核電廠壓力容器熱電偶機(jī)械密封裝置密封結(jié)構(gòu)分

摘要:介紹了壓力容器堆芯熱電偶機(jī)械密封裝置的密封結(jié)構(gòu)和工作原理,針對(duì)其中碗形金屬密封圈的結(jié)構(gòu)特征，模擬其受壓后發(fā)生形變，并進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用。
0引言
　　國(guó)內(nèi)CNP300、M310堆型熱電偶機(jī)械密封裝置主要依賴(lài)國(guó)外進(jìn)口(法國(guó))，且每臺(tái)機(jī)組換料大修時(shí)這些密封件都將重新更換，密封件更換數(shù)量較大.每年更換備件的成本高。隨著中美貿(mào)易戰(zhàn)及其美國(guó)同盟國(guó)關(guān)系,其備件的進(jìn)口采購(gòu)都將產(chǎn)生不確定的因素，采購(gòu)過(guò)程中存在國(guó)外技術(shù)封鎖而斷供的風(fēng)險(xiǎn)。直接或間接影響著國(guó)內(nèi)壓水堆核電機(jī)組安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，同時(shí)對(duì)國(guó)家能源戰(zhàn)略安全產(chǎn)生著重大的影響。因此，對(duì)熱電偶機(jī)械式密封裝置國(guó)產(chǎn)化研制及應(yīng)用迫在眉睫,其國(guó)產(chǎn)化的成功研制及應(yīng)用將有助于國(guó)內(nèi)核電的安全、經(jīng)濟(jì)及健康地發(fā)展。
　　通過(guò)開(kāi)展熱電偶機(jī)械式密封裝置國(guó)產(chǎn)化研究，研制出具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核電廠一回路壓力邊界關(guān)鍵密封件及配套工藝,自主掌握關(guān)鍵核心技術(shù),打破國(guó)外企業(yè)對(duì)我國(guó)的技術(shù)封鎖或壟斷，增強(qiáng)我國(guó)壓水堆核電機(jī)組一回路壓力邊界關(guān)鍵密封件的自主供給保障能力.進(jìn)一步提升核電廠反應(yīng)堆的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
　　現(xiàn)針對(duì)國(guó)產(chǎn)化碗型金屬密封圈，模擬分析其在熱電偶機(jī)械密封裝置中的密封性能研究。
1工作原理
　　以M310堆型熱電偶機(jī)械密封裝置試驗(yàn)工裝為例，該試驗(yàn)工裝完全模擬碗型金屬密封圈與雙錐金屬密封圈在電廠運(yùn)行期間的工作狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
 
　　該試驗(yàn)工裝由M10頂緊螺栓，分離半環(huán),頂緊螺栓板，墊環(huán)，碗型金屬密封圈，陽(yáng)法蘭，半卡箍，雙錐金屬密封圈,陰法蘭，堵頭,3/4英寸螺母鎖緊板，314英寸螺母,3/4英寸卡箍螺栓和314帶孔螺母組成。
其中碗型金屬密封圈在M10頂緊螺栓的均勻作用下受到堵頭與陽(yáng)法蘭之間的擠壓，壓縮前試驗(yàn)工裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
　　為研究碗型金屬密封圈在受壓后的密封性能，進(jìn)步提高熱電偶機(jī)械密封裝置的可靠性，保障其在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中不會(huì)發(fā)生泄漏，因此展開(kāi)碗型金屬密封圈的模型建立以及計(jì)算仿真分析。
 
2模型簡(jiǎn)化
　　為密封法蘭受壓后壓縮碗型金屬密封圈，使碗型金屬密封圈發(fā)生形變的計(jì)算仿真，圖3所示為碗型金屬密封圈結(jié)構(gòu)圖,考慮密封結(jié)構(gòu)的軸對(duì)稱(chēng)特征，建立如圖4所示的二維軸對(duì)稱(chēng)模型，圖5為碗型金屬密封圈壓縮前的初始狀態(tài)模型，圖6為受壓后的狀態(tài)模型。
 
3材料物性及邊界條件
3.1材料屬性
　　采用ANSYS有限元仿真軟件進(jìn)行計(jì)算分析,其中密封法蘭和墊片物性參數(shù)如表1所示，為彈塑性非線性材料。
 
3.2接觸設(shè)置
　　安裝狀態(tài)下,密封墊片.上下面均與法蘭接觸，分析時(shí)需考慮三者之間的接觸關(guān)系，設(shè)置2個(gè)接觸對(duì)，接觸類(lèi)型設(shè)置為Frictional(有摩擦接觸)，兩者之間的摩擦系數(shù)0.l,Frictional的特點(diǎn)是在發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)前，兩接觸面可以通過(guò)接觸區(qū)域傳遞一定的剪應(yīng)力,法向可分離,切向摩擦滑動(dòng);另外應(yīng)設(shè)置剛度小的部件為接觸面，剛度大的部件為目標(biāo)面,將碗型金屬密封圈設(shè)置為接觸面,密封法蘭設(shè)置為目標(biāo)面。
 
