核級聚丙烯酸分散劑與密封材料相容性研究

王 駿 吳申奧 陳 勇 楊順龍 鄧清泉 劉佳露 陳銀強 侯 濤

（1. 福建福清核電有限公司，福建 福清 350318；2. 中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北武漢 430223；3. 三門核電有限公司，臺州 三門 317112）

0 引言

壓水堆核電站二回路腐蝕產物隨給水遷移到蒸汽發生器（SG）中，大部分會沉積在支撐板上部、傳熱管外表面以及縫隙處。SG內部的沉積物可能會對其傳熱性能和完整性產生影響，因此二次側腐蝕產物的控制是二回路水化學控制工作的重點[1]。近年來，聚丙烯酸（PAA）分散劑積污控制技術受到國內核電行業關注，即添加PAA分散劑至二回路給水中，減緩水中腐蝕產物顆粒的沉降，通過SG排污直接排出[2]。目前，國內已開發出核級PAA分散劑產品。本文開展了核級PAA分散劑與核電廠二回路典型密封材料的相容性研究，以期為PAA分散劑在核電二回路中的應用奠定基礎和提供相應的理論支撐。

1 試驗材料及設備

本次試驗選擇三種類型的典型核電廠二回路密封材料，橡膠材料（丁腈橡膠、氯丁橡膠和三元乙丙橡膠）、聚四氟乙烯材料和石墨材料。使用的聚丙烯酸分散劑（Mw～120000）為自主研發合成，其他化學藥品均為分析純。試樣尺寸參照國家標準GB/T 528-2009，用啞鈴切刀在同一橡膠板上沿垂直紋理方向切出1型啞鈴橡膠試樣。

試驗所用儀器設備如下：恒溫水浴鍋（寧波群安）、拉伸試驗機（東莞科健）、邵氏硬度計LX-A（東莞三量）、邵氏硬度計LX-D（廣州蘭泰）、分析天平（日本島津）、光學顯微鏡（卡爾蔡司）、雷磁PHBJ-260 pH計（上海儀電）、高溫高壓釜（大連第四儀器廠）、超純水機（武漢品冠）。

2 試驗方法

試驗參照國家標準GB/T 1690-2010進行，將材料用除鹽水洗凈，并在30℃條件下烘干1h，用濾紙包裹備用。對干燥后的材料進行外表面宏觀相機拍照記錄，然后稱重，質量精確到0.0001g。首先將干燥后的樣品懸掛置于容器內，向容器內注入AVT水處理試驗介質溶液。將水浴鍋升至規定溫度后開始計時，達到規定時間后停止試驗。樣品完成浸泡試驗后，用除鹽水洗凈、晾干，在烘箱35℃干燥一小時后稱重。硬度測試時每個樣品取8～10個點進行測定，最后取均值。試驗參數設置如表1所示。

表1 試驗條件參數

評價PAA與非金屬密封材料相容性評價，目前國內外并沒有相關標準。鑒于此情況，主要依照標準GB/T 1690-2010，通過比較添加100mg/L PAA與空白試樣的微觀形貌、重量、壓入硬度、拉伸強度、拉斷伸長率等指標的變化，評價PAA與橡膠密封材料的相容性，詳細指標和方法詳見表2所示。同時，參考一些同為有機物的潤滑油、液壓油與密封材料的相容性相關標準和文獻[3-5]，如GB/T 14832-2008《標準彈性體材料與液壓液體的相容性試驗》規定體積變化率在-4%～+15%、硬度變化率在-8%～+8%、最大拉伸強度變化及最大拉斷伸長率變化小于20%則符合標準，綜合評價材料相容性。試樣的重量、壓入硬度、拉伸強度、拉斷伸長率等指標的變化率按照下式計算：

表2 非金屬密封材料測試指標和測定方法

質量變化率（%）=（浸泡后質量-浸泡前質量）/浸泡前質量

硬度變化率（%）=（試驗組硬度-空白組平均硬度）/空白組平均硬度

拉伸強度變化率（%）=（試驗組拉伸強度-空白組平均拉伸強度）/空白組平均拉伸強度

拉斷伸長率變化率（%）=（試驗組拉斷伸長率-空白組拉斷伸長率）/空白組拉斷伸長率

3 試驗結果及討論

3.1 橡膠材料相容性試驗結果

3.1.1 宏觀形貌評估

橡膠材料在100ppm的PAA溶液、AVT水處理試驗介質環境中浸泡后的宏觀形貌如圖1所示，從宏觀來看，浸泡的試樣無明顯的變形或腐蝕，也未見裂紋、凹痕或鼓泡等現象，添加或不添加PAA浸泡后的試樣外觀沒有明顯差異。

