武銘松,魏世軍,李 征,姜楚華,陳俊華,*,譚 楊

(1.寧波大學 機械工程與力學學院,浙江 寧波 315211;2.寧波天生密封件有限公司,浙江 寧波 315302;3.寧波大學 科學技術(shù)學院,浙江 寧波 315300)

0 引 言

反應堆壓力容器(reactor pressure vessel,RPV)是容納堆芯的重要設(shè)備,設(shè)備內(nèi)部長期處于高溫、高壓、高輻照的惡劣工況條件下。

RPV管座部分與控制棒驅(qū)動機構(gòu)經(jīng)過梯形螺紋和Ω密封焊縫構(gòu)成冷卻劑密封系統(tǒng)邊界的一部分[1]。

針對控制棒驅(qū)動機構(gòu),YOCKEY W[2]通過機器學習分析得出:任意兩個控制棒驅(qū)動機構(gòu)(CRDM)的故障概率為1.980×10-10,而兩個新的CRDM的故障概率為1.170×10-14。CRDM因自內(nèi)向外和軸向存在較大溫度梯度分布,以及受到堆芯影響等因素,導致其受到內(nèi)外壓力差異和輻射腐蝕影響[3]。國內(nèi)外現(xiàn)有的CRDM和管座的焊接密封都曾出現(xiàn)因焊縫失效導致的泄漏問題[4-8]。在外部因素影響下,也會出現(xiàn)因設(shè)備問題[9]和操作原因[10]導致的暫時性停堆,以及維修時再焊接等難點[11]。針對這些問題,研究人員考慮將適用于高溫高壓等復雜場景理念的迷宮密封結(jié)構(gòu)應用于CRDM,采用楔形結(jié)構(gòu)具有的扣緊力實現(xiàn)泄漏通道的多次密封目的。

目前,國內(nèi)的可拆卸式密封結(jié)構(gòu)有很多。如張桂昌[12]提出了一種迷宮式與楔形環(huán)相復合的密封結(jié)構(gòu),利用內(nèi)壓差進行了自緊式密封;但其并未進行實驗以驗證其優(yōu)劣性。李毅[13]提出了一種穩(wěn)壓器人孔楔形密封結(jié)構(gòu)模型,采用試驗和仿真相結(jié)合的方式進行了驗證;但其并未討論溫度對該結(jié)構(gòu)密封性能的影響。秦亥琦[14]通過仿真對快堆燃料組件迷宮密封結(jié)構(gòu)的不同間距進行了模擬,發(fā)現(xiàn)了密封最佳間距;但其并未通過實驗展開驗證對比。巴鵬[15]采用模擬與實驗相結(jié)合的方式,發(fā)現(xiàn)了迷宮密封內(nèi)部結(jié)構(gòu)對泄漏量的影響;但其并未研究迷宮密封層數(shù)對泄漏量的影響。

然而,當前仍缺乏關(guān)于壓力容器頂部管座的可拆式迷宮密封結(jié)構(gòu)的研究。

針對堆芯換料需多次拆卸和二次焊接密封效果變差的問題,筆者提出一種便于維修和利于拆卸的楔形迷宮密封結(jié)構(gòu),并以金屬C形環(huán)作為密封件,使每條泄漏通道至少經(jīng)過二次密封。維修時,筆者采用更換金屬C形環(huán)的方式,解決堆芯換料及多次焊接密封效果變差的問題。

1 楔形迷宮密封組件的設(shè)計及計算

1.1 密封組件的工況參數(shù)

由于管座部分與RPV內(nèi)部相通,所以工作環(huán)境相同。

楔形迷宮密封組件的設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 楔形迷宮密封組件的設(shè)計參數(shù)

1.2 密封組件的結(jié)構(gòu)

楔形迷宮密封組件由卡套、錐形體、壓筒、金屬C形密封環(huán)四部分組成。

楔形迷宮密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 楔形迷宮密封結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)整體采用楔形擠壓密封,相較于矩形凹槽整體形變產(chǎn)生的壓緊力更大、密封效果更好。采用迷宮錯列式排布,使得密封在軸向具有更長的邊界通道,且每個泄漏通道最少經(jīng)過二次密封。最后,利用卡套的梯形螺紋旋合壓緊各組件。

