膨體聚四氟乙烯覆蓋層波形金屬墊片在電廠消防水系統(tǒng)中的應(yīng)用

吳志剛，勵 勇

（1.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2.寧波天生密封件有限公司，浙江 慈溪 315302）

0 引言

根據(jù)核動力廠設(shè)計安全規(guī)定及國家消防安全法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求，秦山第三核電廠常規(guī)島廠房設(shè)計了自動噴淋滅火消防水系統(tǒng)，廠房各區(qū)域消防管網(wǎng)雨淋閥后主干管道采用法蘭連接形式，密封墊片采用橡膠墊片。機(jī)組投運約九年后，消防水系統(tǒng)多次出現(xiàn)管道法蘭漏水缺陷，經(jīng)檢查確認(rèn)為橡膠墊片老化所致。消防水系統(tǒng)在廠房內(nèi)分布廣泛，管網(wǎng)法蘭下方布置了工藝系統(tǒng)的電氣和儀表控制等設(shè)備，一旦法蘭出現(xiàn)漏水缺陷，將嚴(yán)重威脅工藝系統(tǒng)的安全運行，因此，需要選擇性能穩(wěn)定的墊片替換現(xiàn)有的橡膠墊片，以確保消防水系統(tǒng)的完整性和可靠性。

1 墊片的設(shè)計與計算

1.1 系統(tǒng)背景

消防水系統(tǒng)設(shè)計為低壓常溫系統(tǒng)，消防水取自廠區(qū)露天水池，氧離子基本處于飽和狀態(tài)，水質(zhì)控制除緩蝕劑外還添加了次氯酸鈉，消防水中氯離子檢測指標(biāo)約180ppm，管道選材為鍍鋅焊接碳鋼管，管網(wǎng)中主干管道采用了突面平焊碳鋼法蘭連接形式，密封采用橡膠墊片，管道法蘭結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。經(jīng)過現(xiàn)場檢查出現(xiàn)滲水的法蘭及管網(wǎng)法蘭墊片的隨機(jī)抽檢結(jié)果，發(fā)現(xiàn)橡膠墊片因運行年限過長普遍存在老化發(fā)脆現(xiàn)象，部分墊片已產(chǎn)生局部破裂，無法實現(xiàn)有效的密封功能，破裂的橡膠墊片見圖2。

1.2 墊片設(shè)計

圖1 消防水系統(tǒng)法蘭接頭Fig.1 Sketch of flange joint in fire protection system

圖2 老化破裂的橡膠墊片F(xiàn)ig.2 Ruptured rubber gasket due to ageing

結(jié)合消防水系統(tǒng)的設(shè)計特點和運行安全要求，秦山第三核電廠在綜合評價墊片密封可靠性、耐腐蝕性、使用壽命及安裝便利性等因素的基礎(chǔ)上[1]，最終選擇膨體聚四氟乙烯覆蓋層波形金屬墊片（以下簡稱ePTFE 墊片）替代原設(shè)計的橡膠墊片。

ePTFE 墊片是一種復(fù)合金屬波形墊片[2]，密封環(huán)部分由316L 不銹鋼波紋金屬芯板和膨體聚四氟乙烯外包覆層壓制而成，膨體聚四氟乙烯起密封作用，金屬波形骨架起著支承和抗壓作用。外包覆層材料選用GORE-TEX板裁制而成，GORE-TEX 膨體聚四氟乙烯板[4]具有獨特的高密度纖維結(jié)構(gòu)，抗蠕變特性強(qiáng)，耐熱和耐化學(xué)性能優(yōu)異，具有很好的順應(yīng)成型能力，可以在法蘭密封面上產(chǎn)生良好的密封效果。內(nèi)嵌的波紋金屬芯板厚度為0.5mm，可以使ePTFE 墊片具備良好的機(jī)械支撐性能、壓縮和回彈特性，在系統(tǒng)壓力和溫度波動、墊片應(yīng)力松弛等情況下，仍然可以有效維持密封完整性。

ePTFE 墊片設(shè)計制作中，要求外包覆層膨體聚四氟乙烯板由外環(huán)面向內(nèi)剖開，再嵌入整體壓制成型的316L 不銹鋼波紋金屬芯板，最后使用專用粘接劑粘合成型，這種設(shè)計可以確保墊片與系統(tǒng)介質(zhì)接觸的內(nèi)環(huán)面保持完整，有效避免316L 不銹鋼波紋金屬芯板與系統(tǒng)介質(zhì)接觸而導(dǎo)致出現(xiàn)腐蝕問題，ePTFE 墊片結(jié)構(gòu)見圖3。

