壓力容器密封面交叉網紋式研磨技術研究

劉兆東，戴旭東，鄭　曉，李洪偉，張顯均

（中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術國家重點實驗室，四川　成都　610041）

壓力容器密封面交叉網紋式研磨技術研究

劉兆東，戴旭東，鄭曉，李洪偉，張顯均

（中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術國家重點實驗室，四川成都610041）

文章結合反應堆壓力容器密封面雙“O”形密封環密封的特點，從研磨機理出發，分析了影響研磨的各種因素，提出了密封面交叉網紋式研磨方法，從研磨效率和網紋密封特點兩方面論述了交叉網紋研磨的優點。針對壓力容器密封面，提出了研磨裝置方案，并開展了相關試驗，驗證了交叉網紋式研磨的可實施性。實踐證明，交叉網紋式研磨技術可在核電廠、研究堆等壓力容器密封面的研磨修理中推廣應用。

反應堆；壓力容器；密封面；交叉網紋研磨

圖1　壓力容器密封示意圖Fig.1　Schematic of　pressure vessel sealing

圖2　研磨加工示意圖Fig.2　Schematic of grinding

壓力容器密封面作為核反應堆及一回路系統的彈性承壓邊界，對一回路系統的壓力密封起著重要作用。

為了確保核反應堆在設定壓力下的安全運行，壓力容器采用兩道“O”形密封環進行密封。如圖1所示，在螺栓預緊力的作用下，壓力容器頂蓋通過“O”形密封環發生形變，實現與密封面的緊密貼合，使壓力容器承壓側與外側隔絕，從而實現了壓力容器的密封。隨著反應堆的運行，密封面在“O”形的長期作用下產生壓痕，并沉積一部分腐蝕產物，其表面光潔度低于使用指標Ra0.8 μm，從而影響復裝后壓力容器的密封。因此，在反應堆的檢修中必須對密封面進行提高表面光潔度的修理。文章通過對研磨機理的分析，針對密封面提出了一種交叉網紋的研磨方法實現壓力容器密封面的研磨，以提高其表面光潔度。

1　交叉網紋研磨

1.1研磨

研磨是在研具與工件之間加入研磨劑，加壓并使之做相對運動，用磨粒對工件表面進行細微切削的一種游離式加工方式［1］。

如圖2所示，研磨壓力為P，接觸面積為A，切削速度為V，被加工材料的屈服壓力為Pm，磨粒直徑為dg，磨粒率為Vg，磨粒的半頂角為。單位時間磨削量W可用式（1）表示：

磨粒的最大切削深度可用式（2）表示：

由式（1）、式（2）可知，在工件材料一定的情況下，研磨效率與研磨面積、施加的研磨正壓力以及研磨速度成正比，與磨粒的半頂角成反比；研磨的切削深度與研磨壓力、磨粒直徑成正比，與磨粒率以及磨粒的半頂角成反比。因此，為提高研磨效率，可以采取加大研磨壓力和研磨速度；為獲取高質量的研磨面，可以采用較小的研磨壓力和較細的磨粒來實現。

1.2交叉網紋研磨

交叉網紋研磨是研磨的一種方式。在研磨過程中，研具相對于被加工表面作如圖3所示的交叉網紋運動，從而驅動磨粒對工件表面進行精細微切削，實現了密封面的研磨修理。相對于其他研磨方式，交叉網紋研磨主要有兩大特點：一是研磨效率高；二是研磨所形成的網紋密封面密封性能好。

圖3　交叉網紋示意圖Fig.3　Schematic of cross-texture

由1.1節可知，在磨粒和密封面材料一定的情況下，提高研磨效率可以通過加大研磨正壓力和提高研磨速度來實現。但是研磨過程中正壓力不是越大越好，壓力越大，磨粒力被擠離研磨頭，參與研磨的磨粒數量變小導致效率下降，而且研磨壓力增加到一定時候，表面粗糙度基本保持不變［2］。同時由于磨粒的硬度遠大于密封面材料的屈服度，較大的正壓力容易引起密封面的劃傷。因此，提高研磨效率最有效的方法是提高研磨速度。

如圖4所示，由于交叉網紋獨特的運動軌跡，在不同時刻，密封面任意高點P切削方向均不同。P點的切除量可表示為：

式中：WJ1為T1時刻P點在L1方向上的切除量；WJn為Tn時刻P點在Ln方向上的切除量。

圖4　交叉網紋研磨示意圖Fig.4　Schematic of cross-textured grinding

若采用定向研磨方式進行研磨，任意高點P的切除量可用式（4）表示：

式中：WD1～WDn為T1～Tn時刻在L方向上的切除量。

定向研磨可視為研磨頭繞壓力容器密封面環面中心的公轉運動，交叉網紋研磨中研具的運動，由繞密封面環面中心的公轉運動和研磨頭自身的旋轉運動構成，且研磨頭的自轉速度較公轉速度大得多，可用式（5）表示：

