密封件在核電廠中的應(yīng)用

牛艷穎 李占全

（中國(guó)核電工程有限公司，中國(guó) 北京100840）

0 概述

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展， 高性能密封件在核電廠中得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)這些高性能密封件對(duì)核電廠安全穩(wěn)定的運(yùn)行也起著重要的作用，以現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)發(fā)電裝機(jī)容量最大的機(jī)組形式為列，闡述密封件在核電廠中的應(yīng)用和作用。

核電廠區(qū)別與民用火電、水電等發(fā)電站需要更高的安全性、技術(shù)成熟性。 因此安裝在核電廠中的密封件同樣需要具備高安全性、高可靠性以及便于替代的均一性。 在核電廠的構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件（SSC）的設(shè)計(jì)中密封件均有著廣泛的應(yīng)用，主要包括：用于維持構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)密封要求的密封門上的密封圈、 用于工藝流體系統(tǒng)中管路法蘭的密封、用于各類承壓設(shè)備上法蘭的密封，特別是用于核電廠核心設(shè)備-核反應(yīng)堆堆心壓力容器頂蓋的密封等等。

1 密封件在構(gòu)筑物設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

以核電廠中安裝在燃料水池和燃料轉(zhuǎn)運(yùn)通道間水下密封門的密封件作為代表，對(duì)用于保證構(gòu)筑物功能要求的密封件，其設(shè)計(jì)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、密封性功能要求等方面進(jìn)行闡述。

在核電廠設(shè)計(jì)中，水下密封門為核安全相關(guān)物項(xiàng)，門的密封件是密封性能的關(guān)鍵部件，在門處于關(guān)閉位置時(shí)，通過(guò)對(duì)密封件內(nèi)部空腔進(jìn)行充氣，使密封件漲大壓緊外圍壓板，從而實(shí)現(xiàn)門的密封，密封門所在介質(zhì)為含硼水，水中硼含量為2000 至2500ppm，介質(zhì)PH 值（250℃）為4.7 至5.5。 密封門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，門兩側(cè)存在較大水壓差，一側(cè)無(wú)水、一側(cè)正常水位時(shí)，水位高差達(dá)6.5m，因此密封件材料即要有良好的彈性，又需要良好的韌性，通常選用丁苯橡膠材料。

2 密封件在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

核電廠設(shè)計(jì)中，密封件在工藝流體系統(tǒng)中的應(yīng)用最為廣泛，流體系統(tǒng)中的管道法蘭普遍為按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的法蘭，管道法蘭執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)主要以ASME 系列為主，如ASME B16.5、ASME B16.47 等，標(biāo)準(zhǔn)法蘭間的密封墊片的設(shè)計(jì)是與法蘭結(jié)構(gòu)相匹配，合理選用法蘭間密封件對(duì)保持工藝流體系統(tǒng)正常安全運(yùn)行起著重要作用。

管路法蘭用密封墊片的選用與法蘭所在流體系統(tǒng)的介質(zhì)、設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力密切相關(guān)。 目前核電廠中，管道法蘭尺寸范圍為：1/2” ～38”（DN15～DN950），法蘭等級(jí)范圍為：Class150～2500；核電廠核島工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度范圍為：15℃～343℃； 設(shè)計(jì)壓力范圍為：0.1MPa～20.3MPa；主要流體介質(zhì)包括：反應(yīng)堆冷卻劑、含硼水、蒸汽、冷卻水、除鹽水、30%氫氧化鈉溶液、7%硝酸溶液、氧氣、氮?dú)狻⒉裼偷取?/p>

工藝系統(tǒng)管道法蘭用密封墊片的種類主要包括：金屬石墨密封墊片、帶內(nèi)外加強(qiáng)環(huán)的柔性纏繞式墊片、非金屬平墊片。

2.1 金屬石墨墊片的應(yīng)用

在核安全重要管路系統(tǒng)中主要選用金屬石墨墊片，墊片主要特點(diǎn)是“金屬-碰-金屬”密封概念的應(yīng)用，墊片由內(nèi)外金屬環(huán)和石墨環(huán)組成，內(nèi)外金屬環(huán)在墊片密封中起到不同的作用，石墨環(huán)作為墊片的密封環(huán)。 這種密封結(jié)構(gòu)能夠確保墊片處于密封狀態(tài)下，始終保持墊片金屬環(huán)與法蘭密封面的充分接觸，從而確保了石墨密封環(huán)工作應(yīng)力的恒定；另外，金屬-碰-金屬的密封結(jié)構(gòu)也可有效降低外加彎矩、溫度和壓力波動(dòng)對(duì)密封面的不利作用。

