重要廠用水系統(tǒng)管道橡膠襯里脫落原因分析

孔全興，趙萬祥，蔣林中，龍磊軍

(1 蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州215004;2 福建寧德核電有限公司，福建寧德355209)

1 概述

國內(nèi)某核電站SEC 系統(tǒng)為重要廠用水系統(tǒng)，通過設(shè)備冷卻水系統(tǒng)(RRI)熱交換器與核島交換熱量，用于在正常和事故工況下把安全相關(guān)構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件來的熱量輸送到海水，實(shí)現(xiàn)冷卻功能。SEC 系統(tǒng)是QSR 系統(tǒng)，管道設(shè)備為RCCM 3 級，具有抗震要求［1］。

在機(jī)組第一次大修期間，工作人員檢查發(fā)現(xiàn)N1SEC009VE 下游管道內(nèi)部襯膠大面積脫落，脫落面積達(dá)4.2m ×0.95m。襯膠脫落處以009VE 連接彎頭與下游直管段法蘭處為起點(diǎn)，向下游延伸，襯膠脫落處裸露鋼管表面布滿腐蝕產(chǎn)物(見圖1)。維修人員對腐蝕部位打磨除銹后，確認(rèn)腐蝕部位整體減薄，已不滿足管道強(qiáng)度要求。由于SEC 管道為核安全相關(guān)設(shè)備，運(yùn)行期間襯膠脫落可能引起系統(tǒng)堵塞、管道腐蝕穿孔，導(dǎo)致系統(tǒng)不可用，該事件被定義為核電站電站運(yùn)行事件(IOE 事件)。本文通過對橡膠襯里脫落部位現(xiàn)場調(diào)查、設(shè)計(jì)資料查詢、膠板成分及性能分析等方法詳細(xì)探討了橡膠襯里脫落的原因。

圖1 襯膠脫落后形貌Fig.1 Rubber lining morphology after fall off

2 設(shè)備運(yùn)行工況介紹

SEC 系統(tǒng)有兩個(gè)獨(dú)立且實(shí)體隔離的回路，分為A、B 兩列，每列有兩臺(tái)SEC 泵，從循環(huán)水過濾系統(tǒng)(CFI)的旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)處取海水輸送至核島廠房RRI/SEC 換熱器，實(shí)現(xiàn)換熱功能。輸送海水的管道有碳鋼襯膠管道和陰極保護(hù)管道。碳鋼襯膠管道材料為P265GH，設(shè)計(jì)壁厚DN700mm，內(nèi)襯厚度為4mm的氯丁橡膠板，系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 1SEC009VE 襯膠管道設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 1SEC009VE rubber lining pipeline design parameters

該襯膠從建造至今約有3.5年的歷史，由于管道安裝后沒有進(jìn)行拆卸過，因而，該襯膠管道運(yùn)行期間沒有進(jìn)行過相關(guān)檢查。

3 橡膠襯里的檢測與分析

3.1 外觀形貌分析

對1SEC009VE 下游脫落的襯膠管各部位進(jìn)行了詳細(xì)的宏觀檢查和檢測，結(jié)果如下:

(1)膠板從法蘭面開始，沿兩側(cè)搭接縫成整體脫落狀，長4.2m、寬0.95m;

(2)膠板與法蘭連接部位有明顯翻邊痕跡，翻邊約1mm ～10mm，且翻邊部位有10 處開裂(見圖2)。

3.2 硬度及厚度檢測

對脫落的襯膠板及現(xiàn)場未脫落的膠板，分別用S－10 型磁性測厚儀和LX-A 型硬度計(jì)測量各區(qū)域的厚度和硬度值，檢測結(jié)果見表2。

圖2 脫落襯膠形貌Fig.2 Loss rubber lining morphology

表2 襯膠管各部位襯膠層厚度和硬度Table 2 Lining thickness and hardness for each part of the lining rubber

由表2 檢測結(jié)果，可得到以下結(jié)論:

