低泄漏率可拆密封連接結(jié)構(gòu)設(shè)計與試驗研究

李亭 黃棟渠 汪靜 李東銘 鄭煥

[摘 ? ?要]密封性能是評價壓力容器產(chǎn)品安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要技術(shù)指標(biāo)。傳統(tǒng)的壓力容器設(shè)計規(guī)范通常要求根據(jù)公稱壓力、工作溫度和介質(zhì)選用密封結(jié)構(gòu)，但并沒有給出定量評價密封結(jié)構(gòu)泄漏率的方法。對某壓力容器低泄漏率要求開展了可拆密封連接結(jié)構(gòu)的選型設(shè)計與試驗研究，實現(xiàn)高溫、強腐蝕、低泄漏率可拆密封連接，泄漏率不大于1×10-7 Pa·m3/s;分析了影響結(jié)構(gòu)密封性能的主要因素并從結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工制造方面提出了建議。

[關(guān)鍵詞]密封性能;泄漏率;壓力容器

[中圖分類號]TH49 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）08–0–02

[Abstract]Sealing performance is an important technical index to evaluate the safety and economy of pressure vessel products. Traditional design code of pressure vessel usually requires sealing structure according to nominal pressure， working temperature and medium， but no quantitative evaluation method is given. This paper has carried out the selection design and test research of the detachable sealing connection structure for the low leakage rate requirement of a pressure vessel. The high temperature， strong corrosion and low leakage rate detachable sealing connection are realized， and the leakage rate is no more than1×10-7Pa·m3/s; The main factors that affect the sealing performance of the structure are analyzed and suggestions are put forward from the aspects of structure design and manufacturing.

[Keywords]sealing performance; leakage rate; pressure vessel

密封性能是評價壓力容器產(chǎn)品安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要技術(shù)指標(biāo)。隨著現(xiàn)代工業(yè)特別是核能工業(yè)的興起，壓力容器密封向著高溫、高壓、強腐蝕和低泄漏率方向發(fā)展。傳統(tǒng)的壓力容器設(shè)計規(guī)范如《GB150.1～GB150.4—2011壓力容器》[1]《HG/T20583—2011鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)定》[2]通常要求的根據(jù)公稱壓力、工作溫度和介質(zhì)選用密封結(jié)構(gòu)，但并沒有給出定量評價密封結(jié)構(gòu)泄漏率的方法;對于常規(guī)壓力容器僅對壓力試驗做出了明確規(guī)定，泄漏試驗要求則由設(shè)計單位自行確定。參考《法蘭用密封墊片實用手冊》[3]，常規(guī)密封元件如纏繞墊、金屬齒形組合墊密封泄漏率通常在10-3 ～10-5 Pa·m3/s量級。某核能項目壓力容器要求可拆密封連接泄漏率不大于1×10-7 Pa·m3/s，按常規(guī)設(shè)計方法顯然難以滿足此要求。為此本文開展了低泄漏率可拆密封連接結(jié)構(gòu)的選型設(shè)計與試驗研究，為同類產(chǎn)品密封結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 密封結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計

1.1 密封設(shè)計要求與密封結(jié)構(gòu)選型

該壓力容器內(nèi)直徑200 mm，設(shè)計溫度505 ℃、設(shè)計壓力1.5 MPa，介質(zhì)為放射性液鈉、氬氣和氫氣混合物，要求泄漏率不大于1×10-7 Pa·m3/s;同時要求密封連接結(jié)構(gòu)方便拆裝和維護(hù)。

密封結(jié)構(gòu)選型要滿足使用性能要求，在高溫、腐蝕性介質(zhì)條件下能夠可靠地工作，具有符合要求的泄漏率;從經(jīng)濟(jì)性角度還要結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便、便于檢查和更換、成本低。壓力容器可拆密封連接通常采用墊片-螺栓法蘭連接或者焊唇密封連接;鑒于焊唇密封結(jié)構(gòu)更換涉及到切割、探傷、焊接等操作，在核能領(lǐng)域應(yīng)用較少，本文選用壓力容器常用的墊片-法蘭螺栓密封結(jié)構(gòu)，密封元件選用金屬C形環(huán)。

