胡明磊徐 科姬盧東桂馨宇(.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 34300；.陜西恒星電力建設(shè)工程有限公司海鹽分公司，浙江 海鹽 34300）

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某核電廠安注電機空冷器橡膠墊片失效原因分析

胡明磊1徐 科1姬盧東2桂馨宇1
(1.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2.陜西恒星電力建設(shè)工程有限公司海鹽分公司，浙江 海鹽 314300）

摘 要：本文針對某核電廠安全注入系統(tǒng)電機空冷器處橡膠墊片失效導(dǎo)致漏水事件，通過傅里葉紅外光譜、熱失重、密度、硬度和拉伸等實驗對橡膠墊片進行分析。分析結(jié)果表明該橡膠類型為三元乙丙橡膠，在服役時間內(nèi)已存在一定程度的老化，墊片的老化失效導(dǎo)致漏水事件的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：橡膠墊片 漏水 三元乙丙 失效

0 前言

核電廠安全注入系統(tǒng)具有在發(fā)生失水或主蒸汽管道破裂時完成堆芯的應(yīng)急冷卻功能，其中的關(guān)鍵設(shè)備低壓安注(LHSI)泵用于向反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)注入冷卻水。某核電廠在日常巡檢時發(fā)現(xiàn)低壓安注泵的電機空冷器墊片處存在漏水現(xiàn)象，猜測漏水現(xiàn)象可能是由于橡膠墊片老化所引起的。

1.理化試驗

為了確定橡膠墊片的老化程度，對其進行了成分及性能分析。

1.1 傅立葉紅外光譜分析

采用NICOLET 6700型傅立葉紅外光譜儀對橡膠墊片進行紅外分析，參考標準《GB/T 6040-2002紅外光譜分析方法通則》。橡膠墊片的傅立葉紅外圖譜如圖1所示。在2918.45 cm-1和2848.85cm-1處為亞甲基（-CH2-）的伸縮振動峰， 1455.00 cm-1、1373.74 cm-1為亞甲基（-CH2-）和甲基（-CH3）的C-H變形振動峰，在 1148.35cm-1、880.91cm-1、761.76cm-1、717.70cm-1出現(xiàn)信號峰，根據(jù)譜圖庫檢索，得出此樣品主要成分為三元乙丙橡膠。

1.2 熱失重分析

采用Q500型熱重分析儀對樣品進行熱失重分析，氣氛初始為氮氣，后期改為氧氣，參考標準《GB/ T 14837.1-2014橡膠和橡膠制品熱重分析法測定硫化膠和未硫化膠的成分第1部分：丁二烯橡膠、乙烯-丙烯二元和三元共聚物、異丁烯-異戊二烯橡膠、異戊二烯橡膠、苯乙烯-丁二烯橡膠》。橡膠墊片的熱失重曲線如圖2所示。在100-300℃ 溫度區(qū)間內(nèi)失重18.17%，是由樣品中的揮發(fā)性組分所致，350-550℃溫度區(qū)間內(nèi)重量失去35.75%，是由內(nèi)部有機物分解所引起，之后氣氛改為氧氣，再次升溫至650℃ ，失去重量43.02%，該部分為炭黑含量，最后剩余殘余灰分3.006%。

圖1 傅立葉紅外光譜

圖2 熱失重曲線

1.3 密度測試

利用阿基米德排水法，采用XS205Du型電子天平對樣品進行了密度測試，參考標準《GB/T 533-2008 硫化橡膠或熱塑性橡膠密度的測定（A法）》。測試兩次結(jié)果為1.179g/cm3和1.181 g/cm3，取平均值得1.180 g/cm3。

1.4 硬度測試

采用DigitestⅡ型多功能邵氏硬度計對樣品進行硬度測試，參考標準《DIN EN ISO 868 DIN ISO 7619，ASTM D 2240 NFT51-174,BS903 Part.A 26》。硬度測試結(jié)果為76.4。

1.5 拉伸試驗

采用CMT6203型電子萬能材料試驗機進行拉伸實驗，參考標準《GB/T 2951.11-2008電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法第11部分通用試驗方法—厚度和外形尺寸測量—機械性能試驗》。結(jié)果顯示抗張強度為12.75MPa，斷裂伸長率為212.54%。

3.分析與討論

通過對橡膠墊片的紅外光譜分析，根據(jù)譜圖庫檢索，得出該橡膠墊片的主要成分為三元乙丙橡膠。

三元乙丙橡膠主鏈由化學性能穩(wěn)定的飽和烴組成，僅在側(cè)鏈中含不飽和雙鍵，故基本上屬于一種飽和型橡膠。由于分子結(jié)構(gòu)內(nèi)無極性取代基，分子間內(nèi)聚能低，故分子鏈可在較寬的溫度范圍內(nèi)保持柔順性。乙丙橡膠的化學結(jié)構(gòu)使其硫化制品具有獨特的性能[1]。

三元乙丙橡膠在老化過程中，首先進行的反應(yīng)是氧化分解，其反應(yīng)方式如圖3所示。隨著老化時間的延長，乙丙橡膠的老化程度有所加深，其表面會出現(xiàn)一層粘稠物質(zhì)，氧化分解之后的橡膠老化方式具體可以分為兩種：一是表現(xiàn)在老化開始階段的鏈斷裂反應(yīng)，二是表現(xiàn)在老化后期的交聯(lián)反應(yīng)，其中第二步反應(yīng)占主導(dǎo)地位，致使橡膠變硬發(fā)脆，使橡膠失去本應(yīng)有的性能[1]。

