CN106482936B

CN106482936B - 一种核电装置eh系统密封圈失效原因的综合判定方法

Info

Publication number: CN106482936B
Application number: CN201610847730.4A
Authority: CN
Inventors: 杨振国; 丁群; 杨晓蕾
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2016-09-26
Publication date: 2020-04-07
Anticipated expiration: 2036-09-26
Also published as: CN106482936A

Abstract

本发明属于核电装置检测技术领域，具体为一种核电装置密封圈失效原因的综合判定方法。了解密封圈的工艺参数、运行工况；对失效的密封圈进行外观检查；采用三维体视显微镜、扫描电镜等方法对失效的密封圈和密封沟槽进行更为细致的观察；采用一种或多种表征方法对密封介质进行成分分析；采用一种或多种表征方法对失效密封圈的成分、性能进行分析；检查密封圈的尺寸与沟槽尺寸是否符合设计要求；综合以上的分析步骤，从现象到本质，确定密封圈失效的主要原因。本发明通过对EH系统失效密封圈进行系统有效的分析后，可准确、快速地判断出密封圈失效的原因，进而采取针对性的预防。本方法对电力、石化、化工、冶金等其他领域密封圈的安全使用也具有实用参考价值。

Description

一种核电装置EH系统密封圈失效原因的综合判定方法

技术领域

本发明属于核电装置检测技术领域，具体涉及一种核电装置密封圈失效原因的判定方法，特别是涉及一种汽轮机EH系统中O型密封圈的失效原因的判定方法。

背景技术

核电汽轮机机组一般采用数字电液控制系统（DEH）对汽轮机的启动、停止、正常运行及事故工况进行调节控制。DEH系统是通过对主汽门的控制与汽门开度的调节，实现对发电机机组转速、负荷、压力等的控制。液压控制系统（EH）是DEH系统的重要组成部分，主要包括供油系统、执行机构和危急遮断系统，其功能是完成DEH指令信号到汽轮机阀门动作的转换。在EH系统中，抗燃油的油压稳定对系统功能的正常实现起到关键性的作用。一旦油压下降，执行机构的提升力就会变小，不能正常开启主汽门，甚至引起汽轮机的跳闸，进而导致反应堆停堆。EH系统油管路的管配件通常采用O型密封圈进行密封，因而O型密封圈能否正常有效地进行密封，对系统油压的稳定性，进而对整个机组的安全运行将产生极大的影响

核电站EH系统O型密封圈发生过若干起过早失效的案例，如某滨海地区进口核电站的EH系统油动机O型密封圈的使用寿命为一个周期（12~14个月），但安装后三个月内就发生了泄漏，厂方不得不手动降低机组功率，隔离油动机后实施检修，对核电机组的正常运行产生了重大影响。但目前国内外尚缺乏系统有效的O型密封圈的失效分析方法，难以对其失效原因进行准确分析。因此研究O型密封圈失效原因的分析方法，采用一系列的表征方法对O型密封圈的失效开展系统的分析，正确确定O型密封圈失效的起因，可以为快速、正确、有效地解决复杂的O型密封圈失效问题提供重要的依据。研究成果不但对确保我国在用或新建的核电装置EH系统中O型密封圈的安全使用有重要意义，对电力、石化、化工、冶金等其他领域的O型密封圈的稳定运行也具有实用参考价值。

发明内容

本发明针对背景技术中存在的问题，提出了一种可以快速、正确、有效地判断核电EH系统中O型密封圈失效原因的方法。

本发明提出的核电装置密封圈失效原因的判定方法，具体步骤如下：

（１）：了解使用过的O型密封圈的工艺参数、运行工况，所述工艺参数包括材料、尺寸、介质、温度、压力和密封结构设计，运行工况为运行检修历史；

（２）：对失效的O型密封圈进行外观检查，所述外观检查包括O型密封圈是否完好、颜色是否有变化、是否发生溶胀或收缩、是否发生开裂或断裂、是否发生扭曲或异常变形、是否表面有磨损、以及是否有明显的颗粒物；

（３）：采用三维体视显微镜（3D SM）和扫描电镜（SEM）对失效的O型密封圈和密封沟槽进行更为细致的观察，对O型密封圈的观察包括密封圈裂纹与断口的形貌特征、密封圈分模线所在位置、以及密封圈有无明显表面缺陷；对密封沟槽的观察包括密封沟槽底面和侧面的粗糙度，以及密封沟槽棱是否倒圆角；

