核電廠氣動(dòng)閥隔膜失效性能分析

趙鵬宇　孫黎

【摘 要】氣動(dòng)閥門是核電廠常用的一類重要閥門，隨著其使用不可避免的會(huì)發(fā)生失效故障，本研究依托于某核電廠實(shí)際發(fā)生的氣動(dòng)閥隔膜失效問題，以宏觀機(jī)械性能測(cè)試、材料成分分析和失效斷口形貌分析相結(jié)合的手段，對(duì)隔膜失效問題進(jìn)行研究。通過研究發(fā)現(xiàn)，核電廠用氣動(dòng)閥隔膜的基體材料選用氟橡膠，并將增強(qiáng)纖維編織層設(shè)置在隔膜橡膠層的最底部能夠起到更好的隔膜增強(qiáng)效果，降低失效風(fēng)險(xiǎn)。

【關(guān)鍵字】核電廠氣動(dòng)閥隔膜;隔膜失效;氟橡膠;乙丙橡膠;增強(qiáng)纖維編織層

中圖分類號(hào)： TM623文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）28-0078-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.28.031

0 概述

氣動(dòng)閥隔膜是影響核電廠氣動(dòng)閥安全穩(wěn)定性的一項(xiàng)重要部件。本研究依托于某核電廠實(shí)際發(fā)生的氣動(dòng)閥隔膜失效問題，以宏觀機(jī)械性能測(cè)試、材料成分分析和失效斷口形貌分析相結(jié)合的手段，對(duì)隔膜失效問題進(jìn)行研究。某核電機(jī)組在其投運(yùn)初期的小修期間發(fā)現(xiàn)了部分氣動(dòng)閥存在漏氣現(xiàn)象，更換后，部分新隔膜在保壓試驗(yàn)過程中發(fā)生破裂，另有部分隔膜在更換后不久也發(fā)生了明顯的功能失效。研究人員對(duì)電廠發(fā)生失效的氣動(dòng)隔膜閥進(jìn)行了取樣和測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目包括機(jī)械性能測(cè)試和成分分析測(cè)試兩大部分，具體試驗(yàn)內(nèi)容包括：紅外光譜分析、拉伸性能測(cè)試、硬度測(cè)試、靜態(tài)壓縮永久變形率測(cè)試等。本項(xiàng)目開展上述一系列試驗(yàn)的目的是通過對(duì)宏觀機(jī)械性能測(cè)試和成分測(cè)試結(jié)果的分析獲得反映材料本身特性的基本信息，借助基本信息的整合，對(duì)氣動(dòng)閥隔膜失效進(jìn)行綜合性診斷。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 隔膜樣本基本信息

隔膜樣本共計(jì)6片（2mm和3mm厚度樣本各3片），按照隔膜實(shí)際使用情況，我們對(duì)6個(gè)隔膜樣本進(jìn)行了編號(hào)。其中F1、F2、F3是大修更換前使用的氣動(dòng)閥舊隔膜;N1、N2、N3是更換后仍發(fā)生失效的新隔膜，前后兩個(gè)批次的隔膜在外觀材質(zhì)上有著明顯的區(qū)別，F(xiàn)1、F2、F3隔膜厚度為3mm;N1、N2、N3隔膜厚度為2mm。兩批隔膜基本結(jié)構(gòu)都是橡膠基體加增強(qiáng)纖維織物，F(xiàn)1、F2、F3隔膜樣本的增強(qiáng)纖維編織層在隔膜橡膠層的最底部，而N1、N2、N3樣本的編制層分布在橡膠層中間，兩類隔膜的基體材料成分不同，各項(xiàng)結(jié)構(gòu)和材料的差異導(dǎo)致了材料性能的差異。

1.2 失效樣本材料性能試驗(yàn)

本項(xiàng)目針對(duì)兩類隔膜樣本開展橡膠成分分析、機(jī)械性能測(cè)試和斷口形貌觀察。通過對(duì)兩種不同批次的織物纖維增強(qiáng)橡膠隔膜材料進(jìn)行傅里葉紅外光譜測(cè)試，分析材料的橡膠材質(zhì);通過拉伸試驗(yàn)、硬度測(cè)試和壓縮測(cè)試等方法，獲取材料的基本力學(xué)性能。此外，本項(xiàng)目還借助掃描電鏡對(duì)失效樣本的材料斷口進(jìn)行觀測(cè)，通過斷口形貌進(jìn)一步分析隔膜開裂失效原因。

鑒于兩種批次樣本質(zhì)地上的顯著差別，試驗(yàn)中將著重對(duì)兩類樣本進(jìn)行對(duì)比分析。此外，考慮到失效位置不同，在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，針對(duì)每個(gè)失效隔膜都分別在底部和側(cè)面兩處進(jìn)行取樣。