熱失重實驗結(jié)果表明該橡膠墊片中含有揮發(fā)性組分18.17%，總有機物含量53.92%，炭黑含量為43.02%，結(jié)果殘余灰分占3.006%，各類組分含量均符合三元乙丙橡膠的標準，并無異?，F(xiàn)象。

圖3.氧化分解反應(yīng)方程

乙丙橡膠是一種密度較低的橡膠，其密度為0.87g/cm3[2]，該三元乙丙橡膠墊片作為電機空冷器的墊片，由于該墊片安裝在發(fā)電機空冷器處，受到一定的壓力壓迫，加之橡膠墊片在服役過程中存在一定的老化，已產(chǎn)生永久性變形，所以其密度有所增大，從原本的0.87 g/cm3增大至1.18 g/cm3，密度增大35.6%。

橡膠襯里在老化過程中，它的硬度在不同的老化階段各不相同，所以測量襯膠的硬度是評價橡膠襯里老化程度的一個重要參數(shù)。文獻中表明，隨著橡膠密封圈老化程度的加深，硬度呈上升趨勢。謝忠麟等人[3]針對三元乙丙橡膠進行了硬度測試，邵爾A型硬度為72，鄒向陽等人[4]將合成的三元乙丙橡膠與國外的該橡膠產(chǎn)品應(yīng)對做了對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)國外的三元乙丙橡膠產(chǎn)品的邵爾A型硬度為69，自己合成的硬度為68。綜上所述，三元乙丙橡膠的硬度均在70左右，本次實驗對該三元乙丙橡膠墊片做了硬度測試，結(jié)果為76.4，對比可知該墊片的橡膠已存在一定程度的老化，橡膠表面硬化，整體硬度已有略微上升。

因三元乙丙橡膠分子主鏈為飽和結(jié)構(gòu)而呈現(xiàn)出卓越的耐候性、耐臭氧、電絕緣、低壓縮永久變形、高強度和高伸長率等優(yōu)越性能，其應(yīng)用范圍極為廣泛，在密封條領(lǐng)域中，三元乙丙橡膠已成為主體材料。三元乙丙橡膠具備良好的抗張強度和斷裂伸長率，在發(fā)電機空冷器處作為墊片密封材料可以完全隔絕水介質(zhì)的流出。據(jù)文獻報道，無摻雜的三元乙丙橡膠的抗張強度在16.30～16.86MPa范圍內(nèi)，斷裂伸長率在306%～320%區(qū)間內(nèi)[5,6]。本次對發(fā)電機空冷器處橡膠墊片拉伸實驗結(jié)果表明該樣品的抗張強度為12.75MPa，斷裂伸長率為212.54%。對比橡膠原始的機械性能，抗張強度下降4MPa左右，斷裂伸長率下降近100%。由此可知，該三元乙丙橡膠墊片已經(jīng)老化，導(dǎo)致機械性能下降。

綜上所述，由于該墊片長期受到外力壓迫，產(chǎn)生永久變形，加之墊片長期服役，已產(chǎn)生一定程度的老化，機械性能有所下降，這一系列的因素導(dǎo)致了漏水現(xiàn)象的產(chǎn)生。

4.結(jié)論

通過對核電廠安注箱電機空冷器的橡膠墊片的理化試驗，得出以下結(jié)論：

（1）該墊片的橡膠類型為三元乙丙橡膠，主要成分無明顯異?，F(xiàn)象；

（2）橡膠墊片由于長期受外力壓迫，加之一定的老化，已產(chǎn)生永久變形，密度和硬度有所增大；

（3）橡膠墊片的抗張強度和斷裂伸長率下降，已老化失去原有的橡膠性能，導(dǎo)致電機空冷器處漏水。

參考文獻

[1] 李昂.橡膠的老化與壽命估算[J].橡膠的老化與壽命估算, 2009, 39(3):1-7.

[2] 包林康.乙丙橡膠基本性能和應(yīng)用[J].橡膠技術(shù)與裝備, 2006, 32(10): 32-36.

[3] 謝忠麟.丁晴橡膠/三元乙丙橡膠共混膠的特性及應(yīng)用[J].橡膠科技市場, 2008, 13:10-11.

[4] 鄒向陽.汽車密封條用乙丙橡膠的研究[J].研究與研發(fā), 2013, 23(5):46-48.

[5] 朱鵬剛.丁晴橡膠/乙丙橡膠并用膠性能的研究[J].原材料與配方, 2012, 38: 27-29.

[6] 方勝陽.納米氮化硅/三元乙丙橡膠復(fù)合材料的制備與性能[J].加工與應(yīng)用, 2010, 33(1): 60-63.

中圖分類號：TM31

文獻標識碼：A

DOI：10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2016.04.054.03

作者簡介：胡明磊（1982-），河南商丘人，碩士，工程師，研究方向：核電廠腐蝕與防護。

Cause Analysis of Rubber Gasket of Motor Air Coolerin Nuclear Power Plants

HU Ming-lei1,XU Ke1,JI Lu-dong2,GUI Xin-yu1
(1.CNNC Nuclear Power Operations Management Co., Ltd.Haiyan 314300, China; 2.Shan Xi Heng Xing Electric Power Construction Co., Ltd.Haiyan 314300, China)

Abstract：The rubber gasket of motor air cooler was failure and it caused water leakage.The FT-IR, Thermal Stability, Density, Hardness and tensile test were applied to analysis the properites of rubber gasket.The results showed that the type of rubber gasket was ethylene propylene diene monomer (EPDM).The mechanical properites were decreased in the service period.The failure of rubber gasket caused the water leakage of motor air cooler.

Keywords:rubber gasket; water leakage; EPDM; motor air cooler failuerd