(1)脫落的襯膠板與未脫落的襯膠板硬度和厚度基本相同，均在72 ～80(邵氏A)之間，厚度在3.6 ～3.7(mm)之間。

(2)脫落的膠板與未脫落的膠板硬度均大于施工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，可能因?yàn)橄鹉z襯里有過硫化現(xiàn)象。厚度略小于施工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 成分分析

根據(jù)GB/T 6040－2002《紅外光譜分析方法通則》對脫落襯膠進(jìn)行材料成分分析。檢測結(jié)果表明，主要成分為氯丁橡膠(見圖3)，檢測結(jié)果與設(shè)計(jì)文件［2］一致。

3.4 力學(xué)性能分析

根據(jù)GB/T 528－2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》對脫落襯膠進(jìn)行力學(xué)性能分析。檢測結(jié)果表明，脫落襯膠拉伸強(qiáng)度均值為9.46MPa、斷裂伸長率均值為543%(見表3)。檢測結(jié)果與出廠設(shè)計(jì)［2］基本一致，其斷裂伸長率有所下降，即橡膠彈性有所下降。

圖3 成分檢測Fig.3 Component testing

表3 力學(xué)性能檢測Table 3 Mechanical properties testing

4 襯膠脫落的幾種因素

該襯膠管道所處的環(huán)境介質(zhì)為海水，腐蝕性較強(qiáng)，采用內(nèi)部襯膠的方法，達(dá)到防腐蝕的目的。這種襯膠防腐工藝在核電廠海水環(huán)境中已獲廣泛應(yīng)用，起到了很好的防腐效果，從國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)反饋來看，沒有發(fā)現(xiàn)橡膠襯里在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)出現(xiàn)大面積脫落的情況。下面就可能造成的橡膠襯里脫落的原因進(jìn)行分析。

4.1 襯膠管道自然老化

查詢施工資料，該襯膠管道為2010年4月在工廠襯膠完成，實(shí)際服役時(shí)間小于4年，一般氯丁橡膠使用年限在20年以上。從現(xiàn)場襯膠的形貌、成分性能檢測數(shù)據(jù)與施工驗(yàn)收要求標(biāo)準(zhǔn)來看，判斷襯膠隨服役期限增加逐漸開始老化，但均在正常的范圍內(nèi)，判斷膠板老化造成襯膠脫落的可能性較低。

4.2 橡膠襯里法蘭面施工設(shè)計(jì)不合理

根據(jù)出廠文件及現(xiàn)場檢查情況可知，管道采用4mm 氯丁橡膠，法蘭處先用2mm 氯丁膠打底，管內(nèi)壁4mm 膠板翻邊覆蓋，法蘭面再用2mm 膠板蓋面并翻邊，其襯膠施工結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。法蘭處實(shí)際為3層膠板相互搭接，且法蘭拐角處搭接縫重疊而成。

圖4 管道設(shè)計(jì)示意圖Fig.4 Pipe design sketch

根據(jù)脫落的橡膠襯里形貌，膠板在法蘭面部位有明顯翻邊壓痕，膠板邊緣處為平整的機(jī)械切割，且存在10 余條裂紋。對脫落襯膠板的測量，發(fā)現(xiàn)膠板在法蘭面翻邊只有1mm ～10mm，局部只有0.5mm，幾乎無翻邊痕跡(見圖2)。根據(jù)HG/T 20677－1990 規(guī)定可知，多層襯膠時(shí)，相鄰橡膠層的搭接縫應(yīng)錯(cuò)開，一般不得少于100mm，而且在設(shè)備轉(zhuǎn)角處搭接寬度應(yīng)為30mm ～50mm［3］。這說明脫落襯膠施工結(jié)構(gòu)存在明顯的不合理性。

4.3 由于施工質(zhì)量原因造成的失效

橡膠襯里管道制作過程為:管道預(yù)制→基體噴砂→刷膠漿→粘貼膠板→硫化→成品。這些中間過程出現(xiàn)問題可能導(dǎo)致膠版與管道粘貼結(jié)合力不強(qiáng)，在海水沖刷作用下，導(dǎo)致襯膠脫落［4］。檢查工程監(jiān)造記錄，未發(fā)現(xiàn)質(zhì)量缺陷，檢查現(xiàn)場未脫落膠板，無異常情況，判斷襯膠膠板除法蘭面翻邊過短缺陷外，無其他質(zhì)量缺陷，由襯膠施工質(zhì)量缺陷原因造成襯膠脫落的可能性較低。

