核电阀门密封材料研究与填料的结构设计

邓永刚+杨存丽

中图分类号：TB42 文献标识：A 文章编号：1674-1145（2016）07-000-02

摘 要 本文采用一种适应高温探冷能耐化学腐蚀、高纯度、高强度、并且与核电累计辐射照剂量要求相符合的非金属密封材料柔性石墨作为核电阀门密封材料，对石墨填料的物理机械性能和化学元素进行分析和探讨，从而能够选出充分适用核电阀门密封的适用规范的核电阀门密封材料。通过新颖的结构设计使核电阀门中石墨填料的密封性能获得极大地提升；将一种在核电厂阀门中适用的密封材料开发出来，分析其优异的表现。

关键词 核电阀门 密封材料 结构设计

在核电厂中配套设备阀门属于一种具有较多使用数量的设备，其是确保核电站能够实现安全稳定运行的关键部件之一。配套设备阀门承载着核电厂全部的系统管控和能量转换，比如管路的介质的接通或切断、热能的输出或输入、循环系统的流量控制、堆芯温度的调节等各项功能，核电站阀门与普通阀门相比在性能方面具有较高的要求，必须要具备全天候运行的可靠性、高压高温环境下的稳定性以及使用过程中的安全性等性能。

一、石墨材料的性能分析

作为一种六角平面网状结构的晶体，石墨的化学稳定性非常好，而且不会受到任何有机溶剂、强碱和强酸的腐蚀作用。因为石墨的耐β射线、α射线、γ射线性能非常好，再加上具有较小的热中子截面，所以属于目前唯一的可供选择的核反应堆慢化材料。石墨材料能够作为核反应堆的防核辐射外壳和减速剂，在核能工业领域和国防领域中属于重要的材料。目前在在密封行业中柔性石墨属于应用最为广泛的一种材料，其能够适用于-200℃～600℃的温度范围，具有高温不分解、不变形、不软化、时效不老化以及低温不脆化等一系列的性能，而且具有良好的润滑性能和便于加工成形的可塑性。如果选择石墨材料作为固体润滑剂，那么与脂类相比，其在任何温度条件下都具有要低的摩擦系数，所以能够充分地适应阀杆的频繁动作的摩擦系数要求。在进行液体和气体密封的时候石墨材料的抗渗透性也非常好。

二、石墨材料填料结构的设计分析

（一）组合填料两端的刮垢环：其主要作用就是避免密封主件在介质压强过高的情况下被冲刷破坏；具备传递轴向预紧力以及均匀找平的作用；要尽可能的在两端环的接触面上将一定的粗糙度制作出来，这样阀杆在进行运动的时候就可以保证表面的清洁性和光滑性。现在常用的制作刮垢环的材料主要包括石墨外包金属丝、金属丝内增强石墨以及碳纤维材料等各种材料，然而这些端环在实际的运用中都存在着一定的缺陷。高纯柔性石墨外织镍丝网编织盘根环属于一种新型的端环，其可以对石墨的高压缩率、柔软性等进行充分地利用，并且结合镍丝网的高弹性和绵韧性，使得产品的物理机械性能获得极大的提升。采用这种材料制成的刮垢环不需要添加任何复合用粘胶和增强纤维，因此能够使石墨环的低烧失、高碳量和高纯度得到保证。

（二）密封的主体就是填料组中间部分。可以以阀门填料函的设计深度为根据对石墨环可配放的个数进行计算。作为一种接触式嵌合密封，填料密封的最为主要的要求就是自身容易出现形变，从而在阀杆外表面或者填料函内壁嵌合进去。填料密封的主要原理就是将预紧力施加在轴向，从而迫使径向变形，对阀门填料函和阀杆的交接面起到充盈作用，并且对介质的流出起到阻断作用，从而对阀杆进行密封。

