壓水堆壓力容器水位測量管泄漏原因分析

杜 凱，李 熠，陳紅衛，鄧艷超，郭 亮

（中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

反應堆壓力容器頂蓋上引出來的水位測量管接到反應堆壓力容器水位測量系統，在每次大修期間均需進行拆裝作業，水位測量管連接處密封為一回路壓力邊界密封。

1 水位測量管密封泄漏事故

2016年11月24日，某電廠大修壓力容器關蓋期間，工作人員實施安裝水位測量管工作，最終安裝力矩60 N·m，測量相關安裝尺寸，符合技術規范要求，后續分別在一回路壓力為2.5 MPa及7 MPa時進行了查漏檢查，未發現泄漏。

11月30日，工作人員發現水位測量管壓力容器側法蘭泄漏，此時一回路壓力15.5 MPa。校驗泄漏位置的法蘭螺栓力矩為60 N·m，復測安裝尺寸，測量結果滿足技術規范要求。檢查水位測量管法蘭密封面，發現密封面光滑完好，未發現異常缺陷。檢查拆卸下的金屬石墨墊片有貫穿性傷痕，如圖1所示。

后續工作人員更換新的金屬石墨墊片，將螺栓緊固力矩由60 N·m加大到75 N·m，并更換新的法蘭連接螺栓，一回路壓力升至15.5 MPa，未發現泄漏。

圖1 拆卸下的金屬石墨墊片

2 泄漏原因分析

2.1 金屬石墨墊片特性

2.1.1 結構介紹

水位測量管所用墊片為金屬石墨墊片，其結構密度可依據不同的鎖緊力要求來制作，并利用內外鋼環來控制其最大壓緊度，特別適用于負荷不均勻、接合力易松弛，溫度與壓力周期性變化、有沖擊或振動場合。

2.1.2 金屬石墨墊片安裝要求及密封原理

金屬石墨墊片在安裝時，隨著連接螺栓逐漸旋緊，壓縮墊片密封環最先接觸法蘭密封面，然后石墨墊片密封環繼續被壓縮，外環與法蘭密封面間開始形成金屬與金屬接觸狀態（Metal to Metal Contact Type，MMC）。達到MMC狀態后，螺栓預緊力進一步增大時，由于墊片外環的限制，墊片密封環的壓縮量幾乎維護不變，繼續增大的預緊力主要由墊片的金屬外環承擔。在后續工況中由于現場工況原因產生的螺栓載荷波動僅引起MMC承擔的那部分載荷變化，從而保證石墨密封環壓力保持為恒定。

2.1.3 金屬石墨墊片壓縮回彈試驗

金屬石墨墊片出廠需進行壓縮回彈試驗，壓縮回彈試驗是指墊片壓縮應力與墊片壓縮形變量之間的關系，當金屬石墨墊片被法蘭持續壓縮時，開始階段內的壓縮曲線斜率較為平緩，后續墊片壓縮量逐漸減小，斜率逐漸增大，而當法蘭與墊片外金屬外環發生接觸后，墊片壓縮曲線的斜率出現“拐點”，斜率迅速增大，這個點叫做墊片的MMC點，MMC點以下部分的曲線才真實反映墊片密封環的壓縮回彈性能。MMC點以上部分，此時金屬與金屬接觸，再增加載荷用以補償由內部壓力、外部載荷等引起的墊片密封載荷的減小，實現法蘭接頭的可靠密封。

2.2 墊片泄漏分析

根據金屬石墨墊片結構及安裝特性分析，可以得出，若保證金屬石墨墊片密封，必要保證在任何工況下，螺栓載荷波動僅主要引起MMC承擔的那部分載荷的變化，從而可以保證墊片密封環承擔的載荷或墊片壓緊應力保持為一個相對恒定的值。

根據上述描述，金屬石墨墊片欲保證密封，墊片所受載荷保持為一個相對恒定的值，而此值必須大于壓縮回彈曲線的MMC點的墊片壓縮應力載荷+管道內部壓力。

在不考慮螺栓力矩損失、法蘭偏角、溫度為常溫情況、現場無振動等理想狀態情況下，法蘭密封面剛接觸墊片外環，計算密封墊片所需的最小力。

設F總為墊片所受載荷、F1為墊片密封管道壓力、F2為壓縮墊片石墨環密封至MMC點的最小力，可以得出F總=F1+F2，F1=P壓強S=15.5π（d2/2）2，其中，P 壓強為管道壓力，正常運行期間取 15.5 MPa，S 為密封面積，S=π（d2/2）2，d2為密封墊片的密封環內徑，數值為23 mm。F1數值由試驗數據獲得。選取7片同一批次墊片進行壓縮回彈試驗，試驗數據見表1。