圖1 三種橡膠材料浸泡后的宏觀形貌

3.1.2 微觀形貌評估

三種橡膠材料在AVT水處理試驗介質環境下，添加及不添加PAA溶液中浸泡后的微觀形貌如圖2所示，未見裂紋或凹痕等現象，添加或不添加PAA浸泡后試樣微觀形貌基本一致。

圖2 橡膠浸泡后200倍微觀形貌

3.1.3 性能變化評估

橡膠材料在100ppm的PAA溶液、AVT水處理試驗介質環境中浸泡后的性能變化如表3所示，可以看出，橡膠材料在60℃、AVT水環境條件下，添加100ppm PAA浸泡后，與不添加PAA相比，材料的重量、硬度、拉伸強度和拉斷伸長率的差異很小，其中重量前后變化在1.44%～2.25%，硬度差異在-0.97%～1.67%，拉伸強度差異在-2.34%～1.68%，拉斷伸長率差異在-2.12%～2.94%。說明此條件下添加PAA對這幾種橡膠材料無明顯的腐蝕和溶解作用，對材料相容性無明顯影響。

表3 橡膠材料浸泡前后性能變化

3.2 聚四氟乙烯相容性試驗結果

3.2.1 宏觀形貌評估

聚四氟乙烯材料在浸泡試驗后的宏觀形貌如圖3所示，浸泡的試樣無明顯的變形、腐蝕或溶解，也未見破損、裂紋、凹坑或鼓泡等現象。

圖3 聚四氟乙烯材料浸泡前后的宏觀形貌

3.2.2 微觀形貌評估

聚四氟乙烯材料在AVT水處理試驗介質環境下，添加及不添加PAA溶液中浸泡后的微觀形貌如圖4所示，未見裂紋或凹痕等現象，添加或不添加PAA浸泡后試樣微觀形貌基本一致，沒有明顯差異。

圖4 聚四氟乙烯材料浸泡前后的微觀形貌（1-100ppm PAA、2- 0ppm PAA）

3.2.3 性能變化評估

聚四氟乙烯材料在100ppm的PAA溶液、AVT水處理試驗介質環境中浸泡后的性能變化如表4所示，可以看出，材料在浸泡試驗后重量變化較小，變化率在0.01%以內；與不添加PAA浸泡相比硬度差異也較小，在-0.74%～3.41%。說明此條件下添加PAA對聚四氟乙烯材料無明顯的腐蝕和溶解作用，對材料相容性無明顯影響。

表4 聚四氟乙烯材料浸泡前后性能變化

3.3 石墨材料相容性試驗結果

3.3.1 宏觀形貌評估

石墨材料在100ppm的PAA溶液、除鹽水中浸泡后的宏觀形貌如圖5所示，從宏觀來看，浸泡的試樣無明顯的變形、腐蝕或溶解，也未見破損、裂紋、或鼓泡等現象，PAA或除鹽水浸泡后的試樣外觀沒有明顯差異。

圖5 石墨材料浸泡后的宏觀形貌（1,2- 0ppm PAA、3,4- 100ppm PAA）

3.3.2 微觀形貌評估

石墨材料在100ppm的PAA溶液、除鹽水中浸泡后的微觀形貌如圖6所示。可以看出，石墨材料在PAA溶液和除鹽水浸泡后均表面完整，未見裂紋、點坑等現象，兩者放大后觀察到的形貌基本一致。可見PAA對石墨材料的微觀形貌沒有影響。

圖6 石墨材料PAA浸泡后的微觀形貌（1 -100ppm PAA、2- 0ppm PAA）

3.3.3 性能變化評估

石墨材料在100ppm的PAA溶液、AVT水處理試驗介質環境中浸泡后的性能變化如表5所示，可以看出，材料在浸泡試驗后重量變化較小，變化率最大為-1.55%；與不添加PAA浸泡相比硬度差異也較小，在0.68%～0.81%。說明此條件下添加PAA對聚四氟乙烯材料無明顯的腐蝕和溶解作用，對材料相容性無明顯影響。

表5 石墨材料浸泡前后重量變化

4 結語

為研究PAA對核電二回路系統主要非金屬密封材料環境相容性的影響，針對五種主要的密封材料開展了AVT堿性環境下添加PAA浸泡試驗和性能檢測，結果表明：ppm級PAA添加對丁腈橡膠、氯丁橡膠、三元乙丙橡膠、石墨、聚四氟乙烯等5種材料的質量、硬度、表面形貌或拉伸強度等無明顯影響，即PAA添加對這些材料環境相容性無明顯影響。