核電站蒸汽發(fā)生器排污擴(kuò)容箱人孔泄漏原因分析

卜 俊，李江華，尹 哲

（江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222000）

1 項目背景

2019 年4 月23 日，某核電站運行人員巡檢過程中發(fā)現(xiàn)蒸汽發(fā)生器排污擴(kuò)容箱所在房間頂層上存在大量凝結(jié)水。該房間被鋼格柵分為三層，三層隔間存在明顯的溫度梯度，平均溫差在10左右，最高溫度在第三層，平均溫度在60左右。排污擴(kuò)容箱底座在第二層，人孔法蘭在第三層。通過檢查發(fā)現(xiàn)排污擴(kuò)容箱人孔保溫處有較強氣流，拆除擴(kuò)容箱人孔保溫后，在人孔密封法蘭90和180位置各發(fā)現(xiàn)一處泄漏點。下面將對排污擴(kuò)容箱人孔泄漏原因進(jìn)行分析。

2 結(jié)構(gòu)功能及參數(shù)

排污擴(kuò)容箱是一個直立的容器，總高4.3 m，體積3.5 m3。從蒸汽發(fā)生器的定期排污和連續(xù)排污管線來的汽水混合物，在其中進(jìn)行蒸汽和水的分離。擴(kuò)容箱內(nèi)的正常液位是0.3～0.4 m，在液位高于0.62 m 時設(shè)置了保護(hù)邏輯。擴(kuò)容箱內(nèi)工作壓力為0.9～1.0 MPa，設(shè)計壓力1.2 MPa，為了防止擴(kuò)容箱超壓，設(shè)置了安全閥，整定全開壓力為1.38依0.07 MPa。擴(kuò)容箱運行溫度為179～183，設(shè)計溫度為190，設(shè)備總重2520 kg。

排污擴(kuò)容箱殼體采用的是20K-3 碳鋼，人孔法蘭采用的是20 號鋼，人孔頂蓋材質(zhì)是20K-3 碳鋼，法蘭螺栓采用的是35 號碳素結(jié)構(gòu)鋼，螺栓墊片采用的是35X 結(jié)構(gòu)合金鋼。人孔密封墊片采用芳綸碳纖維板材自制墊片，規(guī)格455 mm400 mm3 mm。

3 原因分析

法蘭泄漏是核電、石油、化工等企業(yè)流程裝置中長期存在的問題，各企業(yè)通過提高設(shè)備的可靠性，改善設(shè)備密封條件，改良緊固方法等各種方式，是減少泄漏、完善泄漏處理的手段。

影響法蘭密封的主要因素包括設(shè)備的運行條件、密封面特性、法蘭及螺栓的機械性能、墊片的質(zhì)量和性能及螺栓預(yù)緊力大小及施加順序等。據(jù)英國海上操作者協(xié)會（UKOOA）對失效的法蘭統(tǒng)計失效的原因，81%的泄漏是由于不正確的螺栓載荷造成的，因此控制螺栓預(yù)緊力的精度和均勻性是防止法蘭泄漏的關(guān)鍵。

下面將從法蘭結(jié)構(gòu)形式、螺栓強度、螺栓預(yù)緊方式、墊片質(zhì)量方面對法蘭泄漏原因進(jìn)行分析。

3.1 法蘭結(jié)構(gòu)

蒸汽發(fā)生器排污擴(kuò)容箱法蘭密封結(jié)構(gòu)為法蘭蓋式，密封結(jié)構(gòu)形式凹凸法蘭（圖1）。

圖1 蒸汽發(fā)生器排污擴(kuò)容箱法蘭密封結(jié)構(gòu)示意

按照化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG 20622—2009，公稱直徑在15～600 mm，均可以采用該類密封結(jié)構(gòu)，最高適用的公稱壓力為26 MPa“class1500”。蒸汽發(fā)生器排污擴(kuò)容箱法蘭直徑為536 mm，設(shè)計壓力為1.2 MPa。

因此，法蘭結(jié)構(gòu)滿足使用要求。

3.2 螺栓強度校核

首先考慮對法蘭螺栓進(jìn)行強度校核，排除因螺栓超屈服極限后產(chǎn)生塑性變形導(dǎo)致法蘭泄漏。

按照規(guī)程/程序要求[1]，蒸汽發(fā)生器排污擴(kuò)容箱人孔密封力矩為84 N·m。下述對螺栓預(yù)緊力大小進(jìn)行校核：

預(yù)緊狀態(tài)下墊片需要的最小的壓緊力：Fa=3.14Dby=0.277106N。

工作情況下需要的最小墊片壓緊力：FP=6.28DbmP=61 324 N。

最小螺栓載荷力：W=F+FP=0.233106N。

墊片最小壓緊力值為max{Fa，W}，即等于Fa。

因此，單顆螺栓上受力Fn=Fa/n=0.013 85106N。

其中，b 為墊子有效密封寬度，單位為mm，當(dāng)b0=0.5 N（墊片寬度）6.4 mm 時；y 為墊子的密封比壓，經(jīng)查詢?yōu)?20 MPa；D 為墊片壓緊力作業(yè)中心圓直徑，單位為mm，當(dāng)b06.4 mm 時D 等于墊片外徑減去2b；P 為設(shè)備內(nèi)壓力（設(shè)計壓力），取1.2 MPa；m 為墊片系數(shù)，經(jīng)查詢合成纖維墊和柔性石墨復(fù)合墊（規(guī)格：455mm400 mm3 mm）其值都為2。K 為緊固力矩系數(shù)，取值為0.1～0.3，根據(jù)螺栓潤滑情況進(jìn)行選擇，油潤滑選0.2；d 為螺栓的公稱直徑，20 mm；n 為螺栓數(shù)量，n=20。

