自硫化衬胶老化性能检测及状态评估

林炜锴 白荣国

（深圳大亚湾核电运营管理有限责任公司，广东 深圳 518000）

0 引言

某滨海核电站冷凝器水室壳体材料为碳钢，于2005年对冷凝器12个水室内壁进行整体衬胶，使用日本大机D31自硫化胶板，现场衬胶，采用蒸汽加热促进硫化工艺，控制最高温度不超过60℃。冷凝器衬胶后单个水室内硬度及厚度较为均匀，硬度在邵A50左右，厚度在5.5mm左右，各水室留样试样粘合强度均大于8N/mm，水室衬胶至今已服役12年。本文通过收集整理凝汽器水室衬胶服役期间历次大修检查记录，分析缺陷趋势，检测衬胶的老化性能指标，对凝汽器水室衬胶进行老化状态评估和剩余寿命预测，为其它类似机组提供参考。

1 衬胶老化趋势

服役8个循环（每轮循环1C时间为1.5年，服役12年为8C）后，进口水室鼓包和破损缺陷数量始终维持在较低水平，无明显增多趋势；出口水室缺陷数量从6C开始明显增多，检查中发现格栅及其附近内壁有大量小鼓包和破损缺陷，破损缺陷主要形态为点状破口，未发现大面积破损；7C检查发现格栅及其附近内壁出现大面积鼓包和破损，出口水室衬胶有加速老化的趋势，水室衬胶外观检查缺陷统计如图1所示。硬度检测结果趋势如图2所示，2005年改造后内衬硬度值在50邵A左右，经过一个循环检测胶板在自硫化后硬度值稳定在60邵A左右，3～8C检测硬度在60～70邵A左右。厚度检测结果显示，从1～5C进出口水室衬胶整体未出现明显减薄，各部位衬胶厚度无明显差异性，7～8C检查发现进口水室格栅及出口水室下部、底部及格栅区域厚度明显低于其它部位。

图1 进口水室内壁外观缺陷情况

图2 水室衬胶硬度变化趋势（邵A）

小结：从检查记录和历史趋势看，水室衬胶外观缺陷数量自6C开始突增，硬度测量结果分散性较大，未发现显著变化趋势，厚度从6C出现下降趋势，7C出口水室检测到严重减薄区域，出现衬胶破损导致碳钢腐蚀问题，衬胶老化趋势明显。

2 衬胶老化检测

检测服役12年（8C）后的水室衬胶理化性能、耐老化性能和其它特定性能，评估衬胶老化状态。

2.1 硬度检测

根据标准GB/T 531.1-2008用LX-AM 硬度计分别对12个水室内壁及格栅衬胶进行硬度检测[1]。内壁硬度检测按照顶部、上部、中部、下部、底部分区域进行，检测位置如图3（所示为水室内壁从内向外展开图，图中粗实线为衬胶搭接缝）；格栅硬度检测随机挑选不同部位测试，硬度整体检查情况如图4所示。出口水室内壁衬胶硬度在60～65邵A左右，各部位硬度差异不大，进口水室内壁衬胶硬度整体比出口水高3～5邵A，进口内壁硬度值从顶部至底部呈下降趋势。

图3 水室内壁硬度检测位置示意图

图4 进出口水室硬度整体情况（邵A）

2.2 厚度检测

进出口水室设计厚度为5mm，实际检测厚度在5.5mm左右。内壁检测如图5所示，水室衬胶厚度整体检查情况如图4所示，为方便统计，厚度“＞5”的点按5计算。进口格栅处衬胶减薄率在30%左右，进口水室内壁减薄率在15%～25%左右；出口水室内壁下部区域减薄率在25%～30%左右，底部区域在30%～40%左右，出口水室内壁上部和中部区域衬胶减薄率20%～25%左右；出口水室内壁上部和中部区域减薄率和进口相同区域接近，下部和底部减薄率则明显大于进口相同区域，出口水室局部严重减薄区域衬胶剩余厚度小于3mm，主要集中在水室人孔下方及人孔左右两侧底部10cm区域，严重减薄区域呈“U”型。

图5 水室内壁厚度检测示意图

图6 进出口水室厚度整体情况（mm）

2.3 粘合强度检测

选取12个水室中的9个水室进行粘合强度测试，参照标准GB/T 7760-2003采用90° 剥离法测试[2]，单个试样宽度为25mm，每组测试包含三组数据，水室衬胶粘合强度检测情况如表1所示。出口内壁衬胶整体粘合强度由大到小为：上部＞中部＞下部＞底部，上部区域粘合强度在5.0～6.0N/mm左右，中部区域在2.5～3.0N/mm左右，下部区域在1.5～2.5N/mm左右，底部区域在0.5～2.5N/mm左右；分析进口粘合强度较出口相同部位高，在6～9N/mm左右，剥离面均为胶板内聚破坏，说明胶板与金属基体实际粘合强度应高于测试值。

表1 粘合强度测试结果

2.4 抗拉强度及拉断伸长率检测

抗拉强度参照GB/T 528-2009进行[3]，为便于后续维修及分析，抗拉强度和拉断伸长率的取样在粘合强度测试破坏处进行，测试结果如表2所示。出口水室抗拉强度范围在4.1～6.4MPa，进口抗拉强度范围在5.6～6.8MPa，波动范围较出口小。由于改造阶段未检测抗拉强度，本次试验参照对比D31胶板硫化后初始抗拉强度（6.18MPa），出口水室抗拉强度下降最多区域降低了33.6%，进口水室抗拉强度下降不明显。

