核电用石墨密封垫片的试验方法研究.docx

核电用石墨密封垫片的试验方法研究 杨书益( 合肥通用机械研究院，安徽合肥230031)摘 要: 核电用石墨密封垫片是一种新型结构的密封垫片，目前还没有相关测试方法的标准。本文通过对石墨密封垫片测试方法的研究，重点对垫片压缩率、回弹率、应力松弛率及密封泄露率的试验载荷进行了试验分析，提出了试验载荷 的要求。对于制订该产品测试方法标准有重要的参考价值。关键词: 石墨密封垫片; 压缩率; 回弹率; 密封中图分类号: TH136文献标志码: Adoi: 10 3969 / j issn 1005 0329 2015 01 010esearch on Test Methods of the Graphite Sealing Graket for Nuclear Power PlantsYANG Shu-yi( Hefei General Machinery esearch Institute，Hefei 230031，China)Abstract: The graphite sealing gasket for nuclear power plants has such a brand-new structure，that there has been no standardof retated test methods yet This article focused on analyzing the test load of gasket compressibity resiliency stress relaxation rate and leakage rate through studying on test methods for the graphite sealing gasket，equests of the test load has been put which are of great importance for setting measure standards of the productKey words: graphite sealing gasket; compressibility; resilency; sealing万吨标准煤燃烧所放出的能量) 在反应堆内发生核裂变，产生大量热能。这种热能将主泵打入核 反应堆中 的 水 加 热 到 327 ，压 力 达 到 15 5MPa的高温高压水，高温高压水通过蒸汽发生器内部的 U 型传热 管 将热能传递给二回路中的冷却水 产生蒸汽，冷却后的水又被主泵打入堆芯重新加 热成高温高压水。水在这样的密封回路内往返循环的过程被称为一回路系统。核电站中的二回路 系统是在蒸汽发生器 U 型管外的冷却水，经过一 回路的加热传递能量后，变成水蒸气推动汽轮发 电机运转，将热能转化成电源，传递热量降温后的 水蒸气进入冷凝器冷却后，再经过水泵打入蒸汽 发生器，重新加热成蒸汽，这个过程称为核电站中 的二回路系统。三回路系统是指将海水或淡水泵 入冷凝器中，将二回路的水蒸气冷却为常温水的 过程。核电站中使用的密封件主要使用于二回路和 三回路系统中主蒸汽安全阀( MSSV) 及冷凝器释1前言自 20 世纪 50 年代美国建成世界上第一座核电站以来，世界上运行和在建的核电站 有 500 多 座。根据核电技术的堆型，核电站分为: 压 水 堆、沸水堆、重水堆、快堆、石墨气冷堆等堆 型。目 前我国的核电技术主要采用的是法国开发的二代压 水堆核电技术和少量重水堆核电技术 ( 秦 山 三 期) ，秦山一期为原型堆核 电 技 术。我 国 引 进 的 美国非能动 AP1000 核电机组落户在浙江三门以 及广东核电集团公司引进的法国 EP 核电 站 都 属于第三代核电技术。即将在湖南桃江开工建设 的我国首座内陆核电站，将使用目前世界上最先 进、最安全的第三代核电技术。我国已建成运行 和在建 的 核 电 站 有 34 座，总 装 机 容 量 达 到 3708 万 kW。核电站的工作原理是利用核燃料 ( 主要是 U 235，一吨铀 235 的核裂变将释放相当于 270收稿日期: 2014 05 21 修稿日期: 2014 09 19FLUID MACHINEYVol. 