C形環(huán)和O形環(huán)都是核能領(lǐng)域常用的密封元件。O形環(huán)斷面形狀是O形，使用時會被壓扁，從而擴大密封寬度;但為了保持密封性，必須有較大的壓緊載荷。C形環(huán)克服了這個缺點，其C形斷面極富彈性，即使被壓縮后，其密封部位幾乎不被壓環(huán)，故可以較小的壓緊載荷獲得必須的接觸密封壓力，具有較高的回彈特性和優(yōu)良的密封性能，在使用性能和可靠性方面優(yōu)于O形環(huán)[4]。

金屬C形環(huán)是一種彈簧賦能型結(jié)構(gòu)，由螺旋彈簧、中間覆層和密封層組成（圖1）。

當(dāng)密封環(huán)工作時，螺旋彈簧發(fā)生彈性變形并對中間覆層產(chǎn)生反彈力，使密封層發(fā)生塑性變形并彌補法蘭面微缺陷，從而達(dá)到密封效果。通過表面密封層的塑性變形和彈簧彈性變形的協(xié)同作用（圖2），有效提高C形環(huán)的密封性能和補償因溫度、壓力波動引起法蘭變形及密封環(huán)松弛的影響[5]。

1.2 法蘭密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

法蘭密封結(jié)構(gòu)如圖3所示，下法蘭開矩形槽，通過槽寬對C形環(huán)進(jìn)行周向限位，同時利用槽深控制C形環(huán)的壓縮量，上、下法蘭通過螺栓螺母連接并施加預(yù)緊力。

1.3 C形環(huán)密封性能試驗

C形環(huán)密封層采用鍍銀層，允許使用溫度不低于600 ℃。為確保產(chǎn)品最終密封性能能夠滿足要求，要求密封環(huán)本身的泄漏率不大于1×10-9 Pa·m3/s。對C形環(huán)本身在墊片密封性能檢測系統(tǒng)上進(jìn)行檢測。檢測采用與產(chǎn)品相同材料和規(guī)格的C形環(huán)和法蘭，通過圓盤工裝下壓施加與產(chǎn)品相同的線載荷，測得泄漏率不大于2.12×10-11 Pa·m3/s。

2 密封結(jié)構(gòu)性能試驗驗證

2.1 密封性能試驗方案

壓力容器先進(jìn)行設(shè)計壓力下的氣壓試驗，氣壓試驗合格后再進(jìn)行密封性能試驗。

密封性能試驗采用外部噴氦法，壓力容器殼體一端與氦檢漏儀相連，對容器內(nèi)部抽真空，在密封C形環(huán)外側(cè)噴入濃度>10%的氦氣（圖4）并靜置一定時間。當(dāng)C型環(huán)密封效果不能達(dá)到設(shè)計要求的泄漏率時，氦氣通過泄漏處進(jìn)入殼體內(nèi)部，被氦檢漏儀檢出產(chǎn)生報警，同時氦檢漏儀測出泄漏率。