金屬石墨墊片中的密封環(huán)為高純膨化石墨板壓縮而成，高純石墨環(huán)具有得天獨(dú)厚的耐輻照性能，金屬限制環(huán)選用耐腐蝕性良好的奧氏體不銹鋼材料，主要材料牌號(hào)為316L。 金屬石墨墊片目前應(yīng)用的尺寸范圍為1/2” ～24”（DN15～DN600），適用于依據(jù)ASME B16.5 制作的各等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)法蘭。 金屬石墨墊片對(duì)法蘭密封面的要求為突面法蘭（Raised Face）， 為保證墊片密封性， 法蘭密封面粗糙度應(yīng)不大于3.2μm。 金屬石墨墊片良好的密封性能見表1。

表1 金屬石墨墊片主要性能

2.2 帶內(nèi)外加強(qiáng)環(huán)的柔性纏繞式墊片

在核電廠工藝流體系統(tǒng)中也大量使用帶內(nèi)外加強(qiáng)環(huán)的柔性纏繞式墊片，柔性纏繞式墊片的結(jié)構(gòu)尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)ASME B16.20 的要求，墊片內(nèi)外環(huán)和金屬帶選用奧氏體不銹鋼板/帶、填充帶為純石墨。 柔性纏繞式墊片在機(jī)械和化工等行業(yè)廣為使用，核電廠中使用的柔性纏繞式墊片對(duì)石墨帶有著不同于其他工業(yè)行業(yè)的要求，詳見表2。

表2 石墨帶參數(shù)

2.3 非金屬平墊片

在核電廠的水系統(tǒng)，特別是海水系統(tǒng)，由于系統(tǒng)管道直徑較大，且系統(tǒng)管路中使用的法蘭為大直徑、密封面為平面（Flat Face）的法蘭，為保證系統(tǒng)管路的良好密封性， 設(shè)計(jì)用使用了100%膨體聚四氟乙烯（e-PTFE）非金屬平墊片，根據(jù)PTFE 墊片的材料特點(diǎn)：100%多向拉伸膨體聚四氟乙烯，墊片具有良好的耐化學(xué)腐蝕特性，墊片的主要性能見表3。

表3 e-PTFE 主要性能

3 密封件在設(shè)備部件中的應(yīng)用

用于承壓設(shè)備上的法蘭密封件，墊片結(jié)構(gòu)多數(shù)為按設(shè)計(jì)圖紙加工的非標(biāo)或異形尺寸，墊片材料主要包括：三元乙丙橡膠、非石棉、聚乙烯等材料，承壓設(shè)備所用墊片主要應(yīng)用于設(shè)備人孔等法蘭連接處。

核電廠核心設(shè)備反應(yīng)堆壓力容器上使用的金屬C 型圈密封件，金屬密封件特點(diǎn)為：線密封結(jié)構(gòu)、墊片強(qiáng)度高、泄漏率低，為保證金屬密封件密封性能的實(shí)現(xiàn)，要求密封面有很好的加工精度，密封面的加工表面粗糙度Ra 控制在0.8～1.6μm 之間。

4 總結(jié)

密封件作為工藝系統(tǒng)管路附件，在核電廠一、二回路以及輔助工藝系統(tǒng)中廣為應(yīng)用，密封件的設(shè)計(jì)和選用確保了核電廠構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件具有高密封性，密封件作為單次使用的更替件，要求密封件的制造具備高均一性， 密封件作為承壓邊界的薄弱環(huán)節(jié)，需要確保其在任何情況下保持安全可靠的性能。上述密封件在核電行業(yè)得到了廣泛的運(yùn)用，并取得了優(yōu)異的使用業(yè)績(jī)和經(jīng)驗(yàn)反饋。 高效可靠的密封設(shè)計(jì)概念在核電廠設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。

［1］ASME B16.5，Pipe Flanges and Flanged Fittings 管法蘭和法蘭管件（NPS1/2～NPS24）[Z].

［2］ASME B16.47，Large Diameter Steel Flanges 大直徑法蘭（NPS26～NPS60）[Z].

［3］ASME B16.20，Metallic Gaskets For Pipe Flanges （Ring-Joint, Spiral-Wound,and Jacketed）[Z].

［4］ASTM F36，Standard Test Method for Compressibility and Recovery of Gasket Materials[Z].