核电阀门密封材料研究与填料的结构设计

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核电阀门密封材料研究与填料的结构设计

核电厂配套设备阀门是在核电厂设计、建造和运营中，使用数量较多的介质输送控制设备。是保证核电站安全运行的重要组成部分。它承载着核电厂所有的能量转换和系统管控，如堆芯温度的调节、循环系统的流量控制、热能输出输入、管路里介质的切断或接通等多种功能。与普通阀门相比，核电站阀门的性能要求及其特点，是要保证其使用的安全性、高温高压环境下的工作稳定性、全天候运行的可靠性。由于使用环境的特殊性，必然要求核电阀门密封有很高的科技含量。核电运行的前提是安全第一，只有阀门的性能可靠，动作灵敏，并有完好的密封效果与使用寿命，才能确保我们用核能的安全。

$ p1 ^" y; p& F1 x+ |, Q5 E6 z据统计，一座具有两台100万kW机组的二代加压水堆核电站，有各类阀门3万多台。就AP1000的三代技术而言，虽然采用模块化设计也不少于1万多台。根据核电厂运营资料分析，核电站运行阀门故障率约34%是由阀杆处填料泄漏造成的，所以迫切需要一种高性能、长寿命的填料来保障阀杆的密封。就自然界所有材料的物性，石墨无疑是最理想的密封材料。经深加工的柔性石墨是继石棉被禁用之后，更适合阀杆密封的最佳材料。

一、石墨材料的性能
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" L  Q6 I, x2 W! `, i* `石墨是六角平面网状结构的晶体，六角平面三个SP2杂化轨道互成120°排列，网面上下方的π电子相互重合形成范德华键，有良好的化学稳定性，不受任何强酸、强碱和有机溶剂的腐蚀。由于石墨很好的耐γ射线、α射线、β射线等辐照性能，同时热中子截面也很小，是核反应堆中唯一可供选择的慢化材料。可作为核反应堆的减速剂、防核辐射外壳，是国防和核能工业领域的重要材料。

目前密封行业使用最广泛的材料柔性石墨，可在－200℃～600℃内安全使用。其具有低温不脆化、时效不老化、高温不软化、不变形、不分解的特性，且具有优异的便于加工成形的可塑性和良好的润滑性能，如作为固体润滑剂，在任何温度条件下摩擦系数比脂类润滑都要低，很适合阀杆的频繁动作。对于气体和液体的密封也具有良好的抗渗透性。
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: n( b1 S1 I3 R, n二、石墨的加工工艺

核级阀门填料所用的石墨，是天然矿物经选矿、提纯、化学插层、膨化、压延、收卷等多道工艺后精制成柔性石墨板材，再分切模压加工成阀用填料。所选原材料石墨粒子，必须是天然的高品像大鳞片石墨，这种原料杂质少、纯度高、膨化后蠕虫粒子直径大，所制石墨板品质的强度高，有害化学元素成份含量低，生产工艺稳定，制品可塑性优良。不同目数石墨的比较，见表1，天然晶质（鳞片）石墨见图1，膨化后的石墨与板材制品见图2。

8 ]7 t1 y' {7 t( H2 J- D' J制作填料石墨材料要求

除非另有规定，制作核级阀用柔性石墨填料的主要化学成分、物理性能及机械性能应符合表2的规定。
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辐照试验
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) x2 W  R! A8 w一般试样取柔性石墨板材料，放在1900KGyR60Co-y射线下辐照190小时，表面无明显异常，外观光滑，同样填料成品也是在相同的辐照情况下，其机械性能损失≤10%。

