反應(yīng)堆壓力容器用C 形密封環(huán)的選型設(shè)計研究

榮剛，張錐

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

1 前言

核電站的反應(yīng)堆壓力容器是一回路冷卻劑的重要壓力邊界，內(nèi)部冷卻劑為高溫高壓高放射性介質(zhì)，為防止放射性泄漏，其頂蓋法蘭與筒體法蘭的密封設(shè)計一直都是研究者關(guān)注重點。核電站反應(yīng)堆壓力容器大多采用兩道金屬密封環(huán)的雙道密封結(jié)構(gòu)，密封元件分為彈簧賦能型金屬C 形環(huán)和中空開槽型金屬O 形環(huán)兩類。C 形環(huán)的使用性能和可靠性一般高于O 形環(huán)，在國內(nèi)外已得到了廣泛的應(yīng)用。

對于核電廠反應(yīng)堆壓力容器用C 形密封環(huán)的設(shè)計、制造、試驗和數(shù)值模擬分析等方面的內(nèi)容，研究人員已經(jīng)做了許多工作。如勵行根等介紹了自主研發(fā)的C 形密封環(huán)的制造工藝、試驗裝置、室溫性能試驗和冷熱態(tài)交變試驗結(jié)果；李文靜等采用經(jīng)試驗驗證的有限元模型，研究了賦能型金屬C 環(huán)的內(nèi)置彈簧圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如簧圈節(jié)距、簧絲線徑等對密封性能的影響，給出了結(jié)構(gòu)參數(shù)的建議值，并利用比例樣件的氣密封試驗對其密封性能開展了測試；熊光明等對比了實物模型、指環(huán)模型和當(dāng)量圓筒模型的計算結(jié)果，表明基于中徑的當(dāng)量圓筒模型能較好符合實物模型的結(jié)果，可有效降低計算成本，此外，他們還結(jié)合實測試驗結(jié)果，采用彈塑性實物模型研究了C 形環(huán)1:13 縮比模型和原型的密封特性，結(jié)果表明縮比模型與原型的密封特性曲線及各項性能指標(biāo)均非常接近；馬凱等采用半環(huán)實物模型研究了C 形密封環(huán)尺寸參數(shù)如密封層厚度、包覆層厚度、密封環(huán)中徑、彈簧外徑及彈簧絲徑對C 形環(huán)壓縮回彈曲線的影響。

但是，上述研究針對的都是最外層為純銀材料、中間為Inconel 600 合金包覆層、最里層為Inconel X750合金螺旋彈簧的C 形密封環(huán)，甚少有文獻報道涉及過其他材質(zhì)。而對于某第四代反應(yīng)堆，由于傳統(tǒng)C 形環(huán)的外部密封銀層與其一回路冷卻劑的相容性不高，因此無法在該堆型中使用，需要重新設(shè)計采用其他材料作為密封層的C 形環(huán)。

C 形環(huán)整體尺寸一般較大，很難直接通過實驗手段測量其密封特性參數(shù)，工程上一般開展縮比模型實驗。除整體直徑有所區(qū)別外，縮比模型所有其他結(jié)構(gòu)尺寸與實際C 形環(huán)保持一致，研究證明，縮比模型與原型的密封特性差別很小。在進行模型試驗前，提前采用有限元分析的手段開展設(shè)計選型，有利于縮短項目研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

本文中利用綜合考慮了整體曲率、彈簧絲螺旋效應(yīng)、接觸面摩擦效應(yīng)的C 形環(huán)縮比模型的彈塑性有限元模型，針對兩種設(shè)計方案的C 形環(huán)開展了選型分析，給出了設(shè)計線載荷、總回彈量及有效回彈量等關(guān)鍵性能參數(shù)，并與傳統(tǒng)純銀密封層的C 形環(huán)進行了對比，給出了方案及尺寸的選型建議。

