not  address 35 maximum  cooling  rates,  especially  where  adverse  weather 36 conditions may be a concern. 37 

d. The standard does specify  in appendix A1 how  fusion operations 38 should change based on weather conditions  (i.e. hot, cold, wet).  39 Appendix  A1  recommends  a  trial  and  error  procedure  to 40 

 

Page | 22 

 

determine  appropriate  fusing  parameters.    The  standard  is  not 1 clear whether these conditions can be met for thick walled, large 2 diameter pipe.   3 

e. In  general,  there  are  large  variations  allowed  for  fusion 4 parameters.    The  impact  of  these  variations  on  the  strength  or 5 lifetime of the fusion bond is not immediately clear.  For example, 6 temperatures may range between 400 °F to 450 °F and pressures 7 between 60 psi and 90 psi.  Similarly, the approximate melt bead 8 size  is  not  consistent  between  pipe  sizes.    This  size  can  range 9 between 0.039  in (1 mm) to 0.196  in (5 mm) for  IPS < 24  in, but 10 there  is no variation allowed  for  IPS > 36  in.   These parameters 11 should be better  connected  to  the  rheological properties of  the 12 pipe material. Polyethylene  joints were created  in  large diameter 13 pipe by the industry, in conjunction with ASME, using parameters 14 outside the recommended fusion zone. Sections of the joint were 15 removed  from  the  parent  joint  and  tested  using  tensile,  bend 16 back,  and  impact  tests.  Preliminary  results  indicate  acceptable 17 fusion joints were generated in large diameter pipe fused outside 18 this  temperature  and pressure window. However,  a  final  report 19 has not been released at this time. This empirical result is positive, 20 but  the  long‐term  performance  of  the  fusion  joint  was  not 21 measured in large diameter PE pipe. 22 

(ii) Overall, this standard relies heavily on visual  inspection to  identify fusion 23 errors.   This  type of  inspection puts  significant  trust  in  the  training  and 24 experience  of  the  operator.    Visual  inspection  guidelines  have  been 25 empirically  developed  and  refined,  but  visual  inspections won’t  identify 26 voids within  the  fusion  zone or  regions of minimal diffusion.  Secondary 27 testing to validate the fusion procedure and overpressure testing of fused 28 pipe sections has been used to qualify procedures. 29  30 For example, the ASME Code Case N‐755 specifies a reverse bend test and 31 a  high‐speed  tensile  impact  test  to  qualify  a  fusion  procedure.  These 32 procedures  are  not  linked  to  an  active  ASTM  standard.  Any  procedure 33 used  to  qualify  a  fusion  operation  should  be  linked  to  an  accepted 34 standard  methodology.  ASME  is  developing  elevated  temperature 35 pressure  test  guidelines  based  on  ASTM  D3035  and  the  addition  of  a 36 guided side bend test7  into the ASME Code Case N‐755 for plastic fusing. 37 These tests provide a relative measure of strength over a short time scale 38 

                                                            7 The guided side bend test has been developed by McElroy in conjunction with polyethylene fusion equipment.   

 

Page | 23 

 

without any validation of long‐term behavior, sensitivity of test procedure 1 to  fusion  conditions,  and  the  SCG  resistance  of  the  fusion  bond.  The 2 combined use of multiple tests provides a measure of assurance that the 3 fusion  procedure  is  creating  a  strong  fusion  bond,  but  it  is  difficult  to 4 extrapolate short‐term performance to long‐term behavior.  5 

 6 d) Is the gap related to a lack of research, material data, or a specific application 7 

of the nuclear  industry such as pressure or temperature?    Is the gap critical?  8 Does  it  inhibit the wide application of a specific material or structure class to 9 the nuclear industry? 10 Due  to  the  success  of  PE  pipe  in  the  water  and  natural  gas  industry,  the 11 complexities  for successful  fusion  joining property may be  taken  for granted 12 when applied to large diameter pipe used under elevated temperatures.   This 13 gap is critical.  The standard would require a rewrite to more narrowly define 14 fusion processing parameters, verification of joint performance, and operator 15 training/qualification.      In order  to define  the essential  fusion  variables and 16 verify  joint  performance,  an  understanding  of  how  fusion  parameters 17 influence diffusion and microstructure  in bimodal PE materials used for  large 18 diameter  pipe  is  needed.      This  requires  measurements  to  identify  the 19 essential fusion variables to maximize diffusion, develop  ideal microstructure 20 within the thermal zone, and minimize void formation and contamination for 21 nuclear PE  fusions.   The  impact of microstructural  changes on  strength and 22 lifetime specific to the fusion  joint will also need to be developed to support 23 the  essential  variables.  These  concerns  have  been  raised  by  the  U.S.  NRC, 24 which  will  inhibit  application  to  the  nuclear  industry.    This  gap  is  a 25 combination of research and material data for thick walled HDPE pipe and the 26 need to identify better test methods, tolerances, and specifications.  27  28 New  test methods  that  are  sensitive  to  relevant  failure modes  (brittle  vs. 29 ductile), stress‐state influence on crack initiation and propagation, and failure 30 time‐scales  of  the  fusion  joint  should  be  identified  and  developed  into 31 standards. An example for fusion joints of pipe specimens would be a full pipe 32 tensile creep rupture test that  increases the axial stress on the  fusion  joint8.  33 These  tests  should  be  validated  using  quality  of  the  fusion  joint  from  both 34 diffusion  and microstructure  of  the  PE  interface.    New measurements  and 35 material science are required to understand the failure mechanism within the 36 fusion interface as a function of essential variables. Development of methods 37 that quantify  joint performance and  link performance to microstructural and 38 

                                                            8 Troughton M J and Scandurra A: “Predicting the long‐term integrity of butt fusion joints in polyethylene pipes”, 17th International Plastic Fuel Gas Pipe Symposium, San Francisco, USA, 19‐23 October 2002. 

 

Page | 24 

 

viscoelastic  behavior  is  important.  This  will  increase  the  efficiency  of  the 1 fusion qualification process since a full experimental characterization will not 2 be required for a new resin, pipe diameter, or fitting geometry. Finally, these 3 tests  should  be  used  to  guide  the  development  and  certification  of  non‐4 destructive  evaluation methods  that  could  reliably  certify  a  fusion  joint  for 5 long‐term performance. 6  7 Note:  8 

TR‐33 Generic Butt Fusion  Joining Procedure  for Field  Joining of Polyethylene 9 Pipe 10 

(i) This document describes a generic fusion procedure for fusing HDPE pipe 11 very  similar  to  the  procedure  described  in  ASTM  F2620.    The  pipe 12 materials  used  to  develop  this  procedure  are  sufficiently  different  in 13 geometry  and  composition  than  those  in  consideration  for  the  nuclear 14 industry.     Similarly, the tests conducted, according to 49 C.F.R. 192.283, 15 to verify successful fusions do not exactly match those required  in ASME 16 Code Case N755.   PPI TR‐33 being reviewed and expected for publication 17 in 2012. 18 

(ii) There are several ISO standards relevant to fusion joining of HDPE that do 19 address some shortfalls.  These are: 20 

a) ISO/DIS 12176‐1: Plastics pipes and fittings ‐‐ Equipment for fusion 21 jointing polyethylene systems ‐‐ Part 1:   22 

b) ISO 12176‐2:2008: Plastics pipes and fittings ‐‐ Equipment for fusion 23 jointing polyethylene systems ‐‐ Part 2: Electrofusion  24 

c) ISO 12176‐3:2008: Plastics pipes and fittings ‐‐ Equipment for fusion 25 jointing polyethylene systems ‐‐ Part 3: Operator's badge  26 

d)  ISO 12176‐4:2003 Plastics pipes and fittings ‐‐ Equipment for fusion 27 jointing polyethylene systems ‐‐ Part 4: Traceability coding 28 

e) ISO 21307:2011 Plastics pipes and fittings ‐‐ Butt fusion jointing 29 procedures for polyethylene (PE) pipes and fittings used in the 30 construction of gas and water distribution systems 31 

 

Page | 25 

 

5.4.2 Electrofusion 1 

ASTM F1055 – 98 (Reapproved 2006) Standard Specification for Electrofusion Type 2 Polyethylene  Fittings  for  Outside  Diameter  Controlled  Polyethylene  Pipe  and 3 Tubing 4 

a) Scope and Status today 5 Major revisions to this standard are currently in the balloting process. Several 6 negatives still need to be resolved. 7 

b) What needs to be changed for application to a nuclear power plant? 8 A separate standard should be developed specifically for nuclear applications, 9 as ASTM F1055 will be very difficult  to modify  to meet  the  requirements of 10 the nuclear industry.  11 

ASTM F1055 does not adequately address: 12 

(i) Critical dimensions of fittings and their tolerances, 13 (ii) Tolerance bands for the resistance of the heating element, 14 (iii) Tolerance bands for the output of the control box, 15 (iv) A methodology  for evaluating  the combined effects of  fitting  tolerances, 16 control box tolerances and ambient conditions on the integrity of the joint,  17 (v) The  compilation  of  a  technical  document  in  which  the  fitting 18 manufacturer defines the critical variables for a specific fitting that define the 19 allowed application envelope for fusing: 20 

a. Maximum allowable gap between pipe and fitting, 21 b. Maximum allowable ovality of pipe to be joined, 22 c. Minimum  and maximum  allowable  ambient  temperature  at 23 

fusion, 24 d. Specifications for a suitable power supply for the control box. 25 

(vi) A code of practice that gives the operator guidance on how to: 26 a. Measure critical variables in the field, 27 b. How  to  determine  if  a  particular  pipe/fitting/ambient 28 

conditions  combination  fall  within  the  capabilities  of  the 29 specific fitting, 30 

c. How to properly prepare the assembly for fusion, and 31 d. How to properly carry out the fusion. 32 

c)  Why does the standard need to be changed?   33 

The  current  standard  is widely  accepted  as  a  sufficiently well  defined  and 34 appropriate standard for conventional PE installations.  The nuclear plant will 35 require significantly more  information about the fusion process for accident 36 

 

Page | 26 

 

investigation  and  maintenance  records.    The  development  of  a  technical 1 document  and  code  of  practice  will  form  the  basis  to  gather  that 2 information.    Identifying tolerances for equipment and pipe dimensions will 3 facilitate better quality control of fusion  joints across operators and climate 4 zones.  5 

