□邵家泉 董玉領(lǐng) 鐘俊良 李開盈 劉 斌 郭向利

一、引言

核電廠通常采用大型柴油發(fā)電機(jī)作為電廠的應(yīng)急電源，以確保事故狀態(tài)下的核安全。為保證大型柴油機(jī)正常工作，需要設(shè)置眾多輔助系統(tǒng)，如供給燃油的燃油供給系統(tǒng)，用于冷卻部件的冷卻水系統(tǒng)，用于啟動柴油機(jī)的啟用壓空系統(tǒng)等。在這些輔助系統(tǒng)中，設(shè)計安裝了眾多的橡膠膨脹節(jié)(又名可曲撓橡膠接頭)，用于實(shí)現(xiàn)管道系統(tǒng)的減震隔振、降低噪音和位移補(bǔ)償。

某核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)在某次定期試驗(yàn)時，其輔助高溫冷卻系統(tǒng)中一個橡膠膨脹節(jié)發(fā)生破損，造成高溫冷卻水大量跑水，造成試驗(yàn)中止。故障橡膠膨脹節(jié)為STENFLEXD的AS-1型單球體法蘭連接膨脹節(jié)，產(chǎn)品最大運(yùn)行壓力為16bar，最高溫度為130℃。球體橡膠接頭形式為同心同徑，橡膠接頭部分分為內(nèi)膠層、織物增強(qiáng)層、外膠層三層。該膨脹節(jié)為柴油機(jī)廠家配套提供的零部件，根據(jù)柴油機(jī)廠家給出更換建議，橡膠膨脹節(jié)的總壽期(庫存+使用)不超過10年。經(jīng)查詢，該膨脹節(jié)總計已使用7年，未到10年的期限，但是已接近最大建議更換壽期。

二、形貌分析

(一)宏觀分析。

1.整體分析。

圖1

故障橡膨脹節(jié)的膠體如圖1(a)和(b)所示。其剖面在未受外力作用時，剖面略向右上(外表面)/左下方(內(nèi)表面)呈傾斜狀，剖面的4個頂點(diǎn)的連線形成平行四邊形，而非矩形。此外，內(nèi)膠層和外膠層橡膠均存在裂紋，形貌細(xì)節(jié)如下。

(1)外膠層裂紋分析。外膠層共有28條裂紋，裂紋向右上/左下方擴(kuò)展，其方向基本一致，與水平方向約呈30°角，長度介于3.68mm至20.52mm之間，裂紋全部位于紅色標(biāo)識區(qū)域，且集中在膨脹節(jié)在機(jī)體安裝位置的上1/3，裂紋中沒有見明顯灰塵。

(2)內(nèi)膠層裂紋分析。內(nèi)膠層共有2條裂紋，裂紋向左上/右下方擴(kuò)展，其方向基本一致，與水平方向約呈45°角，長度分別為27.27mm、6.83mm，裂紋位置與外膠層紅色標(biāo)識區(qū)域相對應(yīng)。

2.剖面切口分析。觀察破損膠體所有剖面切口發(fā)現(xiàn)：頂部和底部切口的部分金屬絲存在銹跡，如圖2(a)和(b)紅圈所示；側(cè)面兩側(cè)切口的部分金屬絲也存在銹跡，如圖2(c)紅圈所示，且銹蝕金屬絲主要位于橡膠表面紅色標(biāo)識范圍內(nèi)。

圖2 受損膨脹節(jié)剖面

3.內(nèi)部分析。將破損膨脹節(jié)的內(nèi)膠層、增強(qiáng)層和外膠層剝離，在剝離過程中發(fā)現(xiàn)膨脹節(jié)存在以下現(xiàn)象：

外膠層的內(nèi)表面(WN)與增強(qiáng)層的外表面(ZW)之間存在大量的銹跡，銹跡橫貫膨脹節(jié)，且與外膠層外表面(WW)的紅色標(biāo)識區(qū)域位置一致，此外，部分裸露的金屬絲已嚴(yán)重銹蝕，如圖3(a)所示；

增強(qiáng)層的內(nèi)表面(ZN)和內(nèi)膠層外表面(NW)之間沒有銹跡，如圖3(b)所示。

圖3 受損膨脹節(jié)膠層內(nèi)部形貌

(二)微觀分析。

1.裂紋分析。采用VHX-1000E型超景深三維顯微鏡觀察圖1中裂紋的形貌，形貌特征總結(jié)如下：

圖4(a)顯示，內(nèi)膠層長裂紋旁邊存在一條與主裂紋平行的短裂紋，從裂口可以看到增強(qiáng)層金屬絲已銹蝕；

圖4(b)顯示，內(nèi)膠層短裂紋的周圍存在與主裂紋同向的數(shù)條細(xì)小裂紋；

圖4(c)顯示，外膠層表面已發(fā)生龜裂和變色，從裂口可以看到增強(qiáng)層金屬絲且已銹蝕；

圖4(d)外膠層裂紋剖面顯示，裂紋向增強(qiáng)層擴(kuò)展，裂紋尖端呈樹枝狀形貌，裂紋尖端距離增強(qiáng)層約250μm；增強(qiáng)層金屬絲銹蝕嚴(yán)重，且部分增強(qiáng)層已與內(nèi)膠層分離。

圖4 裂紋微觀形貌

2.斷口分析。從已貫穿的內(nèi)外表面長度最長的裂紋交叉部位將膨脹節(jié)I-1一分為二，采用VHX-1000E型超景深三維顯微鏡觀察斷口的形貌，該斷口的形貌具有以下特征：