2 C 形環(huán)的設(shè)計參數(shù)

為解決某第四代反應(yīng)堆壓力容器用C 形密封環(huán)的密封層與冷卻劑的相容性問題，設(shè)計了兩種采用316L 材料作為密封層的C形環(huán)結(jié)構(gòu)方案，分別如圖1及圖2所示。其中設(shè)計方案1 為三層結(jié)構(gòu)，最里層為Inconel X750絲材繞制的緊密螺旋彈簧，中間層為Inconel 600 合金包覆層，最外層為316L 密封層，設(shè)計方案2 為兩層結(jié)構(gòu)，里層為Inconel X750 絲材繞制的緊密螺旋彈簧，外層為316L 密封層。C 形環(huán)的設(shè)計參數(shù)要求如表1 所示。

表1 C 形環(huán)設(shè)計參數(shù)

圖1 C 形環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案1

圖2 C 形環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案2

3 密封環(huán)數(shù)值分析

3.1 分析模型

考慮到上述兩種設(shè)計方案的C 形密封環(huán)的包覆層和密封層為軸對稱結(jié)構(gòu)，螺旋彈簧為周期性對稱結(jié)構(gòu)，且C 形環(huán)所受載荷為軸對稱載荷，因此選取了C 形環(huán)縮比模型周向的約1/72 部分建立有限元分析模型，對應(yīng)不同彈簧絲徑情況，共有9 ～12 圈螺旋彈簧及相應(yīng)長度的包覆層及密封層。

在C 形環(huán)上下分別建立了剛體壓塊和墊塊，用以施加載荷及邊界條件，以設(shè)計方案1 對應(yīng)的螺旋彈簧絲徑d=1.1mm 為例，共建有12 圈螺旋彈簧，有限元模型及網(wǎng)格如圖3 所示。

圖3 C 形環(huán)有限元模型

作為對比，對傳統(tǒng)純銀密封層C 形環(huán)同樣進行了建模，其結(jié)構(gòu)形式與設(shè)計方案1 相同，用純銀密封層替代方案1 中的316L 密封層。

有限元分析模型中的材料均采用多線性彈塑性模型，涉及的四種材料Inconel X750、Inconel 600、316L和純銀均采用對應(yīng)尺寸試樣在指定溫度下的熱拉伸試驗得到的真應(yīng)力應(yīng)變曲線和彈性模量、屈服強度等參數(shù)。

3.2 分析條件設(shè)置

本文中所有的C 形環(huán)有限元分析模型均采用了相同的邊界及載荷條件：（1）對墊塊底面所有節(jié)點約束所有方向自由度；（2）對壓塊側(cè)面所有節(jié)點約束水平方向自由度；（3）對密封層和包覆層端面施加對稱約束；（4）對螺旋彈簧端面施加對稱約束；（5）在壓塊頂部節(jié)點施加向下的位移，分步加載至最大位移，然后卸載至脫離接觸。

為盡量模擬C 形環(huán)的真實接觸情況，在彈簧絲自身的接觸面、彈簧絲與包覆層（或密封層）的接觸面、包覆層與密封層接觸面、密封層與壓塊和墊塊的接觸面上均采用CONTA+TARGE 單元設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)接觸,允許接觸面間的相對滑移，以考慮接觸摩擦及滑移的影響，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.35。

3.3 計算結(jié)果及對比

按照上述載荷及邊界條件設(shè)置，通過有限元分析，得到了3 種不同C 形環(huán)縮比模型的設(shè)計壓縮量線載荷、總回彈量、有效回彈量如表2 所示，其中設(shè)計方案1 和設(shè)計方案2 計算結(jié)果后的百分?jǐn)?shù)是其相對于純銀密封層C 形環(huán)的變化比例。如表2 所示，設(shè)計方案1 的設(shè)計壓縮量線載荷與純銀密封層C 形環(huán)相當(dāng)，而設(shè)計方案2 的設(shè)計壓縮量線載荷要略大。設(shè)計方案2 相對于設(shè)計方案1 的有效回彈量會有一定降低，但總回彈量會明顯增加。