另外，參照機械手冊經(jīng)驗公式，每顆螺栓的緊固力矩T=KFad/n=55.4 N·m。

根據(jù)上述計算，實際人孔密封力矩值84 N·m，考慮了1.5倍的安全系數(shù)，滿足人孔密封要求。

螺栓強度計算，一般考慮取屈服強度的0.6 倍，作為安全范圍：

由于F>Fn，因此螺栓強度滿足要求。

由于螺栓采用的M20 標(biāo)準(zhǔn)件，其螺紋強度無需進(jìn)行計算。

蒸汽發(fā)生器排污擴(kuò)容箱人孔密封采用的是力矩法，最終力矩84 N·m（設(shè)備圖紙文件給出的建議力矩值），滿足螺栓強度要求，且滿足密封要求。

3.3 螺栓預(yù)緊方式

蒸汽發(fā)生器排污擴(kuò)容箱人孔預(yù)緊力施加是按照力矩值進(jìn)行密封，分3 次（25 N·m，50 N·m，84 N·m）按照“十字交叉”即“星形擰緊”方法進(jìn)行緊固后，再以最終力矩值順時鐘緊固，直至螺栓無法擰動為止[2]。根據(jù)美國ASME PCC-1 推薦采用“十字交叉”方法進(jìn)行法蘭緊固（圖2）。其中，圓圈內(nèi)是螺栓編號，圓圈外虛線圓的部分為螺栓緊固的序號。

華東理工大學(xué)劉雁以8 顆螺栓的法蘭為例，按照“十字交叉”緊固的方法，對每一顆螺栓施加預(yù)緊力進(jìn)行有限元分析[3]。整個螺栓預(yù)緊力施加分為5 輪，最終力值為37 975 N（表1）。

從表1 可以看出，按照“十字交叉”的方法經(jīng)過5 輪螺栓緊固后，所有螺栓的螺栓預(yù)緊力較為均勻，且都能達(dá)到目標(biāo)值的93%以上。如果再經(jīng)過1～2 輪，所有螺栓的預(yù)緊力將到達(dá)目標(biāo)值。

圖2 ASME PCC-1 螺栓緊固順序

表1 預(yù)緊力施加數(shù)據(jù)

因此，按照“十字交叉”法對螺栓進(jìn)行緊固能夠滿足密封的要求。

3.4 密封材料分析

蒸汽發(fā)生器排污擴(kuò)容箱密封元件采用的是芳綸板材自制的密封墊片。芳綸板材成黑色，主要成份為芳綸纖維（5%～15%）、巖棉（5%～15%）、玻璃纖維（5%～15%）、礦物填料、丁晴彈性體、石墨，密度為1.85 g/cm3。在300條件下，墊片的應(yīng)力松弛34 N/mm2；壓縮率為6～12%，其回彈率大于55%；20時，彈性極限為150 N/mm2；200時，彈性極限為50 N/mm2，其氯含量小于10010-6。蒸汽發(fā)生器排污擴(kuò)容箱人孔密封墊材料是芳綸板材，板材資料上描述，其適用溫度可高達(dá)440，壓力10 MPa。

3.4.1 外觀分析

將蒸汽發(fā)生器排污擴(kuò)容箱人孔保溫拆除后，發(fā)現(xiàn)人孔3 點鐘方向和9 點鐘方向各有一處泄漏點，漏氣成噴射狀，且在人孔法蘭間隙中發(fā)現(xiàn)有黃色附著物，判斷應(yīng)該為密封墊材料，出現(xiàn)密封墊材料損失的情況（圖3）。這使得通過螺栓預(yù)緊力校核的方式無法實現(xiàn)重新密封。

圖3 人孔法蘭間隙黃色附著物

打開擴(kuò)容箱人孔蓋板后，發(fā)現(xiàn)人孔密封墊泄漏位置存在貫穿性裂紋，且墊片內(nèi)側(cè)存在有多處向外延伸的裂紋（圖4）。

從墊子情況分析，泄漏位置的裂紋也應(yīng)該是由內(nèi)向外進(jìn)行擴(kuò)展的。

另外，在泄漏位置密封墊外邊緣處出現(xiàn)了減薄，減薄位置厚度2.7 mm，減薄寬度約為8 mm。從墊片的特性上看，人孔法蘭密封墊嚴(yán)重脆化，墊片的延展性降低；未出現(xiàn)裂紋的位置斷開后，斷面仍成淡灰色；泄漏位置斷口顏色由原來的淡黃色變成灰色，出現(xiàn)明顯碳化的情況，且墊片出現(xiàn)了明顯分層（圖5）。