Qualification  tests provide a relative measure of strength over a short  time 6 scale without  any  validation  of  long‐term  behavior  or  an  quantification  of 7 test  sensitivity. New  test methods  that are  sensitive  to  the  relevant  failure 8 modes (ductile and brittle) and time‐scales within the fusion joint should be 9 developed  and  incorporated  into  the  standard.    These  tests  should  be 10 validated  against  quality  of  the  fusion  joint  from  both  diffusion  and 11 microstructure of  the PE  interface.      Finally,  those  tests  should be used  to 12 guide  the  development  and  certification  of  non‐destructive  evaluation 13 methods that could reliably certify a fusion joint for long‐term performance.  14  15 

d)  Is the gap related to a lack of research, material data, or a specific application 16 of the nuclear  industry such as pressure or temperature?    Is the gap critical?  17 Does  it  inhibit the wide application of a specific material or structure class to 18 the nuclear industry? 19 It  is  essential  to  address  these  gaps  before  electrofusion  can  be  fully 20 supported  in Essential Service Water and other safety related applications  in 21 the nuclear industry. This gap is critical.  The standard would require a rewrite 22 to more  narrowly  define  fusion  processing  parameters,  verification  of  joint 23 performance, and operator training/qualification.    In addition, references for 24 the  limits of  fusion processing variables  for current nuclear HDPE  should be 25 provided.  The U.S. NRC that will inhibit application to the nuclear industry has 26 raised  these  concerns.    This  gap  is  a  combination  of  research  and material 27 data for thick walled HDPE pipe and the need to identify better test methods, 28 tolerances, and specifications.  29  30 Note:  31 

(i) PPI document TN34 addresses some of the code of practice issues for large 32 diameter electrofusion fittings. The  lack of a standard that defines the  items 33 listed in c) above makes it difficult to properly quantify the allowable limits in 34 a field application. 35 

(ii)  ISO  8085‐3  Polyethylene  fittings  for  use with  polyethylene  pipes  for  the 36 supply of gaseous fuels ‐‐ Metric series ‐‐ Specifications ‐‐ Part 3: Electrofusion 37 fittings. ISO 8085‐3 has some of the definitions listed above, but incorporates 38 

 

Page | 27 

 

several other ISO standards that are not recognized in the U.S. ISO 8085‐3 also 1 needs  to  be more  tightly  defined  in  some  areas  to  be  suitable  for  nuclear 2 applications. 3 

5.5 Long‐term Performance Standards  4 

A  challenge  for  long  time  performance  in  PE  pipe  perceived  by  the  PPTG  is  the  lack  of 5 quantitative  tests  for  lifetime  prediction.    The  standard  test  methods  available  for 6 generating  long  time  data  and  analyzing  this  data  are  not  quantitative  service  life 7 predictors.  Some  test methods,  such  as  PENT,  serve  only  as  index  tests  to  rank  one  PE 8 compound  against  another  in  terms  of  performance  and  have  not  been  tied  directly  to 9 service  life.  The  standards  are used  to  identify  failure  conditions  and  failure  type under 10 accelerated  conditions  in  order  to  specify  a  hydrostatic  design  basis  (HDB),  hydrostatic 11 design stress (HDS), and resistance to slow crack growth. These standards have been used 12 effectively in the water and gas industry for decades to safely design pipe systems, but they 13 remain a guide for selecting a resin for  long‐term performance rather than a quantitative 14 lifetime prediction.  15 

The  ASME  and U.S. NRC  approach  to  design  of  a  pipe  system,  especially  the  long‐time 16 performance, is broken into three areas: standards for pipe compounds, standards for pipe, 17 and  standards  for  fusions and  fittings. There  is overlap of  standards within  the pipe and 18 fitting  areas  where  one  standard  is  used  in  both  instances.  There  are  four  important 19 questions that need to be answered within the pipe, fusion, and fitting areas: How high a 20 pressure  and  at what  temperature  can  the  pipe  withstand  for  a  design  lifetime  under 21 specific operation  conditions? Will  the pipe  fail  in a ductile or brittle manner during  the 22 design  lifetime? What  is  the  impact of a  stress  riser  (i.e.  stress concentration)  (e.g. void, 23 chemical  degradation,  gouge,  edge)  on  that  design  lifetime  expectation  which  is  not 24 already considered by the current test methods? What is the resistance of the pipe, fusion, 25 or  fitting  to  rapid  crack propagation? This  section will be arranged  to address  standards 26 that are specific to collecting and analyzing the long time data for materials (polyethylene) 27 and objects (pipe or fusion). 28 

5.5.1 Standards for PE Compounds 29 

 30 ASTM  D1693  Standard  Test  Method  for  Environmental  Stress‐Cracking  of  Ethylene 31 Plastics  32  33 

a) Scope and Status today 34 Current addition approved March 1, 2008 and published March 2008.   Originally 35 approved in 1959. 36  37 

b) What needs to be changed for application to a nuclear power plant? 38 

 

Page | 28 

 

This  test  method  covers  the  determination  of  the  susceptibility  of  ethylene 1 plastics  to  environmental  stress  cracking  when  subjected  to  the  presence  of 2 accelerating liquids.  This standard is not suitable for application to nuclear power 3 plant.  There are many variables and the test does not produce time to failure that 4 is related to the applied stress or temperature, which is important for the nuclear 5 industry.   ASTM D1693  is not a  regularly used  test method  for PE pressure pipe 6 used today. 7  8 

c) Why does the standard need to be changed?   9 The significant variables, according to the standard, are stress at the point of crack 10 initiation,  specimen  thickness,  and  notch  depth.    These  can  be  hard  to  control 11 from  laboratory  to  laboratory  and  when  controlled  the  standard  deviation 12 remains above 10%.  Since PE compounds stress relax over time under conditions 13 of constant strain, the stress will dissipate over time and become negligible. 14 

 15 d) Is the gap related to a lack of research, material data, or a specific application of 16 

the nuclear industry such as pressure or temperature?  Is the gap critical?  Does it 17 inhibit the wide application of a specific material or structure class to the nuclear 18 industry? 19 This gap is related to the adoption of an accelerated notch failure test that utilized 20 a  stress  cracking  liquid.  ISO  standard  16770:  2004  Plastics.  Determination  of 21 environmental  stress  cracking  (ESC)  of  polyethylene  (PE).  Full‐notch  creep  test 22 (FNCT)  utilizes  a  full  notch  specimen  under  constant  load  and  immersed  in  an 23 accelerating liquid. The stress and specimen dimensions are sufficiently satisfied to 24 satisfy the gaps identified in ASTM D1693. In addition, the application of a constant 25 stress condition in ISO 16770 prevents relaxation of the polyethylene to reduce the 26 imposed stress compared to the constant strain imposed in the ASTM standard.  27 

 28 ASTM D1473 Standard Test Method for Notch Tensile Test to Measure the Resistance to 29 Slow Crack Growth of Polyethylene Pipes and Resins 30  31 

a) Scope and Status today 32 Current  addition  approved May  1,  2007  and  published  May  2007.    Originally 33 approved in 1997. 34 

 35 b) What needs to be changed for application to a nuclear power plant? 36 

This test method determines the relative resistance of polyethylene materials to 37 slow crack growth under conditions specified in the standard (2.4 MPa and 80 °C).  38 It  is currently used  in ASTM 3350 and ASME Code Case N‐755.   Certain changes 39 should  be  addressed  to  improve  testing  of  large  diameter  pipe  for  nuclear 40 applications: 41 

 

Page | 29 

 

(i) Samples  are  constructed  from  pipe  or  compression  molded  plaques.  1 Thermal and stress history can impact slow crack growth resistance of PE 2 materials9,10.   The  impact of these processing methods on failure times  is 3 not adequately documented in the standard.  4 

(ii) When samples are cut from pipe with a wall thicker than 0.79 in (20 mm), 5 the sample must be machined to the proper thickness.  The side opposite 6 to  the  machined  surface  is  notched.    The  standard  does  not  provide 7 guidance on how to handle pipe specimens where a cooling gradient from 8 extrusion may result in a gradient in material properties. 9 

(iii) The standard does not provide equations to calculate the stress  intensity 10 factor  of  the  notch  or  the  stress  intensity  factor  as  a  function  of  the 11 growing notch. 12 

(iv) The  standard  does  not  provide  guidance  on  identifying  tests  that may 13 result  in extended failure times due to ductile failure  in the  last  ligament 14 of the specimen at end of test. 15 

(v) The  standard  notch  dimensions  provide  for  a  constant  stress  intensity 16 factor, but the standard does not address slow crack growth resistance of 17 failures created by flaws that is a concern for the U.S. NRC.    18 

(vi) The standard does not identify how failure times from ASTM D1473 relate 19 to  the elevated  temperature,  long  time performance measured  in ASTM 20 D2837. ASTM D1473  is  expected  to  provide  a  conservative  estimate  of 21 long  time performance, assuming  the  stress  intensity at  the notch  tip  is 22 much larger than any flaw induced into the pipe within the field.   23 

 24 c) Why does the standard need to be changed?   25 

This standard forms the backbone for the measurement of the slow crack growth 26 resistance of PE material used  in piping.   Given  the  larger diameters used by  the 27 nuclear  industry  and  specific  questions  from  the  U.S.  NRC,  the  standard would 28 need to be better specified to properly address those concerns. 29  30 

d) Is the gap related to a lack of research, material data, or a specific application of 31 the nuclear industry such as pressure or temperature?  Is the gap critical?  Does it 32 inhibit the wide application of a specific material or structure class to the nuclear 33 industry? 34 Currently, ASME Code Case N‐755 specifies no  flaw within  the piping  to maintain 35 the  conservative  estimate  provided  by  ASTM  D1473.  This  gap  is  related  to  the 36 specific application of large diameter piping in the nuclear plant and would become 37 

                                                            9 Lu, X; Brown, N; “Effect of thermal history on the initiation of slow crack growth in linear polyethylene” Polymer, 28 (1987) 1505‐1511. 10 Shah, A; Stepanov, EV; Klein, M; Hiltner, A; Baer, E; “Study of polyethylene pipe resins by a fatigue test that simulates crack propagation in a real pipe” Journal of Material Science 33 (1998) 3313‐3319. 