（４）：采用气相色谱质谱联用仪（GC-MS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）或拉曼光谱（Raman）中的一种或多种对密封介质进行成分分析，确定密封介质是否符合技术要求；所述密封介质为抗燃油磷酸酯；

（５）：采用傅里叶变换红外光谱、拉曼光谱、邵氏硬度计、热失重分析仪（TGA）和差示扫描量热仪（DSC）检测手段对失效O型密封圈的成分、性能进行测试，并与未使用O型密封圈的测试数据进行对比分析，确定O型密封圈的选材是否符合技术要求以及在使用过程是否发生了老化；

（６）：采用影像测量仪测量O型密封圈的外观尺寸；采用三维体视显微镜测量密封沟槽的结构尺寸；根据GB/T 3452.3-2005 《液压气动用O型橡胶密封圈沟槽尺寸》，检查O型密封圈的尺寸与密封沟槽尺寸是否符合设计要求，并计算验证O型密封圈的初始压缩率是否合适；

（７）：造成O型密封圈的失效原因包括5种：结构设计不合理、加工质量不合格、装配不规范、材料选择不当和材料老化；具体表现为：

当失效的O型密封圈发生扭曲或异常变形，失效O型密封圈的尺寸与密封沟槽尺寸不符合设计要求，O型密封圈的初始压缩率过大或过小时；则失效原因为结构设计不合理；

当失效的O型密封圈表面有磨损或划伤，密封沟槽加工粗糙或沟槽棱未倒圆角时；则失效原因为加工质量不合格；

当失效的O型密封圈发生扭曲或异常变形，且需要结合密封圈的运行检修历史作出判断，比如安装时是否存在将密封圈强行压入沟槽的现象，则失效原因为装配不规范；

当失效的O型密封圈发生溶胀或收缩，O型密密封圈与密封介质的材料成分不匹配。则失效原因为材料选择不当；

当失效的O型密封圈表面龟裂、颜色发生变化，失效O型密封圈的红外光谱中检测出羰基或羟基等含氧基团，且失效密封圈的性能相比未使用O型密封圈的性能有所降低时，失效原因为材料老化。

本发明中，步骤（３）中O型密封圈的表面缺陷尺寸需在GB/T 3452.2-2007 《液压气动用O形橡胶密封圈第2部分：外观质量检验规范》的设计许可范围内。

O型密封沟槽底面、侧面以及沟槽棱的加工质量需符合GB/T 3452.3-2005《液压气动用O型橡胶密封圈沟槽尺寸》的设计要求。

本发明中，步骤（５）中：根据差示扫描量热法测得的密封圈的玻璃化转变温度（Tg），可以判断密封圈的交联和硫化程度。

本发明的有益效果在于：

1、本方法综合运用了多种仪器分析技术，可以全面、系统、准确地判断出EH系统密封圈的失效原因。

2、本方法可以快速、有效地找到EH系统密封圈的失效原因，从而采取针对性的预防和改进措施。

3、本方法对电力、石化、化工、冶金等其他领域的密封圈失效的原因分析和有效预防也具有实用参考价值。

附图说明

图1为失效O型密封圈的环向裂纹和分模线方向。

图2为失效O型密封圈的显微形貌。其中，(a) 表面的片状剥离形貌，(b) 外环的磨痕。

图3为沟槽外环的细微形貌。

图4为失效O型密封圈的外观形貌。

图5为密封介质的气相色谱分析。

图6为两种O型密封圈的外观形貌。其中，(a) 失效的O型密封圈，(b) 同规格未使用的O型密封圈。

图7为使用前后密封圈的DSC曲线。其中，(a) 失效O型密封圈的DSC曲线，(b) 同规格未使用O型密封圈的DSC曲线。

具体实施方式

下面结合具体失效案例——EH系统油动机O型密封圈异常泄漏的失效分析，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例１：结构设计不合理的原因分析