表1 墊片壓縮回彈數據

以D5號墊片為例，計算F總=F1+F2=6436.6075+24 030=30 466.6075 N，在不考慮螺栓墊片及溫度影響下，根據理論計算螺栓緊固力矩T=（F總dK）/（n1000），其中，d為緊固螺栓直徑，水位測量管螺栓為M20，d=20 mm，K為扭矩系數，取0.2，n為螺栓數量，n=4。計算可得T=30.5 N·m。計算7個墊片緊固力矩，結果見表2。

表2 墊片理論計算力矩

上述計算未考慮高溫對墊片、螺栓等因素、螺栓對緊固力矩的影響，且MMC取值按照理論取得最小值，未考慮因受到法蘭接頭內外載荷或現場振動影響而產生的螺栓載荷波動。

（1）高溫對墊片的影響。根據MMC密封結構的介紹，在MMC建立以后，密封墊片外環與法蘭密封面接觸，在升溫過程中，密封墊片外環受熱膨脹，撐開兩側的法蘭密封面，進而對密封環起到卸載作用。據研究表明“在法蘭偏轉角基本不變且MMC存在的情況下，墊片外金屬環的軸向熱膨脹作為主要因素導致了墊片應力一定幅度的減小，即導致墊片產生了一定的軸向回彈量。當溫度從20℃常溫升高到500℃時，厚度為8 mm的墊片不銹鋼外金屬環因熱膨脹厚度增加了約0.08 mm。對照墊片壓縮回彈曲線可以發現，0.08 mm的卸載量引起的墊片應力損失約10 MPa”。

（2）高溫對螺栓的影響。根據研究表明不同介質溫度情況下螺栓緊固力在墊片密封環及外金屬環上的分配情況。隨著介質溫度的升高，墊片外金屬環上的作用力僅略有減小；而相對于墊片外金屬環的作用反力，螺栓預緊力和墊片密封環的作用反力均有一定幅度的載荷損失，但總體而言這一幅度的載荷損失并不算大。墊片載荷損失如上文分析由墊片外環的軸向熱膨脹引起，螺栓載荷的損失則由墊片載荷的損失引起。

（3）在墊片密封環及外金屬環上的分配情況。由于法蘭安裝現場工況復雜，很多條件難以通過計算得出，廠家按照理論計算力矩的2倍作為安裝力矩，根據上述計算可以得出推薦安裝力矩，見表3。

表3 墊片推薦安裝力矩

墊片的推薦安裝力矩波動范圍（36～61）N·m，部分墊片安裝力矩波動上限的61 N·m已經超出原規程技術要求限制。

3 優化改進措施

3.1 現階段采取的措施

（1）優化維修規程中法蘭螺栓緊固力矩值，由60 N·m修改為 75 N·m。

（2）安裝前，采用清洗劑清理檢查法蘭密封面，確保法蘭密封面無貫穿性劃痕、腐蝕、凹坑等缺陷，且密封面無異物。

（3）安裝前，核對備件墊片尺寸。

（4）安裝時，對螺栓螺紋部分均勻涂抹防咬劑。

（5）設計制作墊片安裝輔助專用工具，確保墊片安裝到位。

3.2 后續可考慮的措施

（1）優化法蘭結構，由平面法蘭改為凹凸法蘭。

（2）優化水位測量管材料，將其改為金屬波紋管。

（3）增加固定支架。

4 結論

金屬石墨墊片密封的關鍵在于MMC狀態建立后，增大力矩保證墊片密封環承擔的載荷。而密封泄漏的發生主要由于墊片壓縮應力波動過大、墊片內外環厚度偏差，此外，密封面清潔、螺栓力矩、法蘭結構等因素也會影響密封效果。通過現階段的各項措施的落實，基本可以避免泄漏再次發生，同時，可以通過優化法蘭結構、材料等方式進一步鞏固實施效果。