43，No 1，201548放阀出入口的阀门法兰接口处的法兰密封垫片，以及涉 及到非核级以及核二级核三级阀门填 料、中法兰 垫 片、容器异型纯石墨人孔垫片等。使用的 密封垫片结构型式主要有金属缠绕垫 片、金属包 银 自 密封垫片和带内外环纯石墨密 封垫片( 有的企业称为嵌入式石墨金属 垫 片 ) 。这 2 种产 品 中，金属缠绕垫片测试方法标准和 产品标准 均 已 完 善，如 GB / T14180 缠 绕 式 垫 片试验方 法，GB / T12385 管 法兰用垫片密封性能 试验方 法，GB / T12621 管 法兰用垫片应力松弛 试验方 法，GB / T12622 管 法兰用垫片压缩率及 回弹率试 验 方 法1 7。金属包银自密封垫片由 于价格 昂 贵，现在使用量较少。目 前 使 用 较 多 和密封效果最好 的 垫 片是带内外环纯石墨密封 垫片。核电站中法兰垫片接 触的介质涉及海 水、冷却 水、空 气、氮 气、氧 气、蒸 汽、除 盐 水、硼酸、油、30 % 氢 氧 化 钠 溶 液、7 % 硝 酸 溶 液 等，使 用压力从真空到高压15 5 MPa，使用温度从常温 到 350 高温。图 1 石墨密封垫片结构型式3石墨密封垫片的性能试验方法探讨核电用石墨密封垫片主要 测试项目有压缩 率、回弹率、应力松弛率、密封泄露率。垫 片 的 压 缩、回弹性能试验是参照 GB / T12622管 法 兰 垫 片压缩率 及回弹率试验方法 进 行，试 验 在 专 用 的垫片压缩回弹试验装置上进行。垫片初始应力 为 0 5 1 0MPa，垫片最终加载应力为 70MPa，加 载及卸载速度为 0 5MPa / s，试验温度为 23 5 ， 该试验装置中，垫片加载系统提供规定的垫片预 紧应力，试验过程中垫片载荷的波动小于规定值 的 5% ，并能控制恒定的加载、卸 载 速 度，试 验 机 还具有加热及温度测量系统，载荷位移测量系统， 数据采集系统和模拟法兰面等组成。法兰密封面 硬度为 40 50HC，密封面的表面粗糙度 a 应 在 1 6 3 2m 之 间，垫片压缩率和回弹率计算 式为:2石墨密封垫片的生产工艺简介核电用石墨密封垫片由内环、石墨垫 片 和 外环组成，石墨垫片嵌在不锈钢内、外环间，金属环 与密封垫片之间连接紧密，金属环与石墨表面保 持平行，石墨表面平整、光滑8 11。生产工艺 流 程 为: 鳞 片 石 墨处 理核 级 可 膨胀石墨膨化石墨蠕虫压制石墨板材 压制成型石墨垫片与金属内外环嵌合带内 外环石墨密封垫片。上述工艺流程中的柔性石墨板材及其制品应 具有稳定的抗辐照能力，碳含量 99 5% ，灰分T1压缩率 = 100%T0T1 T2回弹率 = 100%T1式中T 垫片试样在初始载荷下的厚度，mm0T1 垫片 试样在总载荷下的压缩量，mmT2 垫片试样的残余压缩量，mm上述试验方法中，石墨密封垫片的压 缩 回 弹性能试验载荷采用金属缠绕垫片的试验方法是不 适合的，因为柔性石墨金属缠绕垫片是金属和石 墨交错缠绕的混合体，垫片的硬度明显高于纯石 墨密封垫 片。石墨密封垫片在 70MPa 载 荷 下 的 压缩率，实际载荷是作用在加强环上，这 种 状 态 下测出的 压 缩 率并不是实际垫片的压缩率，而 是作用在 加 强 环 上 的 压 缩 率，石墨密封垫片的 压缩率试验数据表明，在 70 MPa 载 荷 下，垫 片 的 压缩率为 25 % ( 此 时 实际载荷是作用在加强环 上，再增 加 载 荷，压缩率也不会增加 了 ) 。 不 同 载荷条件下石墨 密 封 垫片压缩回弹试验结果如 表 1 所示。0 5% ，硫 离 子 含 量02% ，氯 离 子 含 量 0 0 003% ，氟 离 子 含 量 0 005% ，总 卤 素 含 量 0 02% ，石墨板材的抗拉强度 4 5MPa，压 缩 强 度 170MPa。 内、外 环 的 不 锈 钢 材 料 为Z2CN18 10( 304L) 或 Z2CND17 12( 316L) ，内、外不锈钢环起到支撑和限制石墨环的作用，内环 还起 到 保 护 作 用，防止石墨垫片受到过度挤 压12。