 

Page | 30 

 

critical  for the adoption of this slow crack growth resistance test to evaluate SCG 1 resistance of flaws in piping.   2  3 

ASTM D3350 Standard Specification for Polyethylene Plastics Pipe and Fittings Materials 4  5 

a) Scope and Status today 6 Current addition approved  Jan. 1, 2010 and published February 2010.   Originally 7 approved  in 1974. This standard outlays standard specifications for  identification 8 of polyethyelene plastic pipe and fittings in conjunction with the cell classification 9 system.    It  is  not  specific  to  developing  data  or  design  procedures  for  lifetime 10 prediction.    It would not need to be changed unless referenced ASTM standards 11 (D1693,  D1473,  D2837)  are  changed  to  new  standards  for  nuclear  industry 12 applications. 13  14 

b) What needs to be changed for application to a nuclear power plant? 15 

Not Applicable 16  17 

c) Why does the standard need to be changed?   18 

Not Applicable 19  20 

d) Is the gap related to a lack of research, material data, or a specific application of 21 the nuclear industry such as pressure or temperature?  Is the gap critical?  Does it 22 inhibit the wide application of a specific material or structure class to the nuclear 23 industry? 24 Not Applicable 25 

5.5.2 Standards for PE Pipe 26 

 27 ASTM D3035 Standard Specification for Polyethylene (PE) Plastic Pipe (DR‐PR) Based on 28 Controlled Outside Diameter  29  30 

a) Scope and Status today 31 Current addition approved March 1, 2008 and published March 2008.   Originally 32 approved  in  1972.  This  standard  describes  standard  specifications  for 33 polyethylene made  in dimension  ratios based on outside diameter and pressure 34 rated for water.   35  36 

b) What needs to be changed for application to a nuclear power plant? 37 

 

Page | 31 

 

The  standard  specifies ASTM D1598  for  long  term hydrostatic  testing, but does 1 not specify a verification of slow crack growth resistance of produced pipe beyond 2 the elevated hydrostatic test requirements of the standard.  3 

 4  5 

c) Why does the standard need to be changed?   6 Slow crack growth resistance is a criterion for PE piping in the nuclear industry and 7 should  be  verified  in  addition  to  long  term  hydrostatic  testing.  Currently,  slow 8 crack growth is treated as a material property and addressed within ASTM D3350. 9 The  rational  is  the  PENT  test  provides  the  aggressive  environment  for  SCG, 10 therefore  the  pipe  performance  would  be  higher  than  in  the  PENT  test.  An 11 example of a slow crack growth resistance standard measurement for piping is ISO 12 13479‐1997 which  specifies  inducing  an  axial  notch  of  specific  dimensions  in  a 13 pipe sample and measuring  failure  time. Since  this  is a specification of  the code 14 case and all  references  to other  testing  required by  the ASME Code Case N‐755 15 should be located in one standard to limit the potential confusion.  16  17 

d) Is the gap related to a lack of research, material data, or a specific application of 18 the nuclear industry such as pressure or temperature?  Is the gap critical?  Does it 19 inhibit the wide application of a specific material or structure class to the nuclear 20 industry? 21 The gap  is not necessarily critical because the ASME Code Case N‐755 and ASTM 22 D3350 reference notch testing for (PENT) slow crack growth resistance.  Reducing 23 the  number  of  specified  standards  to  only  those  needed  for  qualification, 24 ordering, and specifying materials can reduce confusion and improve efficiency. 25 

 26 ASTM F714 Standard Specification for Polyethylene (PE) Plastic Pipe (SDR‐PR) Based on 27 Outside Diameter  28  29 

a) Scope and Status today 30 Current  addition  approved Dec 1, 2010  and published  January 2011.   Originally 31 approved  in  1981.  This  standard  describes  standard  specifications  for 32 polyethylene made  in dimension  ratios based on outside diameter greater  than 33 3.5  in and  suitable  for  transport of water, municipal  sewage, domestic  sewage, 34 industrial process liquids, effluents, and slurries, etc.   35  36 

b) What needs to be changed for application to a nuclear power plant? 37 The  standard  specifies ASTM D1598  for  long  term hydrostatic  testing, but does 38 not specify a verification of slow crack growth resistance of produced pipe beyond 39 the elevated hydrostatic test requirements of the standard.  40  41 

 

Page | 32 

 

c) Why does the standard need to be changed?   1 Slow crack growth resistance is a criterion for PE pipe in the nuclear industry and 2 should be verified in addition to long term hydrostatic testing.  3  4 

d) Is the gap related to a lack of research, material data, or a specific application of 5 the nuclear industry such as pressure or temperature?  Is the gap critical?  Does it 6 inhibit the wide application of a specific material or structure class to the nuclear 7 industry? 8 The gap  is not necessarily critical because the ASTM Code Case N‐755 and ASTM 9 D3350  reference  notch  testing  for  slow  crack  growth  resistance.   Reducing  the 10 number of  specified  standards  to only  those needed  for qualification, ordering, 11 and specifying materials can reduce confusion and improve efficiency. 12 

 13 ASTM 1598‐02 Standard Test Method for Time‐to‐Failure of Plastic Pipe Under Constant 14 Internal Pressure 15  16 

a) Scope and Status today 17 Current addition approved Aug 1, 2009 and published  January 2009.   Originally 18 approved in 1958. This standard describes the method to test the failure of plastic 19 pipe subjected to internal hydrostatic pressure. 20  21 

b) What needs to be changed for application to a nuclear power plant? 22 The  internal pressure of the pipe  is measured and the pipe may be exposed  in a 23 water  bath  or  gaseous  environment  to maintain  a  constant  temperature.  The 24 procedure provides recommendation for  identifying failures and rejecting biased 25 failures. Hoop stress calculations are also provided  to convert pressure  to stress 26 on pipe. The test fluid chemistry and stability is not sufficiently specified and flow 27 is not specified. 28  29 

c) Why does the standard need to be changed?   30 The  test  fluid chemistry  is not sufficiently specified and  flow  through  the pipe  is 31 not specified. The test fluid plays a critical role in the accelerated aging of the pipe 32 interior by potentially  removing  anti‐oxidants  and  inducing oxidative  attack.    In 33 addition, static fluid may exhibit water chemistry changes over the lifetime of the 34 test11. Conversely, a flowing system using recirculation of fresh test fluid continues 35 to promote hydrolysis and diffusion of anti‐oxidants that could affect testing  in a 36 

                                                            11 Whelton, AJ; Dietrich, AM; Gallagher, DL; “Impact of chlorinated water exposure on contaminant transport and surface and bulk properties of high‐density polyethylene and cross‐linked polyethylene potable water pipes” Journal of Environmental Engineering 137 (2011) 559. 

 

Page | 33 

 

flowing environment..   These variations could affect the  long‐term pipe  test and 1 should be sufficiently specified and controlled.   2  3  4 

d) Is the gap related to a lack of research, material data, or a specific application of 5 the nuclear industry such as pressure or temperature?  Is the gap critical?  Does it 6 inhibit the wide application of a specific material or structure class to the nuclear 7 industry? 8 This gap  is critical and  is the result of a need for more research on polyethylene.  9 There have been a number of studies conducted  in  the  literature to  identify the 10 impact of  chemical oxidative  attack on pipe performance, but  these  results  are 11 not  reflected within  the  standard. Materials  research  is  required  to understand 12 the unique role of nuclear service water chemistry on the health and performance 13 of PE pipe  for nuclear applications.   These conditions should be  reflected within 14 the standards developed for hydrostatic testing.  15 

 16 ISO 13479 Polyolefin pipes for the conveyance of fluids – Determination of resistance to 17 crack propagation – Test method for slow crack growth on notched pipes. 18 

 19 a) Scope and Status today 20 

Second  edition  9‐15‐2009.  This  test  method  covers  the  determination  of  the 21 resistance  to  crack  propagation  of  polyolefin  pipe  determined  by  the  time  to 22 failure of a hydrostatic pressure test.  The pipe has a machined longitudinal notch 23 on the outside surface and is applicable to wall thickness greater than 5 mm.  The 24 machine adequately specifies how to prepare specimens and conduct tests.  Test 25 standard is missing tolerances on test temperature and pressure conditions. 26  27 

b) What needs to be changed for application to a nuclear power plant? 28 The applicability of  ISO 13479  for  the  large diameters  (> 36”  in) used  in nuclear 29 water  pipe  should  be  investigated  in  order  to  determine  whether  hydrostatic 30 testing of notched pipe will provide a quantitative measure of SCG  resistance  in 31 pipe or whether alternative methods should be developed for pipe testing. 32  33 

c) Why does the standard need to be changed?   34 Not  applicable  –  possibly  change  to  incorporate  competing  effects  such  as 35 alignment  or  chemical  degradation  and  the  incorporation  of  notch  geometries 36 that would represent flaws induced by damage during installation. 37  38 

d) Is the gap related to a lack of research, material data, or a specific application of 39 the nuclear industry such as pressure or temperature?  Is the gap critical?  Does it 40 

 

Page | 34 

 

inhibit the wide application of a specific material or structure class to the nuclear 1 industry? 2 Not applicable. 3 

5.5.3 Standards for PE Fusions 4 

There  is no specific standard to address PE fusion performance over the  long term. ASTM 5 D3035 has been used develop a  long term performance measure of  fusions, but  this test 6 does not stress the fusion region due to the concentration of hydrostatic stress in the hoop 7 stress of the pipe. There have been attempts to apply notch testing such as ASTM F1473 to 8 fusion bonds, but this is difficult to drive crack propagation at the interface. In addition, this 9 test does not represent the typical stress state within a fused pipe specimen. A test method 10 and standard should be adopted  for quantifying  fusion performance over  long  time. This 11 test should provide a measure of SCG resistance of the joint within a realistic stress state of 12 the  fusion  joint  in service.  In addition,  the  test method should provide a measure of  the 13 true strength of the joint to facilitate appropriate HDS rating of the fusion. 14 

ASTM  F2018  “Standard  Test  Method  for  Time‐to‐Failure  of  Plastics  using  Plane‐Strain 15 Tensile  specimens”  is  a potential  coupon  test method  that has been  shown  to  induce  a 16 biaxial stress state within the plastic specimen. Another promising test method is a full pipe 17 creep  rupture  test  that  permits  long  time  testing  of  a  fusion  joint  at  temperature  and 18 pressure. This test focuses stress in the axial direction to induce failure within the joint and 19 not the parent pipe8, but a standard could not be identified for this test method.  20 

