反應(yīng)堆壓力容器密封蓋設(shè)計(jì)

甕松峰， 張弦， 熊思勇， 殷琪， 湛卉

（中國核動力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610213）

0 引 言

反應(yīng)堆壓力容器密封蓋是核電廠建造期間一種重要專用工具。在換料水池盛水試驗(yàn)時，壓力容器密封蓋安裝在反應(yīng)堆壓力容器筒體上面，依靠自重密封，隔斷換料水池和反應(yīng)堆及一回路系統(tǒng)，防止換料水池試驗(yàn)用水進(jìn)入到反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)，保證一回路系統(tǒng)清潔同時不影響密封邊界兩側(cè)工作的并行開展。

反應(yīng)堆壓力容器密封蓋直徑近4 m，其依靠自重密封，密封邊界長，結(jié)構(gòu)剛度差，使用過程中密封內(nèi)外壓差和密封蓋承受正向壓力均處于動態(tài)變化狀態(tài)，壓力容器密封蓋設(shè)計(jì)需要兼顧密封性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性。本文介紹了海南昌江核電項(xiàng)目反應(yīng)堆壓力容器密封蓋設(shè)計(jì)方案，從微觀角度進(jìn)行泄漏分析，并完成了強(qiáng)度分析。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)輸入

設(shè)計(jì)壓力為0.15 MPa，工作溫度為10～50 ℃，工作介質(zhì)為水。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

反應(yīng)堆壓力容器密封蓋主要由法蘭環(huán)、球形封頭、導(dǎo)向塊、吊耳和O形密封環(huán)組成，圖1為海南昌江核電工程壓力容器密封蓋結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 壓力容器密封面半剖圖

法蘭環(huán)部件上安裝有內(nèi)外雙層密封圈，密封圈直接作用在反應(yīng)堆壓力容器密封面上；兩側(cè)導(dǎo)向塊對稱焊接在法蘭環(huán)上，導(dǎo)向塊與反應(yīng)堆壓力容器導(dǎo)向柱配合使用，可以使密封蓋準(zhǔn)確就位在壓力容器上。

1.3 主要材料

反應(yīng)堆壓力容器密封蓋為焊接結(jié)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)材料選用Q345高強(qiáng)度低合金結(jié)構(gòu)鋼，該材料具有良好的綜合力學(xué)性能和焊接性能。

密封圈承受正向壓力和水壓帶來的側(cè)向壓力，需要軟硬適中，既滿足自重密封要求，又需在承受側(cè)向壓力下不松弛。密封圈材料選用邵氏硬度A60～70的丁腈橡膠。

1.4 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1）自重密封。在反應(yīng)堆壓力容器密封蓋安裝時，通過自重實(shí)現(xiàn)密封圈處于變形貼合狀態(tài)，且隨著試驗(yàn)用水逐漸充入換料水池，壓力容器密封蓋承受正向水壓，即使密封內(nèi)外壓力差增大，也不會因此而發(fā)生泄漏。自重密封便于壓力容器密封蓋安裝，而且在使用過程中不使用反應(yīng)堆壓力容器的主螺栓孔，防止損傷主螺栓孔；自重密封可以使主螺栓孔通過專用的螺孔塞進(jìn)行密封，確保試驗(yàn)用水不進(jìn)入到主螺栓孔中。

2）雙層密封。反應(yīng)堆壓力容器密封蓋采用雙層密封結(jié)構(gòu)，內(nèi)、外密封圈分別作用在反應(yīng)堆壓力容器檢漏管內(nèi)側(cè)和外側(cè)密封面上。雙層密封結(jié)構(gòu)可以提高壓力容器密封蓋的密封性能，同時可以借助反應(yīng)堆壓力容器檢漏管判別密封是否存在失效情況。