與此同時，交叉網紋研磨中不同時刻研具的運動方向不同，不同方向切削引起的棱邊加大了研磨劑與被研點的接觸面積，擴大了切削范圍。因此，交叉網紋研磨具有較高的效率。

圖5　密封網格示意圖Fig.5　Schematic of sealing net

如圖5所示，采用交叉網紋研磨方式后，密封面從微觀上被劃分為一定規則的類平行四邊形網格。在密封帶上的5個網格a、b、c、d、e構成了一個密封單元，網格a與網格b、c、d、e存在4條相臨邊界1、2、3、4。在密封環正壓力P的作用下，相臨網格發生形變呈平面擴張，在1、2、3、4邊界上，通過相互擠壓以及密封環表面的軟金屬材料變形壓入細微邊界而實現各邊界的密封。沿兩道“O”形密封帶的徑向方向存在著若干微小的密封網格單元，多網格單元的自密封疊加效應實現了“O”形內外側的密封。采用網紋密封具有密封單元多、密封疊加性好的特點，這種密封方式已被廣泛應用于承壓容器及大型閥門的密封中。

2　壓力容器密封面研磨裝置設計

壓力容器密封面研磨裝置結構示意如圖6所示，研磨裝置主要由研磨頭、研磨頭（研具）自轉驅動機構、研磨頭周向運動及支撐機構、研磨壓力調節4大部件構成。

圖6　研磨裝置結構示意圖Fig.6　Schematic of the grinding apparatus

研磨頭采用環狀結構，其直徑與密封面的徑向斷面長度相當，為提高研磨效率，采用單電機驅動外齒輪嚙合的傳動方式控制兩個研磨頭自轉，形成速度相同且方向相反的正交運動。

研磨按照金屬加工量的不同分為粗研、半精研和精研3個過程，3個過程分別采用不同的研磨壓力、自轉速度、公轉速度以及研磨劑粒度。粗研切除量較大，因此要求較大的研磨壓力、較粗的磨粒以及大的自轉公轉速度比；精研切除量小并形成致密的網紋則要求較小的研磨壓力、較細磨粒以及較小的自轉公轉速度比，具體的研磨參數可按表1進行控制。

表1　研磨參數控制Table 1　Controlling parameters of grinding

3　試驗及結論

針對反應堆壓力容器密封面采用交叉網紋的研磨方式開展了相關試驗，研磨后密封面的表面光潔度達到了Ra0.8 μm，研磨效率較高，密封面研磨后滿足核反應堆壓力容器的密封。圖7為采用交叉網紋濕法研磨粗研密封面效果圖，圖8為精研效果圖。

圖7　密封面粗研效果圖Fig.7　Coarse grinding renderings of sealing surface

圖8　密封面精研效果圖Fig.8　Accurate grinding renderings of sealing surface

試驗證明采用交叉網紋研磨技術可以用于反應堆壓力容器密封面的修理，交叉網紋研磨方式具有效率高、研磨后密封效果好的優點。同時，采用該研磨方式需對工作條件作嚴格限制，避免因人為或其他外在因素混入雜質、異物等造成研磨過程中產生密封面的劃傷、劃痕。

［1］ 千千巖健兒（日）. 機械制造概論［M］. 重慶：重慶大學出版社，1992.（千千巖健兒（Japanese）. Outline of Machine Building［M］. Chongqing： Chongqing University Press， 1992.）

［2］ 高梅. 超精平面研磨加工壓力對精度的影響［J］. 機床與液壓，2008，36（3）：18-20.（GAO Mei. The Impact of Super Fine Plane Grinding Pressure on Precision［J］. Machine and Hydraulic Pressure，2008， 36（3）：18-20.）

The Study of Cross-textured Grinding on Pressure Vessel Sealing Surface

LIU Zhao-dong，DAI Xu-dong，ZHENG Xiao，LI Hong-wei，ZHANG Xian-jun
（National Key Laboratory for Reactor System Design Techniques，Nuclear Power Institute of China，Chengdu of Sichuan Prov. 610041，China）

Combined with the double "O"-ring seal characteristics of the reactor pressure vessel， various affecting factors on the grinding are analyzed from the grinding mechanism， and the cross-textured grinding method of sealing surface is proposed， then the advantages of cross-textured grinding are discussed from the grinding efficiency and textured sealing features. The plan of the grinding apparatus for pressure vessel sealing surface is proposed and grinding tests are carriedout that to verify the cross-textured ground can be implemented. Practice has proved that the use of the cross-textured grinding technology can be promoted the use in pressure vessel sealing surface grinding repairs of nuclear power plants， research reactors and other devices reactor.

reactor；pressure vessel；sealing surface；cross-textured grinding

TL35Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）02-0110-04

TL35

A

1674-1617（2015）02-0110-04

2015-04-18

劉兆東（1982—），男，工程師，碩士，從事反應堆及一回路系統總體設計工作。