柔性石墨金屬纏繞墊片密封泄漏率試驗對比分析

中核核電運行管理有限公司 姜向平 李 云 李建春

中國能源行業標準NB/T20010.15-2010《壓水堆核電廠閥門第15部分：柔性石墨金屬纏繞墊片技術條件》規定，柔性石墨金屬纏繞墊片的密封性能檢測結果的要求為泄漏率≤1.0×10-5cm3/s；美 國ASME B 16.20-2017《Metallic Gaskets for Pipe Flanges 管道法蘭用金屬墊片》規定，不同尺寸、不同壓力等級的柔性石墨金屬纏繞墊片密封性能檢測結果要求為最大允許泄漏率≤0.0137mg/s?m[1-2]。為推進進口柔性石墨金屬纏繞墊片國產化研制，特對比研究國內外柔性石墨纏繞墊片標準中的泄漏率要求，以驗證不同載荷下柔性石墨纏繞墊片的密封性能檢測結果要求的符合性。

1 標準對比

NB/T20010.15《壓水堆核電廠閥門第15部分：柔性石墨金屬纏繞墊片技術條件》對柔性石墨金屬纏繞墊片的泄漏率檢測進行了規定，以標準試件按照標準加載應力對柔性石墨金屬纏繞墊片進行泄漏率檢測，而ASME B16.20《Metallic Gaskets for Pipe Flanges 管道法蘭用金屬墊片》中，SW 章節對柔性石墨金屬纏繞墊片的泄漏率檢測，需要根據墊片的不同磅級加載應力，其允許泄漏率按照墊片的周長計算所得，且檢測介質也有所不同。能源行業標準和ASME 對纏繞墊片的主要不同點體現在對纏繞墊片泄漏率檢測試驗部分，見表1。

表1 纏繞墊片泄漏率試驗對比

2 試驗

2.1 試驗裝置

本次試驗采用管法蘭用墊片密封性能試驗方法GB/T12385-2008中的試驗方法A[3]。試驗裝置（CELCSRT-200-500-50密封件性能檢測系統）由墊片加載系統、介質（氣源）供給系統、檢漏系統、變形測試系統及試驗法蘭等組成，如圖1所示。

圖1 試驗裝置簡圖

2.2 試驗介質

考慮到試驗安全，不采用ASME B16.20中的甲烷作為試驗介質，而選用氮氣和氦氣作為試驗介質。氮氣是能源行業標準要求的試驗介質，滿足一般工業的密封要求，而氦氣用于對密封有較高要求的場合。泄漏率主要通過試驗介質泄漏量來衡量。當試驗介質的摩爾質量越小，在同等試驗條件下通過試驗樣件的泄漏量越多。因此，選用的試驗介質摩爾質量越小，對試驗樣件密封要求更高。甲烷摩爾質量介于氦氣摩爾質量和氮氣摩爾質量之間，所以選用氦氣和氮氣作為試驗介質得出的試驗結果，可覆蓋采用甲烷作為試驗介質得出的試驗結果。

2.3 試驗方案

首先，將試樣分別加載至不同應力值下，保持介質壓力不變（每次保壓時間為10min），檢測其泄漏率。再保持加載應力不變，增加介質壓力，檢測其泄漏率。變更試驗介質，按照相同的方法再次試驗。所有試驗完成后，進行泄漏率比對，分析總結。具體試驗條件見表2。其中，加載應力35MPa、56MPa、70MPa，試驗介質壓力4.0MPa 為ASME B16.20規定要求，介質壓力5.5MPa 為GB/T12385規定最大允許壓力。

表2 試驗條件

試驗樣品應在溫度21～30 ℃、相對濕度（50±6）%的環境下放置至少48h，其尺寸規格為GB/T12385-2008要求的DN80標準樣件。

2.4 試驗步驟

一是用酒精仔細清潔試驗裝置的法蘭密封面，將DN80試樣對中安裝。二是按表2要求對墊片施加加載應力，并保持恒定。三是按表2要求，分別通入試驗介質（氮氣或氦氣），當介質壓力達到規定值后保持10min。四是記錄測漏開始時測漏空腔內的壓力，并開始計時，記錄測量結束時測漏空腔內的壓力。通過測漏腔中壓力變化，計算出泄漏率。測試時間為10min。五是將試驗結果分別記錄于表3和表4中。

表3 試驗數據1（氦氣介質）

表4 試驗數據2（氮氣介質）

3 分析與討論

ASME B 16.20中，柔性石墨金屬纏繞墊片密封泄漏率的要求為≤0.0137mg/s·m，試驗介質為甲烷，采用國標GB/T12385進行試驗的介質為氮氣及氦氣。標準樣件DN80的纏繞墊片直徑d 為120.7mm，則其周長為l=π×d=3.14×0.1207m=0.379m，計算甲烷氣體（每秒）允許泄漏的質量為m=0.0137 mg/s·m×0.379m=5.19×10-3mg。標準狀況下甲烷的密度ρ為0.717g/l，則其體積。