5.5.4   Standards to Evaluate Surface Flaws in PE pipe  21 

There are currently no standards specifically developed to address the impact of surface 22 flaws on the lifetime and performance of pipe. This is a critical gap because ASME has 23 removed any flaw tolerance for PE pipe.  24 

5.5.5 Standards for NDE Testing of Volumetric Flaws  25 

Volumetric flaws can occur within the wall of a pipe or fitting during the manufacturing 26 process. The location and geometry of the flaw in conjunction with the surrounding 27 environment will determine whether the flaw will grow over time, but there is no clear 28 understanding of the statistical distribution of flaw locations and geometries induced 29 during the manufacture and installation of large diameter PE pipe. Industry partners (Duke 30 Energy, Structural Integrity, TWI, and EPRI) have been investigating, in parallel, various 31 commercial methods to identify feasibility for use in the investigation of large diameter 32 polyethylene piping fusions. The Pacific Northwest Laboratory has been working with ASME 33 to identify the critical parameters to improve NDE sensitivity to flaws within the fusion joint 34 and piping. It is recommended to identify the risk of failure for a pipe system over time as a 35 function of flaw geometry, location, and operating environment. This understanding may 36 

 

Page | 35 

 

be used to guide the development of reliable volumetric test methods with sensitivity and 1 resolution tailored to the needs of the nuclear industry.  2 

5.5.6     Standards to Develop HDB/HDS at Long‐times 3 

There are two methods to develop the strength of pipe over long times, ASTM D2837 and 4 ISO 9080. These tests are not service life or even design life predictors. The test provides a 5 methodology  to  identify  the  failure modes of PE pipe  at  long  times based on  the  visco‐6 elastic  creep  behavior  of  PE.    The  Arrhenius  behavior  of  the  ductile  and  brittle  failure 7 modes  may  also  be  examined  with  these  methods.  External  factors  such  as  chemical 8 exposure, damage or pressure cycles, and fusion  joints affect these curves, which will not 9 be measured using the current test methodologies. 10  11 There is one reference that specifically addresses the differences12 between ASTM and ISO 12 methods  and  another  which  describes  the  design  reference  strength  (DRS)  analysis  to 13 harmonize the two methods13. Specific key differences will be addressed in this section, but 14 readers  are  encouraged  to  view  Boros12  and  Zhou  et  al.13  Both  standard methods  have 15 been used to predict the strength of pipe. The two methodologies are similar, but there are 16 differences that must be considered when using the results  from either method. The  ISO 17 method utilizes multiple temperatures tests to generate both the ductile and brittle failure 18 envelopes  for a pipe material, where practical. The ASTM method  calculates  the HDB at 19 100,000 hours  (11.4 yrs) and  requires validation of  linearity of ductile  failure at ambient 20 and elevated temperatures. ASTM D2837 uses the mean failure stress to specify the HDB. 21 The ISO method extrapolates to a 50 yr basis to determine the LTHS of the pipe material, 22 which is then categorized into a Minimum Required Strength (MRS).  23 The MRS  is based on the 97.5%  lower predictive  limit at the 50 yr extrapolation. The  ISO 24 method permits designation of HDS using  the brittle  failure envelope, where ASTM only 25 allows  long‐term  forecast  of  strength  based  on  ductile  failure.    Both  methods  utilize 26 different  design  factors  to  arrive  at  an  appropriate  HDS,  but  the  calculation  of  HDS  is 27 slightly different. Ultimately,  the differences between  the HDS  for pipe design  stress are 28 subtle despite the differences in methodology.  29 

 30 A current challenge for ASME is identifying the design life of PE pipe put into service today 31 for  regulators  and  the  reasonable  expected  lifetime  of  that  pipe material.  The  current 32 ASTM  standard provides a  reliable method  for understanding  the Arrhenius behavior of 33 the  ductile  failure  of  PE  pipe,  but  brittle  failure  is  the mode  associated with  SCG.  This 34 mode is captured within coupon level PENT testing of resins through ASTM D1473.  35 

 36 

                                                            12 Boros, SJ; “ASTM vs ISO Methodology for Pressure Design of Polyethylene Piping Materials”  PPI XX 13 Zhou, ZJ; Palermo, EJ; “ Can ISO MRS and ASTM HDB Rated Materials Be Harmonized?” Plastics Pipe XII, Milan, Italy (2004) 

 

Page | 36 

 

ASTM  D2837  Standard  Test  Method  for  Obtaining  Hydrostatic  Design  Basis  for 1 Thermoplastic Pipe Materials or Pressure Design Basis for Thermoplastic Pipe Products 2 

 3 a) Scope and Status today 4 

Second  edition  9‐15‐2009.  This  standard  describes  the method  to  develop  the 5 limit of strength of a pipe subjected  to  long hydrostatic pressure  for  long  times. 6 

This  standard  provides  a  methodology  to  develop  a  design  basis  for 7 

thermoplastic  piping  using  hydrostatic  testing  at  elevated  temperatures.  8 

This method  has  been  used  for many  years  to  successfully  quantify  the 9 

long‐term strength of polyethylene pipe.   The standard provides a  test of 10 

long‐term performance, but is not a lifetime prediction tool. 11 

 12 b) What needs to be changed for application to a nuclear power plant? 13 

Currently,  there  is no  substantiation  requirement  for HDB  at 140  °F  (60  °C),  a 14 common maximum operating design temperature of nuclear piping..   15 

 16 c) Why does the standard need to be changed?    17 

Substantiation is additional testing at elevated temperature, usually 80 °C (176 °F) 18 or 90 °C (193 °F), to demonstrate linearity of the stress regression out to a 50 yrs. 19 PPI  TR‐3  provides  a methodology  to  substantiate  performance  to  23  C  (73  °F). 20 There is no methodology to substantiate performance at 60 °C (140 °F) 21  22 

d) Is the gap related to a lack of research, material data, or a specific application of 23 the nuclear industry such as pressure or temperature?  Is the gap critical?  Does it 24 inhibit the wide application of a specific material or structure class to the nuclear 25 industry? 26 The  gap  is  important  for  predicting  the  long‐term  performance  of  PE  piping 27 materials.  The  methodology  exists  for  developing  these  measurements,  thus 28 incorporating  changes  for  the  nuclear  industry  could  satisfy  the  gap.    Further 29 investigation  into  the merits of  imposing  this  additional  requirement  should be 30 made. 31 

 32 ISO  9080  Plastics  piping  and  ducting  systems  –  Determination  of  the  long‐term 33 hydrostatic  strength  of  thermoplastics materials  in  pipe  form  by  extrapolation  –  this 34 should be a general discussion of this standard. 35 

 36 a) Scope and Status today 37 

First edition was 1‐15‐2003. Prior  to  this  time  it was published and utilized as a 38 Technical Report, TR, within  ISO. This standard describes the method to develop 39 the  limit  of  strength  of  a  pipe  subjected  to  long  hydrostatic  pressure  for  long 40 

 

Page | 37 

 

times.  The  test  allows  for  the  identification  of  the  ductile  and  brittle  failure 1 regions  and  provides  for  a  long‐term  strength  forecast  based  on  either  failure 2 mechanism.   3  4 

b) What needs to be changed for application to a nuclear power plant? 5 This standard would need to be updated to account for the elevated temperature 6 use of PE in a nuclear application and the validation of a single lot of material from 7 a specific resin producer. 8  9 

c) Why does the standard need to be changed?     10 The development of rate process method factors should reflect the  intended use 11 of nuclear PE pipe at higher  temperature  rather  than  the  lower  temperature of 12 water and gas piping.  13  14 

d) Is the gap related to a lack of research, material data, or a specific application of 15 the nuclear industry such as pressure or temperature?  Is the gap critical?  Does it 16 inhibit the wide application of a specific material or structure class to the nuclear 17 industry? 18 The  gap  is  related  to  the  specific  use  of  pipe  application  conditions  within  a 19 nuclear plant and should be reflected within the standard. 20 

5.6 Standards for Chemical Resistance 21 

ASTM F2263: Standard Test Method for Evaluating the Oxidative Resistance of PE Pipe to 22 Chlorinated Water  23 

 24 a) Status today 25 

Current.  This  standard  describes  a  test  method  to  evaluate  the  oxidative 26 resistance of PE pipe to chlorinated water.  27 

 28 b) What needs to be changed for application to a nuclear power plant? 29 

This  standard  does  not  offer  specifics  on  chlorine  level,  water  quality,  test 30 temperature, and duration.  These values are left up to the test administrator.   31 

 32 c) Why does the standard need to be changed?     33 

The  test  conditions  for  determining  the  oxidative  resistance  of  PE  pipe  to 34 chlorinated water  should be  specified  relevant  to use  conditions  (concentration 35 and  temperature) experienced  in a service water applications.   This  includes  the 36 type of chemicals used  in nuclear plant service water and  the source of nuclear 37 plant service water such as lakes or salt water. 38 

 39 

 

Page | 38 

 

d)  Is the gap related to a lack of research, material data, or a specific application of 1 the nuclear industry such as pressure or temperature?  Is the gap critical?  Does it 2 inhibit the wide application of a specific material or structure class to the nuclear 3 industry? 4 This is a critical gap related to a lack of specifications for the application of HDPE 5 to service water applications.  Research and material data are needed relevant to 6 the conditions and chemicals in use by the nuclear industry. 7  8 

PPI TR‐19/2007: Chemical Resistance of Thermoplastics Piping Materials 9 a) Status today 10 

Current. This  technical report recommends which chemicals  to use/not use with 11 polyethylene.    It  does  not  provide  a  test  protocol  to  test  chemicals  against 12 polyethylene and  is only a short‐term exposure test that uses either weight gain 13 or loss as an indicator of resistance to a certain chemical.   14  15 

b) What needs to be changed for application to a nuclear power plant?  16 It does not distinguish the difference between various types of polyethylene, for 17 example LDPE and HDPE. 18  19 

c) Why does the standard need to be changed?     20 If this technical report were to be transitioned to a standard, than it would require 21 more quantitative  information on  testing procedures and evaluation procedures 22 for  the different polyethylene materials, chemical exposure  levels, and exposure 23 times. 24  25 

d) Is the gap related to a lack of research, material data, or a specific application of 26 the nuclear industry such as pressure or temperature?  Is the gap critical?  Does it 27 inhibit the wide application of a specific material or structure class to the nuclear 28 industry? 29 This gap is related to a lack of research available to define standards for chemical 30 resistance  for  the  bimodal  polyethylene  materials  considered  in  use  for  the 31 nuclear  industry  in service water applications.   Certain chemicals used at nuclear 32 power  plants  are  not  listed  in  this  chemical  resistance  table.    The  impact  of 33 chemical exposure (short/long term) on long‐term performance is not described.34 

