1、压 力 容 器第 41 卷第 2 期2024 年 2 月 37 收稿日期：2023-10-16 修稿日期：2023-12-12doi：10 3969/j issn 1001-4837 2024 02 005试 验 研 究核电厂重要设备爆破片服役寿命评价技术高红波1，魏 恒2，徐应军2，王晓峰2，王 凡2，张 敏2，原 帅2，陈明亚1，王英杰1（1.苏州热工研究院有限责任公司，江苏苏州 215004；2.大亚湾核电运营管理有限责任公司，广东深圳 518000）摘 要：针对爆破片现有的技术规范中鲜有服役寿命评价的技术说明，以某核电厂汽轮机低压缸爆破片为例，通过对寿命影响因素的梳理，进行了爆破片整体
2、疲劳和爆破试验，并对金属部件的材质检验、缺陷检测，以及非金属部件进行加速老化试验和性能测试对比分析。研究结果表明，经过100次压力循环后，爆破片的性能保持在设计参数内，显示出良好的耐疲劳性能。金属部件的微观分析和非金属部件的加速老化测试均证明了材料的高稳定性和长寿命。在现有的服役条件和更换周期情况下，爆破片主要的寿命影响因素对其服役损伤影响有限，将更换周期延长一倍具有理论和试验数据支撑。该研究对破膜在工程中的应用、维护及更换策略具有一定的指导意义。关键词：爆破片；疲劳寿命；老化机理；爆破试验中图分类号：TH49；X924.4；O346.2 文献标志码：A Study on the servic
3、e life evaluation technology of bursting discs in critical equipment of nuclear power plantsGAOHongbo1，WEIHeng2，XUYingjun2，WANGXiaofeng2，WANGFan2，ZHANGMin2，YUANShuai2，CHENMingya1，WANGYingjie1（1.SuzhouNuclearPowerResearchInstituteCo.，Ltd.，Suzhou 215004，China；2.DayaBayNuclearPowerOperationsandManageme
4、ntCo.，Ltd.，Shenzhen 518000，China）Abstract：Consideringthatexistingtechnicalspecificationsrarelyprovidedetailedguidelinesforevaluatingtheservicelifeoftherupturediscs，takingthelow-pressurecylinderrupturediskinthesteamturbineofanuclearpowerplantasanexample，byanalyzingthefactorsaffectingitslifespan，compr
5、ehensivefatigueandbursttestswerecarriedoutontherupturedisk Additionallythematerialqualitywasinspectedanddefectsweredetectedformetalcomponents，andacceleratedagingtestsandperformancecomparisonswerecarriedoutfornon-metalcomponents Theresultsindicatethatafter100pressurecycles，therupturediskmaintainsitsp
6、erformancewithinthedesignparameters，demonstratingrobustfatigueresistance Bothmicroscopicanalysesofmetalcomponentsandacceleratedagingtestsofnon-metalcomponentsverifiedthehighstabilityandlonglifeofthematerialUnderexistingserviceconditionsandreplacementcycles，theinfluencesofprimaryfactorsinfluencingthe
7、lifespanoftherupturediskhavelimitedimpactonitsoperationaldamage Thedecisiontodoublethereplacementcycleissubstantiatedbytheoreticalandexperimentaldata Thisresearchprovidesvaluableguidancefortheapplication，maintenance，andreplacementstrategiesofrupturedisksinengineeringprojectsKey words：rupturedisk；fat