其中,金屬C形環(huán)起到主要密封作用,其一般包含三個部分:軟金屬層、包覆層和彈性基底。軟金屬層受壓變形,可彌補密封面微觀缺陷,使得密封效果更好;彈性基底則保證了C形環(huán)達到所需的密封線比壓和回彈性。

在楔形迷宮密封組件中,首先,要使金屬C形環(huán)達到預壓縮狀態(tài),然后,通過擰緊卡套,使金屬C形環(huán)達到足夠的密封比壓;同時,彈簧在徑向和軸向受到壓縮而發(fā)生彈塑性協(xié)同變形,彈性反力施加于包覆層,使包覆層能夠更充分地發(fā)揮作用。

C形密封環(huán)工作原理如圖2所示。

圖2 C形密封環(huán)工作原理

這種利用彈塑性相互協(xié)同的配合以彌補金屬與金屬之間接觸的密封設(shè)計,可使密封環(huán)在一定范圍內(nèi)彌補因軸向間隙變大導致的泄漏,并具有補償交變溫度和壓力引起的構(gòu)件變形的能力。

1.3 密封組件的材料參數(shù)

根據(jù)可拆式的密封結(jié)構(gòu)要求,結(jié)構(gòu)的整體采用Z5CND17-12(316)不銹鋼鍛件,密封環(huán)選用由不同材料組合而成的金屬C形環(huán),其具有耐高溫、耐輻照、密封綜合性能優(yōu)異等特點。

楔形密封組件材料的性能參數(shù)如表2所示。

表2 楔形密封組件材料的性能參數(shù)

1.4 最小壁厚的計算

在高壓容器中,壁厚是保障堆體正常運行的必要條件,也是驗證結(jié)構(gòu)是否適應所需環(huán)境的重要保障。除了保證壁厚滿足需要的強度和剛度條件外,還需要綜合考慮結(jié)構(gòu)整體的經(jīng)濟性和安全性。

筆者根據(jù)標準JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計標準》對密封組件最小直徑體的壁厚進行計算。

內(nèi)壓下厚壁殼體表示如下:

(1)

式中:δ為厚壁殼體壁厚,mm;pc為計算壓力,MPa;Di為厚壁殼體內(nèi)徑,mm;Sm為設(shè)計應力強度,MPa;K為載荷組合系數(shù),K0=1.0。

管座材料為鎳基合金 NC30Fe,取Sm=120 MPa,通過計算其所需的最小壁厚約為4.7 mm,考慮腐蝕裕量C=1 mm,則管座設(shè)計壁厚最小應為5.8 mm。

對于錐形體和卡套等按最小內(nèi)徑計算,取Sm=113 MPa計算得8.3 mm,考慮腐蝕裕量,取最小壁厚為10 mm。

1.5 熱-壓耦合下的結(jié)構(gòu)應力

工程中,厚壁圓筒作為高壓容器的主要承壓元件,對其分析研究是不可缺少的。對于圓筒K=Do/Di(Do為筒體外徑),當K>1.2時,為厚壁容器。

為了驗證該結(jié)構(gòu)工況下構(gòu)件的應力狀況,筆者對壓力和溫度作用下的壓力應力和熱應力進行分析。

在受內(nèi)壓Pi和外壓Po的作用下,圓筒的內(nèi)半徑和外半徑分別為Ri和Ro。

基于拉美公式,假設(shè)軸向無限長,由壓力載荷引起的應力表示如下:

(2)

在溫度的作用下,任意半徑處厚壁圓筒溫度應力表示如下[16]：

(3)

式中:Δt為筒體內(nèi)外壁的溫差;α為熱膨脹系數(shù);K為筒體外半徑與內(nèi)半徑之比,K=Ro/Ri;Kr為筒體外半徑與任意半徑之比,Kr=Ro/r。

隨著溫差|Δt|增大,總是內(nèi)壁面先達到屈服。

當:(σr)r=ri-(σz)r=ri=σs時,根據(jù)Tresca屈服條件,圓筒內(nèi)壁屈服臨界溫差Δtc表示如下:

(4)

根據(jù)應力疊加原理,耦合應力表示如下:

(5)