圖5(a)和(b)顯示，內(nèi)外膠層的裂紋已貫穿，增強(qiáng)層外層金屬絲已嚴(yán)重銹蝕，部分呈粉末狀，外膠層與增強(qiáng)層之間形成空隙；增強(qiáng)層內(nèi)層金屬絲斷口呈金屬光澤；

圖5(c)顯示，外膠層橡膠裂紋尖端呈樹枝狀形貌，裂紋向增強(qiáng)層擴(kuò)展，且外膠層剖面存在大量的裂紋；

圖5(d)顯示，內(nèi)膠層表面也存在孔洞及微裂紋。

圖5 斷口形貌

(三)小結(jié)。破損膨脹節(jié)的裂紋形貌說明該膨脹節(jié)在運(yùn)行過程中受到外力的作用，且外力方向與裂紋擴(kuò)展方向垂直，該外力與軸心方向偏離。

破損位置的銹跡主要存在于外膠層內(nèi)表面與增強(qiáng)層外表面之間，增強(qiáng)層內(nèi)表面與內(nèi)膠層外表面之間沒有銹跡；同時斷口處增強(qiáng)層外層金屬絲已嚴(yán)重銹蝕，部分呈粉末狀，外膠層與增強(qiáng)層之間形成空隙，增強(qiáng)層內(nèi)層金屬絲斷口呈金屬光澤，表明外膠層存在裂紋或開裂的時間較長，內(nèi)膠層存在裂紋或開裂的時間較短；外膠層表面已發(fā)生龜裂和變色，外膠層剖面存在大量的裂紋，內(nèi)膠層存在孔洞及數(shù)條細(xì)小裂紋，表明內(nèi)外層橡膠材料已老化。

三、橡膠性能分析

(一)材質(zhì)檢測。對膨脹節(jié)的內(nèi)膠層和外膠層取樣進(jìn)行傅里葉紅外光譜檢測，檢測結(jié)果：內(nèi)膠層為丁腈橡膠，外膠層為氯丁橡膠。

(二)密度測試。利用電子天平對膨脹節(jié)內(nèi)外層橡膠進(jìn)行密度檢測，檢測結(jié)果如表1所示。

表1 膨脹節(jié)內(nèi)外層橡膠的密度/g·cm-3

(三)硬度測試。利用多功能邵氏硬度計對膨脹節(jié)內(nèi)外層橡膠進(jìn)行邵氏硬度檢測，檢測結(jié)果如表2所示。

表2 膨脹節(jié)內(nèi)外層橡膠的邵氏硬度/A

(四)抗張強(qiáng)度與斷裂伸長率。利用電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)檢測膨脹節(jié)內(nèi)外層橡膠的抗張強(qiáng)度和斷裂伸長率，檢測結(jié)果如表3、表4所示。

表3 膨脹節(jié)內(nèi)外層橡膠的抗張強(qiáng)度/MPa

表4 膨脹節(jié)內(nèi)外層橡膠的斷裂伸長率/%

(五)小結(jié)。表3顯示，膨脹節(jié)內(nèi)膠層丁腈橡膠的硬度值為75.1A，已超過GB/T 26121-2010《可曲撓橡膠接頭》5.1節(jié)材料-硬度的指標(biāo)范圍55～65A。橡膠變硬是橡膠老化的特征之一[1]。

表3和表4顯示膨脹節(jié)的內(nèi)、外膠層抗張強(qiáng)度和斷裂伸長率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于GB/T 26121-2010《可曲撓橡膠接頭》5.1.4節(jié)膠料物理、機(jī)械性能的要求；此外，參考《橡膠品種與性能手冊》中的丁腈橡膠和氯丁橡膠數(shù)據(jù)，膨脹節(jié)內(nèi)外層橡膠的抗張強(qiáng)度和斷裂伸長率均大幅度下降。一般認(rèn)為橡膠力學(xué)性能指標(biāo)下降到標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)的50%，是橡膠老化失效的臨界值。檢測所得的兩項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均下降超過一半，說明橡膠老化嚴(yán)重，已達(dá)到使用壽期。

四、結(jié)語

根據(jù)上文分析，可以明確故障橡膠膨脹節(jié)損壞的原因?yàn)橄鹉z老化。

膨脹節(jié)的損壞過程為：外層橡膠因老化形成氣孔及微裂紋；空氣及水汽進(jìn)入中間增強(qiáng)層，增強(qiáng)層逐漸腐蝕，局部粉末化，造成增強(qiáng)層受損，整個膠體的承受載荷的能力大幅下降；膨脹節(jié)在系統(tǒng)工作時，不僅承受著內(nèi)部介質(zhì)的壓力，同時承受著設(shè)備振動等因素施加在球體上的拉力，當(dāng)球體無法承受這些載荷時發(fā)生忽然性破裂；破裂瞬間形成的壓力沖擊使得破口處附近的膠體失穩(wěn)，導(dǎo)致瞬間產(chǎn)生大量裂紋。

該案例的分析結(jié)論表明，要充分關(guān)注橡膠制品的老化問題。特別是對于重要設(shè)備或者重要系統(tǒng)位置的橡膠制品，在使用壽期的管理問題上應(yīng)采用偏保守的策略，在性能大幅下降之前予以及時更換，避免設(shè)備或系統(tǒng)出現(xiàn)非計劃性的停運(yùn)。