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    壓水堆壓力容器水位測量管泄漏原因分析

    2019-10-25 06:46:04陳紅衛(wèi)鄧艷超
    設(shè)備管理與維修 2019年11期
    關(guān)鍵詞:密封環(huán)密封面墊片

    杜 凱,李 熠,陳紅衛(wèi),鄧艷超,郭 亮

    (中核核電運行管理有限公司,浙江嘉興 314300)

    0 引言

    反應(yīng)堆壓力容器頂蓋上引出來的水位測量管接到反應(yīng)堆壓力容器水位測量系統(tǒng),在每次大修期間均需進行拆裝作業(yè),水位測量管連接處密封為一回路壓力邊界密封。

    1 水位測量管密封泄漏事故

    2016 年11 月24 日,某電廠大修壓力容器關(guān)蓋期間,工作人員實施安裝水位測量管工作,最終安裝力矩60 N·m,測量相關(guān)安裝尺寸,符合技術(shù)規(guī)范要求,后續(xù)分別在一回路壓力為2.5 MPa 及7 MPa 時進行了查漏檢查,未發(fā)現(xiàn)泄漏。

    11 月30 日,工作人員發(fā)現(xiàn)水位測量管壓力容器側(cè)法蘭泄漏,此時一回路壓力15.5 MPa。校驗泄漏位置的法蘭螺栓力矩為60 N·m,復(fù)測安裝尺寸,測量結(jié)果滿足技術(shù)規(guī)范要求。檢查水位測量管法蘭密封面,發(fā)現(xiàn)密封面光滑完好,未發(fā)現(xiàn)異常缺陷。檢查拆卸下的金屬石墨墊片有貫穿性傷痕,如圖1 所示。

    后續(xù)工作人員更換新的金屬石墨墊片,將螺栓緊固力矩由60 N·m 加大到75 N·m,并更換新的法蘭連接螺栓,一回路壓力升至15.5 MPa,未發(fā)現(xiàn)泄漏。

    2 泄漏原因分析

    2.1 金屬石墨墊片特性

    2.1.1 結(jié)構(gòu)介紹

    水位測量管所用墊片為金屬石墨墊片,其結(jié)構(gòu)密度可依據(jù)不同的鎖緊力要求來制作,并利用內(nèi)外鋼環(huán)來控制其最大壓緊度,特別適用于負(fù)荷不均勻、接合力易松弛,溫度與壓力周期性變化、有沖擊或振動場合。

    圖1 拆卸下的金屬石墨墊片

    2.1.2 金屬石墨墊片安裝要求及密封原理

    金屬石墨墊片在安裝時,隨著連接螺栓逐漸旋緊,壓縮墊片密封環(huán)最先接觸法蘭密封面,然后石墨墊片密封環(huán)繼續(xù)被壓縮,外環(huán)與法蘭密封面間開始形成金屬與金屬接觸狀態(tài)(Metal to Metal Contact Type,MMC)。達到MMC 狀態(tài)后,螺栓預(yù)緊力進一步增大時,由于墊片外環(huán)的限制,墊片密封環(huán)的壓縮量幾乎維護不變,繼續(xù)增大的預(yù)緊力主要由墊片的金屬外環(huán)承擔(dān)。在后續(xù)工況中由于現(xiàn)場工況原因產(chǎn)生的螺栓載荷波動僅引起MMC 承擔(dān)的那部分載荷變化,從而保證石墨密封環(huán)壓力保持為恒定。

    2.1.3 金屬石墨墊片壓縮回彈試驗

    金屬石墨墊片出廠需進行壓縮回彈試驗,壓縮回彈試驗是指墊片壓縮應(yīng)力與墊片壓縮形變量之間的關(guān)系,當(dāng)金屬石墨墊片被法蘭持續(xù)壓縮時,開始階段內(nèi)的壓縮曲線斜率較為平緩,后續(xù)墊片壓縮量逐漸減小,斜率逐漸增大,而當(dāng)法蘭與墊片外金屬外環(huán)發(fā)生接觸后,墊片壓縮曲線的斜率出現(xiàn)“拐點”,斜率迅速增大,這個點叫做墊片的MMC 點,MMC 點以下部分的曲線才真實反映墊片密封環(huán)的壓縮回彈性能。MMC 點以上部分,此時金屬與金屬接觸,再增加載荷用以補償由內(nèi)部壓力、外部載荷等引起的墊片密封載荷的減小,實現(xiàn)法蘭接頭的可靠密封。

    2.2 墊片泄漏分析

    根據(jù)金屬石墨墊片結(jié)構(gòu)及安裝特性分析,可以得出,若保證金屬石墨墊片密封,必要保證在任何工況下,螺栓載荷波動僅主要引起MMC 承擔(dān)的那部分載荷的變化,從而可以保證墊片密封環(huán)承擔(dān)的載荷或墊片壓緊應(yīng)力保持為一個相對恒定的值。

    根據(jù)上述描述,金屬石墨墊片欲保證密封,墊片所受載荷保持為一個相對恒定的值,而此值必須大于壓縮回彈曲線的MMC點的墊片壓縮應(yīng)力載荷+管道內(nèi)部壓力。

    在不考慮螺栓力矩?fù)p失、法蘭偏角、溫度為常溫情況、現(xiàn)場無振動等理想狀態(tài)情況下,法蘭密封面剛接觸墊片外環(huán),計算密封墊片所需的最小力。

