核級氣動執(zhí)行機構(gòu)膜片的研究

韓 松，吳運國

（揚州電力設(shè)備修造廠，江蘇 揚州 225003）

0 概 述

核電作為一種技術(shù)成熟、安全和可大規(guī)模應(yīng)用的能源形式，是我國能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要選擇。核級氣動執(zhí)行機構(gòu)是以壓縮空氣為動力，利用橡膠薄膜式膜片推動閥桿控制閥門開啟的一種裝置，適用于核電廠百萬千瓦機組的截止閥和隔膜閥等。采用橡膠薄膜式膜片進(jìn)行氣壓推動、彈簧復(fù)位，具有非能動式安全位置復(fù)位功能，即系統(tǒng)出現(xiàn)故障，失去電源或氣源時，氣動執(zhí)行機構(gòu)在沒有人工干涉的情況下能夠自動回到安全的開或關(guān)位置，具有運動平穩(wěn)、速度快、噪音小等特點。與常規(guī)電站的普通氣動執(zhí)行機構(gòu)相比，該氣動裝置的可靠性更高，具有耐高溫、耐輻照、高抗震等性能。核級氣動執(zhí)行裝置的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 核級氣動執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

核級氣動執(zhí)行機構(gòu)中的橡膠薄膜式膜片（簡稱膜片）是氣動裝置中關(guān)鍵元件。它的作用是通過壓縮空氣推動閥桿，由此控制閥門的開啟和關(guān)閉。膜片由橡膠和織物簾布復(fù)合而成。橡膠的作用是使膜片具有密封性，而織物簾布的主要作用是使膜片具有一定的機械強度并限制膜片變形。膜片既是密封件，又是受力元件、補償元件。因此，膜片裝配后要具有密封精度，在允許的偏差下，要保證其彈性部分的屈撓性。膜片對整個氣動裝置的正常運轉(zhuǎn)起著非常重要的作用。膜片的安裝位置及屈撓部位，如圖2所示。

圖2 膜片的安裝位置及屈撓部位

1 膜片的結(jié)構(gòu)

普通用途的橡膠薄膜式膜片有多種形狀，如平面形、波紋形、碟形和帽形。核級氣動執(zhí)行機構(gòu)所用的橡膠膜片屬于滾動膜片，這種膜片因其動作時工作部位呈滾動狀態(tài)而得名，最常用的是帽形滾動膜片，結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。裝配后的膜片可翻轉(zhuǎn)形成波紋狀，其截面形狀如圖4所示。帽形滾動膜片與一般平面形、碟形和波紋形膜片相比，具有行程長、耐壓高和在全行程中其有效面積不變等特點。

圖3 帽形滾動膜片截面示意圖

圖4 滾動膜片裝配后截面示意圖

滾動膜片在氣動裝置中的翻折動作，如圖5所示。從圖5可知，當(dāng)壓縮空氣進(jìn)入氣腔后，閥桿向下移動，此時，膜片表面離開托盤壁，貼向殼體壁；斷氣后，閥桿向上移動，膜片表面離開殼體壁，貼向托盤壁。

圖5 滾動膜片翻折動作示意圖

膜片的使用讓氣動裝置有了以下特點：（1）因膜片運動形式為滾動，所以摩擦阻力極小。（2）完全不泄漏。（3）不需要潤滑。（4）對托盤和殼體的材質(zhì)、硬度、表面光潔度等都有十分嚴(yán)格的要求。（5）托盤與殼體之間即使有微小的偏心或偏角，不會有太大影響，具有自動找正功能。

2 膜片的技術(shù)要求

膜片的工作溫度為5～60℃，相對濕度為100%，工作壓力0.4MPa；事故溫度156℃，最高壓力1MPa，工作環(huán)境中的硼酸濃度1.5%，氫氧化鈉濃度0.6%，pH值≤10，累積輻射劑量700kG。膜片耐壓強度應(yīng)不小于1.5MPa，在常溫下往復(fù)額定行程的動作次數(shù)應(yīng)不小于25萬次。為滿足使用工況，在膜片的設(shè)計、制造中，應(yīng)注意多個方面的問題。

2.1 耐高溫性和輻照性

在選擇橡膠和織物簾布種類時，要充分考慮核電站事故工況的極限溫度和輻照劑量，必須保證膜片經(jīng)高溫高輻照后的穩(wěn)定性能、屈撓性能和密封性能。

2.2 耐壓強度和靈敏度

滾動膜片要承受一定的壓力。承壓的高低主要取決于纖維織物簾布的強度。要考慮材質(zhì)的類別和織物簾布的紗織粗度和編織結(jié)構(gòu)。膜片是一種敏感性元件，為了保證裝置足夠靈敏，在極小的壓差下膜片仍有所反應(yīng)，選擇織物簾布和膠料時，要充分考慮其柔屈性能。一般來說，對同一材質(zhì)，越薄敏感度越高。但是靈敏度和耐壓強度兩者是矛盾的，膜片越薄，靈敏度越高，強度則越低。故選擇時必須兼顧兩方面的要求，尋求一個平衡點。