 

Page | 39 

 

6 Gaps in Current Standards 1 

A  review of  current HPDE or polymeric pipe  related  standards  for  specific applications 2 were  identified  in  Section  5.  This  section  provides  a  compilation  of  those 3 recommendations and potential time frame to fill standardization gaps. The final sections 4 of  the  table contain a  list of areas where gaps exist, but no specific standard has been 5 reviewed by the PPTG.  These standards have been compiled under the heading of Other 6 Standards  Gaps.  The  roadmap,  presented  in  Section  7,  will  provide  input  on  the 7 mechanisms available to fulfill these gaps.  The far column lists any solution provided by 8 ASME  Code  Case  N‐755.  This  provides  a  reference  of where  the  current  intent  is  to 9 increase either specification or test methodology within the code rather than develop a 10 new standard. In some cases, it may not be feasible to create or modify a standard with 11 nuclear performance requirements that are not needed within the water or gas industry. 12 In  other  cases,  amendments  may  be  made  to  the  standard  to  highlight  nuclear 13 requirements  and  provide  a  level  of  efficiency  to  standards  documentation.  The  gap 14 analysis is intended to serve as a starting point for future discussion within NESCC, ASME, 15 ASTM, and  the U.S. NRC on advancing  current  standards  for  the nuclear power plants 16 using polyethylene piping. The gaps are compiled into Table 1. 17 

 18 

 

Page | 40 

 

Table 1: Standards gaps identified by the PPTG in regard to the application of polyethylene pipe to the nuclear industry 

Report Section Page Standard Recommendations Time Frame* Code Case5.1 Standards for Pipe 

Resins13 ASTM D3350

A new or amended standard that addresses resin properties that are critical to nuclear industry.

STReferences ASTM/PPI PE 

StandardsDevelop thermal oxidation measurements for nuclear 

water applicationsST

Rely on ASTM D3350 recommendations

5.2 Standards for Design Basis and Strength

15ASTM D2837 & 

TR‐3A distinct accounting for the design factor (DF). ST

References ASTM/PPI PE Standards

Investigation of the time‐independence of the 50 yr extrapolation for nuclear water applications

MT

Testing applications for a 60 year life at elevated 

temperature$MT

Allowable stress table provided

The impact of service conditions (temperature excursions, pressure fluctuations, chemical exposure) on 

service life.MT

5.3 Standards for Valves and Fittings

17 ASTM F2880Expansion of standards to different types of fittings with the inclusion of validated temperature and pressure 

derating tablesMT

5.4 Standards for Joining References ISO 19480/2005

Butt Fusion 19ASTM F2620 & 

PPI TR‐33A minimum code of practice for operators ST

References a minimum training requirements and 

testing for operatorsA technical document specific to fusion machines and pipe manufacturers that defines essential variables for 

fusing pipe.ST

Min thickness given in addition to guidance for flange 

attachmentsData acquisition forms for record keeping ST Recordation form provided

A methodology for evaluating the combined effects of alignment tolerances, fusion machine, and ambient 

conditions on the integrity of the joint MT

 1 

 

Page | 41 

 

Table 2: Standards gaps identified by the PPTG in regard to the application of polyethylene pipe to the nuclear industry 

Report Section Standard Recommendations Time Frame* Code Case

5.4 Standards for Joining, cont.

ASTM F2880 & PPI TR‐33

A technical document that identifies destructive and non‐destructive testing that reflect short and long term 

viability of fusion jointLT

Recommend make joints at bounds of ASTM F2620 and subject joints to high speed 

impact, elevated temperature sustained pressure, and free 

bend test.

Electrofusion 24ASTM F1055 & 

PPI TN‐34A minimum code of practice for operators ST

A technical document specific to electrofusion instruments and pipe manufacturers that defines 

essential variables for fusing pipe.ST

Data acquisition forms for record keeping ST

A methodology for evaluating the combined effects of fitting tolerances, control box tolerances and ambient 

conditions on the integrity of the joint, MT

A technical document that identifies destructive and non‐destructive testing that reflect short and long term 

viability of fusion jointMT

5.5.1 Standards for PE Compounds

26 ASTM D1693Difficult to control essential variables for this test; such as stress at point of crack initiation, specimen thickness 

and notch depth.LT

Failure in this geometry does not predict the accurate time to failure of pipe

ASTM D1473Impact of processing samples (pipe vs. compression molded) on failure times not adequately documented

ST

Methods to section thick pipe do not account for potential gradients in microstructure or residual stress

ST

No equations to calculate stress intensity factor changes with notch growth

ST 1 

 

Page | 42 

 

Table 3: Standards gaps identified by the PPTG in regard to the application of polyethylene pipe to the nuclear industry 

Report Section Standard Recommendations Time Frame* ASME N‐755 Code Case5.5.1 Standards for PE 

Compounds26 ASTM D1473 No method to address ductile failure at end of PENT test ST

These methods do not nescessarily support long time models for prediction

LT

OverallThere is no quantitative link between long time performance and actual service life prediction

LTTable IV‐142(a): PENT time extended to 2000 hrs. at 2.4 

Mpa and 80 C.

Does not provide specific instructions for testing fusion specimens

MT

5.5.2 Standards for PE Pipe 29 ASTM D3035 Development of large diameter pipe SCG test ST ASME N‐755 specifies both

ASTM F714 Development of large diameter pipe SCG test ST ASME N‐755 specifies both

ASTM D1598 Test fluid and flow through pipe not specified ST

5.5.3 Standards for PE Fusions

32No specific standards developed for testing long‐term 

behavior of PE fusionsMT

5.5.4 Standards to Evaluate Surface Flaws

33No standards to address characterization of surface flaws 

and the impact on long‐term behaviorMT

Zero tolerance for surface flaws in pipe

5.5.5 Standards for Non‐Destructive Examination

33

Test methods and equipment are available to conduct a volumetric inspection of a pipe and fusion.  There is no specific criteria that links critical flaw geometry or cold fusion zones to the risk of failure.  Therefore, there are 

no standards available to

MT

5.5.6 Standards to Develop HDB/HDS at Long‐Times

33D2837, ISO 

9080Substantiation of the linearity of HDB curve at 140 oF, 

not only 23 oF.ST

OverallThere is no quantitative link between long time performance and actual service life prediction

LT 1 

 

Page | 43 

 

Table 4: Standards gaps identified by the PPTG in regard to the application of polyethylene pipe to the nuclear industry 

Report Section Standard Recommendations Time Frame* Code Case

5.6 Standards for Chemical Resistance

36 ASTM F2263Test conditions for oxidative resistance of PE pipe to chlorinated water should specified relevant to use 

conditions in service water.ST

PPI TR‐19Test protocol needed for testing chemicals against 

polyethylene, that accounts for PE molecular weight.   ST

Identification of experimental controls such as chemical exposure levels, times and a more thorough 

identification of degradation via OIT or Spectroscopy.LT

OverallDevelop a derating standard based on the type and level of chemical exposure of a pipe material in a nuclear 

l

LT

Other Standard Gaps

Pipe Hangers and SupportsANSI/MSS SP‐

58‐2009

Hangers and supports have a critical role with regard to piping and standards should be addressed as piping 

transitions from buried into the plant ST

Seismic DesignASME B31E‐

2008Standards should be specified for seismic design ST

Design equations provided in Appendix D Nonmandatory Seismic Analysis Method

Fire ResistanceThe resistance to fire and specific measures required to reduce fire risk should be determined for pipe materials 

that transition from below ground into the plant.ST

UV resistanceStandards to evaluate and rank the resistance to UV are not addressed for pipe transitions that may occur above 

ground and exposed to sunlight.MT

*Time Frame: short term (ST): < 3 years; medium term (MT): 3‐8 years; long term (LT): > 8 years

$ Nuclear power plants are currently certified for operation for 40 years with an opportunity to extend operation 20 years.1 

 

Page | 44 

 

7 Roadmap for the Next Decade  1 

 2 

In  the previous  section, gaps  in  the  standards  that pertain  to  the nuclear  industry were  identified.  3 Identifying these gaps  is an  important first step to developing the standards needed to facilitate the 4 incorporation  of  polymeric materials  and  composites  for water  transport  in  nuclear  plants.    It  is 5 critical  that  a  consensus  path  is  developed  to  address  those  standards  gaps  such  that  SDO’s, 6 regulators, manufacturers, and operators  can  take action and  close  these gaps.   The  roadmap was 7 developed by the PPTG through evaluation of the standards gaps for nuclear piping.  The breakdown 8 of topics follows the format of Section 5 and the time frame to fill the gap has been broken down as: 9 

• Short Term – less than 3 years 10 • Medium Term – 3 years to 8 years  11 • Long Term – longer than 8 years 12 

 13 

7.1 Short Term Gaps (< 3 yrs) 14 

7.1.1 Standards for Pipe Resins 15 

The main gap  is the broad nature of ASTM D3350.   The specifications for resins  in the code case are 16 narrower than those given in this standard.  Reducing the number of specifications to those required 17 for manufacture of piping specifically for nuclear applications will reduce the chance for confusion or 18 unnecessary testing.  This is a gap that can be handled with the framework of an SDO such as ASTM in 19 conjunction with ASME. 20 

7.1.2 Standards for Design Basis and Strength 21 

ASME Code Case N‐755 utilizes a more conservative design factor (DF) of 0.5 compared to the design 22 factor of 0.63 used in the natural gas and water industry. This conservative approach is a consequence 23 of  the  cell  classification  for  PE  4710  developed  through ASTM D2837.  If  a  higher DF  is  desired,  a 24 technical basis will be  required  to  support  a new DF. This may be  accomplished by  tabulating  the 25 factors  that  affect  the  design  factor  such  as  material  variability,  production  variability,  design 26 condition  variability,  etc.  Reinhart14  has  done  this,  but  this  type  of  support  is  often  composed  of 27 empirical  experience  rather  than  validated measurements  conducted  using  standard  test methods 28 required for the development of a technical basis.  Another method is the development of a new cell 29 classification or design factor through the HDB/HDS standards that reflects the higher performance PE 30 materials for nuclear applications.  31 

