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一种核电装置EH系统密封圈失效原因的综合判定方法.pdf

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一种 核电 装置 EH 系统 密封圈 失效 原因 综合 判定 方法
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摘要
申请专利号:

CN201610847730.4

申请日:

2016.09.26

公开号:

CN106482936A

公开日:

2017.03.08

当前法律状态:

实审

有效性:

审中

法?#19978;?#24773;: 实质审查的生效IPC(主分类):G01M 13/00申请日:20160926|||公开
IPC分类号: G01M13/00 主分类号: G01M13/00
申请人: 复旦大学
发明人: 杨振国; 丁群; 杨晓蕾
地址: 200433 上海市杨浦区邯郸路220号
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: 上海正旦专利代理有限公司 31200 代理人: 张磊
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法律状态
申请(专利)号:

CN201610847730.4

授权公告号:

|||

法律状态公告日:

2017.11.14|||2017.03.08

法律状态类型:

实质审查的生效|||公开

摘要

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?#31995;?#20998;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?#25216;?#20540;。

权利要求书

1.一种核电装置密封圈失效原因的判定方法,其特征在于具体步骤如下:
(?#20445;?#20102;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;
(?#29627;?#23545;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?#36873;?#26159;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;
(?#24120;?#37319;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?#27493;牽?br />
(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?#21152;?#30967;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?#21097;?br />
(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?#36824;?br />?#19969;?#26448;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?#20351;?#22823;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?#27493;?#26102;;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,?#28909;?#23433;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?#36824;?#33539;;
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?#36873;?#39068;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?#26723;?#26102;,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(?#24120;?#20013;:
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?#19969;?#30340;设计许可?#27573;?#20869;,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。

说明书

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?#21482;鶨H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?#21482;?#26426;组一般采用数字电液控制系统(DEH)对汽?#21482;?#30340;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?#21482;?#38400;门动作的转
换。在EH系统中,抗?#21152;?#30340;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?#21482;?#30340;跳闸,进而导致
?#20174;?#22534;停?#36873;H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?#35980;?#25163;动?#26723;?#26426;组功?#21097;?#38548;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?#25628;?#31350;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?#25216;?#20540;。

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:

(?#20445;?#20102;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;

(?#29627;?#23545;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?#36873;?#26159;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;

(?#24120;?#37319;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?#27493;牽?br />

(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?#21152;?#30967;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?#21097;?br />

(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?#36824;?br />?#19969;?#26448;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?#20351;?#22823;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?#27493;?#26102;;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,?#28909;?#23433;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?#36824;?#33539;;

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?#36873;?#39068;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?#26723;?#26102;,失效
原因为材料老化。

本发明中,步骤(?#24120;?#20013;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?#19969;?#30340;设计许可?#27573;?#20869;。

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?#25216;?#20540;。

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?#27573;А?#27492;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?#27573;А?br />

实施例?#20445;?#32467;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,?#20063;?#38754;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?#26412;?#20026;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?#24066;?#30340;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?#24065;?#20135;生应力集中,引发开?#36873;?br />

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?#29627;?#21152;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?#38450;?#27809;有倒?#27493;牽?#19988;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?#24120;?#35013;配?#36824;?#33539;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?#21490;?#30862;性开裂,断口附近还存在一处沿?#26029;?#30340;开?#36873;S也?#26029;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?#26412;叮?#23494;封沟槽
的外观尺寸为φ13.82(沟槽内径)?#21147;?8.54(沟槽外径)×1.48(沟槽深度)。根据GB/T
3452.3-2005《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?#27807;?#23494;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?#36824;娣丁?br />

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?#35745;?#24211;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?#35745;?#22270;库中
进行检索,结果表明失效O型密封圈的材质为丁苯橡?#28023;?#22312;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?#24050;?#33394;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?#26041;?#34892;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 o
C,说明失效O型密封圈的交联程度?#32454;擼?#22312;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。

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