核电厂气动阀隔膜失效性能分析

赵鹏宇　孙黎

【摘 要】气动阀门是核电厂常用的一类重要阀门，随着其使用不可避免的会发生失效故障，本研究依托于某核电厂实际发生的气动阀隔膜失效问题，以宏观机械性能测试、材料成分分析和失效断口形貌分析相结合的手段，对隔膜失效问题进行研究。通过研究发现，核电厂用气动阀隔膜的基体材料选用氟橡胶，并将增强纤维编织层设置在隔膜橡胶层的最底部能够起到更好的隔膜增强效果，降低失效风险。

【关键字】核电厂气动阀隔膜;隔膜失效;氟橡胶;乙丙橡胶;增强纤维编织层

中图分类号： TM623文献标识碼： A 文章编号： 2095-2457（2019）28-0078-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.28.031

0 概述

气动阀隔膜是影响核电厂气动阀安全稳定性的一项重要部件。本研究依托于某核电厂实际发生的气动阀隔膜失效问题，以宏观机械性能测试、材料成分分析和失效断口形貌分析相结合的手段，对隔膜失效问题进行研究。某核电机组在其投运初期的小修期间发现了部分气动阀存在漏气现象，更换后，部分新隔膜在保压试验过程中发生破裂，另有部分隔膜在更换后不久也发生了明显的功能失效。研究人员对电厂发生失效的气动隔膜阀进行了取样和测试，测试项目包括机械性能测试和成分分析测试两大部分，具体试验内容包括：红外光谱分析、拉伸性能测试、硬度测试、静态压缩永久变形率测试等。本项目开展上述一系列试验的目的是通过对宏观机械性能测试和成分测试结果的分析获得反映材料本身特性的基本信息，借助基本信息的整合，对气动阀隔膜失效进行综合性诊断。

1 实验

1.1 隔膜样本基本信息

隔膜样本共计6片（2mm和3mm厚度样本各3片），按照隔膜实际使用情况，我们对6个隔膜样本进行了编号。其中F1、F2、F3是大修更换前使用的气动阀旧隔膜;N1、N2、N3是更换后仍发生失效的新隔膜，前后两个批次的隔膜在外观材质上有着明显的区别，F1、F2、F3隔膜厚度为3mm;N1、N2、N3隔膜厚度为2mm。两批隔膜基本结构都是橡胶基体加增强纤维织物，F1、F2、F3隔膜样本的增强纤维编织层在隔膜橡胶层的最底部，而N1、N2、N3样本的编制层分布在橡胶层中间，两类隔膜的基体材料成分不同，各项结构和材料的差异导致了材料性能的差异。

1.2 失效样本材料性能试验

本项目针对两类隔膜样本开展橡胶成分分析、机械性能测试和断口形貌观察。通过对两种不同批次的织物纤维增强橡胶隔膜材料进行傅里叶红外光谱测试，分析材料的橡胶材质;通过拉伸试验、硬度测试和压缩测试等方法，获取材料的基本力学性能。此外，本项目还借助扫描电镜对失效样本的材料断口进行观测，通过断口形貌进一步分析隔膜开裂失效原因。

鉴于两种批次样本质地上的显著差别，试验中将着重对两类样本进行对比分析。此外，考虑到失效位置不同，在进行测试时，针对每个失效隔膜都分别在底部和侧面两处进行取样。

2 测试结果

2.1 红外光谱分析及动态机械性能分析

图1的F1、F2、F3隔膜样品的红外光谱中，存在着甲基的不对称伸缩振动吸收峰，亚甲基的不对称、对称伸缩振动吸收峰，羰基伸缩振动吸收峰，不饱和双键的C-C伸缩振动吸收峰，不饱和C=C双键上的C-H的面内弯曲振动吸收峰，Si-O-Si伸缩振动吸收峰，及些硝基化合物特征峰。通过红外谱图库检索对比，还发现该特征峰中存在大量的类似聚乙烯链段、长链烷烃和羰基（1714cm-1）等物质，且前者匹配值可达70%，没有明显的苯环、-CN、不饱和双键等基团吸收峰，结合橡胶材料其它性能的分析，判断应为乙丙橡胶或其改性胶的一种。

图2的N1、N2、N3隔膜样品的红外光谱中，存在着N-H的伸缩振动吸收峰，羟基的伸缩振动吸收峰，亚甲基的不对称、对称伸缩振动吸收峰，亚甲基的变形振动吸收峰，C-F的伸缩振动吸收，羰基伸缩振动吸收峰，硝基化合物的特征谱代。通过红外谱图库的检索对比，还发现特征峰中均含有类似2-氟代乙醇的结构，同时还有炭黑及类似低密度PE的链段特征峰的出现，判断该类似结构的橡胶材料应为氟橡胶或其改性胶的一种。

2.2 拉伸性能及硬度测试

F1、F2、F3隔膜样品的拉伸性能测试结果显示，样本老化后材料的断裂伸长率降低率约为25%，硬度无显著变化。N1、N2、N3隔膜样品的拉伸性能测试结果显示。样本在老化后材料的断裂伸长率降低率约为30%，硬度升高率约为10%。

2.3 扫描电镜（SEM）测试

从图3与图4对比可知，N1失效样板断面纤维被直接拔出留下的孔洞，并且拔出纤维的表面只有极少量的橡胶黏附物，纤维增强材料与橡胶基体之间的相互作用紧密程度不足，两种材质之间的粘结效果欠佳。由此推断，N1隔膜样品中的纤维增强项没有充分发挥出增强材料的性能提升效果。

3 结论

通过对成分分析和性能测试试验结果的分析，本项目得到如下结果：

（1）通过傅里叶红外光谱分析和动态机械性能分析结果可知，新旧两批隔膜的橡胶材料基底成分存在较大的差异。从拉伸数据上看，N1、N2、N3隔膜的断裂伸长率整体高于更换前的旧隔膜样本。经过老化处理（100℃，7d）后，新旧隔膜材料的断裂伸长率变化率基本都在25%左右，因此，从材料拉伸数据上分析，隔膜基体材料选用氟橡胶的效果预期更好。

（2）新旧两种隔膜样本都是由纤维增强橡胶材料制备而成，旧隔膜样本的增强纤维编织层在隔膜橡胶层的最底部，而新更换样本的编制层分布在橡胶层中间。通过对新旧两种隔膜的断口扫描电镜观察可知，旧隔膜在发生开裂后，其断口处的增强相与橡胶之间仍保持着良好的附着关系;而新更换的隔膜在发生断裂后，其断口处的增强项与基体橡胶发生了明显的分离，并且在分离出的增强纤维上仅有少量橡胶基体材料残留，增强纤维无法起到良好的增强效果。

【参考文献】

[1]GB/T 6031-1998 硫化橡胶或热塑性橡胶硬度的测定.

[2]GB/T 528-2009 硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定.

[3]GB/T 3512-2014 硫化橡胶或热塑性橡胶热空气加速老化和耐热试验.

[4]GB/T 7759.1-2015 硫化橡胶或热塑性橡胶压缩永久变形的测定第1部分：在常温及高温条件下.