消防管網(wǎng)法蘭多為高空布置，水平和垂直方位布置方式均有，管網(wǎng)附近還布置有工藝系統(tǒng)管道等其它設(shè)備，現(xiàn)場作業(yè)條件較為苛刻，人員施工風(fēng)險和難度較大。因此，墊片設(shè)計過程中，充分考慮了維修人員施工安裝的便利性，在標(biāo)準(zhǔn)墊片尺寸的基礎(chǔ)上，設(shè)計人員結(jié)合消防水系統(tǒng)管網(wǎng)法蘭規(guī)格，以安裝螺栓為定位邊界，對ePTFE 墊片外敷層和波齒外徑尺寸重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，成功實現(xiàn)墊片的自定位功能，方便了現(xiàn)場安裝，大大降低維修人員安裝操作失誤的風(fēng)險。

圖3 膨體聚四氟乙烯波形金屬墊片F(xiàn)ig.3 Sketch of expanded PTFE corrugated metal gasket

1.3 墊片安裝力矩校核計算[1，3，5]

ePTFE 墊片的密封型式屬于浮動型，安裝容易，具有較低的螺栓預(yù)緊力，可以很好地適用于消防水系統(tǒng)管道法蘭結(jié)構(gòu)。

（1）螺栓安裝載荷：

式中：Do—墊片起密封作用的外徑（mm）；Di—墊片起密封作用的內(nèi)徑（mm）；Sg—最小墊片安裝應(yīng)力，生產(chǎn)廠家推薦為20MPa。表1 為計算的螺栓安裝載荷。

表1 螺栓安裝載荷Tab.1 Assembly load of bolts

（2）螺栓應(yīng)力校核：

式中： Wo—螺栓安裝載荷（N）；n—螺栓的數(shù)量；As—螺栓拉伸應(yīng)力截面積（mm2）。

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3098.1-2010[6]，8.8 級M20 碳鋼螺栓屈服強(qiáng)度σs 為640MPa，螺栓材料的安全系數(shù)取為3，螺栓許用應(yīng)力[σ]為213 MPa。由 式（2）分別計算DN100 和DN150 法蘭連接螺栓應(yīng)力，計算結(jié)果均小于螺栓許用應(yīng)力[σ]，對于ePTFE 墊片，現(xiàn)場使用的螺栓符合強(qiáng)度要求，計算結(jié)果見表2。

（3）螺栓扭矩計算：

式中： K—螺母系數(shù)，與螺栓系統(tǒng)潤滑狀態(tài)有關(guān)，潤滑一般螺栓可選用0.2；d—螺栓名義直徑（m）。

由式（3）計算出現(xiàn)場螺栓的安裝扭矩，計算結(jié)果見表2。

表2 螺栓安裝扭矩Tab.2 Bolt assembly torque

2 墊片性能驗證

為進(jìn)一步驗證ePTFE 墊片的綜合性能，利用墊片綜合性能試驗機(jī)上進(jìn)行墊片的壓縮回彈率、應(yīng)力松弛率等試驗，主要試驗設(shè)備包括電動試驗泵（型號：4DSY-14/80）、液壓機(jī)（YJN-100）；位移傳感器[NS-WY02-20-5（精度：0.05%）]；載荷傳感器[BLR-1 拉壓傳感器（靈敏度：1mv/v）]等，具體試驗項目見表3。

表3 墊片性能試驗項目Tab.3 Gasket performance test item

2.1 水壓試驗

水壓試驗中選用試驗墊片規(guī)格為D1×D2×h=115mm×162mm×3.76 mm，法蘭密封面尺寸：D1×D2×h=110mm×162mm，8 個M20 緊固螺栓，螺栓扭矩與相應(yīng)的密封比壓如下表4 所示，試驗密封介質(zhì)為水。水壓試驗的目的是在維持介質(zhì)壓力不變，改變密封比壓驗證ePTFE 墊片密封性能。