                                                            14 Reinhart, F; “Whence cometh the 2.0 design factor” letter from PPI (1994). 

 

Page | 45 

 

Both  of  the ASTM  and  ISO methods  provide  a  conservative  estimate  of  the  long‐term  hydrostatic 1 strength, which  is  then  combined with  a  design  factor.  The HDB  curve  requires  substantiation  of 2 linearity by using elevated  temperature  testing  to  validate ductile  failure extrapolation.   HDPE has 3 been  treated  in  the  ASME  Code  Case  N‐755  as  if  it will  be  exposed  to  an  elevated  temperature 4 throughout the design  life, with the potential for temperature excursions.   Currently, substantiation 5 to  50  yrs  is  not  conducted  at  this  elevated  temperature.    Substantiation  of  linearity  should  be 6 conducted as part of the development of a pipe material for nuclear operation.  This could be quickly 7 accomplished through the current path of ASTM and PPI to incorporate a substantiation mechanism.  8 

7.1.3 Standards for Joining 9 

Butt fusion and electrofusion processes 10 

These  two  joining methods have  similar gaps, which may be addressed  in  the  short  term.    In  fact, 11 some of these are already addressed within the framework of ASME Code Case N‐755.   A minimum 12 code of practice  for operators  is needed  for  training and certification of  fusion machine operators.  13 This will reduce variability between fusions and operators.  This code of practice should be developed 14 within the framework of ASME, the nuclear industry, and the NRC.   15 

Similarly, a technical document specific to the type of pipe, SDR, pipe/resin manufacturer, and fusion 16 machine  should be developed.   This document would  specify  the essential variables  for  fusion and 17 provide traceability for why those variables were chosen.   18 

Acquisition and storage of  fusion data  is critical  for maintaining  the system over  the  long  term and 19 identifying  trouble  spots  in  the  case of  an  accident.    The ASME Code Case N‐755  specifies  a data 20 acquisition  sheet,  but  there  is  no  single  acquisition  standard  that  to  hold  the  required  data 21 acquisition.  Data acquisition should be formalized through the ASME, ASTM, and U.S. NRC process. 22 

7.1.4 Standards for PE Compounds 23 

Specific changes should be made when concerning samples generated  for  long  time  testing.   These 24 include  changes  to  ASTM  D1473  which  describe  the  impact  of  processing  samples  (pipe  vs. 25 compression mold) on failure times, appropriate methods to section and test thick pipe to account for 26 residual stress or microstructure gradients, methods  to account  for changes  in stress  intensity with 27 crack growth  in notch  testing, and methods  to account  for or  remove  samples  that exhibit ductile 28 failure at the end of the test.  These gaps can be addressed through support of additional research to 29 address  sample  preparation  questions.    Calculations  of  stress  intensity  and  ductile  failure may  be 30 handled within the ASME and ASTM framework. 31 

7.1.5 Standards for PE Pipe 32 

ASTM D3035 does not specify ASTM F1473, but it does specify ASTM D1598. ASME Code Case N‐755 33 requires  both  notch  testing  of  PE  resins  and  hydrostatic  testing  of  piping.  Referencing  all  testing 34 required for nuclear plant applications can improve efficiency of standards. 35 

 

Page | 46 

 

ASTM D1598 does not fully specify initial water chemistry or tracking of water chemistry throughout 1 exposure. In addition, the flow through pipe should be specified since this is an important parameter 2 for testing long‐term behavior of PE pipe. 3 

7.1.6 Standards for NDE Testing of Volumetric Flaws 4 

There are multiple  techniques are available  to measure  the  characteristics of volumetric  flaws, but 5 additional  research  is needed  to  specify  the  critical dimensions of  a  volumetric  flaw.  These  critical 6 dimensions  should be  related  to  the pressure and  temperature  the piping or  fitting will experience 7 during the design  life. The critical dimensions should be specified to reflect the risk of failure for the 8 pipe  or  fusion  joint  in  both  the  short  and  long  term  strength. When  the  critical  dimensions  are 9 specified,  pipe,  fittings,  and  valves  with  standard  flaws  may  be  generated  to  benchmark  NDE 10 techniques  and  provide  a  target  resolution  for  these  emerging  methods.  A  standard  evaluation 11 protocol should be developed  in ASME  to  train personnel and evaluate/accept new non‐destructive 12 technologies. 13 

7.1.7 Develop HDB/HDS at Long‐times 14 

The HDB curve requires substantiation of  linearity by using elevated temperature testing to find the 15 knee  in  the  ductile  failure  curve.   HDPE  is  treated  in  the  code  case  as  if  it will  be  exposed  to  an 16 elevated temperature throughout the full design  life.   It has become apparent that this temperature 17 represents an extreme and brief excursion of operating parameters.   There  is  survey data of plant 18 safety water  operating  conditions  available  from  the  Electric  Power  Research  Institute  (EPRI)  that 19 indicates continuous use temperatures are closer to 100 °F. Currently, substantiation is not conducted 20 at  this elevated  temperature  to determine  the HDB  for  the  current HDPE  resin.    Substantiation of 21 linearity  in the ductile failure envelope at elevated temperature should be conducted as part of the 22 development of a pipe material  for nuclear operation.   This could be quickly accomplished  through 23 the current path of ASTM and PPI to  incorporate a substantiation mechanism based on  the current 24 protocols of ASTM D2837 and TR‐33. 25 

7.1.8 Standards for Chemical Resistance 26 

ASTM  F2263  should be modified  to  specify  the  exposure  test  conditions  to measure  the oxidative 27 resistance of PE pipe to chlorinated water and this should be linked to specific water conditions within 28 the nuclear plant.   This may be handled  in the ASME and ASTM process with plant water chemistry 29 data provided by the nuclear industry via EPRI. 30 

ASTM  F2263  should  develop  a  test  protocol  that  is  specific  to  nuclear  PE  resins with  specific  test 31 procedures  and  methods.    The  current  HDPE  resin  used  in  nuclear  industry  water  systems  is 32 sufficiently different from unimodal (MDPE and LDPE) and non‐nuclear bimodal resin materials that it 33 requires a specific  test protocol.   This gap may be addressed  through  the ASTM process with  input 34 from resin manufacturers and PPI. 35 

 

Page | 47 

 

The American  Petroleum  Institute  (API)  addresses  chemical  resistance  through  the  introduction  of 1 classes of chemicals  in standard API 17 TR2.   The class  is determined by a fit of the time to reach a 2 minimum  dynamic  toughness  value  at  a  specific  temperature.    Increasing  the  class  number  is 3 indicative of a more severe chemical.  A system that ties pipe risk to severity of chemical exposure will 4 increase  the  efficiency  of  asset  management  systems.    While  the  API  standard  can  serve  as  a 5 foundation  for a new standard, new  research on  the specific chemical  risk  to nuclear plant specific 6 chemicals is required. 7 

ASTM D2837 develops  the HDB/HDS  curve utilizing water, many  times de‐ionized   The pure water 8 chemistry in this test can impact the failure time by reducing the oxidation of the pipe wall or altering 9 the diffusion  rate of anti‐oxidant additives  from  the pipe wall.   ASTM  F2263  should provide a  test 10 method  to  account  for  the  combined  effects  of  oxidative  attack  and  accelerated  failure  in  the 11 determination of the HDB/HDS curve.   This gap should be addressed by further research to define a 12 suitable  test method with  a  clear  understanding  of  the  test  limits  and  error  at  the  University  or 13 Government Institute level. This test method would be incorporated into the standard and potentially 14 a chemical class system through the ASTM and ASME process. 15 

7.1.9 Other Standards Gaps 16 

Pipes Hangars and Supports 17 

Buried pipe  is expected  to  transition  from  a buried  system  to  an  above  ground  system within  the 18 plant.    Once  the  pipe  is  above  ground,  it must  be  supported  through  a  system  of  hangars  and 19 supports.    This may  also  be  the  case  for  pipes  that  are within  a  buried  trench  and  that  could  be 20 inspected from the outside (i.e. not covered with backfill).  In addition, bracing systems should also be 21 considered in conjunction with hangers and supports; especially regarding seismic, wind, and dynamic 22 loading.  The ANSI/MSS SP‐58‐2009 standard has been developed to address many of the design and 23 installation  needs  for  polymeric  and  related  piping  infrastructure  support,  including  water.   MSS 24 should be encouraged to address any standard gaps within the next version of SP‐58, based on NRC 25 and/or nuclear industry needs for pipe hangars and supports. 26 

Seismic Design 27 

ASME  Code  Case N‐755  provides  equations  for Nonmandatory  Seismic  Analysis  for  pipe  design  in 28 Appendix D.       Guidance  for  seismic  design  is  provided  in  the  ASME  B31E‐2008  section  code.    A 29 standard  for  seismic  design  should  be  developed  that  reduces  any  redundancy  and  specifies  the 30 differences between the needs of the nuclear industry and the ASME B31.1 code.  This gap should be 31 addressed  through  the ASME, ASTM, U.S. NRC  code  approval process.  If  the performance of  thick 32 section HDPE pipe  is not  sufficiently  known,  than  research  should be  funded  to develop  validated 33 models  that would  guide  standards  development.  EPRI  has  conducted  seismic  analysis  of  PE  pipe 34 

 

Page | 48 

 

systems,  for  use  in  aboveground  applications,  to measure material  properties  relevant  to  seismic 1 design15.  2 

Seismic design should also  include bracing pipe for wind and seismic threats as pipe transitions  into 3 the  nuclear  plant  infrastructure.    MSS  SP‐127  Bracing  for  Piping  Systems  Seismic‐Wind‐Dynamic 4 Design, Selection, Application was first published in 2001 and has specific relevance to seismic, wind, 5 and other dynamic elements pertinent  to piping  systems  and  their  stabilization within  the nuclear 6 industry. This standard  is currently being substantially revised and updated  (revision expected 2012 7 time‐frame) and can be utilized in its own right, in tandem with, or complimentary with ASME B31.1. 8 MSS should be encouraged to address any standard gaps within the next version of SP‐127, based on 9 U.S. NRC and/or nuclear industry needs and process. 10 