2.2 密封性能試驗結(jié)果及分析

壓力容器氣壓試驗一次合格。之后在不同的螺栓擰緊力矩下進(jìn)行試驗，并在試驗前測量和記錄法蘭槽深和C形環(huán)截面直徑。試驗情況如表1所示。

比較試驗1和試驗2可以發(fā)現(xiàn)，在法蘭槽深和C形環(huán)截面直徑相同的情況下，螺栓力矩大小對密封性能有決定性的影響。這是因為金屬C形環(huán)依靠接觸界面的配合實現(xiàn)密封，接觸區(qū)域大小和壓力分布決定了密封環(huán)的密封效果;螺栓擰緊力矩越大，施加在C形環(huán)上的線載荷越大，接觸區(qū)域越大，接觸寬度越寬，介質(zhì)通過接觸面產(chǎn)生泄漏的難度越大;同時接觸密封壓力也越大，開啟界面泄漏通道所需的介質(zhì)壓力越大，密封性也更好。但螺栓擰緊力矩加大會導(dǎo)致法蘭厚度增加，使設(shè)備變得更笨重，影響經(jīng)濟(jì)性;螺栓擰緊力應(yīng)保證C形環(huán)內(nèi)圈的彈簧處于彈性變形的受力范圍內(nèi)，壓緊力過大可能導(dǎo)致C形環(huán)壓潰失效。

試驗2測量發(fā)現(xiàn)，法蘭四象限位置壓縮量存在差異，表明螺栓加載并不均勻，故在裝配時應(yīng)規(guī)定明確的擰緊步驟，采用對角交叉擰緊方式以使螺栓加載均勻，確保C形環(huán)受到均勻的壓縮。

試驗3相對于試驗1的C形環(huán)壓縮量略有差異，試驗后檢查發(fā)現(xiàn)密封面存在徑向加工紋路;此密封面采用平面磨獲得，在徑向上會存在諸多細(xì)小的發(fā)紋，這些發(fā)紋細(xì)長且具有一定深度，部分發(fā)紋貫穿了密封有效區(qū)域。故在試驗4中對密封面重新進(jìn)行輕微加工，以形成環(huán)形紋路，更有利于密封。

試驗4采用較大的力矩進(jìn)行預(yù)緊，在建立初始密封后再減小力矩，繼而加載至圖樣規(guī)定力矩值，最終密封性能達(dá)到設(shè)計要求。這是因為采用較大的螺栓擰緊力時，C形環(huán)充分壓縮，表面密封層發(fā)生大變形彌補法蘭面的缺陷，使接觸界面的微觀泄漏通道被截止，并產(chǎn)生較大的接觸密封壓力，避免介質(zhì)壓力開啟泄漏通道。盡管后續(xù)擰緊載荷減小會導(dǎo)致C形環(huán)產(chǎn)生回彈，由于之前已經(jīng)產(chǎn)生了顯著的塑性變形，且不隨著C形環(huán)的回彈而恢復(fù)，因此仍能維持與法蘭面微觀形貌的接觸，從而避免了泄漏通道的產(chǎn)生，達(dá)到比較好的密封效果。

3 結(jié)論

（1）設(shè)計了C型環(huán)-法蘭螺栓密封結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)高溫、強腐蝕、低泄漏率可拆密封連接，泄漏率不大于1×10-7 Pa·m3/s。

（2）影響C型環(huán)-法蘭螺栓密封結(jié)構(gòu)密封性能的主要因素包括：螺栓預(yù)緊力、C形環(huán)壓縮量（法蘭槽深）、螺栓加載方式、密封面加工方式與表面質(zhì)量等。

（3）為獲得低的泄漏率，建議采用適當(dāng)?shù)拿芊獠凵詈吐菟A(yù)緊力以保證C形環(huán)的壓縮量，同時在密封面加工形成環(huán)向紋路，螺栓對角交叉擰緊，先用較大的力矩進(jìn)行預(yù)緊，在建立初始密封后再減小至圖樣規(guī)定力矩值。

參考文獻(xiàn)

[1] 壓力容器：GB150.1～GB150.4—2011[S].

[2] 制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)定：HG/T20583—201[S].

[3] 《法蘭用密封墊片實用手冊》編委會.法蘭用密封墊片實用手冊[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

[4] 易原源.金屬彈性墊圈-C形環(huán)密封裝置[J].機械研究與應(yīng)用，1992（3）：45-46.

[5] 李文靜.反應(yīng)堆壓力容器金屬C形密封環(huán)數(shù)值模擬與實驗研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2016.