姚兆禎，張麗艷，李　輝，王秉熙

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233）

非能動(dòng)AP1000安注箱的密封設(shè)計(jì)

姚兆禎，張麗艷，李輝，王秉熙

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233）

泄漏引起的容器失效是承壓設(shè)備行業(yè)最大的安全隱患，而設(shè)備密封設(shè)計(jì)的好壞是避免發(fā)生泄漏的首要因素。文章首先對(duì)AP1000安注箱的密封結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行介紹，然后使用規(guī)范設(shè)計(jì)與基于最大允許泄漏率的緊密性的聯(lián)合設(shè)計(jì)方法，來(lái)驗(yàn)證AP1000安注箱的密封設(shè)計(jì)，但產(chǎn)品的實(shí)際密封性能還需試驗(yàn)考核驗(yàn)證。

AP1000；安注箱；密封設(shè)計(jì)

密封的地位在核電廠中極其重要，它的功能是防止泄漏，或稱剛度失效。設(shè)備一旦發(fā)生泄漏將直接關(guān)系到環(huán)境生態(tài)與人身安全。造成泄漏的原因主要有兩方面：一是由于機(jī)械產(chǎn)品表面存在各種缺陷、形狀以及尺寸誤差，在機(jī)械零件連接處產(chǎn)生間隙。二是密封兩側(cè)存在壓力差，工作介質(zhì)貫通間隙。在壓力容器中，接頭泄漏被視為失效模式之一而需建立設(shè)計(jì)準(zhǔn)則加以考慮。消除或減少任一因素都可以阻止或減少泄漏。就一般設(shè)備而言，減少或消除間隙是防止泄漏的主要途徑［1］。

由于工藝過(guò)程復(fù)雜、機(jī)械設(shè)備運(yùn)行條件苛刻，生產(chǎn)系統(tǒng)或裝置的安全性、可靠性與經(jīng)濟(jì)性，很大程度取決于密封的有效性［2］。密封分為多種形式，常見(jiàn)的密封有機(jī)械密封、液壓與氣壓密封、墊片密封、填料密封、膠密封、高壓密封等。墊片密封是一種靜密封，在各種容器、設(shè)備與管道法蘭配合面間經(jīng)常使用，它通過(guò)在密封面上墊上墊片并擰緊螺栓使墊片產(chǎn)生彈塑性變形，填塞密封面的間隙以達(dá)到密封目的。

1　AP1000安注箱的密封結(jié)構(gòu)

為滿足制造、安裝和在役檢查的要求，三代核電（如非能動(dòng)壓水堆AP1000）核島各關(guān)鍵設(shè)備均設(shè)置了一定數(shù)量的可拆卸靜密封聯(lián)接結(jié)構(gòu)（人孔、手孔、檢查孔），其基本功能要求是：在各種可能的工況下，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)的整體性和密封性，并便于（多次）裝拆。

AP1000安注箱是一個(gè)球形儲(chǔ)罐［3］，它的密封結(jié)構(gòu)主要指位于球殼中部，方向朝下的人孔，其密封結(jié)構(gòu)采用“螺栓-人孔座-纏繞墊片”的密封形式，如圖1所示。

AP1000安注箱的人孔螺栓使用拉伸螺栓，密封墊片選用核級(jí)纏繞墊片，人孔座、纏繞墊片、人孔蓋（襯墊）的組合形成類似法蘭凹槽面-平面的密封結(jié)構(gòu)。拉伸螺栓使用專用的拉伸機(jī)設(shè)備用于螺栓緊固或拆卸，免除手工扳手操作，確保螺栓上的載荷足夠與均勻，減少操作時(shí)間。

圖1　AP1000安注箱人孔密封結(jié)構(gòu)Fig.1　Manhole sealing structure of AP1000 accumulator tank