    設(shè)F總為墊片所受載荷、F1為墊片密封管道壓力、F2為壓縮墊片石墨環(huán)密封至MMC 點的最小力,可以得出F總=F1+F2,F(xiàn)1=P壓強S=15.5π(d2/2)2,其中,P 壓強為管道壓力,正常運行期間取15.5 MPa,S 為密封面積,S=π(d2/2)2,d2為密封墊片的密封環(huán)內(nèi)徑,數(shù)值為23 mm。F1數(shù)值由試驗數(shù)據(jù)獲得。選取7 片同一批次墊片進行壓縮回彈試驗,試驗數(shù)據(jù)見表1。

    表1 墊片壓縮回彈數(shù)據(jù)

    以D5 號墊片為例,計算F總=F1+F2=6436.6075+24 030=30 466.6075 N,在不考慮螺栓墊片及溫度影響下,根據(jù)理論計算螺栓緊固力矩T=(F總dK)/(n1000),其中,d 為緊固螺栓直徑,水位測量管螺栓為M20,d=20 mm,K 為扭矩系數(shù),取0.2,n 為螺栓數(shù)量,n=4。計算可得T=30.5 N·m。計算7 個墊片緊固力矩,結(jié)果見表2。

    表2 墊片理論計算力矩

    上述計算未考慮高溫對墊片、螺栓等因素、螺栓對緊固力矩的影響,且MMC 取值按照理論取得最小值,未考慮因受到法蘭接頭內(nèi)外載荷或現(xiàn)場振動影響而產(chǎn)生的螺栓載荷波動。

    (1)高溫對墊片的影響。根據(jù)MMC 密封結(jié)構(gòu)的介紹,在MMC 建立以后,密封墊片外環(huán)與法蘭密封面接觸,在升溫過程中,密封墊片外環(huán)受熱膨脹,撐開兩側(cè)的法蘭密封面,進而對密封環(huán)起到卸載作用。據(jù)研究表明“在法蘭偏轉(zhuǎn)角基本不變且MMC 存在的情況下,墊片外金屬環(huán)的軸向熱膨脹作為主要因素導(dǎo)致了墊片應(yīng)力一定幅度的減小,即導(dǎo)致墊片產(chǎn)生了一定的軸向回彈量。當(dāng)溫度從20 ℃常溫升高到500 ℃時,厚度為8 mm的墊片不銹鋼外金屬環(huán)因熱膨脹厚度增加了約0.08 mm。對照墊片壓縮回彈曲線可以發(fā)現(xiàn),0.08 mm 的卸載量引起的墊片應(yīng)力損失約10 MPa”。

    (2)高溫對螺栓的影響。根據(jù)研究表明不同介質(zhì)溫度情況下螺栓緊固力在墊片密封環(huán)及外金屬環(huán)上的分配情況。隨著介質(zhì)溫度的升高,墊片外金屬環(huán)上的作用力僅略有減??;而相對于墊片外金屬環(huán)的作用反力,螺栓預(yù)緊力和墊片密封環(huán)的作用反力均有一定幅度的載荷損失,但總體而言這一幅度的載荷損失并不算大。墊片載荷損失如上文分析由墊片外環(huán)的軸向熱膨脹引起,螺栓載荷的損失則由墊片載荷的損失引起。

    (3)在墊片密封環(huán)及外金屬環(huán)上的分配情況。由于法蘭安裝現(xiàn)場工況復(fù)雜,很多條件難以通過計算得出,廠家按照理論計算力矩的2 倍作為安裝力矩,根據(jù)上述計算可以得出推薦安裝力矩,見表3。

    表3 墊片推薦安裝力矩

    墊片的推薦安裝力矩波動范圍(36~61)N·m,部分墊片安裝力矩波動上限的61 N·m 已經(jīng)超出原規(guī)程技術(shù)要求限制。

    3 優(yōu)化改進措施

    3.1 現(xiàn)階段采取的措施

    (1)優(yōu)化維修規(guī)程中法蘭螺栓緊固力矩值,由60 N·m 修改為75 N·m。

    (2)安裝前,采用清洗劑清理檢查法蘭密封面,確保法蘭密封面無貫穿性劃痕、腐蝕、凹坑等缺陷,且密封面無異物。

    (3)安裝前,核對備件墊片尺寸。

    (4)安裝時,對螺栓螺紋部分均勻涂抹防咬劑。

    (5)設(shè)計制作墊片安裝輔助專用工具,確保墊片安裝到位。

    3.2 后續(xù)可考慮的措施

    (1)優(yōu)化法蘭結(jié)構(gòu),由平面法蘭改為凹凸法蘭。

    (2)優(yōu)化水位測量管材料,將其改為金屬波紋管。

    (3)增加固定支架。

    4 結(jié)論

    金屬石墨墊片密封的關(guān)鍵在于MMC 狀態(tài)建立后,增大力矩保證墊片密封環(huán)承擔(dān)的載荷。而密封泄漏的發(fā)生主要由于墊片壓縮應(yīng)力波動過大、墊片內(nèi)外環(huán)厚度偏差,此外,密封面清潔、螺栓力矩、法蘭結(jié)構(gòu)等因素也會影響密封效果。通過現(xiàn)階段的各項措施的落實,基本可以避免泄漏再次發(fā)生,同時,可以通過優(yōu)化法蘭結(jié)構(gòu)、材料等方式進一步鞏固實施效果。

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