核电厂海水蝶阀密封圈失效原因分析.pdf

TOTAL CORROSION CONTROLVOL.37 No.07 JUL.202338经验交流Experience Exchange技术核电厂海水蝶阀密封圈失效原因分析姬卢东1解东海1徐 科2徐 柱1肖调兵1（1.中核武汉核电运行技术股份有限公司，湖北 武汉 430223；2.中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300)摘 要：电厂维修人员在日常检修期间发现两台海水蝶阀密封不严，解体后发现其橡胶密封圈存在不同程度的撕裂。通过对失效橡胶密封圈及备件的宏观观察、材质鉴定、硬度测试、拉伸测试和压缩永久变形等分析手段，发现失效密封件为丁腈橡胶，橡胶本体已严重老化，对比新备件，拉伸性能和压缩永久变形各参数已下降，橡胶密封圈在阀门反复开关动作中受到挤压最终导致了开裂。关键词：橡胶密封圈老化开裂中图分类号：U641.3 文献标识码：A DOI：10.13726/ki.11-2706/tq.2023.07.038.04Failure Analysis of Seal Ring of Seawater Butterfly Valve in Nuclear Power PlantJI Lu-dong1,XIE Dong-hai1,XU Ke2,XU Zhu1,XIAO Tiao-bing1(1.China Nuclear Power Operation Technology Co.,Ltd.Wuhan 430223,China;2.CNNC Nuclear Power Operations Management Co.,Ltd.Haiyan 314300,China)Abstract:The maintenance personnel of the power plant found that the seals of the two seawater butterfly valves were not tight during daily maintenance.It found that their rubber seals were torn to varying degrees after disassembly.Through the macro observation,material identification,hardness test,tensile test and compression permanent deformation analysis of the failed rubber seal ring and spare parts,it was found that the failed seal was nitrile rubber,and the rubber body had been seriously aged.Compared with the new spare parts,the parameters of tensile properties and compression set had decreased.The rubber seal ring was squeezed during the repeated opening and closing action of the valve,which eventually led to cracking.Key words:rubber;sealing ring;aging;cracking作者简介：姬卢东(1989)，男，浙江嘉兴人，工程师，硕士，主要从事核电厂材料失效分析及腐蚀防护工作。0 引言本次失效部件为两台海水蝶阀的橡胶密封圈，电厂维修人员在检修工作中验证设备隔离时发现存在隔离不严情况，怀疑上游隔离阀存在泄漏，对上游两台海水蝶阀解体后发现其阀瓣密封圈存在多处撕裂破损。该阀门运行介质为海水，温度为常温，全面腐蚀控制第37卷第07期 2023年07月39经验交流Experience Exchange技术在日常运行过程中阀门开关频度较小，两台阀门的橡胶密封圈出现多处开裂破损。1 理化试验1.1 宏观观察对两个失效橡胶密封圈进行宏观观察，结果如图1所示。两条密封圈均出现了不同程度的破损，其失效模式大致可以分为两种：密封圈约有四分之一被撕裂，部分橡胶脱落，完全丧失密封作用，同时截面出现脆性分离，从截面观察为纯橡胶，内部无织物；在橡胶密封圈的局部区域侧边出现分层现象，说明橡胶密封圈为多层叠加组合而成。密封圈的个别螺栓孔存在变形，说明在运行过程中密封圈受到了挤压和拉扯。图1 橡胶密封圈破损形貌1.2 材质鉴定本次失效密封圈的主体材质为橡胶，为了确定其橡胶的种类，对其进行了傅里叶红外光谱测试，结果如图2所示。两个失效密封圈的红外结果一致，材质均为丁腈橡胶。从密封圈的橡胶材料来看，丁腈橡胶有耐海水腐蚀，气密性较好等特点，所以密封圈的选材合适。1.3 硬度测试硬度是橡胶的重要性能指标之一，针对本次失效的软胶丁腈橡胶，采用邵氏A硬度计进行失效密封圈和新备件的硬度测量，同时为对比常态和热老化后的硬度有无变化，依据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1标准在100oC条件下热老化70h处理后测量其硬度有无变化，测量结果如表1所示。常态下两个失效件的硬度为70和71，新备件硬度为72，三者硬度没有明显差别。经过热老化后，失效件硬度为73和72，新备件硬度为74，可以看出经过热老化后，邵氏硬度略有上升，但上升幅度不大。表1 邵氏硬度试结果状态1#失效密封圈2#失效密封圈新备件常态707172热老化后7372741.4 拉伸测试对两条失效密封圈和一个新备件密封圈取样进行拉伸测试，同时在100oC条件下热老化70h处理，对比其拉伸性能有无变化，结果如表2所示。