根據理想氣體狀態方程PV=nRT，則n=PV/RT，而n=m/M，所以。

其中：P為壓強；V為體積；T為溫度；n為氣體的物質的量；R為摩爾氣體常數；m為物質的質量；M為物質的摩爾質量。甲烷摩爾質量16g/mol，氮氣摩爾質量28g/mol，氦氣摩爾質量4g/mol。

標準氣體狀態下，氮氣、氦氣的P、R、T與甲烷相同。在泄漏氣體質量相同的情況下，氮氣與氦氣的單位時間泄漏體積計算如下：

則氮氣允許泄漏率為≤4.14×10-3cm3/s，氦氣允許泄漏率為≤28.96×10-3cm3/s。

一是綜合表3和表4的試驗數據可知，在不同壓力等級和載荷應力下，按照國標GB/T12385進行的試驗可以滿足ASME B 16.20中對柔性石墨金屬纏繞墊片的泄漏率要求。

二是由表3和表4中序號1、2、3的試驗數據可以得出，同一規格的試樣，在介質壓力一定的情況下，隨著加載應力的增加，泄漏率具有逐漸降低的趨勢。

三是由表3和表4中序號4、5、6、7的試驗數據可以得出，加載應力一定，介質壓力增大時，泄漏率總體增大，但當公稱壓力≥26MPa 時，泄漏率數值相近，受測量誤差的影響，數據會出現反向略有增大的現象。

四是由表3和表4中序號1試驗數據可以得出，在公稱壓力≤5MPa，介質壓力不變時，氦氣比氮氣更易泄漏。以氦氣為試驗介質時，柔性石墨金屬纏繞墊片的泄漏率會出現不能滿足NB/T20010.15所要求密封泄漏率≤1.0×10-5cm3/s 的情況；當加載應力增大至50MPa 時，以氦氣和氮氣為試驗介質的泄漏率均能滿足能源行業標準的密封要求。所以，要保證低壓狀態下的密封，加載應力應不低于50MPa，為保證中低壓系統或設備的密封等級，PN2.0和PN5.0法蘭密封結構需要分別按照密封預加載應力不低于40MPa 和50MPa 進行設計，計算墊片緊固螺栓力矩時纏繞墊片比壓力取值應不低于40MPa 和50MPa。按照柔性石墨金屬纏繞墊片的壓力等級確定預加載應力更有利于反映實際的密封性能。

五是由表3、表4中序號3的兩組試驗數據可以得出，當加載應力達到60MPa 時，采用氦氣或氮氣測量的泄漏率均出現了數值突變下降。推測在國標GB/T12385試驗方法A 的檢漏方式下，對于公稱壓力和介質壓力達到一定數值后，加載應力60MPa 是泄漏率測量的一個分界點。

六是由表3和表4試驗數據對比可以得出，以加載應力60MPa 為分界點，相同條件下，加載應力＜60MPa，采用氦氣測量的泄漏率數值大于采用氮氣測量的泄漏率數值；加載應力≥60MPa，采用氦氣測量的泄漏率數值小于采用氮氣測量的泄漏率數值。推測采用國標GB/T12385的試驗方法A，在DN80標準樣件加載應力達到規定值70MPa，試驗介質為氮氣，測量結果滿足不同公稱壓力的纏繞墊片泄漏率要求。

七是能源行業標準NB/T20010.15要求試驗介質為氦氣，國家標準GB/T12385要求試驗介質為氮氣。在中低壓工況下（試驗介質＜5MPa），采用氦氣比氮氣有更高的泄漏率，要求更為嚴格。

4 問題

對于中低壓力等級的柔性石墨金屬纏繞墊片密封結構設計，PN2.0墊片的預加載應力不得低于40MPa，PN5.0墊片的預加載應力不得低于50MPa。試驗介質實測壓力與試驗介質目標壓力之間存在偏差，有的差異甚至超過10%，未能保證試驗單一變量控制，會對從泄漏率試驗數據中發現、總結規律造成一定偏差。

5 結語

在不同壓力等級和載荷的情況下，能源行業標準NB/T20010.15可以包絡ASME B 16.20對柔性石墨金屬纏繞墊片的泄漏率要求，但其對柔性石墨金屬纏繞墊片型式檢驗統一采用70MPa 預加載應力的要求，并不能真實反映墊片實際的性能。本次試驗為進口柔性石墨金屬纏繞墊片國產化研制提供了數據支撐，奠定了基礎。