2 測(cè)試結(jié)果

2.1 紅外光譜分析及動(dòng)態(tài)機(jī)械性能分析

圖1的F1、F2、F3隔膜樣品的紅外光譜中，存在著甲基的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰，亞甲基的不對(duì)稱、對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰，羰基伸縮振動(dòng)吸收峰，不飽和雙鍵的C-C伸縮振動(dòng)吸收峰，不飽和C=C雙鍵上的C-H的面內(nèi)彎曲振動(dòng)吸收峰，Si-O-Si伸縮振動(dòng)吸收峰，及些硝基化合物特征峰。通過紅外譜圖庫檢索對(duì)比，還發(fā)現(xiàn)該特征峰中存在大量的類似聚乙烯鏈段、長(zhǎng)鏈烷烴和羰基（1714cm-1）等物質(zhì)，且前者匹配值可達(dá)70%，沒有明顯的苯環(huán)、-CN、不飽和雙鍵等基團(tuán)吸收峰，結(jié)合橡膠材料其它性能的分析，判斷應(yīng)為乙丙橡膠或其改性膠的一種。

圖2的N1、N2、N3隔膜樣品的紅外光譜中，存在著N-H的伸縮振動(dòng)吸收峰，羥基的伸縮振動(dòng)吸收峰，亞甲基的不對(duì)稱、對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰，亞甲基的變形振動(dòng)吸收峰，C-F的伸縮振動(dòng)吸收，羰基伸縮振動(dòng)吸收峰，硝基化合物的特征譜代。通過紅外譜圖庫的檢索對(duì)比，還發(fā)現(xiàn)特征峰中均含有類似2-氟代乙醇的結(jié)構(gòu)，同時(shí)還有炭黑及類似低密度PE的鏈段特征峰的出現(xiàn)，判斷該類似結(jié)構(gòu)的橡膠材料應(yīng)為氟橡膠或其改性膠的一種。

2.2 拉伸性能及硬度測(cè)試

F1、F2、F3隔膜樣品的拉伸性能測(cè)試結(jié)果顯示，樣本老化后材料的斷裂伸長(zhǎng)率降低率約為25%，硬度無顯著變化。N1、N2、N3隔膜樣品的拉伸性能測(cè)試結(jié)果顯示。樣本在老化后材料的斷裂伸長(zhǎng)率降低率約為30%，硬度升高率約為10%。

2.3 掃描電鏡（SEM）測(cè)試

從圖3與圖4對(duì)比可知，N1失效樣板斷面纖維被直接拔出留下的孔洞，并且拔出纖維的表面只有極少量的橡膠黏附物，纖維增強(qiáng)材料與橡膠基體之間的相互作用緊密程度不足，兩種材質(zhì)之間的粘結(jié)效果欠佳。由此推斷，N1隔膜樣品中的纖維增強(qiáng)項(xiàng)沒有充分發(fā)揮出增強(qiáng)材料的性能提升效果。

3 結(jié)論

通過對(duì)成分分析和性能測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果的分析，本項(xiàng)目得到如下結(jié)果：

（1）通過傅里葉紅外光譜分析和動(dòng)態(tài)機(jī)械性能分析結(jié)果可知，新舊兩批隔膜的橡膠材料基底成分存在較大的差異。從拉伸數(shù)據(jù)上看，N1、N2、N3隔膜的斷裂伸長(zhǎng)率整體高于更換前的舊隔膜樣本。經(jīng)過老化處理（100℃，7d）后，新舊隔膜材料的斷裂伸長(zhǎng)率變化率基本都在25%左右，因此，從材料拉伸數(shù)據(jù)上分析，隔膜基體材料選用氟橡膠的效果預(yù)期更好。

（2）新舊兩種隔膜樣本都是由纖維增強(qiáng)橡膠材料制備而成，舊隔膜樣本的增強(qiáng)纖維編織層在隔膜橡膠層的最底部，而新更換樣本的編制層分布在橡膠層中間。通過對(duì)新舊兩種隔膜的斷口掃描電鏡觀察可知，舊隔膜在發(fā)生開裂后，其斷口處的增強(qiáng)相與橡膠之間仍保持著良好的附著關(guān)系;而新更換的隔膜在發(fā)生斷裂后，其斷口處的增強(qiáng)項(xiàng)與基體橡膠發(fā)生了明顯的分離，并且在分離出的增強(qiáng)纖維上僅有少量橡膠基體材料殘留，增強(qiáng)纖維無法起到良好的增強(qiáng)效果。

【參考文獻(xiàn)】

[1]GB/T 6031-1998 硫化橡膠或熱塑性橡膠硬度的測(cè)定.

[2]GB/T 528-2009 硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測(cè)定.

[3]GB/T 3512-2014 硫化橡膠或熱塑性橡膠熱空氣加速老化和耐熱試驗(yàn).

[4]GB/T 7759.1-2015 硫化橡膠或熱塑性橡膠壓縮永久變形的測(cè)定第1部分：在常溫及高溫條件下.