AP1000安注箱密封結(jié)構(gòu)由人孔座加工出的凹槽與人孔蓋組合形成墊片空間。受空間阻擋，墊片不會(huì)被擠出壓緊面，少受介質(zhì)沖刷與腐蝕。這種結(jié)構(gòu)使墊片易于安裝對(duì)中，墊片受力均勻、密封可靠，也方便更換，適用于在輻射環(huán)境下的核島設(shè)備。在螺栓預(yù)緊后，蓋板（襯墊）與凹槽金屬表面發(fā)生金屬與金屬接觸（Metal to Metal）。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是將纏繞墊片壓縮到預(yù)定的厚度后，繼續(xù)追加螺栓載荷直到發(fā)生金屬接觸，當(dāng)發(fā)生介質(zhì)壓力與溫度波動(dòng)后，墊片上的密封載荷不發(fā)生改變，保持在最佳泄漏控制狀態(tài)，同時(shí)螺栓不承受循環(huán)載荷，減少疲勞或松脫的危險(xiǎn)，被稱為“控制壓縮墊片”的密封理念［2］。

AP1000安注箱的纏繞墊片是核級(jí)纏繞墊片的基本結(jié)構(gòu)型（R型），在金屬芯軸外圍纏繞預(yù)成型的金屬帶和填料制成。墊片的內(nèi)/外徑用幾層不含填料金屬帶增強(qiáng)，可提供更大和更好的穩(wěn)定性和壓縮性。

2　AP1000安注箱的密封設(shè)計(jì)

2.1規(guī)范設(shè)計(jì)

AP1000安注箱為安全三級(jí)設(shè)備（Class 3vessel），按ASME規(guī)范第Ⅲ卷及附錄的方法［4］進(jìn)行螺栓聯(lián)接件的設(shè)計(jì)計(jì)算，它也是國(guó)內(nèi)外壓力容器規(guī)范的墊片法蘭接頭最通用的設(shè)計(jì)方法。

根據(jù)設(shè)備的工況，其人孔密封結(jié)構(gòu)承受工作介質(zhì)的靜壓力與墊片壓緊力。它的有效密封需保證螺栓在裝配時(shí)有足夠的預(yù)緊力和均勻的載荷，防止受載后人孔與蓋板（襯墊）的相對(duì)滑移使墊片無(wú)法貼合密封面而失效。

設(shè)計(jì)工況下的螺栓載荷為：

預(yù)緊工況下的螺栓載荷為：

所需的螺栓面積為Am1與Am2的大值：

式中：G——密封墊片載荷反作用力部位的直徑；

m， y——根據(jù)墊片材料與厚度獲得的墊片系數(shù)與最小設(shè)計(jì)壓緊應(yīng)力；

b——有效墊片壓緊寬度；

P——設(shè)計(jì)壓力；

Sa， Sb——螺栓材料在常溫與設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力。

根據(jù)上述方法，得到AP1000安注箱人孔密封系統(tǒng)螺栓所受載荷、需要與實(shí)際面積，詳見(jiàn)表1所示。

表1　AP1000安注箱人孔密封結(jié)構(gòu)的規(guī)范設(shè)計(jì)Table 1　Standard design of the manhole sealing structure of AP1000 accumulator tank

2.2基于緊密性的密封設(shè)計(jì)

ASME規(guī)范所推薦的“具有環(huán)形墊片的螺栓法蘭連接的計(jì)算規(guī)則”沒(méi)有涉及接頭的泄漏率或密封度要求，而是通過(guò)限制法蘭應(yīng)力來(lái)滿足法蘭剛度要求。規(guī)則只考慮所設(shè)計(jì)的螺栓墊片法蘭接頭在結(jié)構(gòu)上能否保證安全，不能保證接頭能否達(dá)到緊密不漏，規(guī)范中的m和y系數(shù)只是用來(lái)確定墊片安裝和操作狀態(tài)下需要的建議值，沒(méi)有經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證［5］。因此，規(guī)則沒(méi)有將法蘭設(shè)計(jì)的兩個(gè)控制目標(biāo)——完整性和密封性統(tǒng)一起來(lái)。

基于緊密性的螺栓法蘭連接設(shè)計(jì)方法雖然在法蘭彈性應(yīng)力分析和評(píng)定上基本保持不變，但對(duì)螺栓載荷的計(jì)算方法作了全新的修改，包括如下內(nèi)容：

