反應堆一回路法蘭密封失效原因分析及改進

黃秀寬，楊 彤，寧 波

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

0 引言

在某反應堆調試階段，對堆本體檢修中發現有橡膠殘片，判斷為一回路法蘭丁腈橡膠密封墊部分脫落，可能會造成燃料元件表面冷卻劑流道阻塞，威脅反應堆安全。2014年12月至2015年1月，在反應堆停堆工況下檢查發現一回路主換熱器A出口止回閥V02A入口側法蘭（榫槽型）密封滲漏，主換熱器B出口止回閥V02B入口側法蘭（榫槽型）密封墊邊緣部分外露，更換新密封墊后無法消除密封墊邊緣外露現象。經原因分析，主要是管道安裝存在缺陷，配對法蘭密封面不平行和不同心，導致丁腈橡膠密封墊受力不均，過度壓縮部位被擠出，極易造成介質泄漏。為解決該問題，經調研和專家審定，對密封墊材料進行了變更，用柔性石墨金屬波齒復合墊替代原丁腈橡膠密封墊。2015年3月共更換4個止回閥（V02A，V02B，V02C和V02D）的進出口8對榫槽型法蘭密封墊，經1年多的運行未發生泄漏和邊緣擠出現象。

2016年1月，在反應堆功率下降至10 MW并準備停堆過程中，發生了一回路1臺電動閥入口法蘭丁腈橡膠密封墊破損導致主冷卻劑泄漏事件。為此，決定對反應堆一回路所有法蘭密封進行拆卸檢查，并提出全面解決方案。

1 法蘭密封墊拆卸檢查及分析

1.1 法蘭及密封墊類型

反應堆一回路管道與設備連接法蘭有榫槽型和平面型2種型式，按原設計均采用丁腈橡膠墊密封（2015年3月已將其中8個榫槽型法蘭的丁腈橡膠密封墊，更換成柔性石墨金屬波齒復合墊）。

1.2 管道及法蘭安裝缺陷

拆卸法蘭密封墊后發現，配對法蘭普遍存在不同程度的密封面不平行、不同心（徑向偏差）及開口間隙過大現象。部分法蘭徑向偏差和開口間隙實測數據如表1。

平行度方面，核二級管道安裝技術條件規定：“法蘭連接時應保持平行，偏差小于法蘭外徑的1.5‰，不得用強緊螺栓的方法消除歪斜。”依此規定，該反應堆一回路法蘭安裝平行度偏差應＜0.6 mm，而實際測量值大部分超過此標準。

上述缺陷與管道安裝焊接質量有關，鑒于工藝及空間等實際因素限制不便進行修正，故需從密封墊改進方面尋求解決辦法。

表1 一回路法蘭安裝偏差測量記錄（部分） mm

1.3 密封墊破損及原因分析

1.3.1 榫槽型法蘭密封墊破損情況及原因分析

一些密封墊局部周向撕裂，完整性遭到破壞（圖1），此情況發生在榫槽型密封墊上。這類密封墊具有內徑大、寬度窄、厚度薄的特點，經分析造成密封墊撕裂有3個原因。

（1）由于配對法蘭不平行、不同心的影響，榫面對密封墊產生不均勻的擠壓甚至扭曲。

（2）一回路溫度變化導致管道頻繁伸縮，對密封墊反復動態擠壓，造成丁腈橡膠材料疲勞損傷。

（3）密封墊內圈受擠壓變形，內徑縮小，邊緣進入管道，高速流動的冷卻劑沖擊導致密封墊破損。

圖1 榫槽型法蘭密封墊撕裂部分

1.3.2 平面型法蘭密封墊破損情況及原因分析

平面型法蘭密封墊寬度 60～80 mm，厚度 3.2 mm，相對于榫槽型法蘭密封墊而言，由于能承受更大的螺栓預緊力，未發現有周向撕裂現象。但由于平面型法蘭缺乏對密封墊的限位，且需要更大的螺栓預緊力，在管道頻繁伸縮和振動的影響下，其中1臺電動閥入口與管道連接法蘭的密封墊發生位移并滑脫，造成主冷卻劑泄漏事件，該密封墊最終在冷卻劑沖擊下折斷（圖2）。另外，從壓痕觀察密封墊與法蘭密封面存在不同程度的偏心情況（密封墊安裝時定位偏離法蘭密封面中心所致），偏心導致密封墊內圈邊緣部分進入管道，存在長期受冷卻劑沖擊而損傷脫落的可能。

圖2 折斷的平面型法蘭密封墊

2 密封墊改進方案

2.1 墊片性能對密封的影響

適宜的墊片變形和回彈力是形成密封的必要條件。墊片的變形包括彈性變形和塑性變形。而墊片材料是影響墊片性能的主要因素，若材料具有良好的彈性和塑性，就能在靜態和動態下很好地與密封面吻合，保證良好的密封效果。