2.3 有效受壓面積變化率

有效受壓面積變化率是膜片重要特征之一。尤其是對于需要按比例位移的控制裝置，必須選擇有效受壓面積變化小的膜片。平面形膜片的有效受壓面積變化率最大，波紋形膜片和碟形膜片則較小，滾動膜片的有效受壓面積變化率最小，它在整個行程范圍內(nèi)的有效受壓面積基本上是一個定值。

2.4 屈撓性

為保證經(jīng)久耐用，膜片除耐介質(zhì)，耐老化外，還應(yīng)具有優(yōu)良的屈撓性能。這與橡膠及織物簾布的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)，橡膠與織物簾布的粘合程度都緊密相關(guān)。橡膠與織物簾布都應(yīng)該具有優(yōu)良的屈撓性能，并且應(yīng)保證兩者之間的粘合狀態(tài)良好。

3 膜片的材質(zhì)選擇

膜片性能的優(yōu)劣，壽命的長短，與膜片材料的特性和質(zhì)量密切相關(guān)，膜片是在織物簾布上涂覆橡膠經(jīng)硫化后制成。橡膠起密封作用，織物簾布作為骨架起支撐作用以提高承受壓力。

3.1 橡膠

膜片的膠料應(yīng)具有很好的柔屈性，在高溫和輻照條件下性能優(yōu)異，常用的膠種有乙丙橡膠、硅橡膠、氟橡膠和氟硅橡膠等。硅橡膠的缺點是強度低，氟橡膠的缺點是不耐高溫輻照，氟硅橡膠的缺點是耐磨損性差。綜合考慮后，采用乙丙膠是最佳選擇。

乙丙橡膠具有優(yōu)良的耐老化性能，能長期在惡劣環(huán)境中使用，耐熱性能很好，可在120℃的環(huán)境中長期使用，在150℃時短時間使用；耐輻照性能很好；耐蒸汽性能、耐熱水性能較好；耐醇、酸、強堿、氧化劑、洗滌劑、酮和某些酯類；缺點是硫化速度慢。

3.2 織物簾布

膜片織物簾布應(yīng)具備的性能。（1）優(yōu)異的耐溫和耐輻照性。（2）強度高。（3）質(zhì)地柔軟。（4）橡膠的粘著性好。（5）具有良好耐腐蝕性及耐燃性。

織物簾布常用的纖維材料有錦綸、滌綸、芳綸等。錦綸具有高強力和低磨擦系數(shù)，優(yōu)良的耐磨損和耐疲勞性能，缺點是耐熱較差，與橡膠的粘著性較差；當(dāng)溫度超過120℃時其性能急劇下降。滌綸具有良好的耐磨損和抗疲勞性能，可在150℃下長期使用。芳綸具有優(yōu)異的綜合性能，在耐熱性上表現(xiàn)得尤為突出，長期熱穩(wěn)定性優(yōu)異，可在200℃高溫下長期連續(xù)使用，可在260℃下連續(xù)使用1 000h，其機械強度仍保持原來的68%。尺寸穩(wěn)定性極佳，在250℃左右的熱收縮率僅為1%，短時間暴露于300℃高溫中也不會收縮、脆化、軟化，在450℃以上才開始分解碳化。但缺點也是與橡膠的粘著性較差，而且價格高昂，用量較小，應(yīng)用尚不廣泛。芳綸與其他纖維骨架材料的性能對比，如表1所示。

表1 芳綸與其他纖維骨架材料的性能對比

僅就耐屈撓性而言，錦綸優(yōu)于其他纖維，但考慮耐高溫和粘著性因素，其在150℃下連續(xù)使用1h后，短時間老化后的強度保持率不是太高；高溫下強度下降，耐屈撓性也必然下降。綜合考慮后，用芳綸織物簾布作膜片骨架，通過采用適當(dāng)?shù)脑稣衬z底漿解決粘著力差的問題。

對于織物簾布的結(jié)構(gòu)，膜片總厚度為3～4mm，織物簾布厚度為0.5mm，所以采用平紋結(jié)構(gòu)較好。目前應(yīng)用較多的規(guī)格是1670dtex／2或1670dtex／3，其性能指標(biāo)，如表2所示。