拉断伸长率测试和抗拉强度测试为同一试样和标准，测试结果如表3所示。出口水室拉断伸长率范围为204%～243%，进口水室为263%～311%；由于改造阶段未检测抗拉强度，本次试验参照对比D31胶板硫化后初始拉断伸长率（405%），出口水室拉断伸长率降低40%～50%左右，进口水室降低了20%～35%左右；同一区域拉断伸长率下降程度要大于抗拉强度下降程度。

表2 抗拉强度测试结果

2.5 耐磨性检测

根据GB/T 9867-2008采用旋转辊筒磨机进行耐磨性测试[4]，结果如表4所示。出口相对体积磨耗量范围为593～710mm3；进口测试数据范围为499～510mm3，整体耐磨性能较出口好； D31新胶板硫化后初始相对体积磨耗量（608mm3），出口水室相对体积磨耗量最多增大了16.8%，进口水室相对体积磨耗量有所减小。

表3 拉断伸长率测试结果

表4 耐磨性测试结果

3 衬胶状态评估

2005年水室衬胶改造后初始硬度在50邵A左右为欠硫化状态，服役过程中随着自然硫化时间延长性能指标会随着上升，为更客观评价D31胶板的劣化程度，初始值的设定采用D31胶板充分硫化后的数据，粘合强度8.10N/mm，抗拉强度6.18MPa，拉断伸长率468%，硬度60邵A，硬度取日本原始厂家均值数据60邵A。

衬胶状态评估参考行业内经验分三个级别，不同级别对应的评价标准及剩余寿命如表5所示。进口水室按内壁和格栅两部分评价；因出口水室各部位性能差异较大，本文分顶部、上部、中部、下部、底部对其评价。

3.1 粘合强度评价

判定标准如表5所示，本次粘合强度评价以相对值判定，≥6.48 N·mm-1为A级，≥2.43&＜6.48 N·mm-1为B级，＜2.43 N·mm-1为C级。评价结果如表6所示，出口上部粘合强度较高，在5～6N/mm左右，评级为B级；出口中部粘合强度在2.5～3.0N/mm左右，评价为B级，但已接近B级下限；出口水室下部、底部粘合强度严重降低，分别在1.5～2.5N/mm左右和0.5～2.5N/mm左右，评价为C级；进口内壁粘合强度在6～9N/mm，整体大于80%初始值，评价为A级。

3.2 厚度评价

判定标准如表5所示，为便于统计，厚度值为“＞5mm”的点按5mm计算，厚度≥4.95mm为A级，2.75～4.95mm为B级，≤2.75mm为C级。评价结果如表7所示，进口水室整体厚度状态良好，最小厚度在3mm以上，其中内壁整体减薄20%左右，格栅整体减薄30%左右，厚度均评价为B级；6个出口水室内壁顶部至下部区域整体减薄15%～20%左右，最小厚度在3mm以上，评价为B级；底部区域整体减薄28%，但是人孔下方及两侧底部区域严重减薄，大量点厚度>2mm，6个水室有5个人孔下方出现衬胶减薄破损，故底部区域评价为C级。

表5 各等级对应的评价标准

表6 进出口水室粘合强度评价

3.3 抗拉强度及拉断伸长率评价

抗拉强度及拉断伸长率判定标准如表5所示，本次抗拉强度评价以绝对值判定。评价结果如表8所示，抗拉强度评价结果为：出口水室上、中、下、底部抗拉强度均在4～6MPa之间，评价为B级；进口内壁抗拉强度测试值在6MPa左右，评价为B级。本次拉断伸长率评价以绝对值判定，评价结果如表8所示，出口水室上、中、下、底部拉断伸长率在200%～300%之间，评价为B级；进口内壁抗拉强度测试值250%～320%之间，整体较出口略高，评价为B级。

3.4 硬度评价

判定标准如表5所示，硬度评价区间为：53～67邵A为A级，[40，53）&（67，75]邵A为B级，＜40或＞75邵A为C级，评价结果如表9所示，出口水室内壁硬度整体在55～67邵AM左右，顶部个别点为69邵AM，不影响评价结果，硬度评价为A级；进口水室及格栅硬度整体在57～72邵AM左右，内壁硬度评价为A级，格栅评级为B级。

表7 进出口水室剩余厚度评价

表8 进出口水室抗拉强度评价

表9 进出口水室拉断伸长率评价

表10 进出口水室硬度评价

4 结论

进口水室衬胶整体老化状态良好，五个性能指标都为A或B，粘合强度保持在较高水平，衬胶厚度最低在3mm以上，综合性能整体评价为B级，剩余寿命估算为3～6年。

出口水室衬胶顶部至中部区域综合性能评价为B级，但中部粘合强度已降至B级下限，后续大修中加强监测，顶部至中部剩余寿命估算为3～6年。

出口水室下部和底部整体老化相对严重，主要体现在：

（1）粘合强度严重降低，在1～2N/mm左右；

（2）底部人孔门下方“U”型区域及两侧底部区域局部严重减薄，出口水室下部和底部综合性能评价为C级，剩余寿命估算为1～3年。