 
　　接觸行為采用非對(duì)稱(chēng)(Asymmetric)，接觸算法采用法向拉格朗日(NormalLagrange)。非對(duì)稱(chēng)行為的特點(diǎn)是能增強(qiáng)收斂,但計(jì)算速度慢,限制接觸面不能穿透目標(biāo)面;法向拉格朗日算法的特點(diǎn)是滲透接近零,支持任意類(lèi)型的接觸，僅支持非對(duì)稱(chēng)接觸。
3.3網(wǎng)格劃分
　　網(wǎng)格劃分采用QuadrilateralDominant(四邊形單元)，設(shè)置碗型金屬密封圈網(wǎng)格大小為0.1mm,設(shè)置密封法蘭網(wǎng)格大小為0.4mm,網(wǎng)格數(shù)量共1523,其中墊片數(shù)量為536。
 
　　經(jīng)分析簡(jiǎn)化,由于法蘭在y方向上是固定的，故對(duì)法蘭施加Displacement(強(qiáng)制位移),僅約束y方向上的位移;對(duì)密封導(dǎo)管亦施加Displacement,x方向位移為0,y方向正向位移2.5mm,模擬其受壓產(chǎn)生向上的位移。
特別地,由于考慮密封墊片的彈塑性變形，為非線性計(jì)算,因此需打開(kāi)LargeDeflection(大變形)。
 
4.結(jié)果分析
　　經(jīng)求解運(yùn)算，得到以下結(jié)果,圖13所示為墊片系統(tǒng)采用非線性材料時(shí)的等效Mises應(yīng)力分布結(jié)果，圖14所示為密封墊片等效Mises應(yīng)力分布。由圖可見(jiàn)，在安裝狀態(tài)下，密封墊片收到法蘭的上下擠壓，在密封墊片.上表面外徑側(cè)和下表面內(nèi)徑側(cè)的Mises應(yīng)力最大,應(yīng)力最大值為594.26MPa。
 
　　圖15所示為密封墊片的位移分布。由圖可見(jiàn)，由于受到密封法蘭的上下擠壓，密封墊片內(nèi)徑側(cè)向上發(fā)生位移。
 
　　圖16所示為密封墊片的初始接觸壓力分布,由圖可見(jiàn)，密封墊片在上表面內(nèi)徑處靠近法蘭倒角處存在最大接觸壓力，下表面靠近內(nèi)徑側(cè)的接觸壓力也較大，可滿(mǎn)足初始密封要求
 
5試驗(yàn)應(yīng)用
　　在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，為模擬熱電偶機(jī)械密封裝置在反應(yīng)堆壓力容器上的實(shí)際安裝工況，對(duì)熱電偶柱施加100kg下壓力(模擬熱電偶柱組件重量及下端熱電偶導(dǎo)管的拖拽力),后通過(guò)負(fù)壓抽真空氣密性能試驗(yàn)以及水壓試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證碗型金屬密封圈的密封性能可靠性。
　　在碗型金屬密封圈的氣密性能試驗(yàn)中，試驗(yàn)工裝連接氦質(zhì)譜檢漏儀，啟動(dòng)氦質(zhì)譜檢漏儀將試驗(yàn)工裝內(nèi)部抽至真空,并等待氦質(zhì)譜檢漏儀讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)，在試驗(yàn)工裝頂部的塑料薄膜內(nèi)充入氦氣,充氦后實(shí)時(shí)觀測(cè)氦質(zhì)譜檢漏儀的讀數(shù),記錄檢漏儀泄漏的最大值,通過(guò)多次的氣密性能試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，碗型金屬密封圈的氦氣泄漏率均可達(dá)到1x10^-10Pa·m³/s及以?xún)?nèi)。在碗型金屬密封圈的水壓試驗(yàn)中，M310堆型熱電偶水壓試驗(yàn)壓力按照2.5MPa、7.0MPa、15.5MPa、20.6MPa、22.8MPa、25.8MPa步驟進(jìn)行升壓，壓力升至最高時(shí)保壓10min,在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中,均無(wú)可見(jiàn)泄漏發(fā)生,堵頭在受壓后可以起到自密封效果,隨著壓力的上升，密封性能更佳。
結(jié)論
　　基于ANSYS有限單元仿真軟件開(kāi)展了密封墊片的有限元仿真計(jì)算，獲得了密封墊片的Mises應(yīng)力分布和墊片上下表面的接觸壓力，結(jié)果表明，密封墊片發(fā)生了塑性變形，在安裝狀態(tài)下,墊片上下表面存在較大的接觸壓力，并在實(shí)際試驗(yàn)的佐證下，可滿(mǎn)足密封的要求。