膨體聚四氟乙烯覆蓋層波形金屬墊片在電廠消防水系統中的應用

吳志剛，勵 勇

（1.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2.寧波天生密封件有限公司，浙江 慈溪 315302）

0 引言

根據核動力廠設計安全規定及國家消防安全法規標準要求，秦山第三核電廠常規島廠房設計了自動噴淋滅火消防水系統，廠房各區域消防管網雨淋閥后主干管道采用法蘭連接形式，密封墊片采用橡膠墊片。機組投運約九年后，消防水系統多次出現管道法蘭漏水缺陷，經檢查確認為橡膠墊片老化所致。消防水系統在廠房內分布廣泛，管網法蘭下方布置了工藝系統的電氣和儀表控制等設備，一旦法蘭出現漏水缺陷，將嚴重威脅工藝系統的安全運行，因此，需要選擇性能穩定的墊片替換現有的橡膠墊片，以確保消防水系統的完整性和可靠性。

1 墊片的設計與計算

1.1 系統背景

消防水系統設計為低壓常溫系統，消防水取自廠區露天水池，氧離子基本處于飽和狀態，水質控制除緩蝕劑外還添加了次氯酸鈉，消防水中氯離子檢測指標約180ppm，管道選材為鍍鋅焊接碳鋼管，管網中主干管道采用了突面平焊碳鋼法蘭連接形式，密封采用橡膠墊片，管道法蘭結構示意圖見圖1。經過現場檢查出現滲水的法蘭及管網法蘭墊片的隨機抽檢結果，發現橡膠墊片因運行年限過長普遍存在老化發脆現象，部分墊片已產生局部破裂，無法實現有效的密封功能，破裂的橡膠墊片見圖2。

1.2 墊片設計

圖1 消防水系統法蘭接頭Fig.1 Sketch of flange joint in fire protection system

圖2 老化破裂的橡膠墊片Fig.2 Ruptured rubber gasket due to ageing

結合消防水系統的設計特點和運行安全要求，秦山第三核電廠在綜合評價墊片密封可靠性、耐腐蝕性、使用壽命及安裝便利性等因素的基礎上[1]，最終選擇膨體聚四氟乙烯覆蓋層波形金屬墊片（以下簡稱ePTFE 墊片）替代原設計的橡膠墊片。

ePTFE 墊片是一種復合金屬波形墊片[2]，密封環部分由316L 不銹鋼波紋金屬芯板和膨體聚四氟乙烯外包覆層壓制而成，膨體聚四氟乙烯起密封作用，金屬波形骨架起著支承和抗壓作用。外包覆層材料選用GORE-TEX板裁制而成，GORE-TEX 膨體聚四氟乙烯板[4]具有獨特的高密度纖維結構，抗蠕變特性強，耐熱和耐化學性能優異，具有很好的順應成型能力，可以在法蘭密封面上產生良好的密封效果。內嵌的波紋金屬芯板厚度為0.5mm，可以使ePTFE 墊片具備良好的機械支撐性能、壓縮和回彈特性，在系統壓力和溫度波動、墊片應力松弛等情況下，仍然可以有效維持密封完整性。

ePTFE 墊片設計制作中，要求外包覆層膨體聚四氟乙烯板由外環面向內剖開，再嵌入整體壓制成型的316L 不銹鋼波紋金屬芯板，最后使用專用粘接劑粘合成型，這種設計可以確保墊片與系統介質接觸的內環面保持完整，有效避免316L 不銹鋼波紋金屬芯板與系統介質接觸而導致出現腐蝕問題，ePTFE 墊片結構見圖3。

消防管網法蘭多為高空布置，水平和垂直方位布置方式均有，管網附近還布置有工藝系統管道等其它設備，現場作業條件較為苛刻，人員施工風險和難度較大。因此，墊片設計過程中，充分考慮了維修人員施工安裝的便利性，在標準墊片尺寸的基礎上，設計人員結合消防水系統管網法蘭規格，以安裝螺栓為定位邊界，對ePTFE 墊片外敷層和波齒外徑尺寸重新進行優化設計，成功實現墊片的自定位功能，方便了現場安裝，大大降低維修人員安裝操作失誤的風險。

