某核電站壓力容器O形密封環泄漏原因分析

(1. 中國核動力研究設計院 反應堆燃料及材料重點實驗室, 成都 610213；2. 中核核電運行管理有限公司, 嘉興 224000)

反應堆壓力容器是裝載堆芯、支撐堆內所有構件和容納一回路冷卻劑并維持其壓力的反應堆本體承壓殼體，并具備密封放射性、阻止裂變產物泄漏的功能[1]。反應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，通過主螺栓的拉伸壓縮密封環來實現密封，內環起到主密封作用，外環起到第二道安全屏障的作用。O形密封環的密封性能直接關系反應堆壓力容器的運行，進而影響整個核電站的運行。因此，核電站壓力容器中O形密封環屬于關鍵零件，其制造要求極高，尤其是外表質量將直接影響到核電設備的密封效果及核電站的安全性[2-3]。

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

某核電站在大修期間按規程更換新的O形密封環，在服役半個月后O形密封環出現泄漏，為找出該壓力容器O形密封環泄漏的原因，筆者對其進行了檢驗和分析，以期此類事故不再發生。

1 理化檢驗

1.1 化學成分分析

對O形密封環進行化學成分分析，結果見表1，可見該O形密封環的化學成分滿足設計要求。

1.2 尺寸分析

取4只O形密封環進行截圓外徑尺寸測量，結果見表2，其中3號O形密封環是本次發生泄露的環，4號O形密封環是發生泄漏后用來替換3號的O形密封環，1號和2號O形密封環是該核電廠大修期間按規程更換的內環，未發生泄漏。圖1為1～4號O形密封環鍍銀前后截圓外徑的極差對比圖，可見1號和2號O形密封環在鍍銀前后截圓外徑極差不變，均為0.01 mm。3號O形密封環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號和2號O形密封環鍍銀前后截圓外徑極差相差不大。說明1號和2號O形密封環的Inconel 718合金管及鍍銀層質量優于3號O形密封環的。

表1 O形密封環的化學成分(質量分數)Tab. 1 Chemical compositions of O-ring seal (mass fraction) %

表2 O形密封環截圓外徑尺寸測量結果Tab. 2 Measurement results of cutting circle outside diameter of O-ring seal mm

圖1 1～4號O形密封環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形密封環的泄漏原因，對3號O形密封環進行破壞性檢驗，沿O形密封環徑向進行切割并編號，試樣取樣位置及編號如圖2所示。1號試樣為O形密封環泄漏處，其上存在多處泄漏點；2號試樣為1號試樣對邊位置；3～7號試樣為O形密封環上隨機切取的5個管段。

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

圖3為O形密封環與頂蓋和筒體接觸示意圖，O形密封環在外部載荷作用下發生變形，其頂部和外側與頂蓋密封槽接觸、底部與筒體接觸后均會留下一道壓痕。1號試樣的頂部、外側和底部均發現有漏點，漏點呈放射狀，表面泛白，且不光滑，在壓痕處收攏，如圖4所示，漏點寬度約1 mm。2號試樣上未發現漏點。將1號試樣和2號試樣的宏觀形貌特征按壓痕形貌和是否泄漏進行歸納，結果見表3。2號試樣外側壓痕的形貌如圖5所示，壓痕寬度約2.7 mm。由表3可知，1號試樣上沒有外側壓痕，且出現漏點，說明1號試樣段與頂蓋未形成有效接觸，O環密封環與密封槽之間的接觸不夠緊密，會對密封性能產生不利影響。

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

表3 1號試樣和2號試樣的宏觀形貌對比Tab. 3 Macro morphology comparison between sample 1 and sample 2

圖4 1號試樣漏點宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of leakage point of sample 1

圖5 2號試樣壓痕宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of indentation of sample 2

1.4 硬度測試

在2號試樣上測試3個點，硬度分別為427, 417, 404 HV10，平均值為416 HV10。按照GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》進行換算，其抗拉強度約為1 335 MPa，滿足設計要求(≥1 138 MPa)。鍍銀層的硬度測試3個點，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，能有效防止螺栓預緊過程和服役過程中頂蓋密封槽因徑向錯動對密封面造成的劃傷。

1.5 鍍銀層質量分析

對3～7號試樣非壓痕處進行鍍銀層厚度測量和壓痕處粗糙度測量，結果如圖6所示。鍍銀層厚度為0.156～0.220 mm，滿足設計要求，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的設計要求。