3 ]' g! P: Z; e三、填料结构的设计
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现用阀门密封填料大多采用组合设计，两端两个阀杆刮垢环负责阀杆的表面清洁，并起到保护中间纯石墨环不被介质破坏的功能；中间匹配若干个高纯石墨环作为整个系统密封的主元件。在截面形状设计方面具有代表性的，有平面环、锥形环、V形环以及蝶形环。作为核级阀用填料的设计参数必须要符合表3要求。
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% x/ w6 D$ x+ G( Q, D（1）组合填料两端的刮垢环。是为了防止介质压强过高时对密封主件的冲刷破坏；其次还具备均匀找平和传递轴向预紧力的功能；在两端环的接触面上，尽量制造出一定的粗糙度，能在阀杆运动时往复摩擦，始终保持阀杆表面的光滑清洁。目前常用的材料有碳纤维、金属丝内增强石墨或石墨外包金属丝等编织的盘根环，实际应用中这些端环都存在有某些缺陷，对于普通阀门密封使用并没有大碍。但对于高端的核电阀门密封就难以胜任了。这里讨论一种高纯柔性石墨外织镍丝网编织盘根环。其设计意义在于利用石墨的柔软性和高压缩率，结合镍丝网的绵韧性和高弹性来提高产品的物理机械性能，制出的刮垢环，内部不添加任何增强纤维和复合用粘胶，以保证石墨环的高纯度、高碳量和低烧失。几种刮垢端环见图3。

( }, |# C- l$ @, Y7 `6 X外织镍丝编织石墨刮垢环，其适用性比碳纤维编织盘根环、内增强纤维的石墨盘根环性能更加优越，表4是3种刮垢环的物性对比。

/ h' m! s1 f8 u+ ?5 B0 i4 w（2）填料组中间部分是密封的主体。可跟据阀门填料涵的设计深度，计算该组石墨环可配放的个数。 因为填料密封是接触式嵌合密封，其要求是自身易于产生形变，以嵌合在填料函内壁和阀杆外表面。填料密封原理是在轴向施加预紧力，使径向变形，来充盈阀杆和阀门填料函的交接面，从而阻断介质流出，以达到密封阀杆的目的。

  i& z1 ^3 U2 C在追求最理想的径向形变时。对图4所示的几款填料组进行结构分析，先分别将这几类填料组装入阀门里的填料函里，盖上压盖施加相同的螺栓预紧扭矩。保压一段时间后再打开取出填料，记录每只环所分布的位置，并进行前后比较，测量可发现：当轴向施加预紧力时，两端首先受力变形，等传递到中间部位已有所消耗，整体径向不能完全变形，这样使得有效接触面减少，密封也就不可靠了。
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图5是阀门装填示意图，试验发现只有V形设计结构的填料组受力有所改善，轴向预紧后整体的形变还好，但也做不到每只环都受力均匀。必要时还要降低中间石墨环的密度来求得良好的径向形变。
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（3）作者研究了在核电阀门上应用的一种填料组（如图6）。这种仿弹性蝶形形式的设计，其中石墨环与两刮垢环接合处，也就是图中标L、3的地方设计成上凹下凸形状。当对填料组施加预紧力时，填料的两端承压力方向刚好相反，整个填料组的受力方式成N字形。预紧过程中,填料形变区能够积聚部分屈服势能，当阀杆运动时产生的磨耗或压盖预紧力不足时，先前集聚储存的势能此时得以释放，补偿填料在运行中的损耗。当介质压力有波动或热振荡时，填料组的形变也相应变换。这样就实现了阀门填料遇强则强，遇弱施弱的自密封功能。
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+ O/ s2 S6 s% P4 ~8 q  v% |  \（4）这种N字形拧变所用预紧力，只作用在填料的轴面上约1/3处，压力传递效力（侧压系数）成倍的增大，填料组间的压力传递效力也是最高，相应的螺栓预紧扭矩也就减小了，阀杆往复阻力大幅下降。这种结构设计的意义在于改变了一贯通过轴向压紧、径向延展变形的填料密封设计思维，演变成轴向压紧、径向往填料函内侧锲入式填充，同时向阀杆外壁收缩抱紧，创新了填料密封的设计理念。我们对几种不同截面形式填料组在相同泄漏当量情况下， 分析预紧压力与阀杆阻力的关系如图7所示。

