核电厂压力容器热电偶机械密封装置密封结构分

摘要:介绍了压力容器堆芯热电偶机械密封装置的密封结构和工作原理,针对其中碗形金属密封圈的结构特征，模拟其受压后发生形变，并进行了试验应用。
0引言
　　国内CNP300、M310堆型热电偶机械密封装置主要依赖国外进口(法国)，且每台机组换料大修时这些密封件都将重新更换，密封件更换数量较大.每年更换备件的成本高。随着中美贸易战及其美国同盟国关系,其备件的进口采购都将产生不确定的因素，采购过程中存在国外技术封锁而断供的风险。直接或间接影响着国内压水堆核电机组安全、稳定、经济运行，同时对国家能源战略安全产生着重大的影响。因此，对热电偶机械式密封装置国产化研制及应用迫在眉睫,其国产化的成功研制及应用将有助于国内核电的安全、经济及健康地发展。
　　通过开展热电偶机械式密封装置国产化研究，研制出具有完全自主知识产权的核电厂一回路压力边界关键密封件及配套工艺,自主掌握关键核心技术,打破国外企业对我国的技术封锁或垄断，增强我国压水堆核电机组一回路压力边界关键密封件的自主供给保障能力.进一步提升核电厂反应堆的安全、稳定和经济运行。
　　现针对国产化碗型金属密封圈，模拟分析其在热电偶机械密封装置中的密封性能研究。
1工作原理
　　以M310堆型热电偶机械密封装置试验工装为例，该试验工装完全模拟碗型金属密封圈与双锥金属密封圈在电厂运行期间的工作状态，其结构示意图如图1所示。
 
　　该试验工装由M10顶紧螺栓，分离半环,顶紧螺栓板，垫环，碗型金属密封圈，阳法兰，半卡箍，双锥金属密封圈,阴法兰，堵头,3/4英寸螺母锁紧板，314英寸螺母,3/4英寸卡箍螺栓和314带孔螺母组成。
其中碗型金属密封圈在M10顶紧螺栓的均匀作用下受到堵头与阳法兰之间的挤压，压缩前试验工装结构示意图如图2所示。
　　为研究碗型金属密封圈在受压后的密封性能，进步提高热电偶机械密封装置的可靠性，保障其在实际应用过程中不会发生泄漏，因此展开碗型金属密封圈的模型建立以及计算仿真分析。
 
2模型简化
　　为密封法兰受压后压缩碗型金属密封圈，使碗型金属密封圈发生形变的计算仿真，图3所示为碗型金属密封圈结构图,考虑密封结构的轴对称特征，建立如图4所示的二维轴对称模型，图5为碗型金属密封圈压缩前的初始状态模型，图6为受压后的状态模型。
 
3材料物性及边界条件
3.1材料属性
　　采用ANSYS有限元仿真软件进行计算分析,其中密封法兰和垫片物性参数如表1所示，为弹塑性非线性材料。
 
3.2接触设置
　　安装状态下,密封垫片.上下面均与法兰接触，分析时需考虑三者之间的接触关系，设置7107个接触对，接触类型设置为Frictional(有摩擦接触)，两者之间的摩擦系数0.l,Frictional的特点是在发生相对滑动前，两接触面可以通过接触区域传递一定的剪应力,法向可分离,切向摩擦滑动;另外应设置刚度小的部件为接触面，刚度大的部件为目标面,将碗型金属密封圈设置为接触面,密封法兰设置为目标面。
 
 
　　接触行为采用非对称(Asymmetric)，接触算法采用法向拉格朗日(NormalLagrange)。非对称行为的特点是能增强收敛,但计算速度慢,限制接触面不能穿透目标面;法向拉格朗日算法的特点是渗透接近零,支持任意类型的接触，仅支持非对称接触。
3.3网格划分
　　网格划分采用QuadrilateralDominant(四边形单元)，设置碗型金属密封圈网格大小为0.1mm,设置密封法兰网格大小为0.4mm,网格数量共1523,其中垫片数量为536。
 
　　经分析简化,由于法兰在y方向上是固定的，故对法兰施加Displacement(强制位移),仅约束y方向上的位移;对密封导管亦施加Displacement,x方向位移为0,y方向正向位移2.5mm,模拟其受压产生向上的位移。
特别地,由于考虑密封垫片的弹塑性变形，为非线性计算,因此需打开LargeDeflection(大变形)。
 
4.结果分析
　　经求解运算，得到以下结果,图13所示为垫片系统采用非线性材料时的等效Mises应力分布结果，图14所示为密封垫片等效Mises应力分布。由图可见，在安装状态下，密封垫片收到法兰的上下挤压，在密封垫片.上表面外径侧和下表面内径侧的Mises应力最大,应力最大值为594.26MPa。
 
　　图15所示为密封垫片的位移分布。由图可见，由于受到密封法兰的上下挤压，密封垫片内径侧向上发生位移。
 
　　图16所示为密封垫片的初始接触压力分布,由图可见，密封垫片在上表面内径处靠近法兰倒角处存在最大接触压力，下表面靠近内径侧的接触压力也较大，可满足初始密封要求
 
5试验应用
　　在实际试验过程中，为模拟热电偶机械密封装置在反应堆压力容器上的实际安装工况，对热电偶柱施加100kg下压力(模拟热电偶柱组件重量及下端热电偶导管的拖拽力),后通过负压抽真空气密性能试验以及水压试验来验证碗型金属密封圈的密封性能可靠性。
　　在碗型金属密封圈的气密性能试验中，试验工装连接氦质谱检漏仪，启动氦质谱检漏仪将试验工装内部抽至真空,并等待氦质谱检漏仪读数稳定时，在试验工装顶部的塑料薄膜内充入氦气,充氦后实时观测氦质谱检漏仪的读数,记录检漏仪泄漏的最大值,通过多次的气密性能试验可以发现，碗型金属密封圈的氦气泄漏率均可达到1x10^-10Pa·m³/s及以内。在碗型金属密封圈的水压试验中，M310堆型热电偶水压试验压力按照2.5MPa、7.0MPa、15.5MPa、20.6MPa、22.8MPa、25.8MPa步骤进行升压，压力升至最高时保压10min,在整个试验过程中,均无可见泄漏发生,堵头在受压后可以起到自密封效果,随着压力的上升，密封性能更佳。
结论
　　基于ANSYS有限单元仿真软件开展了密封垫片的有限元仿真计算，获得了密封垫片的Mises应力分布和垫片上下表面的接触压力，结果表明，密封垫片发生了塑性变形，在安装状态下,垫片上下表面存在较大的接触压力，并在实际试验的佐证下，可满足密封的要求。