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(wèi)，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(yīng)堆壓力容器頂蓋上引出來的水位測量管接到反應(yīng)堆壓力容器水位測量系統(tǒng)，在每次大修期間均需進行拆裝作業(yè)，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(guān)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(guān)安裝尺寸，符合技術(shù)規(guī)范要求，后續(xù)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(fā)現(xiàn)泄漏。

11 月30 日，工作人員發(fā)現(xiàn)水位測量管壓力容器側(cè)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(fù)測安裝尺寸，測量結(jié)果滿足技術(shù)規(guī)范要求。檢查水位測量管法蘭密封面，發(fā)現(xiàn)密封面光滑完好，未發(fā)現(xiàn)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(xù)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(fā)現(xiàn)泄漏。

2 泄漏原因分析

2.1 金屬石墨墊片特性

2.1.1 結(jié)構(gòu)介紹

水位測量管所用墊片為金屬石墨墊片，其結(jié)構(gòu)密度可依據(jù)不同的鎖緊力要求來制作，并利用內(nèi)外鋼環(huán)來控制其最大壓緊度，特別適用于負(fù)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。

圖1 拆卸下的金屬石墨墊片

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(huán)最先接觸法蘭密封面，然后石墨墊片密封環(huán)繼續(xù)被壓縮，外環(huán)與法蘭密封面間開始形成金屬與金屬接觸狀態(tài)（Metal to Metal Contact Type，MMC）。達到MMC 狀態(tài)后，螺栓預(yù)緊力進一步增大時，由于墊片外環(huán)的限制，墊片密封環(huán)的壓縮量幾乎維護不變，繼續(xù)增大的預(yù)緊力主要由墊片的金屬外環(huán)承擔(dān)。在后續(xù)工況中由于現(xiàn)場工況原因產(chǎn)生的螺栓載荷波動僅引起MMC 承擔(dān)的那部分載荷變化，從而保證石墨密封環(huán)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(yīng)力與墊片壓縮形變量之間的關(guān)系，當(dāng)金屬石墨墊片被法蘭持續(xù)壓縮時，開始階段內(nèi)的壓縮曲線斜率較為平緩，后續(xù)墊片壓縮量逐漸減小，斜率逐漸增大，而當(dāng)法蘭與墊片外金屬外環(huán)發(fā)生接觸后，墊片壓縮曲線的斜率出現(xiàn)“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(huán)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(nèi)部壓力、外部載荷等引起的墊片密封載荷的減小，實現(xiàn)法蘭接頭的可靠密封。

2.2 墊片泄漏分析

根據(jù)金屬石墨墊片結(jié)構(gòu)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(dān)的那部分載荷的變化，從而可以保證墊片密封環(huán)承擔(dān)的載荷或墊片壓緊應(yīng)力保持為一個相對恒定的值。

根據(jù)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(yīng)力載荷+管道內(nèi)部壓力。

在不考慮螺栓力矩?fù)p失、法蘭偏角、溫度為常溫情況、現(xiàn)場無振動等理想狀態(tài)情況下，法蘭密封面剛接觸墊片外環(huán)，計算密封墊片所需的最小力。

設(shè)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(huán)密封至MMC 點的最小力，可以得出F總=F1+F2，F(xiàn)1=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(huán)內(nèi)徑，數(shù)值為23 mm。F1數(shù)值由試驗數(shù)據(jù)獲得。選取7 片同一批次墊片進行壓縮回彈試驗，試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 墊片壓縮回彈數(shù)據(jù)

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(jù)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(shù)，取0.2，n 為螺栓數(shù)量，n=4。計算可得T=30.5 N·m。計算7 個墊片緊固力矩，結(jié)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(nèi)外載荷或現(xiàn)場振動影響而產(chǎn)生的螺栓載荷波動。

（1）高溫對墊片的影響。根據(jù)MMC 密封結(jié)構(gòu)的介紹，在MMC 建立以后，密封墊片外環(huán)與法蘭密封面接觸，在升溫過程中，密封墊片外環(huán)受熱膨脹，撐開兩側(cè)的法蘭密封面，進而對密封環(huán)起到卸載作用。據(jù)研究表明“在法蘭偏轉(zhuǎn)角基本不變且MMC 存在的情況下，墊片外金屬環(huán)的軸向熱膨脹作為主要因素導(dǎo)致了墊片應(yīng)力一定幅度的減小，即導(dǎo)致墊片產(chǎn)生了一定的軸向回彈量。當(dāng)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(huán)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(fā)現(xiàn)，0.08 mm 的卸載量引起的墊片應(yīng)力損失約10 MPa”。

（2）高溫對螺栓的影響。根據(jù)研究表明不同介質(zhì)溫度情況下螺栓緊固力在墊片密封環(huán)及外金屬環(huán)上的分配情況。隨著介質(zhì)溫度的升高，墊片外金屬環(huán)上的作用力僅略有減??；而相對于墊片外金屬環(huán)的作用反力，螺栓預(yù)緊力和墊片密封環(huán)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(huán)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(huán)及外金屬環(huán)上的分配情況。由于法蘭安裝現(xiàn)場工況復(fù)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(jù)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(jīng)超出原規(guī)程技術(shù)要求限制。

3 優(yōu)化改進措施

3.1 現(xiàn)階段采取的措施

（1）優(yōu)化維修規(guī)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(shè)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(xù)可考慮的措施

（1）優(yōu)化法蘭結(jié)構(gòu)，由平面法蘭改為凹凸法蘭。

（2）優(yōu)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(jié)論

金屬石墨墊片密封的關(guān)鍵在于MMC 狀態(tài)建立后，增大力矩保證墊片密封環(huán)承擔(dān)的載荷。而密封泄漏的發(fā)生主要由于墊片壓縮應(yīng)力波動過大、墊片內(nèi)外環(huán)厚度偏差，此外，密封面清潔、螺栓力矩、法蘭結(jié)構(gòu)等因素也會影響密封效果。通過現(xiàn)階段的各項措施的落實，基本可以避免泄漏再次發(fā)生，同時，可以通過優(yōu)化法蘭結(jié)構(gòu)、材料等方式進一步鞏固實施效果。