4.4 法蘭密封面受力

在管道安裝期間法蘭面受到壓應(yīng)力，若安裝不規(guī)范，可能導(dǎo)致法蘭面襯膠局部受力，造成襯膠從法蘭翻邊搭接處開裂。另外，在服役過程中，法蘭密封面襯膠長期受到壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的作用，膠鏈在機(jī)械應(yīng)力的情況下比較容易斷裂，且彎頭處海水沖擊力較大，易導(dǎo)致法蘭面襯膠開裂［5］。法蘭面襯膠開裂后，海水對襯膠沖刷，導(dǎo)致襯膠沿水流方向逐漸脫落。從脫落襯膠外觀形貌分析，除法蘭面外，襯膠板無其他缺陷，懷疑襯膠受壓應(yīng)力導(dǎo)致法蘭面多層襯膠搭接處開裂的可能性較大。

4.5 海水沖刷使襯膠脫落

通過對現(xiàn)場的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，膠板脫落方向沿海水水流方向，可以判斷系統(tǒng)運(yùn)行期間膠板脫落面積隨海水沖刷逐漸增加。另一方面，SEC 系統(tǒng)管道內(nèi)海水介質(zhì)存在大量泥沙，管道內(nèi)表面粘接較多海生物，這些雜物增加了海水對襯膠管的沖刷作用，促進(jìn)了襯膠板開裂及脫落的速度。

5 原因分析及結(jié)論

通過前文的外觀檢查、成分及性能檢測及分析可知，脫落襯膠未發(fā)生明顯減薄、各性能基本符合設(shè)計(jì)要求，無明顯自然老化的現(xiàn)象。通過對襯膠脫落影響因素的討論，可以確定，襯膠脫落起源于管道法蘭拐角襯膠搭接縫處，其脫落原因可能是由于法蘭處襯膠施工結(jié)構(gòu)不合理及搭接寬度不夠，在自身內(nèi)應(yīng)力、安裝及服役期間壓應(yīng)力、海水沖刷等因素的作用下發(fā)生襯膠開裂，在海水持續(xù)作用下管內(nèi)膠板發(fā)生大面積脫落。1SEC009VE 下游管道內(nèi)部襯膠脫落原因邏輯推理圖見圖5。

圖5 襯膠脫落原因邏輯推理圖Fig.5 Rubber lining deciduous causes logic diagram

通過以上對失效樣品的檢測分析及失效原因的分析討論，可得到導(dǎo)致1SEC009VE 下游橡膠襯里脫落的原因?yàn)?

(1)根本原因:襯膠管道的設(shè)計(jì)缺陷為，管道法蘭面存在多層襯膠搭接，但襯膠搭接較短，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)促進(jìn)因素:在安裝服役過程中，在襯膠自身內(nèi)應(yīng)力、法蘭密封處安裝壓應(yīng)力的作用下，導(dǎo)致法蘭面橡膠襯里開裂。系統(tǒng)運(yùn)行期間隨海水持續(xù)沖刷，襯膠沿水流方向逐漸脫落。

［1］重要廠用水系統(tǒng)(SEC)設(shè)計(jì)手冊(SDM)［內(nèi)部資料］.

［2］ABX45400003X4DB04GN. 核島碳鋼管道預(yù)制工程制造及檢查流程，［內(nèi)部資料］.

［3］HG/T 20677－1990，橡膠襯里化工設(shè)備［S］. 1991.

［4］陳文進(jìn). 橡膠襯里工藝及質(zhì)量控制［J］. 化工與材料，2011，6:25－26.

［5］趙萬祥. 大亞灣核電站核島應(yīng)急生水系統(tǒng)襯膠短管失效原因分析［J］. 大亞灣核電，2008，12:44－46.