非能動AP1000安注箱的密封設計

姚兆禎，張麗艷，李　輝，王秉熙

（上海核工程研究設計院，上海 200233）

非能動AP1000安注箱的密封設計

姚兆禎，張麗艷，李輝，王秉熙

（上海核工程研究設計院，上海 200233）

泄漏引起的容器失效是承壓設備行業最大的安全隱患，而設備密封設計的好壞是避免發生泄漏的首要因素。文章首先對AP1000安注箱的密封結構和設計特點進行介紹，然后使用規范設計與基于最大允許泄漏率的緊密性的聯合設計方法，來驗證AP1000安注箱的密封設計，但產品的實際密封性能還需試驗考核驗證。

AP1000；安注箱；密封設計

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。設備一旦發生泄漏將直接關系到環境生態與人身安全。造成泄漏的原因主要有兩方面：一是由于機械產品表面存在各種缺陷、形狀以及尺寸誤差，在機械零件連接處產生間隙。二是密封兩側存在壓力差，工作介質貫通間隙。在壓力容器中，接頭泄漏被視為失效模式之一而需建立設計準則加以考慮。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］。

由于工藝過程復雜、機械設備運行條件苛刻，生產系統或裝置的安全性、可靠性與經濟性，很大程度取決于密封的有效性［2］。密封分為多種形式，常見的密封有機械密封、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、設備與管道法蘭配合面間經常使用，它通過在密封面上墊上墊片并擰緊螺栓使墊片產生彈塑性變形，填塞密封面的間隙以達到密封目的。

1　AP1000安注箱的密封結構

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

AP1000安注箱是一個球形儲罐［3］，它的密封結構主要指位于球殼中部，方向朝下的人孔，其密封結構采用“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-平面的密封結構。拉伸螺栓使用專用的拉伸機設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，減少操作時間。

圖1　AP1000安注箱人孔密封結構Fig.1　Manhole sealing structure of AP1000 accumulator tank

AP1000安注箱密封結構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，墊片不會被擠出壓緊面，少受介質沖刷與腐蝕。這種結構使墊片易于安裝對中，墊片受力均勻、密封可靠，也方便更換，適用于在輻射環境下的核島設備。在螺栓預緊后，蓋板（襯墊）與凹槽金屬表面發生金屬與金屬接觸（Metal to Metal）。這種結構的特點是將纏繞墊片壓縮到預定的厚度后，繼續追加螺栓載荷直到發生金屬接觸，當發生介質壓力與溫度波動后，墊片上的密封載荷不發生改變，保持在最佳泄漏控制狀態，同時螺栓不承受循環載荷，減少疲勞或松脫的危險，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纏繞墊片的基本結構型（R型），在金屬芯軸外圍纏繞預成型的金屬帶和填料制成。墊片的內/外徑用幾層不含填料金屬帶增強，可提供更大和更好的穩定性和壓縮性。

2　AP1000安注箱的密封設計

2.1規范設計

AP1000安注箱為安全三級設備（Class 3vessel），按ASME規范第Ⅲ卷及附錄的方法［4］進行螺栓聯接件的設計計算，它也是國內外壓力容器規范的墊片法蘭接頭最通用的設計方法。

根據設備的工況，其人孔密封結構承受工作介質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有足夠的預緊力和均勻的載荷，防止受載后人孔與蓋板（襯墊）的相對滑移使墊片無法貼合密封面而失效。

設計工況下的螺栓載荷為：

預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——根據墊片材料與厚度獲得的墊片系數與最小設計壓緊應力；

b——有效墊片壓緊寬度；

P——設計壓力；

Sa， Sb——螺栓材料在常溫與設計溫度下的許用應力。

根據上述方法，得到AP1000安注箱人孔密封系統螺栓所受載荷、需要與實際面積，詳見表1所示。

表1　AP1000安注箱人孔密封結構的規范設計Table 1　Standard design of the manhole sealing structure of AP1000 accumulator tank

2.2基于緊密性的密封設計

ASME規范所推薦的“具有環形墊片的螺栓法蘭連接的計算規則”沒有涉及接頭的泄漏率或密封度要求，而是通過限制法蘭應力來滿足法蘭剛度要求。規則只考慮所設計的螺栓墊片法蘭接頭在結構上能否保證安全，不能保證接頭能否達到緊密不漏，規范中的m和y系數只是用來確定墊片安裝和操作狀態下需要的建議值，沒有經過試驗驗證［5］。因此，規則沒有將法蘭設計的兩個控制目標——完整性和密封性統一起來。

基于緊密性的螺栓法蘭連接設計方法雖然在法蘭彈性應力分析和評定上基本保持不變，但對螺栓載荷的計算方法作了全新的修改，包括如下內容：

1）使用接頭密封度作為設計準則；

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

3）對法蘭剛度提出要求；

4）考慮作用在螺栓法蘭連接上的外力和外力矩；

5）修改螺栓設計面積和設計螺栓操作載荷定義。

下面對AP1000安注箱的密封結構按該方法由選定的緊密度等級、設計壓力確定最低緊密度，并利用典型的墊片常數求出預緊和操作工況下達到設計緊密度要求的墊片應力，由此計算螺栓載荷，計算結果詳見表2所示。

根據計算結果，AP1000安注箱的密封設計在緊密T3和嚴密T4密封度之間。

3　結束語

大多數情況下，規范對法蘭接頭的標準設計經過長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驗或有限的試驗數據。實際上，墊片應力在法蘭密封面上的分布是不均勻的［2］，對設備的密封設計是一個考驗。使用數值模擬方法可在一定程度上解決上述問題，但產品的實際密封性能最終還需由試驗來考核驗證。

表2　AP1000安注箱人孔密封結構的緊密性方法設計Table 2　Tightness design of the manhole sealing structure of the AP1000 accumulator tank

［1］ 付平，常德功. 密封設計手冊［M］. 北京：化學工業出版社，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. 過程裝備密封技術［M］. 北京：化學工業出版社，2006.（CAI Ren-liang， GU Bo-qin， SONG Peng-Yun. Process Equipment Sealing Techniques［M］. Beijing： Chemical Industry Press， 2006. ）

［3］ 林誠格. 非能動安全先進核電廠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范設計新方法［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，從事核承壓設備設計方面的工作。