8、iguelife；ageingmechanism；bursttests0 引言核电厂汽轮机中使用了较多的爆破片装置（如汽动主给水泵系统爆破片、低压缸爆破片等），用以保证爆破片两侧压差达到规定温度下的安全阈值时，爆破片发生破裂完成泄压，以避免压力容器和管道发生爆炸，从而避免人员伤亡和经济损失1-4。因此，作为关键部件的爆破片可38PRESSURE VESSEL TECHNOLOGYVol.41，No.2，2024以保障压力容器和管道的安全运行，其可靠性对预防严重事故的发生具有重要作用。依据爆破片工作原理，在爆破片两侧压力差达到安全爆破阈值时，爆破片发生破裂泄压。但行业反馈发现，在爆破片长期服役后
9、会出现爆破片在压力低于安全阈值的状态下破裂的情况。研究表明5-6，爆破片的性能会因温度和压力波动、振动或者大气腐蚀等因素发生改变，从而影响设备的安全运行。近年来，各种机械设备朝着大型化、轻量化、高速化的方向不断发展，设备自身的结构复杂程度持续提高，与此同时，设备所处的工作环境，如高温、高压、强腐蚀性介质等外部条件也变得日益严苛。在设备结构日益复杂、环境条件不断恶化的双重影响下，设备的关键安全部件（如爆破片）更易发生机械疲劳或破裂。如果使用单位对爆破片的检查和更换周期判定不当，会给设备运行带来安全隐患7。TSGZF0032011爆破片装置安全技术监察规程中规定，爆破片定期检查周期可由使用单位视情
10、况而定，更换周期应当根据设备使用条件、介质性质等具体影响因素，或者设计预期使用年限合理确定。EZUMI 等7通过对6种材料的薄板爆破片进行疲劳寿命测试，探讨了反复循环压力对不锈钢的影响。闫兴清等8通过失效模式分析确定爆破片更换周期，考虑疲劳、高温影响，提升使用寿命预测准确性。宣鸿烈等9通过试验和数学拟合分析，研究了不同材料爆破片在静态和循环载荷下的持久寿命和疲劳寿命，提出了寿命预测公式和安全系数。喻健良等10通过试验研究挤压、划伤对正拱形爆破片爆破压力和疲劳寿命的影响。KOMIYA 等11通过恒定及两步变幅压力疲劳试验研究铜安全爆破片的疲劳强度和爆破压力变化，提出经验公式以估算允许循环次数。当
11、前研究通过试验、理论分析及数学拟合等多种方法，对爆破片的疲劳寿命、更换周期及安全性进行了探讨，但鲜有基于爆破片寿命影响因素开展系统性服役寿命评价的技术说明。本文研究的核电厂汽轮机低压缸爆破片既定更换周期为4个换料循环，考虑其使用经济性，拟将更换周期延长1倍。为保障延长服役的安全性，本文依据相关标准，结合爆破片服役老化机理，对核电厂汽轮机爆破片开展服役寿命评价，为爆破片在工程中的应用、维护及更换策略提供参考。1 寿命影响因素1.1 低压缸爆破片介绍本文研究对象为国内某二代核电机组汽轮机低压缸爆破片，如图1所示。该爆破片安装于汽轮机低压缸，用以保持低压缸真空环境，防止蒸汽压力过大造成低压缸和凝汽器
12、损坏。爆破片服役温度为120，在服役期间因工况变化承载不超过0.1MPa 的交变压力载荷。根据对运行工况压力参数进行统计，保守估计在每个换料循环（18个月）内承载的交变压力循环不超过10次。图1 低压缸爆破片结构示意Fig.1 Structuraldiagramoflowpressurecylinderrupturedisk低压缸爆破片主要技术参数如表1所示。低压缸爆破片属于正拱组合型爆破片，其结构由内向外依次为316L 不锈钢支撑板、氟化乙烯丙烯共聚物（FEP）密封膜，以及拱顶316L 不锈钢膜片。表1 爆破片主要技术参数Tab.1 Maintechnicalparametersofther
13、upturedisk项目 结构形式 直径/mm材料爆破压力/bar参数组合型、正拱1000316L/FEP/316L0.1430.547（120、表压）1.2 影响因素分析爆破片工作环境复杂，不但要接触各个机械元件，还要承载温度、压力变化的影响。复杂的工作状态导致其影响因素较多，对其服役寿命的影响较大。1.2.1 金属部件机械损伤由于低压缸爆破片拱顶金属膜片厚度仅为0.5mm 左右，且在冲压制造过程中形成了较大的残余应变，在安装、运行过程中意外导致的损伤、39高红波，等：核电厂重要设备爆破片服役寿命评价技术变形均可能导致爆破片表面出现划痕、裂纹，甚至影响材料组织状态及宏观力学性能，从而影响爆破
14、片爆破压力和抗疲劳性能。1.2.2 机械疲劳作为安全泄放装置，由于低压缸爆破片为组合型爆破片，其结构的复杂性、组合位置的不连续性、双向应力状态及制造过程中出现的大变形，导致爆破片的疲劳寿命远低于其材料的疲劳寿命。研究表明12-13，正拱型爆破片的疲劳寿命一般为102105次循环，远低于其他同材料机械构件。核电机组启停机工况将导致低压缸爆破片受到交变的压力载荷冲击，产生较高的交变应力，从而导致爆破片金属部件疲劳损伤。1.2.3 非金属部件老化低压缸爆破片中间 FEP 密封膜为含氟塑料材质，此类合成高分子材料在成型加工、使用和贮存过程中，受到光、热、氧、水份等的作用后，大分子内部发生降解或交联，使