Fire Resistance 11 

While  the majority of buried HDPE pipe may  reside underground, where  the  risk of  fire  is minimal, 12 sections that are above ground will be at risk of fire.  Standards should be developed to determine the 13 fire resistance of HDPE materials, especially the design parameters in the event of a fire or explosion 14 within the plant.   Standards should be developed to specify suitable fire resistant coatings for these 15 resin systems, in the event that large diameter HDPE pipe does not provide a sufficient safety factor 16 for  fire  fighting.    EPRI  has  investigated  the  performance  of  polyethylene  pipe  protected  by  a  fire‐17 resistance wrapping16  and  subjected  to  fire  conditions  according  to ASTM E11917  and hose  stream 18 conditions  of  ASTM  E222618.  Finally,  any  additional  coatings  applied  to  the  pipe must  be  tested 19 according  to standards  that address adhesion,  flexibility,  thermal conductivity,  impact performance, 20 and fire performance. 21 

7.2 Medium Term Gaps (3 ‐ 8 yrs) 22 

7.2.1 Standards for Design Basis and Strength 23 

The  code  case  sets  the design  life  at  50  yrs.   Under  certain design  conditions,  the pipe  could  last 24 longer than 50 yrs.   A new standard or documentation should be developed to determine the time‐25 independence  of  performance  up  to  and  beyond  50  yrs  at  the  use  conditions.    This would  be  in 26 addition to substantiation at elevated temperature.   One challenge that remains is the availability of 27 test methods that measure  long term  failure  in a reasonable test time. An example of a method to 28 address this challenge is the recent development of a cracked round bar (CRB) fatigue or creep tests 29 for  the measurement  of  slow  crack  growth  (SCG)  at  elevated  temperature.    This  gap  should  be 30 

                                                            15  “Seismic properties for high‐density polyethylene pipe for use in above‐ground applications” Product ID: 1021095; EPRI (2011) 16 “Fire Testing of High‐Density Polyethylene Pipe” Product ID: 1023004; EPRI (2011) 17 ASTM E119‐12 “Standard test methods for fire tests of building construction materials” ASTM International, West Conshohocken, PA 2012 18 ASTM E2226‐11 “Standard practice for application of hose stream” ASTM International, West Conshohocken, PA 2011 

 

Page | 49 

 

addressed  by  leveraging  the  most  recent  research  available  on  SCG  measurement  in  PE  pipe.  1 Validation  of  any  selected  test  method  should  be  conducted  between  Industry  and  recognized 2 independent laboratories with results available for the U.S. NRC.   3 

One remaining challenge is the expectation of continuous elevated temperature service over the 60 yr 4 service time of a nuclear power plant.  These systems are utilized intermittently, which means design 5 for continuous elevated temperature could be an overestimate of failure time.  A step to refine failure 6 time  is to measure the RPM coefficients and creep data for nuclear HDPE pipe resins. Other options 7 would  include  cyclic pressure  testing of pipe.    This data would be utilized  to develop models  that 8 predict pipe  lifetime based on pressure  and  temperature  excursions over  the  lifetime of  the pipe.  9 New standards would need to be developed to address the use of these models or test methods. 10 

7.2.2 Standards for Valves and Fittings 11 

Standards should be expanded to include the design of additional fittings and valves.  Any fitting and 12 valves  standards  should  include validated  temperature and pressure derating  tables.   The derating 13 factors  should  be  referenced  to  test  results  available  in  the  open  literature.    In  addition,  these 14 standards should account for the application of hybrid systems that include both polymer and metal 15 components.   The standard should be addressed in the ASTM and ASME process, since many of the 16 basic design and derating procedures are available for the water and gas industry. 17 

A  standards  gap  remains  in  the measurement of  SCG  in  fittings.   The  complex  stress  states  in  the 18 geometry of valves and  fittings have  the potential  to accelerate SCG.   Any standards developed  for 19 valves and  fittings  should  include  the procedure  to determine  the  long  term HDB and HDS  for  the 20 fitting and valve.   This gap  should be addressed  through  further  research  to determine  the  critical 21 dimensions  that accelerate SCG and  these  limits specified  in  the standard.   The standard should be 22 developed in the ASME and ASTM process.  23 

 24 

7.2.3 Standards for Joining 25 

Butt fusion and electrofusion processes 26 

These two joining methods have similar gaps, which may be addressed in the medium term.  Current 27 standards subject joints to a multitude of stress states (tension, notch testing, and bend back testing) 28 and  time  scales  (quasi‐static,  hydrostatic,  and  impact)  for  performance  testing.    There  are  no 29 standards that address the effect of multiple stresses on joint strength.  An example is the impact of 30 misalignment, fitting tolerances, and ambient conditions on  joint performance  in the short time and 31 long time.  Standards should be developed that address combined effects on performance.  Since the 32 combination  of  parameters  is  staggering,  further materials  research  combined  with  perturbation 33 analysis is needed to define the fusion test method.  This standard method would be developed in the 34 ASME and ASTM process. 35 

 

Page | 50 

 

As HDPE receives greater use within the nuclear plant infrastructure, the potential to transition from a 1 plastic  pipe  to  a metal  or  other  plastic  pipe  will  increase.    The  community  should  be  aware  of 2 situations that would require coupling dissimilar materials and  identify standards earlier rather than 3 later.   MSS  SP‐107  Transition Union  Fittings  for  Joining Metal  and  Plastic  Products  is  a withdrawn 4 standard that addresses some of these issues.  This standard could be revisited based on NRC and/or 5 nuclear  industry needs and process or provide material for another standard provided MSS  is aware 6 of  the need  to  revisit  the  standard.  In addition, PPI TN‐36 General Guidelines  for Connecting HDPE 7 Potable Water Pressure Pipes to Ductile Iron and PVC Piping systems covers flanged connectors, solid 8 iron sleeves, and bell adapters. 9 

7.2.4 Standards for PE Compounds 10 

The current standards do not specify how to test fusion specimens generated from resin materials for 11 SCG measurements.   This  includes machining specimens  from pipe,  inserting notches, and verifying 12 the location of failure within the fusion zone.  ASTM D1473 should be updated to address fusion joint 13 preparation and testing.   Measurements are needed to verify crack propagation within the  interface 14 and not within  the body of  the pipe. This gap would  require  further  research  to measure  the error 15 induced via test sample preparation and methods to verify that sample preparation (cutting, molding, 16 extrusion) does not  influence results. ASTM D1473 would be updated through the ASME and ASTM 17 process.  18 

7.2.5 Standards for PE Fusions 19 

Research should be supported to develop a specific standard test method for PE fusions, especially 20 those used to generate fittings. There are techniques within the academic literature that show 21 promise to capture joint quality, but these need to be developed into a test standard. Short term 22 testing should be limited to those tests that test specific modes of failure or stress induced failures 23 (e.g. Mode I, Mode II, or mixed Modes) experienced by fusion joints during service. 24 

7.2.6 Standards to Evaluate Surface Flaws 25 

There are currently no standards to characterize surface flaws  in pipe. Standard methods should be 26 developed to quantify flaw dimensions and train personnel to evaluate flaws in the field.  The risk of 27 failure  in both short term and  long term should be  identified for flaws based on geometry,  location, 28 and piping  service environment. This will  require additional  research  to  identify  the most  common 29 flaw geometries. Statistical models that allow operators to quantify the risk of failure will be needed 30 to  assign  a  risk  factor  and  guide  repair/removal  decisions  to  facilitate  efficient  plant  asset 31 management. 32 

7.2.7 Standards for Ultraviolet and Ionizing Radiation 33 

HDPE pipe  is often exposed to ultra‐violet radiation during shipping, while awaiting  installation, and 34 transitioning from below ground.  The intensity of radiation, time of exposure, and resin additives are 35 critical  for minimizing  damage.    Standards  should  be  adopted  to  verify  the  performance  of HDPE 36 

 

Page | 51 

 

resins after prolonged exposure.   This  information has been available  in the water and gas  industry, 1 but results specific to nuclear industry HDPE should be compiled and evaluated to determine whether 2 more research is required to specify an accelerated UV exposure test. 3 

Similarly, a standards gap exists concerning radiation exposure.   The nuclear  industry and regulators 4 should identify the potential radiation type and dosage range.  While current implementation of PE is 5 not  intended  for exposure to damaging  levels of radiation, a gap  for verification of durability under 6 ionizing  radiation  exists.  This  information  may  be  used  to  direct  future  research  into  standards 7 development.  The ASME and NRC may address this gap.       8 

7.3 Long‐term Gaps (> 8 years) 9 

7.3.1 Standards for PE Compounds, PE Pipe, and PE Fusions 10 

The  significant  long‐term  standards  challenge  is  the  inability  to  incorporate data generated  in  long 11 time  testing  into predictive models.    This  leads  to  a  standards  gap where  long  time data must be 12 generated for each resin and potentially each application.  For example, ASTM F1473 for PENT is not a 13 service life predictor.  It is only an index test for PE compounds to rank one to another for this type is 14 slow  crack  growth performance.   Granted,  the  industry has  come  to understand  that  in  general  a 15 higher PENT performance could lead to a longer potential service life, it is certainly not a “predictor” 16 of service  life.   The ASME Code Case N‐755 has provided  that a PE compound must have a 2000 h 17 PENT performance, but there has been limited information to determine what this actually means to 18 the potential service  life.   This  is a gap that should be studied.   Even ASTM D2837 and ISO 9080 are 19 not  lifetime prediction methods.   They are  long‐term hydrostatic  strength determination methods.  20 These  results  can  be  used  to  assign  a  “lifetime”  to  the  material,  but  it  is  erroneous  and  that 21 terminology  should  be  avoided.    This  would  be  similar  in metallic  piping  to  identify  the  tensile 22 strength as the sole determination of  lifetime – which  is not true.   The metallic materials’ ability to 23 withstand corrosion and fatigue are better indicators.  The same is true for PE compounds.  The HDB 24 is  the  strength and  the allowable  stress values are not considered  time dependent.   Other  factors, 25 such  as  the  ability  of  the  material  to  shed  localized  stress  intensifications,  and  the  oxidative 26 environment should be  included  in estimates of a service “lifetime”. A standardized test to generate 27 long time data that supports predictive models for quantitative service life would close this gap.  This 28 will  require  significant  research  to  identify  a  quantitative  lifetime  prediction  test  and  associated 29 predictive models. 30 