以內(nèi)壁為60 mm外壁為80 mm的厚壁圓筒計算,根據(jù)α=18.5×10-6℃-1,Δt=320 ℃,Pi=17.15 MPa。

由公式(2)可以得到:在內(nèi)壓作用下,內(nèi)筒壁中軸向應力σz為拉應力,而徑向應力σr為壓應力。當筒壁內(nèi)外溫差|Δt|小于屈服臨界溫差Δtc=72.5 ℃時,厚壁圓筒處于彈性階段;在內(nèi)壓力和內(nèi)加熱作用下,內(nèi)壁應力疊加得到改善。

在升溫升壓過程中,錐形體會發(fā)生徑向和軸向的膨脹變形,同時進一步擠壓外側(cè)兩密封環(huán)促進密封。降溫降壓時,楔形組件發(fā)生收縮,擠壓內(nèi)側(cè)密封環(huán),保證密封效果。

2 密封環(huán)性能分析

2.1 有限元建模

筆者基于ANSYS有限元軟件進行非線性彈塑性分析。為了簡化仿真工作,以等體積原則將C形環(huán)模擬為當量圓筒模型建立C形環(huán)的二維軸對稱模型[17-19]。

軸對稱模型如圖3所示。

圖3 軸對稱模型

仿真模型定義如下:將C形環(huán)上下平面與銀層之間、銀層與包覆層、包覆層與彈簧基底之間設(shè)置為摩擦接觸,摩擦因數(shù)設(shè)為0.15,并關(guān)閉小滑移;壓縮量為1.2 mm,對C形環(huán)進行模擬仿真。

C形環(huán)截面尺寸如表3所示。

表3 C形環(huán)截面尺寸

2.2 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗

針對3種不同尺寸的C形密封環(huán),筆者進行網(wǎng)格無關(guān)性分析,邊界條件設(shè)置一致。

網(wǎng)格無關(guān)性如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性

其中,最大線載荷趨于平穩(wěn),數(shù)值偏差不超過6%,相對偏差在2%以內(nèi)。

以下分析均用中間部分網(wǎng)格數(shù)量。

2.3 縮回彈特性分析

壓縮回彈特性是衡量C形環(huán)密封性能的重要指標之一,通過對得到的有限元仿真結(jié)果進行處理,可以得到在1.2 mm壓縮量下C形環(huán)的壓縮回彈曲線。

不同尺寸下的壓縮回彈曲線如圖5所示。

圖5 不同尺寸下的壓縮回彈曲線

由圖5可知,壓縮過程分為彈性階段和塑性階段:C形環(huán)在初始壓縮下進入彈性階段,由于尺寸范圍較小,初始上升階段基本重合;隨著壓縮量的不斷增加,彈簧開始出現(xiàn)塑性變形,此時斜率隨著外徑的增大而減小;同時,剛度開始降低,在壓縮量最大時,線比壓值達到最大,最大線比壓值隨著外徑的增大而減小。在卸載階段,隨著軸向壓縮的降低,C形環(huán)開始逐漸恢復,此時外徑越大,斜率越小。但隨著軸向位移為零時,C形環(huán)仍存在殘余變形。

2.4 封面狀態(tài)分析

不同外徑下的密封面狀態(tài)如圖6所示。

圖6 不同外徑下的密封面狀態(tài)

圖6(a)、圖6(c)、圖6(e)為初始壓縮狀態(tài),壓縮過程中銀層與包覆層和彈簧不斷被壓縮,隨著壓縮量的增加銀層平面也不斷增加,壓縮量最大時銀層平面達到最寬(如圖6(b)、圖6(d)、圖6(f))。

在彈性極限范圍內(nèi),銀層平面的接觸寬度越寬,表明密封路徑越長。即使微觀上存在細小間隙,密封平面越長,密封時的密封效果也越好。

又由于結(jié)構(gòu)的不完全對稱性,開口處的對稱方向上會從接觸狀態(tài)變成小的分離狀態(tài),而隨著尺寸的增大,接觸面的貼合程度越高。

3 密封性能試驗

為了測試楔形組件的密封特性,需對試驗樣件進行密封性能試驗和溫度壓力循環(huán)試驗。

試驗樣件如圖7所示。

圖7 試驗樣件

筆者采用的試驗設(shè)備為寧波天生密封件有限公司CNAS檢測中心的TSMC06型密封件綜合性能實驗機,外接SFJ-211型分辨率為1.10×10-10Pa·m3/s的氦質(zhì)譜儀,并開展相應的試驗。

