核級石墨密封墊片壓縮蠕變性能研究

馬俊宏，沈火明，劉 娟，王宇星，傅孝龍

(1.西南交通大學(xué) 力學(xué)與航空航天學(xué)院， 成都 610031；2.中國核動力研究設(shè)計院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室， 成都 610041)

0 引言

劉祎彤等[5]對鋁墊片的高溫蠕變性能開展研究后得出了墊片接觸應(yīng)力變化關(guān)系，并表明材料的蠕變特性是影響密封性能的重要原因之一。鄧文飛[6]對鎳鈦合金復(fù)合墊片開展了各種服役溫度下的蠕變試驗，結(jié)果表明溫度是影響墊片蠕變性能的主要因素，并發(fā)現(xiàn)石墨密封墊片的墊片應(yīng)力決定了系統(tǒng)泄漏率的大小。Zhou等[7]基于ABAQUS軟件建立了三維螺栓法蘭墊片結(jié)構(gòu)，通過Fortran語言編寫蠕變用戶程序，模擬結(jié)果表明發(fā)生蠕變后墊片密封應(yīng)力顯著降低。屈春葉等[8]利用數(shù)值模擬方法計算了波齒復(fù)合墊片在高溫條件下不同載荷對應(yīng)的蠕變應(yīng)變分布情況，模擬結(jié)果表明了墊片金屬骨架具有很好的抗蠕變性能。通過已有研究可以看出墊片蠕變性能的優(yōu)劣對系統(tǒng)服役于超高真空、高溫和高壓等復(fù)雜工況下的密封效果起著至關(guān)重要的作用。因此，為了驗證系統(tǒng)密封性能的可靠性，需要對墊片的蠕變性能有針對性的進行深入細(xì)致的研究，以滿足不同領(lǐng)域中對處于復(fù)雜工況下墊片性能的需求。

核級石墨密封墊片目前被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代核電站運行系統(tǒng)中，對核電站系統(tǒng)的安全運行起到至關(guān)重要的作用。而已有文獻中對核級石墨密封墊片蠕變松弛性能的研究還尚未完善。因此本文結(jié)合當(dāng)前實際工程需求，以核電密封系統(tǒng)中常用的核級柔性石墨密封墊片[9]為研究對象，針對墊片的蠕變松弛性能開展了試驗研究，分析了試驗預(yù)緊荷載、試驗溫度及墊片徑向尺寸對墊片蠕變性能的影響。隨后結(jié)合ABAQUS有限元軟件進行數(shù)值仿真模擬，驗證了結(jié)果的可靠性。為該類密封墊片的設(shè)計、生產(chǎn)及使用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供了重要的依據(jù)。

1 試驗研究

1.1 試驗方案

核級柔性石墨密封墊片由金屬內(nèi)環(huán)、石墨環(huán)和金屬外環(huán)組成，如圖1所示。其金屬內(nèi)、外環(huán)材質(zhì)為Z2CND17-12，即316L鋼，石墨環(huán)為柔性石墨。石墨墊片嵌在金屬內(nèi)、外環(huán)間，金屬環(huán)與石墨表面保持平行，石墨表面平整、光滑[10]。內(nèi)、外金屬環(huán)可限制石墨環(huán)，防止石墨墊片受到過度擠壓。柔性石墨墊片剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中相關(guān)尺寸參數(shù)已在表1中給出。

圖1 核級石墨密封墊片

圖2 核級石墨密封墊片結(jié)構(gòu)示意圖

表1 核級石墨密封墊片試樣規(guī)格

研究所采用試驗裝置為深圳萬測試驗設(shè)備有限公司的微機控制電液伺服萬能試驗機HUT106C，高溫試驗中所用高溫環(huán)境箱為長春恒升科技有限公司的GW-400A型高溫試驗箱(如圖3所示)。利用H13模具鋼制作上下壓頭代替密封系統(tǒng)中的法蘭結(jié)構(gòu)，試驗外伸引伸計綁定位移傳感器，用以精確測定試樣變形。

圖3 試驗裝置圖

該試驗首先將試驗墊片安裝在上下夾具間，并使壓頭與墊片表面平行接觸；利用電機施加1 MPa的初始預(yù)緊荷載，保持荷載恒定；利用高溫環(huán)境箱將溫度調(diào)至試驗規(guī)定溫度值；隨后加載至實驗規(guī)定的預(yù)緊荷載并保持。利用位移傳感器實時采集墊片的變形。

具體試驗研究內(nèi)容包括：

1) 試驗研究預(yù)緊荷載對墊片蠕變性能的影響：試樣采用DN40墊片，試驗溫度為200 ℃，預(yù)緊應(yīng)力等級分別為35、40、70 MPa。

2) 試驗研究溫度對墊片蠕變性能的影響：試樣采用DN40墊片，預(yù)緊荷載采用35 MPa和70 MPa對比研究，溫度等級分別為20、100、200 ℃。

3) 試驗研究墊片徑向尺寸對墊片蠕變性能的影響：針對DN15、DN40及DN653種型號墊片，施加35 MPa的恒定預(yù)緊應(yīng)力和100 ℃的恒定溫度。