15、其物理、力学性能劣化乃至丧失其使用价值，从而发生“老化”现象14。2 服役寿命评价为了确定爆破延长服役至8个换料循环后的安全状态，基于梳理的低压缸爆破片主要老化机理，对爆破片整体进行疲劳和爆破试验，对疲劳试验前后的拱顶金属膜片开展宏观渗透（PT）检查、微观组织分析、力学性能测试及拱顶关键位置的微观损伤检查，以及对 FEP 密封膜的老化寿命进行评估。基于有限元计算软件 Ansys 分析了低压缸爆破片在承压状态下的应力分布，如图2所示。图2 爆破片承压状态应力分布Fig.2 Thestressdistributionoftherupturediskunderpressure受爆破片自身结构影响，爆
16、破片受压状态下出现3个应力集中区。在爆破片服役过程中，图2所示的这3个应力集中区的金属部件更易遭受机械损伤，且损伤程度可能更为严重。因此，选择上述3个应力集中区作为微观组织分析、力学性能测试及微观损伤检查等项目的取样位置。2.1 整体性能试验依据标准 GB567.42012爆破片安全装置 第4部分：型式试验，针对低压缸爆破片服役环境设计了疲劳试验及疲劳后的爆破试验，以验证爆破片服役中疲劳损伤对其爆破性能的影响。文中设计的低压缸爆破片疲劳及爆破试验装置，由压机、变送器、气源、控制台等组成。通过压机控制气源，在爆破片反向施加循环变化的压力载荷，疲劳试验交变压力0.1MPa，载荷比为-1，试验温度1
17、20。根据电厂运行经验反馈，保守设置100次压力循环以等效服役4个换料循环老化状态。依据 GB567.42012，试验件共需设置4组。试验件均已在电厂服役4个换料循环。对其中3组试验件开展疲劳试验，并对其中2组开展爆破试验以确定疲劳试验后爆破压力的变化；将另外1组试验件作为疲劳前原始试样，用以开展型式试验前/后的爆破片金属材料和非金属材料材质状态评估对比。在疲劳试验前后，分别随机抽取了1组爆破片，对其拱顶金属膜片进行了 PT 检查。检查结果表明拱面顶端表面开缝处无裂纹，也未发现任何可能影响爆破片性能的缺陷，如严重划伤等。爆破试验介质为压缩空气，试验温度120，爆破压力为0.1430.547ba
18、r（120、表压），2组爆破试验的爆破压力分别为0.262bar（表压）和0.2bar（表压），均在爆破片原设计爆破压力范围内。因此，在经历100次压力循环疲劳试验后，低压缸爆破片的爆破参数依然满足设计使用要求。2.2 金属材料材质状态评估针对服役过程中爆破片金属部件机械损伤对爆破片的影响，对低压缸爆破片外层拱顶金属膜片开展微观损伤、组织状态及力学性能测试分析。依据 JY/T0101996分析型扫描电子显微镜方法通则，对爆破片外层拱顶金属膜片进行扫描电镜微观观察分析。如图3所示，在200倍视图下，疲劳试验前后均存在轻微的划痕，可能是40PRESSURE VESSEL TECHNOLOGYVol
19、.41，No.2，2024在运输、安装过程中导致的，其对结构性能影响有限。（a）疲劳试验前（b）疲劳试验后图3 爆破片拱顶金属膜片表面扫描电镜图Fig.3 SEMimageofthedomemetaldiaphragmsurfaceoftherupturedisk依据 GB/T132982015金属显微组织检验方法，采用金相显微镜对疲劳试验前后的爆破片表面显微组织进行对比分析。如图4所示，在500倍物镜下，爆破片表面呈现典型的奥氏体组织，在疲劳试验前后，组织状态无明显变化，且无明显晶界析出相和晶内析出相。因低压缸爆破片拱顶金属膜片厚度仅0.5mm左右，无法满足常规标准拉伸试样取样要求，宏观力学
20、性能测试采用薄片销钉固定端试样（见图5）。拉伸试验依据 GB/T228.12010金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法进行位移控制，应变速率设置为（0.0050.002）min-1，获得全应力应变曲线，速率不切换，直至拉伸试样断裂。爆破片拱顶金属膜片拉伸试验结果如表2所示。因正拱型爆破片采用冲压成型的方式加工而成，材料本身存在较大的残余应变，其屈服强度超过500MPa，明显高于普通316L 材料的屈服强度（170310MPa）。在疲劳试验后，取样位置发生应变强化，屈服强度升高，硬化幅度达到8.89%。（a）疲劳试验前（b）疲劳试验后图4 爆破片拱顶金属膜片金相照片Fig.4 Metall
