核電閥門密封材料研究與填料的結構設計

鄧永剛+楊存麗

中圖分類號：TB42 文獻標識：A 文章編號：1674-1145（2016）07-000-02

摘 要 本文采用一種適應高溫探冷能耐化學腐蝕、高純度、高強度、并且與核電累計輻射照劑量要求相符合的非金屬密封材料柔性石墨作為核電閥門密封材料，對石墨填料的物理機械性能和化學元素進行分析和探討，從而能夠選出充分適用核電閥門密封的適用規范的核電閥門密封材料。通過新穎的結構設計使核電閥門中石墨填料的密封性能獲得極大地提升；將一種在核電廠閥門中適用的密封材料開發出來，分析其優異的表現。

關鍵詞 核電閥門 密封材料 結構設計

在核電廠中配套設備閥門屬于一種具有較多使用數量的設備，其是確保核電站能夠實現安全穩定運行的關鍵部件之一。配套設備閥門承載著核電廠全部的系統管控和能量轉換，比如管路的介質的接通或切斷、熱能的輸出或輸入、循環系統的流量控制、堆芯溫度的調節等各項功能，核電站閥門與普通閥門相比在性能方面具有較高的要求，必須要具備全天候運行的可靠性、高壓高溫環境下的穩定性以及使用過程中的安全性等性能。

一、石墨材料的性能分析

作為一種六角平面網狀結構的晶體，石墨的化學穩定性非常好，而且不會受到任何有機溶劑、強堿和強酸的腐蝕作用。因為石墨的耐β射線、α射線、γ射線性能非常好，再加上具有較小的熱中子截面，所以屬于目前唯一的可供選擇的核反應堆慢化材料。石墨材料能夠作為核反應堆的防核輻射外殼和減速劑，在核能工業領域和國防領域中屬于重要的材料。目前在在密封行業中柔性石墨屬于應用最為廣泛的一種材料，其能夠適用于-200℃～600℃的溫度范圍，具有高溫不分解、不變形、不軟化、時效不老化以及低溫不脆化等一系列的性能，而且具有良好的潤滑性能和便于加工成形的可塑性。如果選擇石墨材料作為固體潤滑劑，那么與脂類相比，其在任何溫度條件下都具有要低的摩擦系數，所以能夠充分地適應閥桿的頻繁動作的摩擦系數要求。在進行液體和氣體密封的時候石墨材料的抗滲透性也非常好。

二、石墨材料填料結構的設計分析

（一）組合填料兩端的刮垢環：其主要作用就是避免密封主件在介質壓強過高的情況下被沖刷破壞；具備傳遞軸向預緊力以及均勻找平的作用；要盡可能的在兩端環的接觸面上將一定的粗糙度制作出來，這樣閥桿在進行運動的時候就可以保證表面的清潔性和光滑性。現在常用的制作刮垢環的材料主要包括石墨外包金屬絲、金屬絲內增強石墨以及碳纖維材料等各種材料，然而這些端環在實際的運用中都存在著一定的缺陷。高純柔性石墨外織鎳絲網編織盤根環屬于一種新型的端環，其可以對石墨的高壓縮率、柔軟性等進行充分地利用，并且結合鎳絲網的高彈性和綿韌性，使得產品的物理機械性能獲得極大的提升。采用這種材料制成的刮垢環不需要添加任何復合用粘膠和增強纖維，因此能夠使石墨環的低燒失、高碳量和高純度得到保證。

（二）密封的主體就是填料組中間部分。可以以閥門填料函的設計深度為根據對石墨環可配放的個數進行計算。作為一種接觸式嵌合密封，填料密封的最為主要的要求就是自身容易出現形變，從而在閥桿外表面或者填料函內壁嵌合進去。填料密封的主要原理就是將預緊力施加在軸向，從而迫使徑向變形，對閥門填料函和閥桿的交接面起到充盈作用，并且對介質的流出起到阻斷作用，從而對閥桿進行密封。

