某核电厂安注电机空冷器橡胶垫片失效原因分析

胡明磊徐 科姬卢东桂馨宇(.中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 34300；.陕西恒星电力建设工程有限公司海盐分公司，浙江 海盐 34300）



某核电厂安注电机空冷器橡胶垫片失效原因分析

胡明磊1徐 科1姬卢东2桂馨宇1
(1.中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300；2.陕西恒星电力建设工程有限公司海盐分公司，浙江 海盐 314300）

摘 要：本文针对某核电厂安全注入系统电机空冷器处橡胶垫片失效导致漏水事件，通过傅里叶红外光谱、热失重、密度、硬度和拉伸等实验对橡胶垫片进行分析。分析结果表明该橡胶类型为三元乙丙橡胶，在服役时间内已存在一定程度的老化，垫片的老化失效导致漏水事件的产生。

关键词：橡胶垫片 漏水 三元乙丙 失效

0 前言

核电厂安全注入系统具有在发生失水或主蒸汽管道破裂时完成堆芯的应急冷却功能，其中的关键设备低压安注(LHSI)泵用于向反应堆冷却剂系统注入冷却水。某核电厂在日常巡检时发现低压安注泵的电机空冷器垫片处存在漏水现象，猜测漏水现象可能是由于橡胶垫片老化所引起的。

1.理化试验

为了确定橡胶垫片的老化程度，对其进行了成分及性能分析。

1.1 傅立叶红外光谱分析

采用NICOLET 6700型傅立叶红外光谱仪对橡胶垫片进行红外分析，参考标准《GB/T 6040-2002红外光谱分析方法通则》。橡胶垫片的傅立叶红外图谱如图1所示。在2918.45 cm-1和2848.85cm-1处为亚甲基（-CH2-）的伸缩振动峰， 1455.00 cm-1、1373.74 cm-1为亚甲基（-CH2-）和甲基（-CH3）的C-H变形振动峰，在 1148.35cm-1、880.91cm-1、761.76cm-1、717.70cm-1出现信号峰，根据谱图库检索，得出此样品主要成分为三元乙丙橡胶。

1.2 热失重分析

采用Q500型热重分析仪对样品进行热失重分析，气氛初始为氮气，后期改为氧气，参考标准《GB/ T 14837.1-2014橡胶和橡胶制品热重分析法测定硫化胶和未硫化胶的成分第1部分：丁二烯橡胶、乙烯-丙烯二元和三元共聚物、异丁烯-异戊二烯橡胶、异戊二烯橡胶、苯乙烯-丁二烯橡胶》。橡胶垫片的热失重曲线如图2所示。在100-300℃ 温度区间内失重18.17%，是由样品中的挥发性组分所致，350-550℃温度区间内重量失去35.75%，是由内部有机物分解所引起，之后气氛改为氧气，再次升温至650℃ ，失去重量43.02%，该部分为炭黑含量，最后剩余残余灰分3.006%。

图1 傅立叶红外光谱

图2 热失重曲线

1.3 密度测试

利用阿基米德排水法，采用XS205Du型电子天平对样品进行了密度测试，参考标准《GB/T 533-2008 硫化橡胶或热塑性橡胶密度的测定（A法）》。测试两次结果为1.179g/cm3和1.181 g/cm3，取平均值得1.180 g/cm3。

1.4 硬度测试

采用DigitestⅡ型多功能邵氏硬度计对样品进行硬度测试，参考标准《DIN EN ISO 868 DIN ISO 7619，ASTM D 2240 NFT51-174,BS903 Part.A 26》。硬度测试结果为76.4。

1.5 拉伸试验

采用CMT6203型电子万能材料试验机进行拉伸实验，参考标准《GB/T 2951.11-2008电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法第11部分通用试验方法—厚度和外形尺寸测量—机械性能试验》。结果显示抗张强度为12.75MPa，断裂伸长率为212.54%。

3.分析与讨论

通过对橡胶垫片的红外光谱分析，根据谱图库检索，得出该橡胶垫片的主要成分为三元乙丙橡胶。

三元乙丙橡胶主链由化学性能稳定的饱和烃组成，仅在侧链中含不饱和双键，故基本上属于一种饱和型橡胶。由于分子结构内无极性取代基，分子间内聚能低，故分子链可在较宽的温度范围内保持柔顺性。乙丙橡胶的化学结构使其硫化制品具有独特的性能[1]。

