反應堆壓力容器密封蓋設計

甕松峰， 張弦， 熊思勇， 殷琪， 湛卉

（中國核動力研究設計院 核反應堆系統設計技術重點實驗室，成都610213）

0 引 言

反應堆壓力容器密封蓋是核電廠建造期間一種重要專用工具。在換料水池盛水試驗時，壓力容器密封蓋安裝在反應堆壓力容器筒體上面，依靠自重密封，隔斷換料水池和反應堆及一回路系統，防止換料水池試驗用水進入到反應堆一回路系統，保證一回路系統清潔同時不影響密封邊界兩側工作的并行開展。

反應堆壓力容器密封蓋直徑近4 m，其依靠自重密封，密封邊界長，結構剛度差，使用過程中密封內外壓差和密封蓋承受正向壓力均處于動態變化狀態，壓力容器密封蓋設計需要兼顧密封性能、結構強度和結構經濟性。本文介紹了海南昌江核電項目反應堆壓力容器密封蓋設計方案，從微觀角度進行泄漏分析，并完成了強度分析。

1 結構設計

1.1 設計輸入

設計壓力為0.15 MPa，工作溫度為10～50 ℃，工作介質為水。

1.2 結構設計

反應堆壓力容器密封蓋主要由法蘭環、球形封頭、導向塊、吊耳和O形密封環組成，圖1為海南昌江核電工程壓力容器密封蓋結構示意圖。

圖1 壓力容器密封面半剖圖

法蘭環部件上安裝有內外雙層密封圈，密封圈直接作用在反應堆壓力容器密封面上；兩側導向塊對稱焊接在法蘭環上，導向塊與反應堆壓力容器導向柱配合使用，可以使密封蓋準確就位在壓力容器上。

1.3 主要材料

反應堆壓力容器密封蓋為焊接結構，主要結構材料選用Q345高強度低合金結構鋼，該材料具有良好的綜合力學性能和焊接性能。

密封圈承受正向壓力和水壓帶來的側向壓力，需要軟硬適中，既滿足自重密封要求，又需在承受側向壓力下不松弛。密封圈材料選用邵氏硬度A60～70的丁腈橡膠。

1.4 設計特點

1）自重密封。在反應堆壓力容器密封蓋安裝時，通過自重實現密封圈處于變形貼合狀態，且隨著試驗用水逐漸充入換料水池，壓力容器密封蓋承受正向水壓，即使密封內外壓力差增大，也不會因此而發生泄漏。自重密封便于壓力容器密封蓋安裝，而且在使用過程中不使用反應堆壓力容器的主螺栓孔，防止損傷主螺栓孔；自重密封可以使主螺栓孔通過專用的螺孔塞進行密封，確保試驗用水不進入到主螺栓孔中。

2）雙層密封。反應堆壓力容器密封蓋采用雙層密封結構，內、外密封圈分別作用在反應堆壓力容器檢漏管內側和外側密封面上。雙層密封結構可以提高壓力容器密封蓋的密封性能，同時可以借助反應堆壓力容器檢漏管判別密封是否存在失效情況。

3）安全設計。確保使用過程中不損傷主設備是核電廠專用工具設計的一項重要準則。在壓力容器密封蓋設計中，為確保反應堆壓力容器的安全，采取了以下措施：a.使用過程采用自重密封并通過螺孔塞密封主螺栓孔，避免主螺栓孔受到機械損傷和浸泡銹蝕；b.在結合面粘貼隔離材料，防止壓力容器密封面產生鐵素體污染；c.采用導向安裝，且保證在最大偏差情況下，壓力容器密封蓋不損傷壓力容器法蘭結構。

2 設計驗證

2.1 泄漏分析

壓力容器密封蓋使用的密封圈均為O形密封圈，在封蓋自重下變形，對接觸面產生一個預接觸壓力P0，承受水壓P之后O形密封圈向低壓方向發生位移，接觸面的接觸壓力上升為Pm，理想情況下在密封過程中只需保證Pm>P就能阻止泄漏[1]，密封示意圖如圖2所示。

圖2 O形圈密封示意圖

但在實際密封過程中，密封接觸面之間的粗糙度、平面度、貼合度、安裝誤差、橡膠的彈性和硬度等都會對泄漏量產生影響[2]。為了量化泄漏率，引入了微觀泄漏通道模型的概念[3-5]，本文在梯形泄漏通道微觀模型的基礎上，根據實際工況，提出了一種可用于封蓋密封泄漏量計算的方法[6-9]，并計算出了理論泄漏率，梯形泄漏通道模型如圖3所示。

圖3 微觀梯形通道泄漏示意圖

梯形泄漏通道泄漏率計算公式[10]為：

式中：Q為泄漏率，mm/s；b為泄漏通道寬度，μm；δ為泄漏通道高度，μm；h為平均峰高，μm；θ為平均峰角，(°)；λ為粗糙峰嵌入密封圈深度，μm；r1、r2為密封圈接觸長度內外徑，mm；Δp為壓強差，MPa；μ為流體動力黏度，Pa·s。