3）安全設(shè)計(jì)。確保使用過程中不損傷主設(shè)備是核電廠專用工具設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要準(zhǔn)則。在壓力容器密封蓋設(shè)計(jì)中，為確保反應(yīng)堆壓力容器的安全，采取了以下措施：a.使用過程采用自重密封并通過螺孔塞密封主螺栓孔，避免主螺栓孔受到機(jī)械損傷和浸泡銹蝕；b.在結(jié)合面粘貼隔離材料，防止壓力容器密封面產(chǎn)生鐵素體污染；c.采用導(dǎo)向安裝，且保證在最大偏差情況下，壓力容器密封蓋不損傷壓力容器法蘭結(jié)構(gòu)。

2 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

2.1 泄漏分析

壓力容器密封蓋使用的密封圈均為O形密封圈，在封蓋自重下變形，對接觸面產(chǎn)生一個預(yù)接觸壓力P0，承受水壓P之后O形密封圈向低壓方向發(fā)生位移，接觸面的接觸壓力上升為Pm，理想情況下在密封過程中只需保證Pm>P就能阻止泄漏[1]，密封示意圖如圖2所示。

圖2 O形圈密封示意圖

但在實(shí)際密封過程中，密封接觸面之間的粗糙度、平面度、貼合度、安裝誤差、橡膠的彈性和硬度等都會對泄漏量產(chǎn)生影響[2]。為了量化泄漏率，引入了微觀泄漏通道模型的概念[3-5]，本文在梯形泄漏通道微觀模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際工況，提出了一種可用于封蓋密封泄漏量計(jì)算的方法[6-9]，并計(jì)算出了理論泄漏率，梯形泄漏通道模型如圖3所示。

圖3 微觀梯形通道泄漏示意圖

梯形泄漏通道泄漏率計(jì)算公式[10]為：

式中：Q為泄漏率，mm/s；b為泄漏通道寬度，μm；δ為泄漏通道高度，μm；h為平均峰高，μm；θ為平均峰角，(°)；λ為粗糙峰嵌入密封圈深度，μm；r1、r2為密封圈接觸長度內(nèi)外徑，mm；Δp為壓強(qiáng)差，MPa；μ為流體動力黏度，Pa·s。

梯形泄漏通道的建立采用隨機(jī)抽樣的方法對服從正態(tài)分布的粗糙表面輪廓曲線幾何形狀進(jìn)行研究，設(shè)定用高斯分布模型模擬接觸表面粗糙度。密封圈輸入?yún)?shù)如表1所示。

表1 密封圈輸入?yún)?shù)

采用MATLAB軟件進(jìn)行編程計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4所示，可以看出泄漏率隨水深的增加近似呈一次函數(shù)規(guī)律上升。密封蓋第一道密封圈理論泄漏率為1.3937 mm3/s，滿足設(shè)計(jì)使用要求，同時設(shè)計(jì)第二道密封圈，作為第一道密封失效之后的備選，保證使用安全。

圖4 泄漏率隨水深變化結(jié)果示意圖

2.2 強(qiáng)度校核

2.2.1 密封蓋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

反應(yīng)堆壓力容器密封蓋為外壓球殼，據(jù)此進(jìn)行了強(qiáng)度校核[11]。

計(jì)算外壓應(yīng)變系數(shù)A =0.125/(R0/δe)。其中：R0為球形封頭半徑，mm；δe為封頭有效厚度，mm。再據(jù)此確定外壓應(yīng)變系數(shù)B，進(jìn)而計(jì)算出許用外壓力[p]=B/(R0/δe)=1.45 MPa，大于最大設(shè)計(jì)壓力。

2.2.2 密封蓋有限元分析

利用ANSYS 軟件對反應(yīng)堆壓力容器密封蓋應(yīng)力和變形情況進(jìn)行分析（如圖5），分析結(jié)果表明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 壓力容器密封面應(yīng)力變形分析圖