（三）应用在核电阀门上的一种填料组。其采用了仿弹性蝶形形式的设计方式，将其中的两刮垢环与刮垢环的接合处设计成为一种上凹下凸的形状，在将预紧力施加给填料组的时候，填料两端具有正好相反的承压力方向，整个填料组呈现出N字形的受力方式。填料形变区在预紧过程中可以对部分屈服势能进行积聚，如果阀门在运动时没有形成充足的磨耗或压盖预紧力，在这种情况下就会释放积聚存储的势能，从而对运行中填料出现的损耗进行补偿。填料组的形变在介质压力出现热振荡或者波动的时候就会出现相应的变换，从而充分地满足了阀门填料遇弱施弱、遇强则强的密封要求。

（四）一般只有在填料轴面的三分之一的部位产生N 字形拧变所用预紧力，同时会出现成倍增加的压力传递效力，填料组间也会出现最高的压力传递效力。采用这种设计的方式使得填料密封传统设计中的利用径向延伸变形和轴向压紧的思维得以改变，变成了一种径向锲入式填充到填料函内侧、轴向压紧的方式，而且还可以收缩抱紧阀杆外壁，对填料密封的设计理念进行了创新。

（五）立足于界面形式设计进行分析，还需要在环与环之间将空腔设计出来。要在低扭矩螺栓预紧下，对填料的径向移位进行有选择性的控制，从而确保每个环在填料组中都可以受到传递均匀的预紧力的作用，而且每个单环都要具有一致的径向变形量。阀杆同填料交接面必须要实现嵌合的充分性，这样就能够避免介质向外穿透，并且进一步确保密封的可靠性。在具体的安装过程中通常是使石墨填料组的凸面正对着介质，这样一旦介质压力在阀内出现变化，这时候首先利用刮垢端环在墨环与两刮垢环结合的部位的凸顶上产生作用。因为凸顶与阀杆靠近，所以在内压越大的情况下就会产生越大的填料变形，而且其密封也会具有更高的可靠性。

（六）组合填料的密度除了会对轴向压力的大小产生决定作用，而且还对压缩率和回弹率的关系的产生极大影响，一般来说材料的回弹率和压缩率在恒定的压力下具有反比例的关系，也就是说具有越大的压缩率，就会具有越小的回弹率。

三、验证蝶形核级填料组的热循环

采用蝶形填料组、V形填料组、锥形填料组和平环填料组等进行实验验证，验证蝶形核级填料组的热循环的结果表明，阀门的预紧力、阀杆阻力和泄漏值等受到了填料结构设计的较大影响[4]。越容易的径向变形就会导致越少的介质泄露，并且会进一步地降低阀杆的阻力。比如平环填料组本身具有不合理的结构，因此在径向变形的时候非常困难，除了需要通过增加预紧次数的方式来增加预紧力，从而希望实现较好的径向变形，然而直到最后还是出现了密封失败的问题。而蝶形核级填料组则具有比较容易的变形，而且径向能够最充分地接触阀杆表面，其具有非常好的密封效果。

四、结语

目前选择高品相、大鳞片的天然晶质石墨制作的一种柔性石墨板具有大幅度提升的物理性能，而且完全符合核电站运行安全要求。通过镍丝套编高纯柔性石墨制作阀门填料两端的刮垢环，与其他材料相比，在安全系数、高温烧失、承压能力和磨耗时效等各个方面均具有更好的性能。新颖的仿蝶形结构设计可以确保填料组在压盖的预紧力作用下出现N 形拧变，并且使阀杆同石墨填料的交界面和填料函内壁实现充分的嵌合，极大地提升了径向的有效密封接触面积。

参考文献：

[1] 陈桥，周建军，李凤远，王助锋.压紧环唇形密封圈优化设计研究[J].液压气动与密封，2015（03）..

[2] 雷晓娟.O型橡胶密封圈的失效分析及预防[J].特种橡胶制品，2015（03）.

[3] 廖传军，满满，王洪锐，张翼，许光.阀门动密封的常用结构、材料及特性[J].液压与气动，2014（05）.