根据使用压力等级的不同，石墨密封垫片高于不 锈 钢 内、外 环 平 面 0 6 1 0mm。根 据 垫 片不同的压力等级确定内、外环和石墨垫片的高 度，石墨密封垫片的结构型式如图 1 所示。2015 年第 43 卷第 1 期流体 机 械49常温条件下 ( 23 5 ) ，不同载荷的石墨密 封垫片应力松弛试验结果如表 2 所示。表 1 不同载荷条件下的石墨密封垫片压缩回弹试验结果表 2 常温条件下不同载荷的石墨密封垫片应力松弛率( % )松弛率高温条件下( 350 5 ) ，不同载荷的石墨密封垫片应力松弛试验结果如表 3 所示。表 3 高温条件下不同载荷的石墨密封垫片应力松弛率石墨填料环的压 缩、回弹率试验载荷是 35MPa，初载为 0 35MPa，从表 1 试验结果分析可 看出，如果采用柔性石墨填料环的压缩回弹试验 载荷是比较符合石墨密封垫片产品特点的。石墨 密封垫片 在 70，60，50 和 35MPa 载 荷 下 的 压 缩、 回弹性能试验曲线如图 2 所示。目前石墨密封垫片的生产企业进行的应力松弛试验，有的进行常温条件下的应力松弛试验，有 的进行常温和高温应力松弛试验。从上述试验结果对比可看出，高温条件下的石墨密封垫片应力松弛率与 常 温 条件下的应力松弛率没有太大变 化，在 50MPa 载 荷 下，甚至难以测出应力松 弛 率 的变化，这是因为在此载荷下，已经是金属面的接 触了。因而建议石墨密封垫片的应力松弛试验只 进行常温条件下的性能试验，试验载荷为 35MPa， 在此载荷下的试验数值应为作用在石墨垫片上的 应力松弛率。石墨密封垫片的密封性能试验是采用氦气真 空检漏法，试验 设 备 为 SFJ 211 氦 质 谱 检 漏 仪。 试验 介 质: 氦 气 ( 99% ) ，试 验 介 质 压 力 为 0 1MPa，垫片试验载荷分别为: 70，50，35MPa，垫片加 载系统提供规定的垫片预紧应力。试验过程中垫片载荷的波 动 小 于 规 定 值 的 1% ，并 能 控 制 恒 定 的加载及 卸 载 速 度。加载及卸载速度: 0 5MPa /s，试验温度: 23 5 。试验步骤如下: 将密封垫图 2 石墨密封垫片压缩、回弹性能曲线石墨密封 垫 片 的 应力松弛试验是参照 GB / T12621管法兰垫片 应力松弛试验方法标准试验方法 B 进行，试验台由应变螺栓、试验法兰、定 距块及加载螺母等部件构成，温度控制系统由电 加热 器、热 电 偶 及 温 控 仪 组 成。 垫 片 规 格 为: DN80，厚度为 4 4mm，垫片载荷为 50，35MPa 2 种 载荷条件，试 验 温 度 为 常 温，试 验 时 间 为 4h。垫 片的应力松弛率计算式:F1 F2应力松弛率 = 100%F1式中 F1 垫片在规定载荷下的应力值，MPaF2 垫片的最终应力值，MPa试样规格( mm)试验 时间 ( h)试验 载荷( MPa)应力 松弛率 ( % )136 9 120 2 100 1 81 0 4 4136 6 120 4 101 3 81 2 4 4136 5 120 2 100 1 81 4 4 4136 8 120 1 100 2 81 5 4 4136 6 120 2 100 2 81 3 4 4136 5 120 3 100 2 81 1 4 44444445050503535350 00 50 03 54 24 5试样规格( mm)试验 时间 ( h)试验 载荷( MPa)应力( % )136 7 120 1 100 0 81 2 4 4136 8 120 8 101 0 81 3 4 4136 7 120 2 100 5 81 2 4 4136 5 120 1 100 6 81 3 4 4136 7 120 0 100 8 81 7 4 4136 9 120 1 100 4 81 2 4 44444445050503535350 50 20 13 84 94 2试样规格( mm)试验 载荷( MPa)压缩率 ( % )回弹率136 4 120 8 100 3 81 2 4 4136 8 120 8 101 0 81 3 4 4136 7 120 2 100 5 81 2 4 4136 5 120 1 