表2 C 形環(huán)密封特性參數(shù)對比

計算得到的3 種情況下不同彈簧絲直徑的壓縮回彈曲線如圖4 所示，其中粗點線為設(shè)計方案1 的計算結(jié)果，實線為設(shè)計方案2 的計算結(jié)果，細(xì)點線為純銀密封層C形環(huán)的計算結(jié)果。

圖4 C 形環(huán)壓縮回彈密封特性曲線

從圖4 可知，在壓縮量較小時，純銀密封層C 形環(huán)的線載荷要明顯小于316L 密封層，但在達到設(shè)計壓縮量時，純銀密封層C 形環(huán)的線載荷與316L 密封層基本沒有差距。這說明在銀層較薄時，其能在壓縮量較小時產(chǎn)生較大塑性變形，從而導(dǎo)致線載荷的降低，在壓縮量較大時，銀層塑性變形達到一定程度，不再產(chǎn)生明顯影響。在壓縮量較小時，同樣壓縮量下316L 密封層的塑性變形較小，可能對其密封性能造成不利影響。

對于設(shè)計方案1 與設(shè)計方案2 的C 形環(huán)，其在不同螺旋彈簧絲徑的情況下，壓縮至設(shè)計壓縮量1mm 時，螺旋彈簧與其外部包覆層（或密封層）的接觸應(yīng)力云圖，以及密封層與壓塊之間的接觸應(yīng)力云圖如圖5 所示。

圖5 C 形環(huán)的接觸應(yīng)力云圖（MPa）

隨著彈簧絲徑的增加，圖5 中C 形環(huán)的接觸應(yīng)力和接觸面積都逐漸增加，其中密封層與壓塊之間的接觸應(yīng)力增加相對更為明顯。此外，設(shè)計方案2 相對設(shè)計方案1 會明顯增加C 形環(huán)壓縮至設(shè)計壓縮量時的接觸應(yīng)力，尤其是對于密封層與壓塊之間的接觸面而言。由于接觸應(yīng)力更大，設(shè)計方案2 的C 形環(huán)可以得到更大的密封層接觸位置塑性變形，更容易嚙合C 形環(huán)密封層與法蘭密封面之間的微小間隙，從而相對增強C形環(huán)的密封性能。

結(jié)合表2 中的計算結(jié)果和上述分析，為了滿足表1中的C 形環(huán)設(shè)計參數(shù)，本文建議的C 形環(huán)方案為1.3mm絲徑的Inconel X750 螺旋彈簧+單層316L 密封層的設(shè)計方案。此設(shè)計方案對應(yīng)的C 形環(huán)結(jié)構(gòu)在壓縮至設(shè)計壓縮量時的變形及完全卸載的殘余變形如圖6 所示。

圖6 C 形環(huán)變形圖（mm）

4 結(jié)語

建立C 形環(huán)三維多線性彈塑性模型，考慮彈簧絲的螺旋效應(yīng)和接觸面的摩擦影響，對2 種316L 密封層以及一種純銀密封層設(shè)計方案的C 形環(huán)密封特性進行有限元分析，給出了不同彈簧絲徑的設(shè)計壓縮量線載荷、總回彈量和有效回彈量。

采用316L 密封層替換純銀密封層對C 形密封環(huán)的設(shè)計壓縮量線載荷、有效回彈量基本無影響，對總回彈量略有影響，但對壓縮量較小時的線載荷有明顯影響，壓縮量較小時采用316L 密封層的C 形環(huán)線載荷會明顯更大。

采用單層316L 密封層的結(jié)構(gòu)方案相對于316L 密封層+Inconel 600 包覆層的方案，其設(shè)計壓縮量線載荷略有增大，總回彈量增大較為明顯，有效回彈量有一定減小，設(shè)計壓縮量時對應(yīng)的密封層塑性變形更大，有利于增強密封性能。

按照表1 中的設(shè)計參數(shù)要求，給出了C 形環(huán)的設(shè)計方案的選型建議，即彈簧絲徑為1.3mm，密封層為單層316L 材料的方案1 結(jié)構(gòu)設(shè)計。