TSMC06型試驗臺如圖8所示。

綜合性能實驗機由加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、溫度傳感壓力傳感系統(tǒng)、位移傳感系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。

試驗時,裝置應用加載系統(tǒng)進行加載。當加載到預設(shè)載荷,啟動氦質(zhì)譜儀對工裝內(nèi)部抽真空;隨后,應用控制系統(tǒng)向試驗工裝充入氦氣,經(jīng)電熱毯電加熱升溫,由溫度壓力傳感系統(tǒng)控制升溫過程中壓力誤差在0.1 MPa;達到設(shè)置的相應加熱溫度時,系統(tǒng)針對試驗溫度保壓10 min,穩(wěn)定后獲取泄漏率數(shù)據(jù)。

3.1 泄漏率試驗

筆者將樣件安裝在試驗設(shè)備上,利用綜合性能試驗機開展氦氣泄漏試驗。

在試驗壓力分別為0.1 MPa、10 MPa和17.1 MPa的情況下,分別對溫度為20 ℃、200 ℃和350 ℃下的樣件進行泄漏率試驗。

泄露率試驗結(jié)果如表4所示。

表4 泄漏率試驗結(jié)果

試驗結(jié)果可知,楔形密封組件的泄漏率小于1.0×10-6Pa·m3/s,滿足密封性能指標。

3.2 熱循環(huán)試驗

筆者采用熱循環(huán)實驗臺架施加壓力溫度循環(huán),來模擬工況下多次拆卸密封組件后實際的密封狀態(tài)。

熱循環(huán)實驗臺架如圖9所示。

圖9 熱循環(huán)試驗臺架

圖9中,實驗臺架主要由容器主體部分、管路部分、排氣部分、油路冷卻部分、電氣控制部分以及安全防護部分組成。采用PLC控制系統(tǒng)可達到:實驗壓力為(15.5±0.5)MPa和溫度為(345±5)℃,可控制溫度升降速率為100 ℃/h,循環(huán)次數(shù)不少于40次。

第10次溫度-壓力曲線如圖10所示。

圖10 第10次溫度-壓力曲線

第30次溫度-壓力曲線如圖11所示。

圖11 第30次溫度-壓力曲線

在循環(huán)試驗中,由于容器內(nèi)升壓速度比升溫速度更快,為保證壓力和溫度的同時性,要對壓力進行人為卸載。

試驗模擬過程中密封性能良好,筒體、底座及系統(tǒng)管路并未出現(xiàn)泄漏和異常情況,可以保證多次拆卸工況下組件的密封性能。

4 結(jié)束語

筆者通過對控制棒驅(qū)動機構(gòu)不可拆卸的問題展開研究,引入迷宮密封的設(shè)計理念,加入楔形密封結(jié)構(gòu),可在擴大密封接觸面的同時增加密封壓緊力,極大地提高易于拆卸的密封件綜合性能。

首先,筆者分析計算了工況下的壁厚及臨界屈服溫度;其次,應用ANSYS軟件模擬了C形環(huán)壓縮狀態(tài)下的工作狀態(tài);最后,通過泄漏試驗和熱循環(huán)試驗進行了試驗驗證。

研究結(jié)果表明:

1)該工況下應用壁厚為10 mm的厚壁圓筒更為安全,在內(nèi)、外壁溫差小于72.5 ℃時厚壁圓筒處于彈性狀態(tài),且熱壓耦合下內(nèi)壁的應力得到改善,使得結(jié)構(gòu)更為安全;

2)對于不同尺寸的C形環(huán),最大線比壓值隨著外徑的增大而減小,并且隨著尺寸的增大,C形環(huán)密封面的貼合程度越高;

3)可拆式密封組件的氦氣泄漏率小于1.0×10-6Pa·m3/s,多次拆卸下仍能滿足該工況下的密封要求。

在后續(xù)研究中,筆者將以該研究為基礎(chǔ),通過對整體模型進行熱壓耦合模擬仿真和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,以應對工況變化下的實際對應狀態(tài),并計算模型的壽命。