圖4 人孔法蘭密封墊

圖5 密封墊截面

清理蒸汽發(fā)生器排污擴(kuò)容箱人孔處舊密封墊，在密封面上未發(fā)現(xiàn)異物。對密封面進(jìn)行了清理后，檢查密封面，未發(fā)現(xiàn)有明顯的缺陷。

3.4.2 密封墊性能分析

后續(xù)對3 種厚度的芳綸板材進(jìn)行了P（壓力）—T（溫度）實驗，繪制曲線如圖6 所示?？梢钥闯?，隨著溫度的增加板材耐壓程度越來低；板材越薄，其耐壓性能越好；溫度達(dá)到一定溫度后，該材料墊片無法承受壓力。

圖6 芳綸墊P—T 曲線

排污擴(kuò)容箱人孔密封墊使用的是3 mm 芳綸板材，從上圖中可以看出溫度在180左右時，該密封墊無法保證密封。而排污擴(kuò)容箱工作溫度為179～183，正好在危險溫度附近。

綜上所述，通過對蒸汽發(fā)生器排污擴(kuò)容箱人孔法蘭結(jié)構(gòu)、強度、螺栓預(yù)緊力施加方式及密封墊材料分析，得出導(dǎo)致泄漏的主要原因是人孔所使用的芳綸密封墊在180高溫條件下發(fā)生了脆化，無法在180，0.9 MPa 的工作環(huán)境下保證人孔法蘭密封。

4 采取措施

針對蒸汽發(fā)生器排污擴(kuò)容箱人孔密封墊問題，已將人孔密封墊由3 mm 厚的芳綸板材自制墊替換為3 mm 厚的石墨金屬加強墊，其P—T 試驗曲線如圖7 所示。在500時，3 mm的石墨金屬加強墊能承受超過12 MPa 的壓力，180環(huán)境下能承受14 MPa 以上的壓力，因此能滿足蒸汽發(fā)生器排污擴(kuò)容箱人孔密封需求。人孔法蘭密封力矩值由原來的84 N·m 變?yōu)?50 N·m，按照3.2 步驟重新對螺栓進(jìn)行核算，螺栓強度滿足要求。對擴(kuò)容箱人孔密封墊進(jìn)行更換，設(shè)備投入運行后狀態(tài)良好，未再發(fā)生人孔泄漏故障。

圖7 石墨金屬加強墊P—T 曲線

5 總結(jié)

據(jù)不完全統(tǒng)計，法蘭泄漏的81%都是由法蘭螺栓緊固問題導(dǎo)致，但也不能忽視其他原因，如：法蘭結(jié)構(gòu)形式選擇，螺栓強度是否滿足預(yù)緊力需要，螺栓預(yù)緊方式、墊片質(zhì)量以及由于法蘭所處工況條件變化帶來的螺栓預(yù)緊力松弛等。

對排污擴(kuò)容箱拆下的舊密封墊進(jìn)行測量，其厚度2.9 mm，僅僅壓縮了0.1 mm，壓痕較為均勻。由此計算，壓縮率僅為3.3%，相比該類墊片（芳綸碳纖維板材）參考值壓縮率14%～24%相差很遠(yuǎn)，排污擴(kuò)容箱泄漏人孔的密封墊壓縮率遠(yuǎn)未達(dá)到墊片參考的壓縮率。在螺栓緊固過程中，扭矩一部分用于克服螺栓端面的摩擦，另一部分用于克服螺紋的摩擦，剩余部分才能轉(zhuǎn)化為法蘭螺栓預(yù)緊力。因此，在扭矩預(yù)緊螺栓過程中，由于螺栓螺紋的潤滑情況，螺母端面潤滑情況，接觸面粗糙程度以及人為力矩使用不當(dāng)造成的虛假力矩等因素，導(dǎo)致最終螺栓預(yù)緊力比理論值小，影響法蘭密封的有效性。為了減少由于上述因素造成法蘭螺栓預(yù)緊力不足的情況，建議采用扭矩進(jìn)行法蘭密封時，測量法蘭間隙、計算墊子壓力率作為參考。

在無法給出法蘭密封扭矩值采用密封墊參考壓縮率作為法蘭密封條件時，建議采用扭矩扳手進(jìn)行操作，防止同一輪螺栓預(yù)緊力施加過程中存在差異，影響密封效果。

通過華東理工大學(xué)劉雁對“十字交叉”法緊固螺栓的有限元計算分析，在完成5 輪螺栓預(yù)緊力施加后，有一部分螺栓的螺栓預(yù)緊力不能達(dá)到目標(biāo)值情況。因此，在實際操作過程中需要繼續(xù)緊固螺栓，直至所有螺栓達(dá)到目標(biāo)值。