表2 芳綸簾布性能

4 膜片制造工藝

膜片制造的工藝流程：膠漿制備→織物簾布處理→涂膠→硫化→修整→檢驗→包裝入庫。

4.1 膠漿制備

橡膠膠料置于一定比例的丙酮溶劑中浸泡至少24h，然后充分?jǐn)嚢?，即可制成一定濃度的膠漿。膠漿制成后，應(yīng)在30℃以下的環(huán)境中貯存。

4.2 織物簾布處理

膠料與織物簾布之間必須粘合良好，才能保證產(chǎn)品的使用性能。如果需要提高粘合性能，可以對織物簾布采用物理或化學(xué)的方法進(jìn)行表面處理，如超聲波處理、離子體處理或改性RFL二浴浸漬等，但這會增加制造成本，并或多或少地導(dǎo)致芳綸強度的降低。

4.3 涂膠

涂膠是將膠漿均勻地涂覆到織物簾布表面，其工藝方法有刷涂，浸涂，輥涂，刮涂和噴涂等多種方法，應(yīng)用最普遍的是刮涂，一般采用臥式刮刀涂膠機。

織物簾布涂膠后，應(yīng)至少放置12h，讓溶劑充分揮發(fā)，并讓膠布半成品收縮定型，然后按所需尺寸裁切后備用。膠布半成品要特別注意防止粘連和塵土雜質(zhì)的污染。

4.4 硫化

膜片采用模具硫化。由于膜片屬于薄制品，如用金屬模具直接壓制膜片，模具型腔尺寸加工的正負(fù)偏差，有可能導(dǎo)致膠布半成品的受力不均或造成破損，膠布半成品各部的厚度也不是完全一致，以致膠薄或膠厚的部位仍然存在壓不著或壓破膠布半成品的現(xiàn)象。為克服這些不利因素，可采用軟模模具，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 軟模模具示意圖

膜片軟模硫化所使用的模具，主要分軟（上）模，下模和壓環(huán)3部分。所謂軟模模具，是指上模與膜片接觸的部分用柔軟的橡膠材料替代金屬，軟模采用嵌接型式，即軟模與上模板嵌接成一體。制造軟模的膠料應(yīng)具有很低的壓縮變形，并且耐熱耐老化性能要好，邵爾A硬度以62±5度為宜。采用的膠種應(yīng)避免使用與膜片材料相同的膠料，否則不易脫模。例如對乙丙橡膠膜片，軟膜膠種可選用EPDM橡膠。

下模即金屬底模，是膜片模具中決定產(chǎn)品幾何尺寸和外觀質(zhì)量的關(guān)鍵部件。在設(shè)計和加工中，其幾何尺寸必須符合膜片產(chǎn)品要求，邊角相接處應(yīng)圓滑過渡，圓角半徑不小于3mm。

壓環(huán)實際上就是中模，中模還有一個特殊的作用，即在硫化時，對深度較大的膜片，有利于膠布半成品沿下模擴(kuò)展而不起折皺，采用壓環(huán)后，可起到繃緊膠布的作用。

硫化是在真空平板硫化機上進(jìn)行。對乙丙橡膠采用的硫化溫度為150～170℃。因為是薄制品，故硫化時間較短，一般為5～15min。硫化壓力直接影響膠料的致密程度，但對于橡膠膜片，這一類夾布制品壓力過高不利于膠料對織物簾布的緩慢滲透，還易損壞軟模，壓壞產(chǎn)品，因此硫化壓力不宜過高，一般為1.5～2MPa。一次硫化成形后，還需進(jìn)行二段硫化，因膠料采用的是過氧化物硫化劑，所以按200℃×2h的條件進(jìn)行二段硫化即可。

4.5 成品檢驗

膜片硫化后，需進(jìn)行修整，再檢驗其是否符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。對膜片的外觀質(zhì)量要求表面平整光滑，不應(yīng)有破損、雜質(zhì)、氣泡、折皺、噴霜、透光、脫層、發(fā)粘以及露出織物簾布等缺陷，需進(jìn)行百分之百的檢驗。膜片的尺寸應(yīng)符合設(shè)計要求，厚薄均勻，各部位厚度差應(yīng)不大于膜片厚度的10%，尺寸檢驗以抽樣方式進(jìn)行，檢驗合格后才能包裝入庫。此外，還要定期進(jìn)行臺架模擬試驗，主要是模擬實際使用工況，對膜片的耐壓強度、壓力損失、密封性、靈敏性以及疲勞壽命等使用性能進(jìn)行檢驗。

5 結(jié) 語

采用乙丙橡膠復(fù)合芳綸織物簾布制造的薄膜式橡膠膜片，在啟動及使用過程中無摩擦損耗，無需潤滑，有效受力面積不變，具有耐高溫、耐輻照的優(yōu)異性能，非常適合核級氣動執(zhí)行機構(gòu)在核電站的工況條件下使用。目前，核電設(shè)備的國產(chǎn)化制造支撐我國核電規(guī)?；团炕陌l(fā)展。核電設(shè)備的制造產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈體系正在形成。橡膠薄膜式膜片作為核級氣動裝置中關(guān)鍵元件，也成為核電發(fā)展中的重要一環(huán)。