7.3.2 Standards for Chemical Resistance 31 

A standard gap exists for the derating of HDPE pipe performance based on exposure to degradative 32 chemicals.    This  includes  both  continuous  exposure,  cyclic  exposure,  and  exposure  at  elevated 33 temperatures.    This  standard  gap  should  be  addressed  through  the  identification  of  the  specific 34 chemicals within the nuclear plant.  The short term standard gap that addresses exposure limits and 35 test conditions would be utilized  to  formulate  the derating system which would be  introduced  into 36 the ASTM standard for chemical resistance 37 

 

Page | 52 

 

7.3.3 Incorporation of New Pipe Materials  1 

This standards evaluation report has focused on HDPE pipe applications.   There are other classes of 2 materials used within the natural gas and oil  industry that can provide additional capabilities to the 3 nuclear  industry  in high temperature and pressure applications.   In order for the nuclear  industry to 4 take advantage of  these materials, each material will be  subjected  to  the  code  case process.    It  is 5 critical that the lessons learned from ASME Code Case N‐755 are translated to a roadmap for bringing 6 new pipe materials online.  This will allow the efficient collection and evaluation of current standards 7 and  available  data  sets  to  organize  technical  basis  documents  before  and  during  the  code  case 8 process. 9 

8 Summary 10 

The  PPTG  conducted  a  comprehensive  review  of  standards  related  to  PE  piping  for  nuclear 11 applications. This  review of  standards  identified gaps  that  could be  filled within a  reasonable  time 12 frame.  In some cases,  the gaps require only a better specification of procedures  to greatly  increase 13 the relevance and quality of the existing standard.  In other cases, a program to address gaps  in the 14 current  understanding  of  PE  performance  must  be  addressed  through  the  development  of  new 15 materials  science and measurements. The PPTG has provided guidelines  to address  standards gaps 16 and  the  increased  performance  requirements  for  nuclear  piping.  The  implementation  and 17 prioritization  should  be  developed  between  operators,  regulators,  and  SDO  organizations.  This  is 18 especially  true  where  the  gaps  are  related  to  increasing  material  performance  or  acceptance 19 requirements  rather  than  the  development  of  a  new  standard.  Increases  in  performance  and 20 acceptance  requirements  are  often  explicitly  stated  within  the  code  in  order  to maintain  broad 21 applicability  of  standards.  This  can  reduce  efficiency  since  it  requires maintenance  of  a  significant 22 database of documents related to specification, design, and quality assurance/quality control.  23 

While this standards review was focused on PE piping, the gaps identified should apply to other non‐24 metallic  pipe materials  and  systems.  The main  lessons  learned were  that many  of  the  questions 25 developed in a code case can be answered when validated technical data is available to the industry 26 and  regulators concerning  the specific materials,  intended design specifications, and environmental 27 conditions. This  technical data  is  crucial  for  the development of  the  technical basis  for design and 28 supporting the development of code requirements. The best method to generate this data efficiently 29 and in a manner that is accepted by material manufacturers, operators, and regulators is through the 30 development of current and relevant standards.   31 

 32 

   33 

 

Page | 53 

 

Appendix A 1 

 2 

NESCC Request for PPTG 3 

At the May 26, 2010 NESCC meeting, a new Task Group was established to work on Polymeric 4 

Piping for Nuclear Standards.  As a result of this establishment, the NESCC Is issuing a call for 5 

membership.   Below  you  will  find  the  initial  scope  of  the  Task  Group  and  the  contact 6 

information  for the convener of the group.   If you are  interested  in  joining the Task Group, 7 

please reply to this email and include your full contact information.  This information will be 8 

forwarded to the Task Group Convener. 9 

 10 

Polymeric Piping for Nuclear Power Plants Task Group 11 

Scope (as defined in NESCC 10‐006): 12 

• Establish  coordination and  consistency of  safety and non‐safety  related 13 polymer pipe requirements in nuclear power plants; 14 

• Identify  and  review  all NRC  regulatory documents  related  to polymeric 15 pipes for nuclear power plants; 16 

• Identify  and  review  all  ASTM,  AWWA  and  PPI  standards  related  to 17 polymeric pipe water applications; 18 

• Identify  ancillary  standards  needed  to  certify  manufacturers  and  the 19 installation and inspection of piping 20  21 

Convener: Dr. Aaron Forster, NIST 22 

           Building and Fire Research Laboratory 23 

           NIST, MS 8615 24 

           100 Bureau Drive 25 

           Gaithersburg, MD 20899 26 

           (301) 975‐8701 27 

           Email: [email protected] 28 

   29 

 

Page | 54 

 

Appendix B 1 

These  following  tables  provide  a  summary  of  ASTM  standards  concerning material  property  and 2 performance characterization of various thermoplastic, thermoset, and composite materials that are 3 present in piping systems.  The Non‐Metallic working group within Section III of ASME kindly provided 4 them to the PPTG for publication within this report. The PPTG would like to thank ASME for providing 5 this information. Missing standards or incomplete sections have been removed from this publication 6 in order to provide a complete table 7 

   8 

 

Page | 55 

 

Table B‐ 1: Level 1 – Mechanical Engineering Property Issues 

  Constituents‐‐‐thermoplastic ‐‐‐thermoset ‐‐‐reinforcements 

Fiber‐reinforced Polymers ‐‐‐lamina ‐‐‐laminate ‐‐‐bulk 

Graphite & Impregnated Graphite 

Tensile Strengtha,b  ASTM D3039ASTM D638 ISO 527 

ASTM D3039ASTM D638 

ASTM D3039 

Modulusa,b  ASTM D638 ASTM D3039 ASTM D3039 

Poisson Ratioa,b ‐‐ν12, ν13, ν23, et al  

ASTM D638 ASTM D3039  

Shear Strengtha,b    ASTM D5379ASTM D 4255 ASTM D 3518 ASTM D 2344 

 

Shear Modulusa,b    ASTM D 5379ASTM D 4255 ASTM D 3518 ASTM D 2344 

 

Coefficient of Thermal Expansiona,b 

ASTM E 831 ASTM E 831  

Fracture Toughnessa,b 

  ASTM D5528  

General Immersiona  

ASTM D543 ASTM D543  

Creep & Creep Rupturea,b ‐‐compressive ‐‐tensile ‐‐flexural 

ASTM 2990 

 

Impacta,b 

 ASTM D1599ASTM D3763 ASTM D6110 ASTM D5628 

 

Cyclic Loadinga,b     Flexural Strength & Modulusa,b 

ASTM D790ASTM D6772 ISO 178 

 

Compressive Strength & Modulusa,b 

ASTM D2583ASTM D695 BS EN 59 ISO 868 

ASTM D3410ASTM D6641 

 

Note "a" – all of these will apply to various temperatures, moisture content, and loading rates. 1 Note “b” – all of these are orientation dependent.   2 

 

Page | 56 

 

Table B‐ 2: Level 1 ‐ Material Methods for Thermo‐plastic Polymers 

  Polyethylene     Polypropylene  

Chlorinated PVC 

 PVC  Acetal 

Tensile Strengthg  

ASTM D3039 ASTM D638 ISO 527 

ASTM D3039 ASTM D638 ISO 527 

ASTM D3039 ASTM D638 ISO 527 

ASTM D3039 ASTM D638 ISO 527 

ASTM D3039 ASTM D638 ISO 527 

Modulusg  

ASTM D3039  ASTM D3039  ASTM D3039 

ASTM D3039 

ASTM D3039 

General Immersiong (pH)  

ASTM D543  ASTM D543  ASTM D543  ASTM D543 

ASTM D543 

Creep Ruptureg  

ASTM 2990 ASTM 2992 

ASTM 2990 ASTM 2992 

ASTM 2990 ASTM 2992 

ASTM 2990 ASTM 2992 

ASTM 2990 ASTM 2992 

Tensile Impactg 

 

ASTM D1599  ASTM D1599  ASTM D1599 

ASTM D1599 

ASTM D1599 

Cyclic Loadingg 

 

         

Flexural Strength & Modulusg 

 

ASTM D790 ISO 178 

ASTM D790 ISO 178 

ASTM D790 ISO 178 

ASTM D790 ISO 178 

ASTM D790 ISO 178 

Compressive Strength & Modulusg 

 

ASTM D2583 BS EN 59 ISO 868 

ASTM D2583 BS EN 59 ISO 868 

ASTM D2583 BS EN 59 ISO 868 

ASTM D2583 BS EN 59 ISO 868 

ASTM D2583 BS EN 59 ISO 868 

Note "g" – all of these will apply to various temperatures. 1 

 2 

 3 

 4 

   5 

 

Page | 57 

 

Table B‐ 3: Level 1‐ Material Methods for Fiber‐reinforced Polymers & Thermo‐set Polymers 

  Epoxy  Polyester  

Furan  Phenolic / Novolac 

Polyurethane

Tensile Strengthg  

ASTM D3039 ASTM D638b ISO 527 

ASTM D3039 ASTM D638 ISO 527 

ASTM D3039 ASTM D638 ISO 527 

ASTM D3039 ASTM D638 ISO 527 

ASTM D3039 ASTM D638 ISO 527 

Modulusg  

ASTM D3039 ASTM D638  

ASTM D3039 ASTM D638  

ASTM D3039 ASTM D638  

ASTM D3039 ASTM D638  

ASTM D3039 ASTM D638  

General Immersiong (pH)  

ASTM D543  ASTM D543  ASTM D543  ASTM D543  ASTM D543 

Creep Ruptureg  

ASTM 2990 ASTM 2992 

ASTM 2990 ASTM 2992 

ASTM 2990 ASTM 2992 

ASTM 2990 ASTM 2992 

ASTM 2990 ASTM 2992 

Tensile Impactg 

 

ASTM D1599  ASTM D1599 

ASTM D1599 

ASTM D1599  ASTM D1599 

Cyclic Loadingg 

 

         

Flexural Strength & Modulusg 

 

ASTM D790 ISO 178 

ASTM D790 ISO 178 

ASTM D790 ISO 178 

ASTM D790 ISO 178 

ASTM D790 ISO 178 

Compressive Strength & Modulusg 

 

ASTM D2583 BS EN 59 ISO 868 

ASTM D2583 BS EN 59 ISO 868 

ASTM D2583 BS EN 59 ISO 868 

ASTM D2583 BS EN 59 ISO 868 

ASTM D2583 BS EN 59 ISO 868 

Note "g" – all of these will apply to various temperatures. 1 

Note “b” – although ASTM D3039 is the preferred industry standard, ASTM D638 is acceptable for 2 some materials 3 

 4 

 5 

 6