（三）應用在核電閥門上的一種填料組。其采用了仿彈性蝶形形式的設計方式，將其中的兩刮垢環與刮垢環的接合處設計成為一種上凹下凸的形狀，在將預緊力施加給填料組的時候，填料兩端具有正好相反的承壓力方向，整個填料組呈現出N字形的受力方式。填料形變區在預緊過程中可以對部分屈服勢能進行積聚，如果閥門在運動時沒有形成充足的磨耗或壓蓋預緊力，在這種情況下就會釋放積聚存儲的勢能，從而對運行中填料出現的損耗進行補償。填料組的形變在介質壓力出現熱振蕩或者波動的時候就會出現相應的變換，從而充分地滿足了閥門填料遇弱施弱、遇強則強的密封要求。

（四）一般只有在填料軸面的三分之一的部位產生N 字形擰變所用預緊力，同時會出現成倍增加的壓力傳遞效力，填料組間也會出現最高的壓力傳遞效力。采用這種設計的方式使得填料密封傳統設計中的利用徑向延伸變形和軸向壓緊的思維得以改變，變成了一種徑向鍥入式填充到填料函內側、軸向壓緊的方式，而且還可以收縮抱緊閥桿外壁，對填料密封的設計理念進行了創新。

（五）立足于界面形式設計進行分析，還需要在環與環之間將空腔設計出來。要在低扭矩螺栓預緊下，對填料的徑向移位進行有選擇性的控制，從而確保每個環在填料組中都可以受到傳遞均勻的預緊力的作用，而且每個單環都要具有一致的徑向變形量。閥桿同填料交接面必須要實現嵌合的充分性，這樣就能夠避免介質向外穿透，并且進一步確保密封的可靠性。在具體的安裝過程中通常是使石墨填料組的凸面正對著介質，這樣一旦介質壓力在閥內出現變化，這時候首先利用刮垢端環在墨環與兩刮垢環結合的部位的凸頂上產生作用。因為凸頂與閥桿靠近，所以在內壓越大的情況下就會產生越大的填料變形，而且其密封也會具有更高的可靠性。

（六）組合填料的密度除了會對軸向壓力的大小產生決定作用，而且還對壓縮率和回彈率的關系的產生極大影響，一般來說材料的回彈率和壓縮率在恒定的壓力下具有反比例的關系，也就是說具有越大的壓縮率，就會具有越小的回彈率。

三、驗證蝶形核級填料組的熱循環

采用蝶形填料組、V形填料組、錐形填料組和平環填料組等進行實驗驗證，驗證蝶形核級填料組的熱循環的結果表明，閥門的預緊力、閥桿阻力和泄漏值等受到了填料結構設計的較大影響[4]。越容易的徑向變形就會導致越少的介質泄露，并且會進一步地降低閥桿的阻力。比如平環填料組本身具有不合理的結構，因此在徑向變形的時候非常困難，除了需要通過增加預緊次數的方式來增加預緊力，從而希望實現較好的徑向變形，然而直到最后還是出現了密封失敗的問題。而蝶形核級填料組則具有比較容易的變形，而且徑向能夠最充分地接觸閥桿表面，其具有非常好的密封效果。

四、結語

目前選擇高品相、大鱗片的天然晶質石墨制作的一種柔性石墨板具有大幅度提升的物理性能，而且完全符合核電站運行安全要求。通過鎳絲套編高純柔性石墨制作閥門填料兩端的刮垢環，與其他材料相比，在安全系數、高溫燒失、承壓能力和磨耗時效等各個方面均具有更好的性能。新穎的仿蝶形結構設計可以確保填料組在壓蓋的預緊力作用下出現N 形擰變，并且使閥桿同石墨填料的交界面和填料函內壁實現充分的嵌合，極大地提升了徑向的有效密封接觸面積。

參考文獻：

[1] 陳橋，周建軍，李鳳遠，王助鋒.壓緊環唇形密封圈優化設計研究[J].液壓氣動與密封，2015（03）..

[2] 雷曉娟.O型橡膠密封圈的失效分析及預防[J].特種橡膠制品，2015（03）.

[3] 廖傳軍，滿滿，王洪銳，張翼，許光.閥門動密封的常用結構、材料及特性[J].液壓與氣動，2014（05）.