表4 螺栓扭矩與密封比壓的比較Tab.4 Comparison of bolt torque and seal pressure

在試驗壓力2.8MPa 和密封比壓10MPa 的條件下，保壓5 小時，墊片密封良好，壓力一直維持恒定；試驗結(jié)束后，拆卸法蘭檢查試驗墊片仍貼合完好、無吹出現(xiàn)象。調(diào)整墊片密封比壓下降到5MPa 時墊片會發(fā)生泄漏。水壓試驗證明ePTFE 墊片在內(nèi)壓2.8MPa 的工況下，墊片的最小密封比壓在10Mpa 左右，水壓試驗過程見圖4 和圖5。

圖4 水壓試驗裝置Fig.4 Apparatus for gasket hydrostatic test

圖5 水壓試驗后墊片F(xiàn)ig.5 Profile of ePTFE gasket after test

2.2 壓縮回彈率

墊片在初始安裝情況下僅是受到螺栓預(yù)緊力，墊片被壓縮并與法蘭密封面完全密合；而當(dāng)系統(tǒng)運行時，由于系統(tǒng)壓力變化以及法蘭、螺栓、管道之間存在溫度差而導(dǎo)致的各部分膨脹不均勻，造成密封面松弛，密封比壓下降，介質(zhì)有可能通過墊片密封面縫隙產(chǎn)生泄漏。為了彌補(bǔ)溫度、壓力變化帶來的密封面松弛和密封比壓下降，需要有墊片良好的回彈性能，回彈率越大，與法蘭密合的效果就越好，密封性能就越好。

壓縮回彈率是影響墊片密封性能的一個重要指標(biāo)，參照GB/T12622-2008[7]，對橡膠墊片和ePTFE 墊片壓縮回彈率進(jìn)行測定。影響墊片壓縮回彈性能主要因素是密封環(huán)部分的材質(zhì)與結(jié)構(gòu)，ePTFE 墊片密封環(huán)是由膨體聚四氟乙烯與波形骨架壓制而成，膨體聚四氟乙烯是以PTFE 為原料，經(jīng)特殊工藝處理后壓縮加工成膨體聚四氟乙烯，具有優(yōu)越的壓縮回彈性和穩(wěn)定性；根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，ePTFE 墊片在35MPa 的試驗條件下，壓縮量達(dá)到1.16mm，壓縮率為34.12%，而橡膠墊片的壓縮量僅為0.4mm，試驗數(shù)據(jù)見表5，ePTFE 墊片壓縮回彈試驗曲線見圖6。比對試驗結(jié)果表明，ePTFE 墊片的壓縮回彈性能要遠(yuǎn)優(yōu)于橡膠墊片。

表5 ePTFE墊片的壓縮回彈試驗數(shù)據(jù)Tab.5 Data of compression&recovery test for ePTFEgasket

圖6 ePTFE 墊片的壓縮回彈試驗曲線Fig.6 Curve of compression & recovery test for ePTFE gasket

2.3 應(yīng)力松弛比對試驗

應(yīng)力松弛率是衡量一個墊片密封性能好壞的重要依據(jù)，為了驗證膨體聚四氟乙烯覆蓋層波形金屬墊片的性能，參照GB/T 12621-2008[8]，選擇普通硬聚四氟乙烯墊片與ePTFE 墊片進(jìn)行應(yīng)力松弛曲線比對試驗，試驗條件為密封比壓35MPa，試驗溫度200℃。

應(yīng)力松弛試驗后，普通硬聚四氟乙烯墊片由于高溫和應(yīng)力作用下發(fā)生流變，進(jìn)而導(dǎo)致墊片嚴(yán)重的變形，墊片厚度大大降低；而ePTFE 墊片厚度均勻。應(yīng)力松弛試驗比對曲線見圖7，由應(yīng)力松弛試驗曲線可計算得出，ePTFE 墊片的應(yīng)力松弛率為6.531%；普通硬四氟墊片應(yīng)力松弛率為13.582%，詳細(xì)試驗數(shù)據(jù)見表6。

