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        重要廠用水系統(tǒng)管道橡膠襯里脫落原因分析

        2014-11-28 02:26:04孔全興趙萬祥蔣林中龍磊軍
        合成材料老化與應(yīng)用 2014年4期
        關(guān)鍵詞:襯里膠管法蘭

        孔全興,趙萬祥,蔣林中,龍磊軍

        (1 蘇州熱工研究院有限公司,江蘇蘇州215004;2 福建寧德核電有限公司,福建寧德355209)

        1 概述

        國內(nèi)某核電站SEC 系統(tǒng)為重要廠用水系統(tǒng),通過設(shè)備冷卻水系統(tǒng)(RRI)熱交換器與核島交換熱量,用于在正常和事故工況下把安全相關(guān)構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件來的熱量輸送到海水,實現(xiàn)冷卻功能。SEC 系統(tǒng)是QSR 系統(tǒng),管道設(shè)備為RCCM 3 級,具有抗震要求[1]。

        在機組第一次大修期間,工作人員檢查發(fā)現(xiàn)N1SEC009VE 下游管道內(nèi)部襯膠大面積脫落,脫落面積達4.2m ×0.95m。襯膠脫落處以009VE 連接彎頭與下游直管段法蘭處為起點,向下游延伸,襯膠脫落處裸露鋼管表面布滿腐蝕產(chǎn)物(見圖1)。維修人員對腐蝕部位打磨除銹后,確認腐蝕部位整體減薄,已不滿足管道強度要求。由于SEC 管道為核安全相關(guān)設(shè)備,運行期間襯膠脫落可能引起系統(tǒng)堵塞、管道腐蝕穿孔,導致系統(tǒng)不可用,該事件被定義為核電站電站運行事件(IOE 事件)。本文通過對橡膠襯里脫落部位現(xiàn)場調(diào)查、設(shè)計資料查詢、膠板成分及性能分析等方法詳細探討了橡膠襯里脫落的原因。

        圖1 襯膠脫落后形貌Fig.1 Rubber lining morphology after fall off

        2 設(shè)備運行工況介紹

        SEC 系統(tǒng)有兩個獨立且實體隔離的回路,分為A、B 兩列,每列有兩臺SEC 泵,從循環(huán)水過濾系統(tǒng)(CFI)的旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)處取海水輸送至核島廠房RRI/SEC 換熱器,實現(xiàn)換熱功能。輸送海水的管道有碳鋼襯膠管道和陰極保護管道。碳鋼襯膠管道材料為P265GH,設(shè)計壁厚DN700mm,內(nèi)襯厚度為4mm的氯丁橡膠板,系統(tǒng)運行參數(shù)見表1。

        表1 1SEC009VE 襯膠管道設(shè)計參數(shù)Table 1 1SEC009VE rubber lining pipeline design parameters

        該襯膠從建造至今約有3.5年的歷史,由于管道安裝后沒有進行拆卸過,因而,該襯膠管道運行期間沒有進行過相關(guān)檢查。

        3 橡膠襯里的檢測與分析

        3.1 外觀形貌分析

        對1SEC009VE 下游脫落的襯膠管各部位進行了詳細的宏觀檢查和檢測,結(jié)果如下:

        (1)膠板從法蘭面開始,沿兩側(cè)搭接縫成整體脫落狀,長4.2m、寬0.95m;

        (2)膠板與法蘭連接部位有明顯翻邊痕跡,翻邊約1mm ~10mm,且翻邊部位有10 處開裂(見圖2)。

        3.2 硬度及厚度檢測

        對脫落的襯膠板及現(xiàn)場未脫落的膠板,分別用S-10 型磁性測厚儀和LX-A 型硬度計測量各區(qū)域的厚度和硬度值,檢測結(jié)果見表2。

        圖2 脫落襯膠形貌Fig.2 Loss rubber lining morphology

        表2 襯膠管各部位襯膠層厚度和硬度Table 2 Lining thickness and hardness for each part of the lining rubber