1）使用接頭密封度作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；

2）采用基于泄漏率的墊片常數(shù)Gb， a， Gs和相應(yīng)的計(jì)算方法確定螺栓載荷；

3）對(duì)法蘭剛度提出要求；

4）考慮作用在螺栓法蘭連接上的外力和外力矩；

5）修改螺栓設(shè)計(jì)面積和設(shè)計(jì)螺栓操作載荷定義。

下面對(duì)AP1000安注箱的密封結(jié)構(gòu)按該方法由選定的緊密度等級(jí)、設(shè)計(jì)壓力確定最低緊密度，并利用典型的墊片常數(shù)求出預(yù)緊和操作工況下達(dá)到設(shè)計(jì)緊密度要求的墊片應(yīng)力，由此計(jì)算螺栓載荷，計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表2所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，AP1000安注箱的密封設(shè)計(jì)在緊密T3和嚴(yán)密T4密封度之間。

3　結(jié)束語(yǔ)

大多數(shù)情況下，規(guī)范對(duì)法蘭接頭的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用證明其能滿足一般的密封要求，但它們主要還是憑借經(jīng)驗(yàn)或有限的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)際上，墊片應(yīng)力在法蘭密封面上的分布是不均勻的［2］，對(duì)設(shè)備的密封設(shè)計(jì)是一個(gè)考驗(yàn)。使用數(shù)值模擬方法可在一定程度上解決上述問(wèn)題，但產(chǎn)品的實(shí)際密封性能最終還需由試驗(yàn)來(lái)考核驗(yàn)證。

表2　AP1000安注箱人孔密封結(jié)構(gòu)的緊密性方法設(shè)計(jì)Table 2　Tightness design of the manhole sealing structure of the AP1000 accumulator tank

［1］ 付平，常德功. 密封設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.（FU Ping， CHANG De-gong. Seals Design Handbook［M］. Beijing： Chemical Industry Press， 2009. ）

［2］ 蔡仁良，顧伯勤，宋鵬云. 過(guò)程裝備密封技術(shù)［M］. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.（CAI Ren-liang， GU Bo-qin， SONG Peng-Yun. Process Equipment Sealing Techniques［M］. Beijing： Chemical Industry Press， 2006. ）

［3］ 林誠(chéng)格. 非能動(dòng)安全先進(jìn)核電廠AP1000［M］.北京：原子能出版社，2008.（LIN Cheng-ge. Passive Safety of Advanced AP1000 Nuclear Power Plant［M］. Beijing. Atomic Energy Press， 2008. ）

［4］ ASME Boiler and Pressure Vessel Code， Section III， Rules for Construction of Nuclear Power Plant Components［S］. New York， 1998.

［5］ 蔡仁良. 壓力容器螺栓法蘭連接規(guī)范設(shè)計(jì)新方法［J］. 壓力容器，1997.（CAI Ren-liang. New Specifications and Design Methods for Pressure Vessel Bolt Flanged Connection［J］. Pressure Vessel， 1997. ）

Sealing Design of AP1000 Accumulator Tank in Gen III Advanced Passive PWR

YAO Zhao-zhen， ZHANG Li-yan， LI Hui， WANG Bing-xi
（Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute，Shanghai 200233， China）

Failure caused by leakage is the biggest safety risk in current pressure-retaining equipment industry， and the sealing design is the main factor to prevent this type of failure. In this paper， the main sealing design structure and characteristics of AP1000 accumulator tank are described and verified by the methods of code designing & PVRC designing based on maximum acceptable leakage rate. But the actual sealing performance of the equipment shall be qualified by tests.

AP1000； accumulator tank； sealing design

TM623 Article character：A Article ID：1674-1617（2016）03-0214-06

TM623

A

1674-1617（2016）03-0214-06

2016-02-03

姚兆禎（1984—），男，浙江人，工程師，本科，從事核承壓設(shè)備設(shè)計(jì)方面的工作。