圖3 膨體聚四氟乙烯波形金屬墊片Fig.3 Sketch of expanded PTFE corrugated metal gasket

1.3 墊片安裝力矩校核計算[1，3，5]

ePTFE 墊片的密封型式屬于浮動型，安裝容易，具有較低的螺栓預緊力，可以很好地適用于消防水系統管道法蘭結構。

（1）螺栓安裝載荷：

式中：Do—墊片起密封作用的外徑（mm）；Di—墊片起密封作用的內徑（mm）；Sg—最小墊片安裝應力，生產廠家推薦為20MPa。表1 為計算的螺栓安裝載荷。

表1 螺栓安裝載荷Tab.1 Assembly load of bolts

（2）螺栓應力校核：

式中： Wo—螺栓安裝載荷（N）；n—螺栓的數量；As—螺栓拉伸應力截面積（mm2）。

參照標準GB/T 3098.1-2010[6]，8.8 級M20 碳鋼螺栓屈服強度σs 為640MPa，螺栓材料的安全系數取為3，螺栓許用應力[σ]為213 MPa。由 式（2）分別計算DN100 和DN150 法蘭連接螺栓應力，計算結果均小于螺栓許用應力[σ]，對于ePTFE 墊片，現場使用的螺栓符合強度要求，計算結果見表2。

（3）螺栓扭矩計算：

式中： K—螺母系數，與螺栓系統潤滑狀態有關，潤滑一般螺栓可選用0.2；d—螺栓名義直徑（m）。

由式（3）計算出現場螺栓的安裝扭矩，計算結果見表2。

表2 螺栓安裝扭矩Tab.2 Bolt assembly torque

2 墊片性能驗證

為進一步驗證ePTFE 墊片的綜合性能，利用墊片綜合性能試驗機上進行墊片的壓縮回彈率、應力松弛率等試驗，主要試驗設備包括電動試驗泵（型號：4DSY-14/80）、液壓機（YJN-100）；位移傳感器[NS-WY02-20-5（精度：0.05%）]；載荷傳感器[BLR-1 拉壓傳感器（靈敏度：1mv/v）]等，具體試驗項目見表3。

表3 墊片性能試驗項目Tab.3 Gasket performance test item

2.1 水壓試驗

水壓試驗中選用試驗墊片規格為D1×D2×h=115mm×162mm×3.76 mm，法蘭密封面尺寸：D1×D2×h=110mm×162mm，8 個M20 緊固螺栓，螺栓扭矩與相應的密封比壓如下表4 所示，試驗密封介質為水。水壓試驗的目的是在維持介質壓力不變，改變密封比壓驗證ePTFE 墊片密封性能。

表4 螺栓扭矩與密封比壓的比較Tab.4 Comparison of bolt torque and seal pressure

在試驗壓力2.8MPa 和密封比壓10MPa 的條件下，保壓5 小時，墊片密封良好，壓力一直維持恒定；試驗結束后，拆卸法蘭檢查試驗墊片仍貼合完好、無吹出現象。調整墊片密封比壓下降到5MPa 時墊片會發生泄漏。水壓試驗證明ePTFE 墊片在內壓2.8MPa 的工況下，墊片的最小密封比壓在10Mpa 左右，水壓試驗過程見圖4 和圖5。

圖4 水壓試驗裝置Fig.4 Apparatus for gasket hydrostatic test

圖5 水壓試驗后墊片Fig.5 Profile of ePTFE gasket after test

2.2 壓縮回彈率

墊片在初始安裝情況下僅是受到螺栓預緊力，墊片被壓縮并與法蘭密封面完全密合；而當系統運行時，由于系統壓力變化以及法蘭、螺栓、管道之間存在溫度差而導致的各部分膨脹不均勻，造成密封面松弛，密封比壓下降，介質有可能通過墊片密封面縫隙產生泄漏。為了彌補溫度、壓力變化帶來的密封面松弛和密封比壓下降，需要有墊片良好的回彈性能，回彈率越大，與法蘭密合的效果就越好，密封性能就越好。

壓縮回彈率是影響墊片密封性能的一個重要指標，參照GB/T12622-2008[7]，對橡膠墊片和ePTFE 墊片壓縮回彈率進行測定。影響墊片壓縮回彈性能主要因素是密封環部分的材質與結構，ePTFE 墊片密封環是由膨體聚四氟乙烯與波形骨架壓制而成，膨體聚四氟乙烯是以PTFE 為原料，經特殊工藝處理后壓縮加工成膨體聚四氟乙烯，具有優越的壓縮回彈性和穩定性；根據試驗數據，ePTFE 墊片在35MPa 的試驗條件下，壓縮量達到1.16mm，壓縮率為34.12%，而橡膠墊片的壓縮量僅為0.4mm，試驗數據見表5，ePTFE 墊片壓縮回彈試驗曲線見圖6。比對試驗結果表明，ePTFE 墊片的壓縮回彈性能要遠優于橡膠墊片。