从结果可知两个失效件和备件的拉伸强度分别为为12.3MPa、12.5MPa、16.5MPa，热老化后拉伸强度有略微上升，拉断伸长率分别为210%、200%、350%，热老化后拉断伸长率有所下降。新备件密封圈的断裂伸长率为350%，即说明此类丁腈橡胶的原始断裂伸长率为350%；服役后的1#密封圈的断裂伸长率仅为210%，是原始性能值的60%；2#密封圈的断裂伸长率仅为200%，是原始性能值的57%。一般情况下，以断裂伸长率原始性能值变化到50%作为材料的寿命终点2，上述现象说明两个失效密封圈已发生严重老化。图2 橡胶密封圈红外图谱TOTAL CORROSION CONTROLVOL.37 No.07 JUL.202340经验交流Experience Exchange技术1.5 压缩永久变形测试依据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对两个失效密封圈样品和新备件进行常温压缩永久变形（测试条件：度23oC，时间24h），结果如表3所示。两个失效密封圈橡胶材料的压缩永久变形值为3%和4%，备件密封圈的压缩永久变形值为9%。从测试结果看，服役后橡胶材料的压缩永久变形更小。表3 压缩永久变形测试结果序号样品测量结果（%）11#失效密封圈322#失效密封圈43新备件92 失效原因分析目前核电厂海水系统的阀门多数为蝶阀，蝶阀的密封作用主要依靠阀瓣一圈的橡胶材料。本次失效的两台蝶阀阀瓣密封圈是在检修过程中隔离不严发现的，其运行介质为海水，温度为常温，日常运行期间阀门为常开状态，只有在检修时涉及开关动作，整个服役期间阀门的开关频度较小。通过对两个失效橡胶密封圈的理化检验，宏观上橡胶密封圈表面存在撕裂和分层两种缺陷，螺栓孔由于运行期间被挤压撕扯存在一定的变形。通过傅里叶红外光谱测试发现其材质是丁腈橡胶，丁腈橡胶有耐海水腐蚀，密封性优良等特点，适用于海水系统中密封件材料，所以阀门密封圈的选材没问题，橡胶的硬度较备件而言没有发生明显的变化，未出现由于橡胶老化导致的材料硬化现象。拉伸测试发现失效件材料的抗拉强度较新备件而言下降幅度较大，且拉断伸长率也有不小的下降幅度，说明橡胶已老化严重，压缩永久变形测试较新备件而言也有较大的下降幅度，证实了橡胶材料存在老化这一结论。在现场检修过程中常用现场硬度检测的结果来评定橡胶的老化程度，常规的橡胶老化会导致橡胶硬度上升，所以通常会规定橡胶硬度的上限值来判定橡胶件是否需要更换3,4。本文中失效的橡胶密封圈硬度和原始硬度没有差别，但从材料硬度这一点不能判断出橡胶材料存在老化现象。橡胶材料的拉伸强度是用来表征胶料能够抵抗拉伸破坏的极限能力，是指试片拉伸至断裂时单位断面上所承受的负荷，目前普遍采用拉伸强度指标作为橡胶材料主要的物理机械性能标准，但缺点是需破坏取样。本文的两件失效件拉伸强度为12.3MPa、12.5MPa，仅为原始性能16.5MPa的74%和75%，拉伸强度指标下降严重，拉断伸长率为210%、200%，仅为原始性能的350%的60%和57%，从拉伸性能指标看橡胶材料已表2 拉伸测试结果序号样品状态拉伸强度（MPa）拉断伸长率（%）11#失效密封圈常态12.3210热老化后12.918022#失效密封圈常态12.5200热老化后12.91803新备件常态16.5350热老化后17.2270全面腐蚀控制第37卷第07期 2023年07月41经验交流Experience Exchange技术老化严重。橡胶材料的另一机械性能指标压缩永久变形，永久变形的大小主要由其弹性所决定，橡胶分子间的作用力、网络结构的变化或破坏、分子间的位移等因素均会影响材料的压缩永久变形。本文的失效件压缩永久变形为3%、4%，相同测试条件下新备件为9%，失效件的指标下降较为严重，进一步说明了材料老化这一结论5-7。结合上述测试结果可知橡胶材料的老化过程最先出现的拉伸性能的下降，之后才是硬度指标的变化，所以现场单靠硬度来判断橡胶材料是否出现老化这一做法是不严谨的。3 结语综上所述分析，海水蝶阀关闭是依靠挤压橡胶密封圈形成阀门的密封，密封圈橡胶材料经过长时间的服役其本体已经老化，各项力学性能指标已下降，最终导致密封圈出现开裂失效。参考文献1 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S.2 GB/T 20028-2005,硫化橡胶或热塑性橡胶应用阿累尼乌斯图推算寿命和最高使用温度S.3 张晓东,周权,张毅等.橡胶硬度和动环斜度对单金属密封性能的影响J.润滑与密封,2015,40(8):5.4 陈明华,吴向垒.橡胶硬度的本质探讨J.中国计量,2012(7):2.5 韩安伟,张希恒.供水闸阀用橡胶密封件的选型与设计J.阀门,2011(1):4.6 韩安伟,张希恒.供水阀门用橡胶密封件的检验与应用J.通用机械,2011.7 刘丰年.给水阀门橡胶件分类与选用J.给水排水,2012,38(006):105-109.阴保参数实时获取，发现问题可以及时进行纠正，对核安全级水工构筑物的安全运行有着里程碑式的意义。参考文献1 American Concrete Institute.ACI 201.2R-2016.Guide to durable concreteS.Farmington Hills,2016.2 中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构耐久性设计标准：GB/T 50476-2019S.北京:中国建筑工业出版社,2019.3 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