梯形泄漏通道的建立采用隨機抽樣的方法對服從正態分布的粗糙表面輪廓曲線幾何形狀進行研究，設定用高斯分布模型模擬接觸表面粗糙度。密封圈輸入參數如表1所示。

表1 密封圈輸入參數

采用MATLAB軟件進行編程計算，計算結果如圖4所示，可以看出泄漏率隨水深的增加近似呈一次函數規律上升。密封蓋第一道密封圈理論泄漏率為1.3937 mm3/s，滿足設計使用要求，同時設計第二道密封圈，作為第一道密封失效之后的備選，保證使用安全。

圖4 泄漏率隨水深變化結果示意圖

2.2 強度校核

2.2.1 密封蓋結構強度校核

反應堆壓力容器密封蓋為外壓球殼，據此進行了強度校核[11]。

計算外壓應變系數A =0.125/(R0/δe)。其中：R0為球形封頭半徑，mm；δe為封頭有效厚度，mm。再據此確定外壓應變系數B，進而計算出許用外壓力[p]=B/(R0/δe)=1.45 MPa，大于最大設計壓力。

2.2.2 密封蓋有限元分析

利用ANSYS 軟件對反應堆壓力容器密封蓋應力和變形情況進行分析（如圖5），分析結果表明結構設計強度和剛度滿足設計要求。

圖5 壓力容器密封面應力變形分析圖

2.2.3 密封圈有限元分析

為分析O形密封圈在使用過程中的應力、變形、接觸狀態及接觸壓力[12]，使用ANSYS軟件建立密封圈有限元模型并進行分析。基于以下幾點假設及條件：1）橡膠材料完全彈性且各向同性；2）忽略橡膠材料的應力松弛和蠕變；3）忽略橡膠材料隨溫度、時間的變化。采用Mooney-Rivlin超彈性單元模型，分析結果如圖6、圖7所示。

圖6 密封圈應力變形分析圖

圖7 密封圈接觸狀態及接觸壓力分析圖

可以看出密封圈的應力及變形狀態正常，接觸壓力最大值為2.58 MPa，遠大于15 m水深設計要求，滿足Pm>P。分析結果表明密封圈滿足設計要求。

3 應用及反饋

3.1 應用

2014年3月，在海南昌江核電項目換料水池盛水試驗中，在換料水池充水過程中出現了漏水情況，經查發現粘接成型的O形密封圈接口處存在斷裂情況。重新粘接處理后在接口處涂密封膠，再次使用仍有少量水泄漏，檢查后發現涂膠層過厚影響密封圈的均勻性，去除過量涂膠層后再次進行盛水試驗，密封蓋滿足使用要求。

3.2 經驗反饋

使用表明，反應堆壓力容器密封蓋結構強度、密封性能滿足使用要求，其使用過程定位準確，沒有對反應堆壓力容器密封面及其止口造成任何損傷，但有以下經驗反饋：1）粘接成型密封圈存在強度低、接口不均勻情況，這是反應堆壓力容器密封蓋密封的薄弱環節，建議密封圈采用熱壓成型等方式，提高接口處連接強度和均勻性。2）反應堆壓力容器密封蓋內、外密封圈直徑分別為3720 mm和3840 mm，采用O形密封圈和矩形密封溝槽的密封形式，存在密封圈固定不便的問題，即便在多個密封面托卡支撐下，密封圈仍有下墜脫出溝槽情況，建議采用燕尾密封溝槽形式，便于密封圈的安裝。3）接觸端面的表面狀態對泄漏影響較大，平面度會影響密封圈的貼合狀態；粗糙度過大會導致梯形泄漏通道的平均峰高及泄漏高度增加，最終導致泄漏的增加。由于密封蓋結構尺寸較大，加工精度不易保證，建議增加一道密封，分別作為一次密封、二次密封和安全密封。4）為保護壓力容器端面不與封蓋直接接觸，導致表面狀態可能的損傷，在封蓋與壓力容器端面增加了一層橡膠墊。橡膠墊的使用會降低O形圈的壓縮率，且使接觸表面狀態粗糙度增加，會增大泄漏量。建議降低橡膠墊的厚度或優化密封槽-密封圈結構保證O形圈的合理壓縮。5）盡管密封面結構強度余量較大，但從自緊密封角度考慮，不建議減薄結構尺寸，保持自重。滿足初始階段自重密封使用要求。

4 結 論

反應堆壓力容器密封蓋結構尺寸大，試驗難度較大，故采用分析法驗證設計合理性。本文對海南昌江核電項目反應堆壓力容器密封蓋強度、剛度和密封性能進行了系統分析，證明壓力容器密封蓋設計滿足使用要求；并結合該工具在工程中的實際應用情況，提出了改進方向和方案，為后續工程項目設計提供參考。