核電廠(chǎng)壓力容器熱電偶機械密封裝置密封結構分

摘要:介紹了壓力容器堆芯熱電偶機械密封裝置的密封結構和工作原理,針對其中碗形金屬密封圈的結構特征，模擬其受壓后發(fā)生形變，并進(jìn)行了試驗應用。
0引言
　　國內CNP300、M310堆型熱電偶機械密封裝置主要依賴(lài)國外進(jìn)口(法國)，且每臺機組換料大修時(shí)這些密封件都將重新更換，密封件更換數量較大.每年更換備件的成本高。隨著(zhù)中美貿易戰及其美國同盟國關(guān)系,其備件的進(jìn)口采購都將產(chǎn)生不確定的因素，采購過(guò)程中存在國外技術(shù)封鎖而斷供的風(fēng)險。直接或間接影響著(zhù)國內壓水堆核電機組安全、穩定、經(jīng)濟運行，同時(shí)對國家能源戰略安全產(chǎn)生著(zhù)重大的影響。因此，對熱電偶機械式密封裝置國產(chǎn)化研制及應用迫在眉睫,其國產(chǎn)化的成功研制及應用將有助于國內核電的安全、經(jīng)濟及健康地發(fā)展。
　　通過(guò)開(kāi)展熱電偶機械式密封裝置國產(chǎn)化研究，研制出具有完全自主知識產(chǎn)權的核電廠(chǎng)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),打破國外企業(yè)對我國的技術(shù)封鎖或壟斷，增強我國壓水堆核電機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(chǎng)反應堆的安全、穩定和經(jīng)濟運行。
　　現針對國產(chǎn)化碗型金屬密封圈，模擬分析其在熱電偶機械密封裝置中的密封性能研究。
1工作原理
　　以M310堆型熱電偶機械密封裝置試驗工裝為例，該試驗工裝完全模擬碗型金屬密封圈與雙錐金屬密封圈在電廠(chǎng)運行期間的工作狀態(tài)，其結構示意圖如圖1所示。
 
　　該試驗工裝由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，壓縮前試驗工裝結構示意圖如圖2所示。
　　為研究碗型金屬密封圈在受壓后的密封性能，進(jìn)步提高熱電偶機械密封裝置的可靠性，保障其在實(shí)際應用過(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)生形變的計算仿真，圖3所示為碗型金屬密封圈結構圖,考慮密封結構的軸對稱(chēng)特征，建立如圖4所示的二維軸對稱(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)行計算分析,其中密封法蘭和墊片物性參數如表1所示，為彈塑性非線(xiàn)性材料。
 
3.2接觸設置
　　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，設置2個(gè)接觸對，接觸類(lèi)型設置為Frictional(有摩擦接觸)，兩者之間的摩擦系數0.l,Frictional的特點(diǎn)是在發(fā)生相對滑動(dòng)前，兩接觸面可以通過(guò)接觸區域傳遞一定的剪應力,法向可分離,切向摩擦滑動(dòng);另外應設置剛度小的部件為接觸面，剛度大的部件為目標面,將碗型金屬密封圈設置為接觸面,密封法蘭設置為目標面。
 
 
　　接觸行為采用非對稱(chēng)(Asymmetric)，接觸算法采用法向拉格朗日(NormalLagrange)。非對稱(chēng)行為的特點(diǎn)是能增強收斂,但計算速度慢,限制接觸面不能穿透目標面;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)，設置碗型金屬密封圈網(wǎng)格大小為0.1mm,設置密封法蘭網(wǎng)格大小為0.4mm,網(wǎng)格數量共1523,其中墊片數量為536。
 
　　經(jīng)分析簡(jiǎn)化,由于法蘭在y方向上是固定的，故對法蘭施加Displacement(強制位移),僅約束y方向上的位移;對密封導管亦施加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(xiàn)性計算,因此需打開(kāi)LargeDeflection(大變形)。
 
4.結果分析
　　經(jīng)求解運算，得到以下結果,圖13所示為墊片系統采用非線(xiàn)性材料時(shí)的等效Mises應力分布結果，圖14所示為密封墊片等效Mises應力分布。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.上表面外徑側和下表面內徑側的Mises應力最大,應力最大值為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，密封墊片內徑側向上發(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徑處靠近法蘭倒角處存在最大接觸壓力，下表面靠近內徑側的接觸壓力也較大，可滿(mǎn)足初始密封要求
 
5試驗應用
　　在實(shí)際試驗過(guò)程中，為模擬熱電偶機械密封裝置在反應堆壓力容器上的實(shí)際安裝工況，對熱電偶柱施加100kg下壓力(模擬熱電偶柱組件重量及下端熱電偶導管的拖拽力),后通過(guò)負壓抽真空氣密性能試驗以及水壓試驗來(lái)驗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中，試驗工裝連接氦質(zhì)譜檢漏儀，啟動(dòng)氦質(zhì)譜檢漏儀將試驗工裝內部抽至真空,并等待氦質(zhì)譜檢漏儀讀數穩定時(shí)，在試驗工裝頂部的塑料薄膜內充入氦氣,充氦后實(shí)時(shí)觀(guān)測氦質(zhì)譜檢漏儀的讀數,記錄檢漏儀泄漏的最大值,通過(guò)多次的氣密性能試驗可以發(fā)現，碗型金屬密封圈的氦氣泄漏率均可達到1x10^-10Pa·m³/s及以?xún)?。在碗型金屬密封圈的水壓試驗中，M310堆型熱電偶水壓試驗壓力按照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(zhù)壓力的上升，密封性能更佳。
結論
　　基于A(yíng)NSYS有限單元仿真軟件開(kāi)展了密封墊片的有限元仿真計算，獲得了密封墊片的Mises應力分布和墊片上下表面的接觸壓力，結果表明，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)際試驗的佐證下，可滿(mǎn)足密封的要求。