某核電站壓力容器O形密封環(huán)泄漏原因分析

(1. 中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 反應(yīng)堆燃料及材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610213；2. 中核核電運(yùn)行管理有限公司, 嘉興 224000)

反應(yīng)堆壓力容器是裝載堆芯、支撐堆內(nèi)所有構(gòu)件和容納一回路冷卻劑并維持其壓力的反應(yīng)堆本體承壓殼體，并具備密封放射性、阻止裂變產(chǎn)物泄漏的功能[1]。反應(yīng)堆壓力容器由頂蓋和筒體組成，兩者之間采用兩道自緊式鍍銀O形密封環(huán)，通過主螺栓的拉伸壓縮密封環(huán)來實(shí)現(xiàn)密封，內(nèi)環(huán)起到主密封作用，外環(huán)起到第二道安全屏障的作用。O形密封環(huán)的密封性能直接關(guān)系反應(yīng)堆壓力容器的運(yùn)行，進(jìn)而影響整個(gè)核電站的運(yùn)行。因此，核電站壓力容器中O形密封環(huán)屬于關(guān)鍵零件，其制造要求極高，尤其是外表質(zhì)量將直接影響到核電設(shè)備的密封效果及核電站的安全性[2-3]。

O形密封環(huán)是將截面直徑為φ(12.70～12.83) mm的Inconel 718合金無縫鋼管彎曲，焊接成一個(gè)φ3 335.59 mm的圓環(huán)，表面電鍍0.15～0.22 mm厚的銀，平面度<2，粗糙度Ra≤0.2 μm。利用螺栓預(yù)緊力使Inconel 718合金管材發(fā)生彈性變形，其反作用力使鍍銀層發(fā)生塑性流動(dòng)，填補(bǔ)環(huán)管表面微小凹凸不平和增大鍍銀層的致密性，從而實(shí)現(xiàn)初始密封。環(huán)管內(nèi)側(cè)開有若干長(zhǎng)圓槽，使得環(huán)管內(nèi)部與壓力容器系統(tǒng)壓力空間相通，壓力容器內(nèi)的壓力增加了密封環(huán)與密封面的接觸壓力，從而起到壓力自鎖緊作用，以及補(bǔ)償因溫度和壓力波動(dòng)而引起管材強(qiáng)度降低和密封應(yīng)力松弛的能力[4]。

某核電站在大修期間按規(guī)程更換新的O形密封環(huán)，在服役半個(gè)月后O形密封環(huán)出現(xiàn)泄漏，為找出該壓力容器O形密封環(huán)泄漏的原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析，以期此類事故不再發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分分析

對(duì)O形密封環(huán)進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，可見該O形密封環(huán)的化學(xué)成分滿足設(shè)計(jì)要求。

1.2 尺寸分析

取4只O形密封環(huán)進(jìn)行截圓外徑尺寸測(cè)量，結(jié)果見表2，其中3號(hào)O形密封環(huán)是本次發(fā)生泄露的環(huán)，4號(hào)O形密封環(huán)是發(fā)生泄漏后用來替換3號(hào)的O形密封環(huán)，1號(hào)和2號(hào)O形密封環(huán)是該核電廠大修期間按規(guī)程更換的內(nèi)環(huán)，未發(fā)生泄漏。圖1為1～4號(hào)O形密封環(huán)鍍銀前后截圓外徑的極差對(duì)比圖，可見1號(hào)和2號(hào)O形密封環(huán)在鍍銀前后截圓外徑極差不變，均為0.01 mm。3號(hào)O形密封環(huán)鍍銀前截圓外徑極差為0.03 mm，鍍銀后截圓外徑極差為0.05 mm；1號(hào)和2號(hào)O形密封環(huán)鍍銀前后截圓外徑極差相差不大。說明1號(hào)和2號(hào)O形密封環(huán)的Inconel 718合金管及鍍銀層質(zhì)量?jī)?yōu)于3號(hào)O形密封環(huán)的。

表1 O形密封環(huán)的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 1 Chemical compositions of O-ring seal (mass fraction) %