21、ographyoftherupturediskdomemetaldiaphragm图5 薄片销钉固定端试样结构示意Fig.5 Structuraldiagramofwaferpinfixedendsample表2 爆破片拉伸试验结果Tab.2 Thetensiletestsresultoftherupturedisk试样编号状态屈服强度/MPa屈服强度均值/MPa硬化幅度（%）1疲劳试验前550.21539.648.892547.453521.254疲劳试验后594.33592.265577.786604.67综合对比低压缸爆破片拱顶金属膜片表面微观损伤、金相组织状态及力学性能等，在疲劳试验后
22、，未出现明显的磨损、划痕，组织状态无明显变41高红波，等：核电厂重要设备爆破片服役寿命评价技术化，应变强化幅度较小，服役期间金属部件机械损伤对爆破片整体爆破性能影响有限，满足延长服役要求。2.3 非金属材料寿命评估低压缸爆破片非金属材料寿命评估采用活化能快速评定法。通过 Arrhenius 方程推导出反映高分子材料热老化特性的寿命方程，如式（1）所示；利用差示扫描量热法（DifferentialScanningCalorimetry，DSC）技术快速测定了氟塑料密封材料的反应动力学参数活化能，结合单一温度的加速热老化试验确定材料的热老化寿命方程（见式（1），计算橡胶材料剩余寿命。老化试验采用G
23、B/T35122014硫化橡胶或热塑性橡胶热空气加速老化和耐热试验。lg=a+b/T（1）式中，为材料寿命，h；a为反映材料规定失效性能的常数；b为与活化能Ea有关的常数，b=0.401Ea/R（R=8.314J/（mol K）；T 为老化温度，K。参考 GB/T134642008物质热稳定性的热分析试验方法，采用 DSCQ2000热分析仪及相关分析软件组成差示扫描量热系统、XS205DU 型电子分析天平进行活化能测定。根据 DSC 测试结果计算得到低压缸爆破片非金属材料活化能达到1402322.38J/mol，故可计算得到式（1）中的参数 b=67636.67。根据 DSC 测试结果，材料活
24、化能相对较高，可定性说明材料稳定性较高，在融化温度下使用时，对材料寿命的影响较小。对低压缸爆破片非金属材料样品做单一温度下加速热老化试验，并监测断裂伸长率变化趋势，以行业通用的断裂伸长率下降至初始值的50%作为材料失效临界值，得到该样品在某个温度下的老化寿命，将寿命数据代入式（1），得到该样品完整的热老化寿命方程，可求得材料的寿命。结合材料实际服役温度，可计算服役样品的热老化寿命，从而评估汽轮机爆破片非金属氟塑料寿命延长的合理性。为保障试验精度的同时尽可能缩短试验周期，加速热老化试验温度设为250。图6示出热老化时长与对应样品的断裂伸长率测试数据。因材料性能较好，在加速老化至600h 时，材料
25、断裂伸长率仍未出现明显的下降趋势。即使保守假设600h 为加速热老化寿命终点，反推得到的热老化寿命方程可证明在120下，材料的热老化寿命将达到10831h，可以认为其寿命接近无限大。因此，根据加速热老化试验结果同样可定量地判断材料稳定性极高，在低压缸环境服役，寿命不会受到热老化影响。图6 热老化时间与对应样品的断裂伸长率关系曲线Fig.6 Relationshipbetweenthermalagingtimeandelongationatbreakofcorrespondingsample3 结论（1）整体性能测试表明，低压缸爆破片在经历等效服役4个换料循环的压力循环疲劳试验后，其爆破参数依然
26、满足设计使用要求。（2）综合对比低压缸爆破片拱顶金属膜片表面微观损伤、金相组织状态及力学性能等情况，服役期间金属部件机械损伤对爆破片整体爆破性能影响有限，满足延长服役要求。（3）结合低压缸爆破片非金属材料活化能测试结果及加速热老化试验结果，可判断材料稳定性极高，在低压缸环境服役，寿命不会受到热老化影响，不影响爆破片继续服役4个换料循环。综合各项测试评估结果表明，在现有的服役条件和更换周期情况下，爆破片主要的老化机理对其服役损伤影响有限，将更换周期延长一倍具有理论和试验数据支撑。该研究对爆破片在工程中的应用、维护及更换策略具有一定的指导意义。结论仅适用于文中所研究的特定核电厂汽轮机低压缸爆破片，
27、在其他情况下应用这些结论时，需要进行相应的评估和验证。参考文献：1王路逸，惠虎 爆破片疲劳实验装置的研制及其应用J 机械设计与制造，2015（7）：58-60WANGLY，HUIH DevelopmentandapplicationoffatigueexperimentaldeviceofburstingdiscJ MachineryDesign&Manufacture，2015（7）：58-602 休 贝佛里奇 爆破片装置在核工业中的应用J 核动力工程，1995，16（6）：559-562BEVERIDGEHJR Applicationofrupturedisc42PRESSURE VESS
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