2.2 采用柔性石墨金屬波齒復合墊

柔性石墨金屬波齒復合墊具有齒形金屬密封和非金屬石墨膨脹密封的雙重作用，不僅具有良好的可塑性和填充性，又具有金屬的強度和波紋板的彈性，密封性能優良。此外，與丁腈橡膠墊片相比，金屬和石墨還具有耐老化的優勢，不會因長期與密封面接觸而發生粘合現象，使用與安裝也更方便。鑒于2015年3月更換的8個柔性石墨金屬波齒復合墊在一回路1年多的成功應用，決定將系統中的榫槽型法蘭密封墊全部換成該型密封墊。為防止密封墊內圈邊緣受管道內冷卻劑沖擊損壞脫落，安裝前對內圈邊緣做倒角處理。

2.3 采用金屬與丁腈橡膠復合密封墊

由于丁腈橡膠具有優良的物理性能，易加工，且有較高的壓縮量和回彈量，同時對密封面粗糙度要求不高，故平面型法蘭采用原設計的丁腈橡膠墊密封是適合的。但鑒于上述密封墊滑脫直至折斷造成的主冷卻劑泄漏事件，決定對密封墊結構加以改進。

金屬與丁腈橡膠復合密封墊外圈為一金屬環（材料為鋁），由于金屬環壓縮量小，通過金屬環厚度定位，可減小橡膠墊圈壓縮的不均勻程度，避免丁腈橡膠密封墊在管道振動下產生位移，在丁腈橡膠密封墊發生破損時，金屬環的支撐作用可以大大減小破口面積，降低介質泄漏速度。

將丁腈橡膠部分改進為漸變厚度的結構，可減小橡膠墊受壓變形的徑向伸張量。同時將密封墊內徑尺寸放大2 mm，可防止丁腈橡膠內圈邊緣被擠入管道，受冷卻劑沖擊損壞脫落而威脅反應堆安全。

3 密封墊安裝

為了便于安裝和降低密封墊安裝質量對法蘭密封效果不利的影響，設計加工了專用工具（圖3），分別用于配對法蘭的間隙擴張和對正調整，盡可能使配對法蘭密封面趨于平行、同心地與密封墊接合。

增加螺栓預緊力可以提高墊片的密封能力，但過大的螺栓預緊力會使墊片失去彈性，甚至把墊片壓壞或擠出，不能保證在工作狀態下有足夠的彈性。在法蘭密封安裝、檢修施工時，“把得勻”比“把得緊”更重要，因為墊片密封面壓應力不均勻會影響法蘭密封效果。另外，由于配對法蘭開口間隙大小不一，螺栓預緊力會不同程度地消耗在拉近法蘭上，實際安裝中難以控制螺栓預緊力，故采用密封墊壓縮率指標。安裝中平衡施加螺栓預緊力，測量配對法蘭端面間隙變化，逐步將密封墊壓縮率控制在合格范圍內（20%～50%）。

圖3 專用工具

4 密封性試驗

密封墊安裝完畢后進行了充水打壓試驗，試驗壓力為工作壓力的1.1倍（1.2 MPa），保壓過程未發生泄漏。停堆工況下反應堆一回路試運轉24 h，法蘭密封墊未發生泄漏。

5 密封泄漏監督措施

由于反應堆運行期間工藝間輻射劑量水平較高，不便工作人員現場巡查，故在一回路配對法蘭下部間隙處設置電阻式滲漏測點，一旦法蘭密封泄漏，反應堆主控室DCS就能給出報警信號。此外還安裝了高清攝像頭工業電視進行監視。上述措施便于反應堆操縱人員及時發現密封破損，確定泄漏部位，依據泄漏情況及時妥當處理。

6 結論與建議

該反應堆一回路法蘭密封改進后，經過長期各種工況交替運行考驗未發生泄漏，密封效果良好。但由于管道初始安裝、焊接過程遺留的法蘭密封面不平行、不同心缺陷依然存在，在同一配對法蘭密封墊徑向不同位置的壓縮率仍存在明顯差異，管道應力尚未消除。另外，對于那些安裝開口間隙過大的法蘭，螺栓預緊力已過多地消耗在拉近法蘭上，長時間有可能造成螺栓變形伸長，導致密封墊壓縮率降低。故對此類法蘭密封需重點監督。

［1］李桂莉，張嘉桐，張健飛.螺栓荷載不均勻對法蘭密封的影響程度［J］.石油化工設備，2013（2）:39-40.

［2］陶寧.法蘭密封及墊片選型［J］.煉油技術與工程，2004（10）:39-41.