核電廠氣動閥隔膜失效性能分析

趙鵬宇　孫黎

【摘 要】氣動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發生失效故障，本研究依托于某核電廠實際發生的氣動閥隔膜失效問題，以宏觀機械性能測試、材料成分分析和失效斷口形貌分析相結合的手段，對隔膜失效問題進行研究。通過研究發現，核電廠用氣動閥隔膜的基體材料選用氟橡膠，并將增強纖維編織層設置在隔膜橡膠層的最底部能夠起到更好的隔膜增強效果，降低失效風險。

【關鍵字】核電廠氣動閥隔膜;隔膜失效;氟橡膠;乙丙橡膠;增強纖維編織層

中圖分類號： TM623文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）28-0078-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.28.031

0 概述

氣動閥隔膜是影響核電廠氣動閥安全穩定性的一項重要部件。本研究依托于某核電廠實際發生的氣動閥隔膜失效問題，以宏觀機械性能測試、材料成分分析和失效斷口形貌分析相結合的手段，對隔膜失效問題進行研究。某核電機組在其投運初期的小修期間發現了部分氣動閥存在漏氣現象，更換后，部分新隔膜在保壓試驗過程中發生破裂，另有部分隔膜在更換后不久也發生了明顯的功能失效。研究人員對電廠發生失效的氣動隔膜閥進行了取樣和測試，測試項目包括機械性能測試和成分分析測試兩大部分，具體試驗內容包括：紅外光譜分析、拉伸性能測試、硬度測試、靜態壓縮永久變形率測試等。本項目開展上述一系列試驗的目的是通過對宏觀機械性能測試和成分測試結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，對氣動閥隔膜失效進行綜合性診斷。

1 實驗

1.1 隔膜樣本基本信息

隔膜樣本共計6片（2mm和3mm厚度樣本各3片），按照隔膜實際使用情況，我們對6個隔膜樣本進行了編號。其中F1、F2、F3是大修更換前使用的氣動閥舊隔膜;N1、N2、N3是更換后仍發生失效的新隔膜，前后兩個批次的隔膜在外觀材質上有著明顯的區別，F1、F2、F3隔膜厚度為3mm;N1、N2、N3隔膜厚度為2mm。兩批隔膜基本結構都是橡膠基體加增強纖維織物，F1、F2、F3隔膜樣本的增強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，各項結構和材料的差異導致了材料性能的差異。

1.2 失效樣本材料性能試驗

本項目針對兩類隔膜樣本開展橡膠成分分析、機械性能測試和斷口形貌觀察。通過對兩種不同批次的織物纖維增強橡膠隔膜材料進行傅里葉紅外光譜測試，分析材料的橡膠材質;通過拉伸試驗、硬度測試和壓縮測試等方法，獲取材料的基本力學性能。此外，本項目還借助掃描電鏡對失效樣本的材料斷口進行觀測，通過斷口形貌進一步分析隔膜開裂失效原因。

鑒于兩種批次樣本質地上的顯著差別，試驗中將著重對兩類樣本進行對比分析。此外，考慮到失效位置不同，在進行測試時，針對每個失效隔膜都分別在底部和側面兩處進行取樣。

2 測試結果

2.1 紅外光譜分析及動態機械性能分析

圖1的F1、F2、F3隔膜樣品的紅外光譜中，存在著甲基的不對稱伸縮振動吸收峰，亞甲基的不對稱、對稱伸縮振動吸收峰，羰基伸縮振動吸收峰，不飽和雙鍵的C-C伸縮振動吸收峰，不飽和C=C雙鍵上的C-H的面內彎曲振動吸收峰，Si-O-Si伸縮振動吸收峰，及些硝基化合物特征峰。通過紅外譜圖庫檢索對比，還發現該特征峰中存在大量的類似聚乙烯鏈段、長鏈烷烴和羰基（1714cm-1）等物質，且前者匹配值可達70%，沒有明顯的苯環、-CN、不飽和雙鍵等基團吸收峰，結合橡膠材料其它性能的分析，判斷應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的伸縮振動吸收峰，羥基的伸縮振動吸收峰，亞甲基的不對稱、對稱伸縮振動吸收峰，亞甲基的變形振動吸收峰，C-F的伸縮振動吸收，羰基伸縮振動吸收峰，硝基化合物的特征譜代。通過紅外譜圖庫的檢索對比，還發現特征峰中均含有類似2-氟代乙醇的結構，同時還有炭黑及類似低密度PE的鏈段特征峰的出現，判斷該類似結構的橡膠材料應為氟橡膠或其改性膠的一種。

2.2 拉伸性能及硬度測試

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

2.3 掃描電鏡（SEM）測試

從圖3與圖4對比可知，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，纖維增強材料與橡膠基體之間的相互作用緊密程度不足，兩種材質之間的粘結效果欠佳。由此推斷，N1隔膜樣品中的纖維增強項沒有充分發揮出增強材料的性能提升效果。

3 結論

通過對成分分析和性能測試試驗結果的分析，本項目得到如下結果：

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

（2）新舊兩種隔膜樣本都是由纖維增強橡膠材料制備而成，舊隔膜樣本的增強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。通過對新舊兩種隔膜的斷口掃描電鏡觀察可知，舊隔膜在發生開裂后，其斷口處的增強相與橡膠之間仍保持著良好的附著關系;而新更換的隔膜在發生斷裂后，其斷口處的增強項與基體橡膠發生了明顯的分離，并且在分離出的增強纖維上僅有少量橡膠基體材料殘留，增強纖維無法起到良好的增強效果。

【參考文獻】

[1]GB/T 6031-1998 硫化橡膠或熱塑性橡膠硬度的測定.

[2]GB/T 528-2009 硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應力應變性能的測定.

[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.

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