表2 O形密封環(huán)截圓外徑尺寸測(cè)量結(jié)果Tab. 2 Measurement results of cutting circle outside diameter of O-ring seal mm

圖1 1～4號(hào)O形密封環(huán)鍍銀前后截圓外徑極差圖Fig. 1 Range diagram of cutting circle outside diameter of O-ring seal 1-4 before and after silver coating

1.3 宏觀分析

為確定O形密封環(huán)的泄漏原因，對(duì)3號(hào)O形密封環(huán)進(jìn)行破壞性檢驗(yàn)，沿O形密封環(huán)徑向進(jìn)行切割并編號(hào)，試樣取樣位置及編號(hào)如圖2所示。1號(hào)試樣為O形密封環(huán)泄漏處，其上存在多處泄漏點(diǎn)；2號(hào)試樣為1號(hào)試樣對(duì)邊位置；3～7號(hào)試樣為O形密封環(huán)上隨機(jī)切取的5個(gè)管段。

圖2 O形密封環(huán)取樣示意圖Fig.2 Sampling dragram of O-ring seal

圖3為O形密封環(huán)與頂蓋和筒體接觸示意圖，O形密封環(huán)在外部載荷作用下發(fā)生變形，其頂部和外側(cè)與頂蓋密封槽接觸、底部與筒體接觸后均會(huì)留下一道壓痕。1號(hào)試樣的頂部、外側(cè)和底部均發(fā)現(xiàn)有漏點(diǎn)，漏點(diǎn)呈放射狀，表面泛白，且不光滑，在壓痕處收攏，如圖4所示，漏點(diǎn)寬度約1 mm。2號(hào)試樣上未發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)。將1號(hào)試樣和2號(hào)試樣的宏觀形貌特征按壓痕形貌和是否泄漏進(jìn)行歸納，結(jié)果見表3。2號(hào)試樣外側(cè)壓痕的形貌如圖5所示，壓痕寬度約2.7 mm。由表3可知，1號(hào)試樣上沒有外側(cè)壓痕，且出現(xiàn)漏點(diǎn)，說明1號(hào)試樣段與頂蓋未形成有效接觸，O環(huán)密封環(huán)與密封槽之間的接觸不夠緊密，會(huì)對(duì)密封性能產(chǎn)生不利影響。

圖3 O形密封環(huán)密封過程變形示意圖Fig.3 Deformation diagram of sealing process of O-ring seal

表3 1號(hào)試樣和2號(hào)試樣的宏觀形貌對(duì)比Tab. 3 Macro morphology comparison between sample 1 and sample 2

圖4 1號(hào)試樣漏點(diǎn)宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of leakage point of sample 1

圖5 2號(hào)試樣壓痕宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of indentation of sample 2

1.4 硬度測(cè)試

在2號(hào)試樣上測(cè)試3個(gè)點(diǎn)，硬度分別為427, 417, 404 HV10，平均值為416 HV10。按照GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》進(jìn)行換算，其抗拉強(qiáng)度約為1 335 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求(≥1 138 MPa)。鍍銀層的硬度測(cè)試3個(gè)點(diǎn)，硬度分別為66.8, 56.9, 59.1 HV3，可知鍍銀層硬度較低，塑性較好，能有效防止螺栓預(yù)緊過程和服役過程中頂蓋密封槽因徑向錯(cuò)動(dòng)對(duì)密封面造成的劃傷。

1.5 鍍銀層質(zhì)量分析

對(duì)3～7號(hào)試樣非壓痕處進(jìn)行鍍銀層厚度測(cè)量和壓痕處粗糙度測(cè)量，結(jié)果如圖6所示。鍍銀層厚度為0.156～0.220 mm，滿足設(shè)計(jì)要求，但厚度不均勻。壓痕處鍍層的表面粗糙度為0.325～0.506 μm，不滿足粗糙度Ra≤0.2 μm的設(shè)計(jì)要求。

圖6 O形密封環(huán)鍍銀層厚度及粗糙度Fig.6 Silver coating thickness and roughness of O-ring seal