        由表2 檢測結(jié)果,可得到以下結(jié)論:

        (1)脫落的襯膠板與未脫落的襯膠板硬度和厚度基本相同,均在72 ~80(邵氏A)之間,厚度在3.6 ~3.7(mm)之間。

        (2)脫落的膠板與未脫落的膠板硬度均大于施工驗收標準,可能因為橡膠襯里有過硫化現(xiàn)象。厚度略小于施工驗收標準。

        3.3 成分分析

        根據(jù)GB/T 6040-2002《紅外光譜分析方法通則》對脫落襯膠進行材料成分分析。檢測結(jié)果表明,主要成分為氯丁橡膠(見圖3),檢測結(jié)果與設(shè)計文件[2]一致。

        3.4 力學性能分析

        根據(jù)GB/T 528-2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》對脫落襯膠進行力學性能分析。檢測結(jié)果表明,脫落襯膠拉伸強度均值為9.46MPa、斷裂伸長率均值為543%(見表3)。檢測結(jié)果與出廠設(shè)計[2]基本一致,其斷裂伸長率有所下降,即橡膠彈性有所下降。

        圖3 成分檢測Fig.3 Component testing

        表3 力學性能檢測Table 3 Mechanical properties testing

        4 襯膠脫落的幾種因素

        該襯膠管道所處的環(huán)境介質(zhì)為海水,腐蝕性較強,采用內(nèi)部襯膠的方法,達到防腐蝕的目的。這種襯膠防腐工藝在核電廠海水環(huán)境中已獲廣泛應(yīng)用,起到了很好的防腐效果,從國內(nèi)外經(jīng)驗反饋來看,沒有發(fā)現(xiàn)橡膠襯里在設(shè)計壽命內(nèi)出現(xiàn)大面積脫落的情況。下面就可能造成的橡膠襯里脫落的原因進行分析。

        4.1 襯膠管道自然老化

        查詢施工資料,該襯膠管道為2010年4月在工廠襯膠完成,實際服役時間小于4年,一般氯丁橡膠使用年限在20年以上。從現(xiàn)場襯膠的形貌、成分性能檢測數(shù)據(jù)與施工驗收要求標準來看,判斷襯膠隨服役期限增加逐漸開始老化,但均在正常的范圍內(nèi),判斷膠板老化造成襯膠脫落的可能性較低。

        4.2 橡膠襯里法蘭面施工設(shè)計不合理

        根據(jù)出廠文件及現(xiàn)場檢查情況可知,管道采用4mm 氯丁橡膠,法蘭處先用2mm 氯丁膠打底,管內(nèi)壁4mm 膠板翻邊覆蓋,法蘭面再用2mm 膠板蓋面并翻邊,其襯膠施工結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。法蘭處實際為3層膠板相互搭接,且法蘭拐角處搭接縫重疊而成。

        圖4 管道設(shè)計示意圖Fig.4 Pipe design sketch

        根據(jù)脫落的橡膠襯里形貌,膠板在法蘭面部位有明顯翻邊壓痕,膠板邊緣處為平整的機械切割,且存在10 余條裂紋。對脫落襯膠板的測量,發(fā)現(xiàn)膠板在法蘭面翻邊只有1mm ~10mm,局部只有0.5mm,幾乎無翻邊痕跡(見圖2)。根據(jù)HG/T 20677-1990 規(guī)定可知,多層襯膠時,相鄰橡膠層的搭接縫應(yīng)錯開,一般不得少于100mm,而且在設(shè)備轉(zhuǎn)角處搭接寬度應(yīng)為30mm ~50mm[3]。這說明脫落襯膠施工結(jié)構(gòu)存在明顯的不合理性。