100 4 81 3 4 4136 2 120 0 100 2 81 7 4 4135 9 120 5 100 5 81 8 4 4136 1 120 3 100 8 81 5 4 4135 9 120 1 101 2 81 6 4 4136 4 120 1 100 7 81 2 4 4136 3 120 5 100 0 81 3 4 4135 9 120 0 100 8 81 2 4 4136 5 120 1 100 6 81 3 4 470707060606050505035353525 025 025 025 024 925 023 824 524 923 924 524 330 130 230 030 029 829 627 728 929 126 827 628 150FLUID MACHINEYVol. 43，No 1，2015片置于试验机法兰中心位置，根据规定调整试验所需温度，并保持温度恒定。将垫片匀速加载至 试验载荷，保持恒定，用氦气质谱仪或真空泵将密 封腔抽 至 真 空，进 行 氦 气 喷 洒，试 验 时 间 15min。该方法的试验原理是，密封腔内是真空状态，垫片 密封室的外面是氦气，氦分子的直径很小，若有泄 露，氦气就进入密封腔内部，氦气质谱仪就会捕捉到氦分子，从而测定出泄露率。试验结束后记录 氦质谱仪显示的泄露率数据 Pam3 / s，核电密封要求垫片的密封性能满足最大允许的泄漏率不超 过 10 6 Pam3 / s ( 氦 气) 。不同载荷条件下石墨 密封垫片密封试验结果如表 4 所示。试验方法，GB / T12621管法兰垫片应力松弛试 验方法，GB / T12385管法兰用垫片密封性能试 验方法等 3 个 标 准。在石墨密封垫片的压缩、 回弹性能试验，应力松弛率性能试验的测试方法 中，除了试验载荷与金属缠绕垫片不同外，其他的 试验条件和试验步骤均未改变，且密封垫片试验 数据的离散性较小，因而测试标准的可靠性较高。 而石墨密封垫片与金属缠绕垫片的密封性能试验 方法却有本质的不同，石墨密封垫片不能采用与 金属缠绕垫片相同的密封性能试验方法的主要原 因是因为核电系统对密封件的安全性要求高，石 墨密封垫片的泄露率要求小于 1 0 10 6 Pa m3 / s( 氦气) ，而氦气质谱法可检测的最小漏率为 1 0 10 12 Pa m3 / s，氦质谱真空检漏方法 是 一项成熟的检漏方法，使用领域涉及到航空航天、 原子能、核电、制冷工业、汽车工业等各工业部门。 而通常金属缠绕垫片密封性能要求的允许泄露率 是，在介质为 99 9% 氮 气 条 件 下，一 级 密 封 允 许表 4 不同载荷条件下垫片密封泄露率 53泄露率是1 2 10Pam/ s，二级密封允许泄 43露率为1 0 10Pa m/ s。由于在介质为氮 气的工况 条 件 下所采用的是状态方程法进行测 漏，它是在垫片外侧、上下法兰面间设置一个密闭的环形测漏宫腔。测漏宫腔的初始容积 V 及 容c积变化修 正 系 数 K 应 经 严 格 标 定。通 过 微 差 压 计测定环 形 宫 腔中的压力变化计算出密封泄露 率。测漏系 统分辨率应不低于 10 6 cm3 ，系 统 误 差应不大于 0 5% 。从上述金属缠绕垫片采用的状态方程法可看出，此种方法不能满足核电密封 垫片最小测漏率的测试要求。一般来说，高压氮 气检漏适用于大漏及强度检测，氦气真空检漏适 用于微漏检测。石墨密封垫片的密封性能试验采用氦质谱检漏仪是可行的，氦质谱检漏仪有专业的生产企业， 检测泄露率的精度远远高于 GB / T12385 标 准 用氮气作介质的测试结果。在上述的测试方法中，石墨密封垫片 的 载 荷参照金属缠绕垫片的试验 方 法，选 择 为 705MPa，根据石墨密封垫片产品的结构特点和性能试验分析，选择该载荷条件是不适合的，在此载荷 条件下，实际支撑载荷作用的是垫片的内外加强环，而不是接触密封面的石墨层。通过不同载荷 下的密封性能试验数据以及参照 GB / T12621管 法兰垫片 应力松弛试验方法标准中不同垫片载荷应力的 规 定，垫 片 的 试 验 载 荷 选 择 50 2MPa是合适的。