1.2 試驗結(jié)果分析

分別以預(yù)緊荷載、服役溫度及墊片徑向尺寸為變量對核級石墨密封墊片進行壓縮蠕變試驗。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到各變量下墊片的蠕變特性曲線，如圖4、圖5所示。表2為各組試驗的最大壓縮位移、蠕變量以及對應(yīng)蠕變率。

表2 試驗結(jié)果數(shù)據(jù)

圖4 DN40石墨墊片的蠕變特性曲線

圖5 不同尺寸的蠕變特性曲線

由圖4可知，當(dāng)墊片預(yù)緊應(yīng)力從35 MPa增加至40 MP時，墊片蠕變量隨著預(yù)緊載荷的增大而增加，但預(yù)緊荷載增大至70 MPa時，墊片蠕變量卻小于前兩組工況。其原因為墊片結(jié)構(gòu)存在一個使得法蘭和墊片金屬環(huán)發(fā)生接觸的門檻預(yù)緊應(yīng)力[11]，當(dāng)荷載大于門檻應(yīng)力時，墊片蠕變量整體小于法蘭和金屬環(huán)發(fā)生接觸之前的蠕變量。總體上講，在門檻應(yīng)力左右，墊片蠕變量和預(yù)緊應(yīng)力成正相關(guān)；在35 MPa的預(yù)緊應(yīng)力作用下，墊片蠕變量隨著溫度的升高有增大趨勢，最大蠕變值約為0.029 4 mm。當(dāng)預(yù)緊應(yīng)力超過門檻應(yīng)力值時，溫度對墊片最大壓縮位移影響微弱，但隨著溫度升高，墊片蠕變量仍有小幅增加。

由圖5以及表2可知，DN40墊片蠕變值較大，DN15次之，DN65墊片蠕變值最小，結(jié)果表明墊片蠕變量與墊片徑向尺寸無明顯關(guān)系，即墊片尺寸效應(yīng)不明顯。總體而言，核級石墨密封墊片展現(xiàn)出了良好的抗蠕變性能。

2 數(shù)值分析

利用ABAQUS有限元分析軟件模擬上述試驗工況下核級石墨密封墊片的壓縮蠕變行為，并將有限元模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比分析，以驗證有限元模型的可靠性。

2.1 有限元建模

圖6 有限元模型

表3 材料性能參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比

將試驗所得各工況下墊片蠕變特性曲線和有限元模擬結(jié)果進行對比，結(jié)果見圖7。對比有限元模擬計算與試驗所得的墊片最大壓縮位移及蠕變量，結(jié)果見表4。

圖7 試驗曲線與模擬結(jié)果曲線

表4 有限元模擬與試驗結(jié)果

從以上對比結(jié)果中可以看出，數(shù)值模擬所得的墊片壓縮位移時呈曲線與試驗結(jié)果曲線吻合良好。表4對比了數(shù)值計算與試驗得到的最大壓縮位移以及蠕變量，各組試驗與模擬對比結(jié)果誤差均在15%內(nèi)。其中墊片處于高溫條件下的對比結(jié)果誤差相比較大。這是因為高溫試驗條件下石墨墊片的材料特征發(fā)生變化，導(dǎo)致墊片軟化后提高了蠕變量，而數(shù)值模擬并未考慮墊片材料特征的改變。

經(jīng)分析可知，有限元模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好，驗證了有限元模擬中模型及參數(shù)的合理性，能準(zhǔn)確地模擬試驗過程，具有一定的參考價值。

3 結(jié)論

1) 核級柔性石墨墊片的最大壓縮位移與試驗溫度、試驗預(yù)緊應(yīng)力及墊片通徑尺寸成正相關(guān)。

2) 由于墊片結(jié)構(gòu)存在內(nèi)外金屬限制環(huán)，因此存在一個使法蘭與墊片金屬環(huán)發(fā)生接觸的門檻預(yù)緊應(yīng)力。分別在門檻應(yīng)力左右，墊片蠕變量均與溫度和預(yù)緊荷載成正相關(guān)，但與墊片通徑尺寸并無明顯關(guān)系。

3) 數(shù)值仿真結(jié)果與模型試驗結(jié)果吻合良好，最大誤差控制在15%以內(nèi)。表明有限元模型所選取的蠕變本構(gòu)模型、邊界條件、接觸關(guān)系及材料特性等均是合理的。

4) 在所述工況下，核級柔性石墨密封墊片的蠕變壓縮量均很小，表明此墊片具有良好的抗蠕變松弛性能。