圖6 O形密封環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為漏點的微觀形貌，可見漏點寬約0.5 mm，壓痕寬約1.2 mm，漏點全部位于鍍銀層內，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 漏點微觀形貌Fig.7 Micro morphology of leakage point

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

離漏點遠近不同，鍍銀層的表面形貌也不相同。圖9是離漏點約1 mm和10 mm處的鍍銀層形貌。因為鍍銀層出廠前經過了拋光處理，其形貌應為平直的拋光痕跡。而離漏點1 mm處的鍍銀層，表面大部分拋光痕跡已經被浸蝕；離漏點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

反應堆壓力容器的密封效果取決于O形密封環的回彈能力。回彈能力取決于壓縮率的大小，兩者成正比，合理的壓縮率由頂蓋密封槽的結構尺寸和O形密封環截面外徑所決定，如下式

(1)

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

如果壓縮率過大，會引起O形密封環的塌陷從而降低密封性能；如果壓縮率過小，可能會導致密封面失效從而發生泄漏?，F場測量壓力容器上頂蓋內環密封槽深度為12.065～12.089 mm，而3號O形密封環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%。

國內一些學者對反應堆用金屬密封環進行了大量研究，勵行根等[4]采用壓縮-回彈試驗結合有限元法分析發現，O形密封環壓縮率為8.8%時回彈量大于0.33 mm，壓縮率為16%時回彈量大于0.38 mm；沈明學等[5]對Inconel 718合金O形密封環進行了有限元分析，結果表明O形密封環壓縮率控制在12%～16%可以達到較好的密封性能。

綜上分析，雖然O形密封環和頂蓋內環密封槽的尺寸均滿足設計要求，但兩者的上下偏差導致壓縮量偏低，低于該核電站《時效管子的壓縮試驗》初始壓縮量8%的試驗要求，從而達不到回彈量應大于等于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形密封環的截面外徑與壓扁并釋放載荷后O形密封環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形密封環的截面短軸外徑；d為O形密封環原始截圓外徑。

對1號試樣和2號試樣進行O形密封環截面短軸外徑尺寸測量，結果見表4，結合3號O形密封環的d值為13.13～13.18 mm，計算出1號試樣和2號試樣的壓扁量，如圖10所示?？梢奜形密封環1號試樣壓扁量為(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號試樣的鍍銀層塑性變形優于1號試樣的，表明O形密封環泄漏段與頂蓋密封槽的接觸不均勻。

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

圖10 1號試樣與2號試樣壓扁量Fig.10 Flattening degree of sample 1 and sample 2

2.3 綜合分析

由表3可知，1號試樣上沒有外側壓痕，且出現漏點，說明1號試樣段與頂蓋未形成有效接觸，O環密封環與密封槽之間的接觸不夠緊密，會對密封性能產生不利影響。

3～7號試樣的鍍銀層厚度滿足設計要求，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的設計要求。O形密封環壓痕處粗糙度越高，其與頂蓋密封槽接觸表面存在的微小空隙越大，冷卻介質越容易發生泄漏。

在O形密封環中，鍍銀層直接與壓力容器頂蓋和筒體相接觸。其作用是彌補密封面表面的不平或微缺陷，提高密封性能。反應堆冷卻介質易在O形密封環與頂蓋密封槽的接觸表面間的微小空隙中流動從而導致泄漏，鍍銀層質量的好壞直接影響O形密封環的密封性能。而離漏點1 mm處的鍍銀層，表面大部分拋光痕已經被浸蝕，離漏點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形密封環漏點處呈現的多孔特征是由水流不斷浸蝕鍍銀層而形成的，而不是生產過程中產生的。如果密封面存在大量交叉紋路或徑向紋路，很難通過O形密封環的塑性變形來阻斷泄漏通道[12]。

3 結論及建議

O形密封環與頂蓋密封槽接觸程度偏低，鍍銀層表面質量較差，降低了密封可靠性，水流浸蝕鍍銀層導致O形密封環的泄漏。

建議結合該核電站的O形密封環的實際溝槽尺寸情況，對設計中要求的O形密封環截圓直徑的范圍重新進行校核計算；同時加強鍍銀過程的質量控制，嚴格把控鍍銀層質量。