1.6 微觀分析

圖7為漏點(diǎn)的微觀形貌，可見漏點(diǎn)寬約0.5 mm，壓痕寬約1.2 mm，漏點(diǎn)全部位于鍍銀層內(nèi)，管材基體上沒有裂紋，也沒有腐蝕痕跡，鍍銀層上有水流過的浸蝕痕跡。觀察漏點(diǎn)附近的鍍銀層，如圖8所示，可見鍍銀層表面呈多孔蜂窩狀。

圖7 漏點(diǎn)微觀形貌Fig.7 Micro morphology of leakage point

圖8 漏點(diǎn)附近鍍銀層微觀形貌Fig.8 Micro morphology of silver coating near leakage point

離漏點(diǎn)遠(yuǎn)近不同，鍍銀層的表面形貌也不相同。圖9是離漏點(diǎn)約1 mm和10 mm處的鍍銀層形貌。因?yàn)殄冦y層出廠前經(jīng)過了拋光處理，其形貌應(yīng)為平直的拋光痕跡。而離漏點(diǎn)1 mm處的鍍銀層，表面大部分拋光痕跡已經(jīng)被浸蝕；離漏點(diǎn)10 mm處的鍍銀層則觀察到了密集的周向拋光痕，其形貌與漏點(diǎn)處的多孔形貌不同，但鍍銀層致密度稍差，表面存在少量孔隙和交叉紋路及徑向紋路的拋光痕。

圖9 離漏點(diǎn)不同距離的鍍銀層微觀形貌Fig.9 Micro morphology of silver coating with different distance away from leakage point:a) 1 mm away from leakage point; b) 10 mm away from leakage point

2 分析與討論

2.1 壓縮比

反應(yīng)堆壓力容器的密封效果取決于O形密封環(huán)的回彈能力?；貜椖芰θQ于壓縮率的大小，兩者成正比，合理的壓縮率由頂蓋密封槽的結(jié)構(gòu)尺寸和O形密封環(huán)截面外徑所決定，如下式

(1)

式中：γ為O形密封環(huán)壓縮率，%；d為O形密封環(huán)原始截圓外徑；Δh為某次壓縮量。

如果壓縮率過大，會(huì)引起O形密封環(huán)的塌陷從而降低密封性能；如果壓縮率過小，可能會(huì)導(dǎo)致密封面失效從而發(fā)生泄漏?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量壓力容器上頂蓋內(nèi)環(huán)密封槽深度為12.065～12.089 mm，而3號(hào)O形密封環(huán)鍍銀后外徑最小和最大值分別為13.13，13.18 mm，由此得出最大壓縮率為7.9%～8.5%。

國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)反應(yīng)堆用金屬密封環(huán)進(jìn)行了大量研究，勵(lì)行根等[4]采用壓縮-回彈試驗(yàn)結(jié)合有限元法分析發(fā)現(xiàn)，O形密封環(huán)壓縮率為8.8%時(shí)回彈量大于0.33 mm，壓縮率為16%時(shí)回彈量大于0.38 mm；沈明學(xué)等[5]對(duì)Inconel 718合金O形密封環(huán)進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果表明O形密封環(huán)壓縮率控制在12%～16%可以達(dá)到較好的密封性能。

綜上分析，雖然O形密封環(huán)和頂蓋內(nèi)環(huán)密封槽的尺寸均滿足設(shè)計(jì)要求，但兩者的上下偏差導(dǎo)致壓縮量偏低，低于該核電站《時(shí)效管子的壓縮試驗(yàn)》初始?jí)嚎s量8%的試驗(yàn)要求，從而達(dá)不到回彈量應(yīng)大于等于0.33 mm的要求，密封性能可能偏低。

2.2 壓扁量

定義壓扁量η為加載載荷前O形密封環(huán)的截面外徑與壓扁并釋放載荷后O形密封環(huán)的截面短軸外徑之差，如下式

η=d-di

(2)