圖7 應(yīng)力松弛比對試驗曲線Fig.7 Comparison curve of stress relaxation test

表6 墊片試樣規(guī)格和試驗結(jié)果Tab.6 Gasket sample size and test result

應(yīng)力松弛試驗表明ePTFE 墊片具有良好的耐高溫性，較高溫度下墊片四氟層不會發(fā)生熔融，仍具有良好的密封性能，能有效預(yù)防二次燃燒等重大事故的發(fā)生。

2.4 防火性能試驗

ePTFE 墊片防火性能試驗開始前，將測試墊片安裝于試驗臺架上，密封比壓為35MPa。試驗過程中首先在不注水條件的生火加溫（加熱方式分為兩種，一種為包裹燃燒、另一種是利用火源對準(zhǔn)法蘭加熱），持續(xù)火焰燃燒30 分鐘后，利用試驗泵注水，打壓至2MPa 后保壓30分鐘，并在此過程中持續(xù)加熱，觀察有無泄漏發(fā)生。防火性能試驗中，燃燒快速升溫/冷卻降溫過程中，膨體四氟墊片均沒有發(fā)生泄漏。試驗結(jié)束后，檢查試驗墊片完好、沒有因燃燒出現(xiàn)的損壞現(xiàn)象。試驗結(jié)果表明當(dāng)膨體四氟墊片在周圍有火情發(fā)生時仍能保持有效密封。防火性能試驗過程和試驗后的墊片見圖7～圖10。

膨體聚四氟乙烯覆蓋層波形金屬墊片在秦山第三核電廠消防水系統(tǒng)整治項目中得到成功的應(yīng)用，系統(tǒng)投運兩年以來，現(xiàn)場使用情況良好，墊片總體性能穩(wěn)定，基本上消除了管網(wǎng)法蘭接頭的泄漏隱患，為保持消防水系統(tǒng)的完整性提供了可靠的保障，同時也為其它領(lǐng)域的應(yīng)用積累了寶貴經(jīng)驗。

圖8 防火性能試驗（火源燃燒）Fig.8 Fire proofing test(direct-burn)

圖9 防火性能試驗（包裹燃燒）Fig.9 Fire Proofing Test(indirect-burn)

圖10 防火性能試驗（快速冷卻）Fig.10 Fire proofing test(rapid cooling)

圖11 防火試驗后墊片F(xiàn)ig.11 Profile of gasket after fire proofing Test

3 結(jié)論

通過ePTFE 墊片選型設(shè)計和性能驗證，同時結(jié)合秦山第三核電廠現(xiàn)場的優(yōu)化改進(jìn)及應(yīng)用實踐，得出如下結(jié)論： ①在同樣的工作壓力下，ePTFE 墊片具有良好的密封性能，在防止應(yīng)力松弛、壓縮回彈等綜合性能方面遠(yuǎn)優(yōu)于原設(shè)計的橡膠墊片；②ePTFE 墊片由膨體聚四氟乙烯與波形骨架壓制而成，設(shè)計上可以實現(xiàn)自定位功能，相對于橡膠墊片，不僅安裝方便，而且可以有效避免壓偏等安裝問題。試驗表明ePTFE 墊片具有良好耐高溫性，對系統(tǒng)或環(huán)境溫度條件變化可以起到很好的補(bǔ)償效果；③ePTFE 墊片綜合性能穩(wěn)定，密封可靠性高，使用壽命長，可以大大降低運行生產(chǎn)維護(hù)成本，提高系統(tǒng)和設(shè)備的可利用率。

[1] 蔡仁良.流體密封技術(shù)：原理與工程應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[2] 勵行根.ZL 2006 1 0048953.0，一種波形復(fù)合密封墊片的制造方法[S].

[3] 張向詔，等.密封墊片與填料[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

[4] 汪家銘.新型密封材料膨脹聚四氟乙烯及其應(yīng)用[J].潤滑與密封，1998，3.

[5] 機(jī)械設(shè)計手冊編委會.機(jī)械設(shè)計手冊[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[6] GB/T 3098.1-2010，緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱[S].

[7] 壓縮回彈試驗方法.GB/T12622-2008 管法蘭用墊片壓縮率及回彈率試驗方法[S].

[8] 應(yīng)力松弛試驗方法.GB/T 12621-2008 管法蘭用墊片應(yīng)力松弛試驗方法[S].