（5）从截面形式设计上分析，环与环之间还设计出空腔，这是在低扭矩螺栓预紧下，有选择性地控制填料径向移位，使填料组中的每只环所受预紧力传递均匀，每只单环的径向变形量一致。力求达到阀杆同填料交接面的充分嵌合，以阻止介质向外穿透，实现可靠的密封。安装时一般是让石墨填料组的凸面对着介质方向。当阀内介质压力变化时，通过刮垢端环首先作用在L处的凸顶上。由于凸顶靠近阀杆处，这样内压越大，填料变形也就增大，密封会更加可靠。
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9 w$ w7 y" q5 y5 X8 N（6）根据填料环的制造经验，采用0.2～0.38mm厚度的柔性石墨板材比较柔软，在模压时石墨板的曲挠度大，加工塑性好。分切后石墨板用齿形辊压成波纹带，再用模具压成型。使其在相对应的产品密度下，石墨填料环横截面呈现有选择性的压延形状。形成迷宫式的W折叠皱。在阀门预紧时较小的轴向压力，能得到最大的径向变形。此外，石墨带的波纹状更有利于填料径向的轻松变形。填料环的压制高度、规格和密度要求，可遵循以下公式计算：
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（7）组合填料的密度不但决定了轴向压力的大小，而且影响压缩率和回弹率的关系。在实践中，一般恒定压力下，材料的压缩率和回弹率都成反比，也就是压缩越大，回弹越小。参照《JB/T6370柔性石墨填料环物理机械性能测试方法》标准，通过对蝶形核级填料组与前面累述的几种结构的填料组，在不同密度下做压缩率与回弹率的试验对比，可以看出蝶形核级填料的压缩与回弹曲线走势更趋合理区间（见图8）。

/ ]6 C8 g1 i& w9 {5 F: U. A6 o) w( n四、蝶形核级填料组的热循环验证

( h& a! V9 l, G! o0 [' d# L根据《NB/T20010.14-2010 压水堆电厂阀门第14部分：柔性石墨填料环技术条件》的验证要求，采用“阀门填料热循环模拟试验装置（见图9）”对几种填料进行对比实验。验证结果见表5。

; {5 `& \3 t" l4 d/ H4 v( a  L表中的验证结果分析可以看出，填料的结构设计对实验中的泄漏值、阀杆阻力和预紧力（压盖预紧次数）都有很大影响。从结构上使径向变形越容易，则介质泄漏越少，而阀杆的阻力也能减小。如平环填料组，由于本身结构不合理，致使径向变形困难，不但增加了运行中的预紧次数来加大预紧力，以求得径向能有很好的变形量，但还是导致密封失效。在此试验过程中，也说明仿蝶形形状的核级填料组的设计变形容易，径向与阀杆的表面接触最充份，从而表现出最显著的密封效果。

五、结论

（1）对照相关标准和产品的技术条件进行验证石墨的物理化学性能，只有大鳞片、高品质石墨，目前是自然界中少数几种能慢化中子以及其他射线辐射的材料，也是核电阀用填料密封最理想的材料；

（2）选用大鳞片高品像的天然晶质石墨，制备出来的柔性石墨板，工艺技术上可以使其产品的有害微量元素残留量非常低，柔性石墨填料的物理机械性能大幅提高，各项性能均可以达到核电站的安全运行要求；
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（3）核级阀门填料两端的刮垢环，用镍丝套编高纯柔性石墨所编织模压出来的端环，相比其他材料的端环，无论在磨耗时效、承压能力、高温烧失、安全系数等方面都有很大提高；
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2 `' e, J( K6 p; T) R（4）新颖的仿蝶形结构设计，能使装配时在相同的螺栓预紧力下，阀杆行程力矩最小。在压盖的预紧力作用下，填料组产生N形拧变，使填料函内壁与阀杆同石墨填料的交界面得到充分的嵌合，径向有效密封接触面积大幅提高；

（5）轴面结构上的凹凸设计，实现了仅需较低螺栓扭矩的低预紧载荷（LS）下，就能够实现低泄漏（LE）的目标；

: u3 c" v( P, T3 t! r（6）弹性蝶形截面设计的填料，完全适合核电厂阀门的应用，在核电运行中适用于冷却水、蒸汽、硼酸、空气、氮气、除盐水等介质的密封，它有着很好的耐高温、低蠕变和自润滑等性能，其在温度振荡时无体积变化。

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