5结语石墨密封垫片是一种新型结构的密 封 垫 片，全国生产该产品的企业有 10 家左右，目前还没有 该产品的测试方法标准和产品标准，因使用在核 电设备中，涉及密封可靠性和安全因素，因而制订 该产品的测试方法标准和产品技术条件标准是当 务之急。石墨密封垫片的压缩、回弹性能，应力松弛性 能的试验载荷为 35MPa，密封性能试验 载 荷 选 择50MPa 是适宜的。( 下转第 86 页)4测试标准可靠性的分析上述试验方法中涉及到密封垫片的测试方法标准有: GB / T12622管法兰垫片压缩率及回弹率试样规格( mm)垫片 厚度( mm)试验 载荷( MPa)密封 泄露率( Pam3 / s)136 32 120 45 100 72 81 36136 36 120 65 100 52 81 16136 70 120 15 100 65 81 51136 45 120 86 100 92 81 27136 72 120 62 100 02 81 23135 98 120 27 100 68 81 36136 78 120 70 100 43 81 35136 62 120 12 101 00 81 19136 39 120 65 100 74 81 334 44 44 44 44 44 44 44 44 47070705050503535351 8 10 83 8 10 85 2 10 82 5 10 84 8 10 82 8 10 87 8 10 88 2 10 86 9 10 7FLUID MACHINEYVol. 43，No 1，201586不足 的 特 点，与地源热泵深埋时相 比 较，机 组COP 有所 降 低，但 依 然 有较好的节能效果。 空 调系统的 COP 并 不 高，特别是该空调系统低负 载运行 时，水泵功率消耗较大。建 议 采 用 冷 冻 水一次泵变频降低空调系统的 COP 利 于 进 一 步 节能;( 3) 采用毛 细管空调作为末端的两个房间， 室内温湿度稳定，波动较小，大大提升了房间的舒 适性。且由于 毛 细 管辐射板本身的蓄冷 ( 热) 能 力，有效减少了一年内制冷采暖的天数，在夏季温 度较高或冬季温度较低时，毛细管房间可采取仅 开启新风的制冷或供热模式。统在 别墅中联合应用 的 探 讨J 制 冷 与 空 调，2009，23( 5) : 102-104蔡颖玲 不同埋深换热器地源热泵冬季供暖实验研 究J 湖 南 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) ，2009，36( 12) : 22-26刘学来，薛 红 香，李 永 安，等 毛 细 管 平 面 辐 射 空 调 房间室内计算 温 度 研 究J 煤 气 与 热 力，2010，30( 3) : 24-29蔡颖玲，张华，朱朔祎，等 地 源 热 泵 U 型 管 换 热 器 夏季工况试验分析J 流体机械，2012，40 ( 3) : 63-66，70朱祖文，蒋云云，何一坚 天津地区双 U 型地源热泵 地埋管换热器 性 能 模 拟 研 究J 流 体 机 械，2013，41( 6) : 66-726789参考文献10 马志磊，张 琳，朱 文 通，等 复 合中空热管传热性能 研究J 压力容器，2012，29( 6) : 23-2711 吴昌 斌 变频器控制在水泵中的 应用与节能分析 J 包装与食品机械，2014，32( 6) : 66-6812 孙志高，郭开华 空调冷热源选择能耗分 析J 流 体机械，2006，34( 7) : 76-781傅允准，蔡颖玲，姜小敏 地源热泵和毛细管吊顶辐射采暖系统启动过程联合供热特性试验研 究J流体机械，2010，38( 12) : 49-53傅 允 准 ，蔡 颖 玲 ，陈 帅 ，等 毛细管地板辐射采暖 特 性 试 验 研 究J 流 体 机 械 ，2009 ，37 ( 8 ) : 54 -57 王 潇，郑 茂 余，张 文 雍 严寒地区太阳能-地 埋 管 地 源热泵地板辐射供暖性能的实验研 究J 暖 通 空 调，2009，39( 7) : 128-131丁 勇 ，李 百 战 ，卢 军 ，等 地源热泵系统地下埋管 换 热 器 设 计 ( 1) J 暖 通 空 调 ，2005 ，3