图1为一失效O型密封圈的外观形貌，其成型加工分模线在90º位置，且侧面分布着长短不一的环向裂纹，初步判断这是由于O型密封圈受到较大的压缩力，以至超过其弹性极限。

采用影像测量仪对同规格未使用O型密封圈进行测量，其外观尺寸为φ15.22×2.71，采用3D SM的三维合成功能对密封沟槽的深度进行精准测量，经测算，沟槽的平均深度为1.52mm。接下来对O型密封圈与密封沟槽进行尺寸匹配性检验。根据GB/T 3452.3-2005《液压气动用O型橡胶密封圈沟槽尺寸》，对于截面直径为2.71mm的密封圈，推荐的压缩率为21.0%～30.0%。而同规格未使用密封圈的压缩率ε=(2.71-1.52)/2.71×100%=43.9%，远大于标准允许的最大压缩率30.0%，因而在使用时容易产生过度损伤和永久变形，造成O型圈回弹力不足而失去密封性。此外失效O型圈的分模线位于90º，是O型密封圈最薄弱的部分，在受到应力作用时易产生应力集中，引发开裂。

由此可得出结论，该O型密封圈的失效原因为结构设计不合理。

实施例２：加工质量不合格的原因分析

图2为一失效O型密封圈在SEM下的形貌，可以看到O型密封圈表面凹凸不平，呈片状剥离形貌，如图2(a)所示。此外，失效O型密封圈的外环上也有明显的摩擦痕，如图2(b)所示。初步判断这是由于密封沟槽加工粗糙，继而对O型密封圈产生了磨损。

进一步采用3D SM的三维旋转功能，观察密封沟槽外环的细微形貌，如图3所示。可以看出，密封沟槽的外环棱没有倒圆角，且槽壁存在加工划痕，这些尖锐的边缘在密封时会划伤O型密封圈的外环表面，进而造成O型圈密封效果不良。

由此可得出结论，该O型密封圈的失效原因为加工质量不合格。

实施例３：装配不规范的原因分析

图4为一失效O型密封圈的宏观形貌。可以看到O型密封圈已断裂，且断口破损十分严重。左侧断口呈粉碎性开裂，断口附近还存在一处沿径向的开裂。右侧断口的部分材料缺失，断口上分布着一些裂纹。

失效O型密封圈的外观尺寸为φ15.22（密封圈内径）×2.71（截面直径），密封沟槽的外观尺寸为φ13.82（沟槽内径）×φ18.54（沟槽外径）×1.48（沟槽深度）。根据GB/T3452.3-2005《液压气动用O型橡胶密封圈沟槽尺寸》，该规格O型密封圈对应的沟槽外径为20+0.13mm，而实际沟槽外径18.54mm明显偏小，因而O型密封圈的外径与沟槽外径不匹配，在装配时会存在将密封圈强行压入沟槽的现象。此外，了解到在O型密封圈发生泄漏时，检修人员采用紧固活接、夹具带压堵漏的方式来减小泄漏量，增加紧固力虽然在短时间内能起到堵漏效果，但使得密封圈受到过大的压缩力，继而产生永久变形和失效。

由此可得出结论，该O型密封圈的失效原因为装配不规范。

实施例４：材料选择不当的原因分析

对失效O型密封圈的密封介质——EH油取样后进行GC-MS分析。图5为EH油的气相色谱分析结果，色谱中主要有四个峰，检索标准图谱库后可知，这四种组分均为三芳基磷酸酯及其同系物，说明EH油油质正常，不含其它有害杂质。

采用FTIR对失效O型密封圈的成分进行分析，得到其红外光谱后在标准谱图库中进行检索，结果表明失效O型密封圈的材质为丁苯橡胶，在EH油中会发生溶胀，不适用于密封磷酸酯介质。

由此可得出结论，该O型密封圈的失效原因为材料选择不当。

实施例５：材料老化的原因分析

图6(a)、(b)分别为失效O型密封圈与同规格未使用的O型密封圈的外观形貌。相比于未使用O型密封圈，失效O型密封圈表面开裂且颜色较深。采用邵氏A型硬度计对O型密封圈的表面硬度进行测试，结果表明，失效的以及同规格未使用的O型密封圈的硬度（邵氏A）分别为85度、80度。失效O型密封圈表硬度比同规格未使用O型密封圈的硬度高，说明密封圈材料在使用过程中发生了交联老化，致使材料脆化，易引发裂纹。

