反應(yīng)堆一回路法蘭密封失效原因分析及改進(jìn)

黃秀寬，楊 彤，寧 波

（中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

0 引言

在某反應(yīng)堆調(diào)試階段，對堆本體檢修中發(fā)現(xiàn)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(yīng)堆安全。2014年12月至2015年1月，在反應(yīng)堆停堆工況下檢查發(fā)現(xiàn)一回路主換熱器A出口止回閥V02A入口側(cè)法蘭（榫槽型）密封滲漏，主換熱器B出口止回閥V02B入口側(cè)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(xiàn)象。經(jīng)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(dǎo)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(zhì)泄漏。為解決該問題，經(jīng)調(diào)研和專家審定，對密封墊材料進(jìn)行了變更，用柔性石墨金屬波齒復(fù)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(jìn)出口8對榫槽型法蘭密封墊，經(jīng)1年多的運(yùn)行未發(fā)生泄漏和邊緣擠出現(xiàn)象。

2016年1月，在反應(yīng)堆功率下降至10 MW并準(zhǔn)備停堆過程中，發(fā)生了一回路1臺電動閥入口法蘭丁腈橡膠密封墊破損導(dǎo)致主冷卻劑泄漏事件。為此，決定對反應(yīng)堆一回路所有法蘭密封進(jìn)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(yīng)堆一回路管道與設(shè)備連接法蘭有榫槽型和平面型2種型式，按原設(shè)計(jì)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(fù)合墊）。

1.2 管道及法蘭安裝缺陷

拆卸法蘭密封墊后發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)象。部分法蘭徑向偏差和開口間隙實(shí)測數(shù)據(jù)如表1。

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

上述缺陷與管道安裝焊接質(zhì)量有關(guān)，鑒于工藝及空間等實(shí)際因素限制不便進(jìn)行修正，故需從密封墊改進(jìn)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(fā)生在榫槽型密封墊上。這類密封墊具有內(nèi)徑大、寬度窄、厚度薄的特點(diǎn)，經(jīng)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(chǎn)生不均勻的擠壓甚至扭曲。

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

（3）密封墊內(nèi)圈受擠壓變形，內(nèi)徑縮小，邊緣進(jìn)入管道，高速流動的冷卻劑沖擊導(dǎo)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(yù)緊力，未發(fā)現(xiàn)有周向撕裂現(xiàn)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(yù)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(fā)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(dǎo)致密封墊內(nèi)圈邊緣部分進(jìn)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(jìn)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(tài)和動態(tài)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(fù)合墊

柔性石墨金屬波齒復(fù)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(qiáng)度和波紋板的彈性，密封性能優(yōu)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(yōu)勢，不會因長期與密封面接觸而發(fā)生粘合現(xiàn)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(fù)合墊在一回路1年多的成功應(yīng)用，決定將系統(tǒng)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(nèi)圈邊緣受管道內(nèi)冷卻劑沖擊損壞脫落，安裝前對內(nèi)圈邊緣做倒角處理。

2.3 采用金屬與丁腈橡膠復(fù)合密封墊

由于丁腈橡膠具有優(yōu)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)加以改進(jìn)。

金屬與丁腈橡膠復(fù)合密封墊外圈為一金屬環(huán)（材料為鋁），由于金屬環(huán)壓縮量小，通過金屬環(huán)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(chǎn)生位移，在丁腈橡膠密封墊發(fā)生破損時，金屬環(huán)的支撐作用可以大大減小破口面積，降低介質(zhì)泄漏速度。

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

3 密封墊安裝

為了便于安裝和降低密封墊安裝質(zhì)量對法蘭密封效果不利的影響，設(shè)計(jì)加工了專用工具（圖3），分別用于配對法蘭的間隙擴(kuò)張和對正調(diào)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(yù)緊力可以提高墊片的密封能力，但過大的螺栓預(yù)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(tài)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?yàn)閴|片密封面壓應(yīng)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(yù)緊力會不同程度地消耗在拉近法蘭上，實(shí)際安裝中難以控制螺栓預(yù)緊力，故采用密封墊壓縮率指標(biāo)。安裝中平衡施加螺栓預(yù)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(nèi)（20%～50%）。

圖3 專用工具

4 密封性試驗(yàn)

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

5 密封泄漏監(jiān)督措施

由于反應(yīng)堆運(yùn)行期間工藝間輻射劑量水平較高，不便工作人員現(xiàn)場巡查，故在一回路配對法蘭下部間隙處設(shè)置電阻式滲漏測點(diǎn)，一旦法蘭密封泄漏，反應(yīng)堆主控室DCS就能給出報(bào)警信號。此外還安裝了高清攝像頭工業(yè)電視進(jìn)行監(jiān)視。上述措施便于反應(yīng)堆操縱人員及時發(fā)現(xiàn)密封破損，確定泄漏部位，依據(jù)泄漏情況及時妥當(dāng)處理。

6 結(jié)論與建議

該反應(yīng)堆一回路法蘭密封改進(jìn)后，經(jīng)過長期各種工況交替運(yùn)行考驗(yàn)未發(fā)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(yīng)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(yù)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(dǎo)致密封墊壓縮率降低。故對此類法蘭密封需重點(diǎn)監(jiān)督。

［1］李桂莉，張嘉桐，張健飛.螺栓荷載不均勻?qū)Ψㄌm密封的影響程度［J］.石油化工設(shè)備，2013（2）:39-40.

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