式中：η為壓扁量；di為壓扁并釋放載荷后O形密封環(huán)的截面短軸外徑；d為O形密封環(huán)原始截圓外徑。

對(duì)1號(hào)試樣和2號(hào)試樣進(jìn)行O形密封環(huán)截面短軸外徑尺寸測(cè)量，結(jié)果見表4，結(jié)合3號(hào)O形密封環(huán)的d值為13.13～13.18 mm，計(jì)算出1號(hào)試樣和2號(hào)試樣的壓扁量，如圖10所示。可見O形密封環(huán)1號(hào)試樣壓扁量為(0.475±0.025)～(0.685±0.025) mm，其極差為0.21 mm，表明鍍銀層塑性變形極不均勻；2號(hào)試樣壓扁量為(0.625±0.025)～(0.695±0.025) mm，其極差為0.07 mm，表明鍍銀層塑性變形均勻。2號(hào)試樣的鍍銀層塑性變形優(yōu)于1號(hào)試樣的，表明O形密封環(huán)泄漏段與頂蓋密封槽的接觸不均勻。

表4 O形密封環(huán)截面短軸外徑尺寸Tab. 4 Outside diameter of section stub shaft of O-ring seal mm

圖10 1號(hào)試樣與2號(hào)試樣壓扁量Fig.10 Flattening degree of sample 1 and sample 2

2.3 綜合分析

由表3可知，1號(hào)試樣上沒有外側(cè)壓痕，且出現(xiàn)漏點(diǎn)，說明1號(hào)試樣段與頂蓋未形成有效接觸，O環(huán)密封環(huán)與密封槽之間的接觸不夠緊密，會(huì)對(duì)密封性能產(chǎn)生不利影響。

3～7號(hào)試樣的鍍銀層厚度滿足設(shè)計(jì)要求，但厚度不均勻。鍍銀層厚度均勻度越低，鍍銀層的塑性變形程度越不均勻，密封性能越差。壓痕處鍍層的表面粗糙度為0.325～0.506 μm，不滿足粗糙度Ra≤0.2 μm的設(shè)計(jì)要求。O形密封環(huán)壓痕處粗糙度越高，其與頂蓋密封槽接觸表面存在的微小空隙越大，冷卻介質(zhì)越容易發(fā)生泄漏。

在O形密封環(huán)中，鍍銀層直接與壓力容器頂蓋和筒體相接觸。其作用是彌補(bǔ)密封面表面的不平或微缺陷，提高密封性能。反應(yīng)堆冷卻介質(zhì)易在O形密封環(huán)與頂蓋密封槽的接觸表面間的微小空隙中流動(dòng)從而導(dǎo)致泄漏，鍍銀層質(zhì)量的好壞直接影響O形密封環(huán)的密封性能。而離漏點(diǎn)1 mm處的鍍銀層，表面大部分拋光痕已經(jīng)被浸蝕，離漏點(diǎn)10 mm處的鍍銀層則觀察到了密集的周向拋光痕，其形貌與漏點(diǎn)處的多孔形貌不同，但鍍銀層致密度稍差，表面存在少量孔隙和交叉紋路及徑向紋路的拋光痕。表明O形密封環(huán)漏點(diǎn)處呈現(xiàn)的多孔特征是由水流不斷浸蝕鍍銀層而形成的，而不是生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的。如果密封面存在大量交叉紋路或徑向紋路，很難通過O形密封環(huán)的塑性變形來阻斷泄漏通道[12]。

3 結(jié)論及建議

O形密封環(huán)與頂蓋密封槽接觸程度偏低，鍍銀層表面質(zhì)量較差，降低了密封可靠性，水流浸蝕鍍銀層導(dǎo)致O形密封環(huán)的泄漏。

建議結(jié)合該核電站的O形密封環(huán)的實(shí)際溝槽尺寸情況，對(duì)設(shè)計(jì)中要求的O形密封環(huán)截圓直徑的范圍重新進(jìn)行校核計(jì)算；同時(shí)加強(qiáng)鍍銀過程的質(zhì)量控制，嚴(yán)格把控鍍銀層質(zhì)量。