        4.3 由于施工質(zhì)量原因造成的失效

        橡膠襯里管道制作過程為:管道預(yù)制→基體噴砂→刷膠漿→粘貼膠板→硫化→成品。這些中間過程出現(xiàn)問題可能導致膠版與管道粘貼結(jié)合力不強,在海水沖刷作用下,導致襯膠脫落[4]。檢查工程監(jiān)造記錄,未發(fā)現(xiàn)質(zhì)量缺陷,檢查現(xiàn)場未脫落膠板,無異常情況,判斷襯膠膠板除法蘭面翻邊過短缺陷外,無其他質(zhì)量缺陷,由襯膠施工質(zhì)量缺陷原因造成襯膠脫落的可能性較低。

        4.4 法蘭密封面受力

        在管道安裝期間法蘭面受到壓應(yīng)力,若安裝不規(guī)范,可能導致法蘭面襯膠局部受力,造成襯膠從法蘭翻邊搭接處開裂。另外,在服役過程中,法蘭密封面襯膠長期受到壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的作用,膠鏈在機械應(yīng)力的情況下比較容易斷裂,且彎頭處海水沖擊力較大,易導致法蘭面襯膠開裂[5]。法蘭面襯膠開裂后,海水對襯膠沖刷,導致襯膠沿水流方向逐漸脫落。從脫落襯膠外觀形貌分析,除法蘭面外,襯膠板無其他缺陷,懷疑襯膠受壓應(yīng)力導致法蘭面多層襯膠搭接處開裂的可能性較大。

        4.5 海水沖刷使襯膠脫落

        通過對現(xiàn)場的調(diào)查發(fā)現(xiàn),膠板脫落方向沿海水水流方向,可以判斷系統(tǒng)運行期間膠板脫落面積隨海水沖刷逐漸增加。另一方面,SEC 系統(tǒng)管道內(nèi)海水介質(zhì)存在大量泥沙,管道內(nèi)表面粘接較多海生物,這些雜物增加了海水對襯膠管的沖刷作用,促進了襯膠板開裂及脫落的速度。

        5 原因分析及結(jié)論

        通過前文的外觀檢查、成分及性能檢測及分析可知,脫落襯膠未發(fā)生明顯減薄、各性能基本符合設(shè)計要求,無明顯自然老化的現(xiàn)象。通過對襯膠脫落影響因素的討論,可以確定,襯膠脫落起源于管道法蘭拐角襯膠搭接縫處,其脫落原因可能是由于法蘭處襯膠施工結(jié)構(gòu)不合理及搭接寬度不夠,在自身內(nèi)應(yīng)力、安裝及服役期間壓應(yīng)力、海水沖刷等因素的作用下發(fā)生襯膠開裂,在海水持續(xù)作用下管內(nèi)膠板發(fā)生大面積脫落。1SEC009VE 下游管道內(nèi)部襯膠脫落原因邏輯推理圖見圖5。

        圖5 襯膠脫落原因邏輯推理圖Fig.5 Rubber lining deciduous causes logic diagram

        通過以上對失效樣品的檢測分析及失效原因的分析討論,可得到導致1SEC009VE 下游橡膠襯里脫落的原因為:

        (1)根本原因:襯膠管道的設(shè)計缺陷為,管道法蘭面存在多層襯膠搭接,但襯膠搭接較短,不符合標準要求。

        (2)促進因素:在安裝服役過程中,在襯膠自身內(nèi)應(yīng)力、法蘭密封處安裝壓應(yīng)力的作用下,導致法蘭面橡膠襯里開裂。系統(tǒng)運行期間隨海水持續(xù)沖刷,襯膠沿水流方向逐漸脫落。

        [1]重要廠用水系統(tǒng)(SEC)設(shè)計手冊(SDM)[內(nèi)部資料].

        [2]ABX45400003X4DB04GN. 核島碳鋼管道預(yù)制工程制造及檢查流程,[內(nèi)部資料].

        [3]HG/T 20677-1990,橡膠襯里化工設(shè)備[S]. 1991.

        [4]陳文進. 橡膠襯里工藝及質(zhì)量控制[J]. 化工與材料,2011,6:25-26.

        [5]趙萬祥. 大亞灣核電站核島應(yīng)急生水系統(tǒng)襯膠短管失效原因分析[J]. 大亞灣核電,2008,12:44-46.

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