密封件在核電廠中的應用

中德密封

隨著工業技術的發展，高性能密封件在核電廠中得到了廣泛應用，同時這些高性能密封件對核電廠安全穩定的運行也起著重要的作用，以現階段國內發電裝機容量最大的機組形式為列，闡述密封件在核電廠中的應用和作用。

核電廠區別與民用火電、水電等發電站需要更高的安全性、技術成熟性。因此安裝在核電廠中的密封件同樣需要具備高安全性、高可靠性以及便于替代的均一性。在核電廠的構筑物、系統和部件（SSC）的設計中密封件均有著廣泛的應用，主要包括：用于維持構筑物結構密封要求的密封門上的密封圈、用于工藝流體系統中管路法蘭的密封、用于各類承壓設備上法蘭的密封，特別是用于核電廠核心設備-核反應堆堆心壓力容器頂蓋的密封等等。

一：密封件在構筑物設計中的應用
以核電廠中安裝在燃料水池和燃料轉運通道間水下密封門的密封件作為代表，對用于保證構筑物功能要求的密封件，其設計特點、結構特點、密封性功能要求等方面進行闡述。
在核電廠設計中，水下密封門為核安全相關物項，門的密封件是密封性能的關鍵部件，在門處于關閉位置時，通過對密封件內部空腔進行充氣，使密封件漲大壓緊外圍壓板，從而實現門的密封，密封門所在介質為含硼水，水中硼含量為 2000 至 2500ppm，介質 PH 值（250℃）為4.7至5.5。 密封門處于關閉狀態時，門兩側存在較大水壓差，一側無水、一側正常水位時，水位高差達 6.5m，因此密封件材料即要有良好的彈性，又需要良好的韌性，通常選用丁苯橡膠材料。

二：密封件在系統設計中的應用
核電廠設計中，密封件在工藝流體系統中的應用最為廣泛，流體系統中的管道法蘭普遍為按標準設計的法蘭，管道法蘭執行標準主要以ASME系列為主，如ASME B16.5、ASME B16.47等，標準法蘭間的密封墊片的設計是與法蘭結構相匹配，合理選用法蘭間密封件對保持工藝流體系統正常安全運行起著重要作用。
管路法蘭用密封墊片的選用與法蘭所在流體系統的介質、設計溫度、設計壓力密切相關。目前核電廠中，管道法蘭尺寸范圍為：1/2”～38”（DN15～DN950），法蘭等級范圍為：Class150~2500；核電廠核島工藝系統設計溫度范圍為：15℃～343℃；設計壓力范圍為：0.1MPa～20.3MPa；主要流體介質包括：反應堆冷卻劑、含硼水、蒸汽、冷卻水、除鹽水、30%氫氧化鈉溶液、7%硝酸溶液、氧氣、氮氣、柴油等。
工藝系統管道法蘭用密封墊片的種類主要包括：金屬石墨密封墊片、帶內外加強環的柔性纏繞式墊片、非金屬平墊片。
1.金屬石墨墊片的應用
在核安全重要管路系統中主要選用金屬石墨墊片，墊片主要特點是“金屬-碰-金屬”密封概念的應用，墊片由內外金屬環和石墨環組成，內外金屬環在墊片密封中起到不同的作用，石墨環作為墊片的密封環。 這種密封結構能夠確保墊片處于密封狀態下，始終保持墊片金屬環與法蘭密封面的充分接觸，從而確保了石墨密封環工作應力的恒定；另外，金屬-碰-金屬的密封結構也可有效降低外加彎矩、溫度和壓力波動對密封面的不利作用。
金屬石墨墊片中的密封環為高純膨化石墨板壓縮而成，高純石墨環具有得天獨厚的耐輻照性能，金屬限制環選用耐腐蝕性良好的奧氏體不銹鋼材料，主要材料牌號為316L。金屬石墨墊片目前應用的尺寸范圍為1/2”～24”（DN15~DN600），適用于依據ASME B16.5制作的各等級標準法蘭。金屬石墨墊片對法蘭密封面的要求為突面法蘭（Raised Face），為保證墊片密封性，法蘭密封面粗糙度應不大于3.2μm。金屬石墨墊片良好的密封性能見表1。
2.帶內外加強環的柔性纏繞式墊片
在核電廠工藝流體系統中也大量使用帶內外加強環的柔性纏繞式墊片，柔性纏繞式墊片的結構尺寸符合標準ASME B16.20的要求，墊片內外環和金屬帶選用奧氏體不銹鋼板/帶、填充帶為純石墨。 柔性纏繞式墊片在機械和化工等行業廣為使用，核電廠中使用的柔性纏繞式墊片對石墨帶有著不同于其他工業行業的要求，詳見表2。
3.非金屬平墊片
在核電廠的水系統，特別是海水系統，由于系統管道直徑較大，且系統管路中使用的法蘭為大直徑、密封面為平面（Flat Face）的法蘭，為保證系統管路的良好密封性，設計用使用了100%膨體聚四氟乙烯（e-PTFE）非金屬平墊片，根據PTFE墊片的材料特點：100%多向拉伸膨體聚四氟乙烯，墊片具有良好的耐化學腐蝕特性，墊片的主要性能見表3。

三：密封件在設備部件中的應用
用于承壓設備上的法蘭密封件，墊片結構多數為按設計圖紙加工的非標或異形尺寸，墊片材料主要包括：三元乙丙橡膠、非石棉、聚乙烯等材料，承壓設備所用墊片主要應用于設備人孔等法蘭連接處。核電廠核心設備反應堆壓力容器上使用的金屬 C 型圈密封件，金屬密封件特點為：線密封結構、墊片強度高、泄漏率低，為保證金屬密封件密封性能的實現，要求密封面有很好的加工精度，密封面的加工表面粗糙度Ra控制在0.8～1.6μm之間。

總結
密封件作為工藝系統管路附件，在核電廠一、二回路以及輔助工藝系統中廣為應用，密封件的設計和選用確保了核電廠構筑物、系統和部件具有高密封性，密封件作為單次使用的更替件，要求密封件的制造具備高均一性， 密封件作為承壓邊界的薄弱環節，需要確保其在任何情況下保持安全可靠的性能。上述密封件在核電行業得到了廣泛的運用，并取得了優異的使用業績和經驗反饋。 高效可靠的密封設計概念在核電廠設計中被廣泛應用。

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