进一步采用DSC对失效O型密封圈和同规格未使用O型密封圈的样品进行测试，图7(a)、(b)分别为两者的DSC曲线，皆没有明显的熔融峰，数据处理后可知失效O型密封圈的玻璃化转变温度（Tg）为-15.18 ºC，比同规格未使用O型密封圈的Tg（-18.29 ºC）高出3.11 ºC，说明失效O型密封圈的交联程度较高，在使用过程中发生了交联老化。

由此可得出结论，该O型密封圈的失效原因为材料老化。

Claims

1.一种核电装置O型密封圈失效原因的判定方法，其特征在于具体步骤如下：

（1）：了解使用过的核电装置O型密封圈的工艺参数、运行工况，所述工艺参数包括材料、尺寸、介质、温度、压力和密封结构设计，运行工况为运行检修历史；

（２）：对失效的核电装置O型密封圈进行外观检查，所述外观检查包括核电装置O型密封圈是否完好、颜色是否有变化、是否发生溶胀或收缩、是否发生开裂或断裂、是否发生扭曲或异常变形、是否表面有磨损、以及是否有明显的颗粒物；

（３）：采用三维体视显微镜（3D SM）和扫描电镜（SEM）对失效的核电装置O型密封圈和密封沟槽进行更为细致的观察，对核电装置O型密封圈的观察包括密封圈裂纹与断口的形貌特征、密封圈分模线所在位置、以及密封圈有无明显表面缺陷；对密封沟槽的观察包括密封沟槽底面和侧面的粗糙度，以及密封沟槽棱是否倒圆角；

（５）：采用傅里叶变换红外光谱、拉曼光谱、邵氏硬度计、热失重分析仪（TGA）和差示扫描量热仪（DSC）检测手段对失效核电装置O型密封圈的成分、性能进行测试，并与未使用核电装置O型密封圈的测试数据进行对比分析，确定核电装置O型密封圈的选材是否符合技术要求以及在使用过程是否发生了老化；

（６）：采用影像测量仪测量核电装置O型密封圈的外观尺寸；采用三维体视显微镜测量密封沟槽的结构尺寸；根据GB/T 3452.3-2005 《液压气动用O型橡胶密封圈沟槽尺寸》，检查核电装置O型密封圈的尺寸与密封沟槽尺寸是否符合设计要求，并计算验证核电装置O型密封圈的初始压缩率是否合适；

（７）：造成核电装置O型密封圈的失效原因包括5种：结构设计不合理、加工质量不合格、装配不规范、材料选择不当和材料老化；具体表现为：

当失效的核电装置O型密封圈发生扭曲或异常变形，失效核电装置O型密封圈的尺寸与密封沟槽尺寸不符合设计要求核电装置O型密封圈的初始压缩率过大或过小时；则失效原因为结构设计不合理；

当失效的核电装置O型密封圈表面有磨损或划伤，密封沟槽加工粗糙或沟槽棱未倒圆角时；则失效原因为加工质量不合格；

当失效的核电装置O型密封圈发生扭曲或异常变形，且需要结合密封圈的运行检修历史作出判断，比如安装时是否存在将密封圈强行压入沟槽的现象，则失效原因为装配不规范；

当失效的核电装置O型密封圈发生溶胀或收缩，核电装置O型密密封圈与密封介质的材料成分不匹配，则失效原因为材料选择不当；

当失效的核电装置O型密封圈表面龟裂、颜色发生变化，失效核电装置O型密封圈的红外光谱中检测出羰基或羟基等含氧基团，且失效密封圈的性能相比未使用核电装置O型密封圈的性能有所降低时，失效原因为材料老化。

2.根据权利要求1所述的判定方法，其特征在于步骤（３）中：

核电装置O型密封圈的表面缺陷尺寸需在GB/T 3452.2-2007 《液压气动用O形橡胶密封圈第2部分：外观质量检验规范》的设计许可范围内，O型密封沟槽底面、侧面以及沟槽棱的加工质量需符合GB/T 3452.3-2005《液压气动用O型橡胶密封圈沟槽尺寸》的设计要求。

3.根据权利要求1所述的判定方法，其特征在于步骤（５）中：根据差示扫描量热法测得的密封圈的玻璃化转变温度（Tg），判断密封圈的交联程度。