三元乙丙橡胶在老化过程中，首先进行的反应是氧化分解，其反应方式如图3所示。随着老化时间的延长，乙丙橡胶的老化程度有所加深，其表面会出现一层粘稠物质，氧化分解之后的橡胶老化方式具体可以分为两种：一是表现在老化开始阶段的链断裂反应，二是表现在老化后期的交联反应，其中第二步反应占主导地位，致使橡胶变硬发脆，使橡胶失去本应有的性能[1]。

热失重实验结果表明该橡胶垫片中含有挥发性组分18.17%，总有机物含量53.92%，炭黑含量为43.02%，结果残余灰分占3.006%，各类组分含量均符合三元乙丙橡胶的标准，并无异常现象。

图3.氧化分解反应方程

乙丙橡胶是一种密度较低的橡胶，其密度为0.87g/cm3[2]，该三元乙丙橡胶垫片作为电机空冷器的垫片，由于该垫片安装在发电机空冷器处，受到一定的压力压迫，加之橡胶垫片在服役过程中存在一定的老化，已产生永久性变形，所以其密度有所增大，从原本的0.87 g/cm3增大至1.18 g/cm3，密度增大35.6%。

橡胶衬里在老化过程中，它的硬度在不同的老化阶段各不相同，所以测量衬胶的硬度是评价橡胶衬里老化程度的一个重要参数。文献中表明，随着橡胶密封圈老化程度的加深，硬度呈上升趋势。谢忠麟等人[3]针对三元乙丙橡胶进行了硬度测试，邵尔A型硬度为72，邹向阳等人[4]将合成的三元乙丙橡胶与国外的该橡胶产品应对做了对比，结果发现国外的三元乙丙橡胶产品的邵尔A型硬度为69，自己合成的硬度为68。综上所述，三元乙丙橡胶的硬度均在70左右，本次实验对该三元乙丙橡胶垫片做了硬度测试，结果为76.4，对比可知该垫片的橡胶已存在一定程度的老化，橡胶表面硬化，整体硬度已有略微上升。

因三元乙丙橡胶分子主链为饱和结构而呈现出卓越的耐候性、耐臭氧、电绝缘、低压缩永久变形、高强度和高伸长率等优越性能，其应用范围极为广泛，在密封条领域中，三元乙丙橡胶已成为主体材料。三元乙丙橡胶具备良好的抗张强度和断裂伸长率，在发电机空冷器处作为垫片密封材料可以完全隔绝水介质的流出。据文献报道，无掺杂的三元乙丙橡胶的抗张强度在16.30～16.86MPa范围内，断裂伸长率在306%～320%区间内[5,6]。本次对发电机空冷器处橡胶垫片拉伸实验结果表明该样品的抗张强度为12.75MPa，断裂伸长率为212.54%。对比橡胶原始的机械性能，抗张强度下降4MPa左右，断裂伸长率下降近100%。由此可知，该三元乙丙橡胶垫片已经老化，导致机械性能下降。

综上所述，由于该垫片长期受到外力压迫，产生永久变形，加之垫片长期服役，已产生一定程度的老化，机械性能有所下降，这一系列的因素导致了漏水现象的产生。

4.结论

通过对核电厂安注箱电机空冷器的橡胶垫片的理化试验，得出以下结论：

（1）该垫片的橡胶类型为三元乙丙橡胶，主要成分无明显异常现象；

（2）橡胶垫片由于长期受外力压迫，加之一定的老化，已产生永久变形，密度和硬度有所增大；

（3）橡胶垫片的抗张强度和断裂伸长率下降，已老化失去原有的橡胶性能，导致电机空冷器处漏水。

参考文献

[1] 李昂.橡胶的老化与寿命估算[J].橡胶的老化与寿命估算, 2009, 39(3):1-7.

[2] 包林康.乙丙橡胶基本性能和应用[J].橡胶技术与装备, 2006, 32(10): 32-36.

[3] 谢忠麟.丁晴橡胶/三元乙丙橡胶共混胶的特性及应用[J].橡胶科技市场, 2008, 13:10-11.

[4] 邹向阳.汽车密封条用乙丙橡胶的研究[J].研究与研发, 2013, 23(5):46-48.

[5] 朱鹏刚.丁晴橡胶/乙丙橡胶并用胶性能的研究[J].原材料与配方, 2012, 38: 27-29.

[6] 方胜阳.纳米氮化硅/三元乙丙橡胶复合材料的制备与性能[J].加工与应用, 2010, 33(1): 60-63.

中图分类号：TM31

文献标识码：A

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

作者简介：胡明磊（1982-），河南商丘人，硕士，工程师，研究方向：核电厂腐蚀与防护。

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