法蘭連接密封有效性的預測研究

廖 路，毛藝喬，李 敏，于成波，韓 旭，吳書逸，張吉波

（中國核動力研究設計院，四川成都 610213）

0 引言

核反應堆中，由于法蘭連接可靠及便于拆卸等優點[1]，使得法蘭成為連接管道、閥門以及設備最廣泛的方式。核反應堆一回路流動的介質具有放射性，如果發生泄漏則會導致反應堆停堆修理，影響正常的生產工作，嚴重時還有可能引發人員傷害以及環境污染，這就要求保證法蘭連接密封的可靠性。但在法蘭兩次維修間隔期內，法蘭連接密封是否失效或即將失效，在未發生泄漏事件時無法進行確定。因此，通過測量配對法蘭的徑向偏差以及不平行度進行間接預測，對法蘭密封性的管理具有重要意義。

1 密封原理及失效原因分析

1.1 密封原理

法蘭連接密封主要是通過墊片實現的，法蘭連接通過螺栓預緊力的作用，在法蘭密封面和墊片間產生一定的壓力，使得墊片填充滿法蘭面上凹凸不平的微觀間隙，從而達到密封的目的[2-3]。法蘭連接的密封結構如圖1 所示。

圖1 法蘭連接密封結構示意

1.2 失效原因分析

密封失效表現為泄漏，主要有兩種形式：一是界面泄漏，二是滲透泄漏。滲透泄漏是由于墊片存在毛細管或微小縫隙，只能通過改變墊片的材料與結構形式進行避免。由于法蘭與墊片接觸面間尺寸發生變化，使得墊片無法填滿微觀間隙引發的泄漏就是界面泄漏，也是法蘭連接泄漏的主要形式，實際上，保證法蘭連接密封有效，就是要避免界面泄漏。本文是就已安裝法蘭的密封有效性進行預測研究，所以只分析法蘭安裝引發的密封失效的影響因素。

（1）螺栓預緊力太小，介質流過時無法壓緊墊片，使得墊片無法填滿接觸面的微小間隙，從而引發泄漏[4-5]。

（2）預緊時，預緊力大小不一樣。理論上要求法蘭在壓緊時，密封面保證平行，由于預緊力不一致，導致密封面不平行和不同心。圖2 為法蘭密封面出現不平行及不同心是的結構示意圖，其中不平行用不平行度Δ 進行量化，即法蘭面間最大軸向間隙D和最小軸向間隙d 的差值（D-d），而不同心用法蘭外圓的徑向偏差δ 進行量化。

圖2 法蘭安裝偏差結構示意

2 密封有效性預測

2.1 預測依據

在核反應堆的長期運行過程中，由于管道振動引發法蘭面間的相對位置發生變化，造成法蘭面間的徑向偏差和不平行度發生變化。而根據國家標準GB/T 38343—2019《法蘭接頭安裝技術規定》，法蘭安裝后的不平行度Δ≤0.8 mm、徑向偏差δ≤1.5 mm。如果經過測量發現法蘭的不平行度和徑向偏差不滿足國標要求，就認為該法蘭密封存在很大的泄漏風險。

2.2 實例驗證

為了對上述的預測方法進行驗證，選取了中國核動力研究設計院某反應堆一回路管道上的10 個法蘭，測量了這些法蘭的徑向偏差和軸向間隙。圖3 為測量徑向偏差和軸向間隙時的選取測點的分布情況，測量數據見表1 和表2。

圖3 測點分布示意

表1 法蘭徑向偏差測量記錄 mm

表2 法蘭軸向間隙測量記錄 mm

通過對數據進行分析處理，得到了如圖4 和圖5 所示的徑向偏差和不平行度分布圖。

圖4 徑向偏差分布

圖5 不平行度分布

由圖4 和圖5 可知，法蘭位置變化可分為如下4 種情況：①法蘭的徑向偏差和不平行度都滿足國標要求，如2 號、4 號、6號、7 號和8 號法蘭，這種情況占據多數；②法蘭的徑向偏差超出國標限值，不平行度滿足國標要求，如3 號法蘭；③法蘭的徑向偏差滿足國標要求，但不平行度超出國標限值，如1 號和5 號法蘭；④法蘭的徑向偏差和不平行度都超出國標限值，如9 號和10 號法蘭。

通過查閱停堆運行期間檢查記錄表，發現所選取的法蘭中，僅發現9 號法蘭出現少量泄漏情況，但符合泄漏量要求。

3 建議處理措施

為確保法蘭密封的有效性，對于未達到檢修時間，無法停堆修理的法蘭，可以通過測量法蘭的徑向偏差和不平行度來進行檢修前的預處理。為保證法蘭密封不失效，可以采用以下措施進行處理：

（1）利用力矩扳手按照對稱原則對法蘭的連接螺栓進行再次預緊，必要時可用105%的力矩要求值施加力矩。

（2）建立法蘭徑向偏差及不平行度數據庫，尋找出受管道影響較大的法蘭，對該法蘭附近管道進行加固處理，降低振動對法蘭的影響。

4 結束語

反應堆在長期運行過程中，由于管道振動可能使法蘭徑向偏差和不平行度發生增大，從而無法壓緊墊片，使得法蘭密封發生泄漏。為了防止法蘭密封失效引發泄漏，可在反應堆停堆換料期間，定時對法蘭的徑向偏差和不平行度進行測量，并依據測量結果，對法蘭重新施加力矩進行預緊，這樣就能夠有效地預防法蘭密封泄漏。甚至在一個較長時間內，通過分析對法蘭徑向偏差和不平行度數值，可以找出收振動影響較大的法蘭，通過相應的措施盡可能消除振動的影響。