2.2.3 密封圈有限元分析

為分析O形密封圈在使用過程中的應(yīng)力、變形、接觸狀態(tài)及接觸壓力[12]，使用ANSYS軟件建立密封圈有限元模型并進(jìn)行分析。基于以下幾點(diǎn)假設(shè)及條件：1）橡膠材料完全彈性且各向同性；2）忽略橡膠材料的應(yīng)力松弛和蠕變；3）忽略橡膠材料隨溫度、時間的變化。采用Mooney-Rivlin超彈性單元模型，分析結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 密封圈應(yīng)力變形分析圖

圖7 密封圈接觸狀態(tài)及接觸壓力分析圖

可以看出密封圈的應(yīng)力及變形狀態(tài)正常，接觸壓力最大值為2.58 MPa，遠(yuǎn)大于15 m水深設(shè)計(jì)要求，滿足Pm>P。分析結(jié)果表明密封圈滿足設(shè)計(jì)要求。

3 應(yīng)用及反饋

3.1 應(yīng)用

2014年3月，在海南昌江核電項(xiàng)目換料水池盛水試驗(yàn)中，在換料水池充水過程中出現(xiàn)了漏水情況，經(jīng)查發(fā)現(xiàn)粘接成型的O形密封圈接口處存在斷裂情況。重新粘接處理后在接口處涂密封膠，再次使用仍有少量水泄漏，檢查后發(fā)現(xiàn)涂膠層過厚影響密封圈的均勻性，去除過量涂膠層后再次進(jìn)行盛水試驗(yàn)，密封蓋滿足使用要求。

3.2 經(jīng)驗(yàn)反饋

使用表明，反應(yīng)堆壓力容器密封蓋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、密封性能滿足使用要求，其使用過程定位準(zhǔn)確，沒有對反應(yīng)堆壓力容器密封面及其止口造成任何損傷，但有以下經(jīng)驗(yàn)反饋：1）粘接成型密封圈存在強(qiáng)度低、接口不均勻情況，這是反應(yīng)堆壓力容器密封蓋密封的薄弱環(huán)節(jié)，建議密封圈采用熱壓成型等方式，提高接口處連接強(qiáng)度和均勻性。2）反應(yīng)堆壓力容器密封蓋內(nèi)、外密封圈直徑分別為3720 mm和3840 mm，采用O形密封圈和矩形密封溝槽的密封形式，存在密封圈固定不便的問題，即便在多個密封面托卡支撐下，密封圈仍有下墜脫出溝槽情況，建議采用燕尾密封溝槽形式，便于密封圈的安裝。3）接觸端面的表面狀態(tài)對泄漏影響較大，平面度會影響密封圈的貼合狀態(tài)；粗糙度過大會導(dǎo)致梯形泄漏通道的平均峰高及泄漏高度增加，最終導(dǎo)致泄漏的增加。由于密封蓋結(jié)構(gòu)尺寸較大，加工精度不易保證，建議增加一道密封，分別作為一次密封、二次密封和安全密封。4）為保護(hù)壓力容器端面不與封蓋直接接觸，導(dǎo)致表面狀態(tài)可能的損傷，在封蓋與壓力容器端面增加了一層橡膠墊。橡膠墊的使用會降低O形圈的壓縮率，且使接觸表面狀態(tài)粗糙度增加，會增大泄漏量。建議降低橡膠墊的厚度或優(yōu)化密封槽-密封圈結(jié)構(gòu)保證O形圈的合理壓縮。5）盡管密封面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度余量較大，但從自緊密封角度考慮，不建議減薄結(jié)構(gòu)尺寸，保持自重。滿足初始階段自重密封使用要求。

4 結(jié) 論

反應(yīng)堆壓力容器密封蓋結(jié)構(gòu)尺寸大，試驗(yàn)難度較大，故采用分析法驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性。本文對海南昌江核電項(xiàng)目反應(yīng)堆壓力容器密封蓋強(qiáng)度、剛度和密封性能進(jìn)行了系統(tǒng)分析，證明壓力容器密封蓋設(shè)計(jì)滿足使用要求；并結(jié)合該工具在工程中的實(shí)際應(yīng)用情況，提出了改進(jìn)方向和方案，為后續(xù)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供參考。