表5 ePTFE墊片的壓縮回彈試驗數據Tab.5 Data of compression&recovery test for ePTFEgasket

圖6 ePTFE 墊片的壓縮回彈試驗曲線Fig.6 Curve of compression & recovery test for ePTFE gasket

2.3 應力松弛比對試驗

應力松弛率是衡量一個墊片密封性能好壞的重要依據，為了驗證膨體聚四氟乙烯覆蓋層波形金屬墊片的性能，參照GB/T 12621-2008[8]，選擇普通硬聚四氟乙烯墊片與ePTFE 墊片進行應力松弛曲線比對試驗，試驗條件為密封比壓35MPa，試驗溫度200℃。

應力松弛試驗后，普通硬聚四氟乙烯墊片由于高溫和應力作用下發生流變，進而導致墊片嚴重的變形，墊片厚度大大降低；而ePTFE 墊片厚度均勻。應力松弛試驗比對曲線見圖7，由應力松弛試驗曲線可計算得出，ePTFE 墊片的應力松弛率為6.531%；普通硬四氟墊片應力松弛率為13.582%，詳細試驗數據見表6。

圖7 應力松弛比對試驗曲線Fig.7 Comparison curve of stress relaxation test

表6 墊片試樣規格和試驗結果Tab.6 Gasket sample size and test result

應力松弛試驗表明ePTFE 墊片具有良好的耐高溫性，較高溫度下墊片四氟層不會發生熔融，仍具有良好的密封性能，能有效預防二次燃燒等重大事故的發生。

2.4 防火性能試驗

ePTFE 墊片防火性能試驗開始前，將測試墊片安裝于試驗臺架上，密封比壓為35MPa。試驗過程中首先在不注水條件的生火加溫（加熱方式分為兩種，一種為包裹燃燒、另一種是利用火源對準法蘭加熱），持續火焰燃燒30 分鐘后，利用試驗泵注水，打壓至2MPa 后保壓30分鐘，并在此過程中持續加熱，觀察有無泄漏發生。防火性能試驗中，燃燒快速升溫/冷卻降溫過程中，膨體四氟墊片均沒有發生泄漏。試驗結束后，檢查試驗墊片完好、沒有因燃燒出現的損壞現象。試驗結果表明當膨體四氟墊片在周圍有火情發生時仍能保持有效密封。防火性能試驗過程和試驗后的墊片見圖7～圖10。

膨體聚四氟乙烯覆蓋層波形金屬墊片在秦山第三核電廠消防水系統整治項目中得到成功的應用，系統投運兩年以來，現場使用情況良好，墊片總體性能穩定，基本上消除了管網法蘭接頭的泄漏隱患，為保持消防水系統的完整性提供了可靠的保障，同時也為其它領域的應用積累了寶貴經驗。

圖8 防火性能試驗（火源燃燒）Fig.8 Fire proofing test(direct-burn)

圖9 防火性能試驗（包裹燃燒）Fig.9 Fire Proofing Test(indirect-burn)

圖10 防火性能試驗（快速冷卻）Fig.10 Fire proofing test(rapid cooling)

圖11 防火試驗后墊片Fig.11 Profile of gasket after fire proofing Test

3 結論

通過ePTFE 墊片選型設計和性能驗證，同時結合秦山第三核電廠現場的優化改進及應用實踐，得出如下結論： ①在同樣的工作壓力下，ePTFE 墊片具有良好的密封性能，在防止應力松弛、壓縮回彈等綜合性能方面遠優于原設計的橡膠墊片；②ePTFE 墊片由膨體聚四氟乙烯與波形骨架壓制而成，設計上可以實現自定位功能，相對于橡膠墊片，不僅安裝方便，而且可以有效避免壓偏等安裝問題。試驗表明ePTFE 墊片具有良好耐高溫性，對系統或環境溫度條件變化可以起到很好的補償效果；③ePTFE 墊片綜合性能穩定，密封可靠性高，使用壽命長，可以大大降低運行生產維護成本，提高系統和設備的可利用率。

[1] 蔡仁良.流體密封技術：原理與工程應用[M].化學工業出版社，2013.

[2] 勵行根.ZL 2006 1 0048953.0，一種波形復合密封墊片的制造方法[S].

[3] 張向詔，等.密封墊片與填料[M].機械工業出版社，1994.

[4] 汪家銘.新型密封材料膨脹聚四氟乙烯及其應用[J].潤滑與密封，1998，3.

[5] 機械設計手冊編委會.機械設計手冊[M].機械工業出版社，2007.

[6] GB/T 3098.1-2010，緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱[S].

[7] 壓縮回彈試驗方法.GB/T12622-2008 管法蘭用墊片壓縮率及回彈率試驗方法[S].

[8] 應力松弛試驗方法.GB/T 12621-2008 管法蘭用墊片應力松弛試驗方法[S].