反应堆一回路法兰密封失效原因分析及改进

黄秀宽，杨 彤，宁 波

（中国原子能科学研究院，北京 102413）

0 引言

在某反应堆调试阶段，对堆本体检修中发现有橡胶残片，判断为一回路法兰丁腈橡胶密封垫部分脱落，可能会造成燃料元件表面冷却剂流道阻塞，威胁反应堆安全。2014年12月至2015年1月，在反应堆停堆工况下检查发现一回路主换热器A出口止回阀V02A入口侧法兰（榫槽型）密封渗漏，主换热器B出口止回阀V02B入口侧法兰（榫槽型）密封垫边缘部分外露，更换新密封垫后无法消除密封垫边缘外露现象。经原因分析，主要是管道安装存在缺陷，配对法兰密封面不平行和不同心，导致丁腈橡胶密封垫受力不均，过度压缩部位被挤出，极易造成介质泄漏。为解决该问题，经调研和专家审定，对密封垫材料进行了变更，用柔性石墨金属波齿复合垫替代原丁腈橡胶密封垫。2015年3月共更换4个止回阀（V02A，V02B，V02C和V02D）的进出口8对榫槽型法兰密封垫，经1年多的运行未发生泄漏和边缘挤出现象。

2016年1月，在反应堆功率下降至10 MW并准备停堆过程中，发生了一回路1台电动阀入口法兰丁腈橡胶密封垫破损导致主冷却剂泄漏事件。为此，决定对反应堆一回路所有法兰密封进行拆卸检查，并提出全面解决方案。

1 法兰密封垫拆卸检查及分析

1.1 法兰及密封垫类型

反应堆一回路管道与设备连接法兰有榫槽型和平面型2种型式，按原设计均采用丁腈橡胶垫密封（2015年3月已将其中8个榫槽型法兰的丁腈橡胶密封垫，更换成柔性石墨金属波齿复合垫）。

1.2 管道及法兰安装缺陷

拆卸法兰密封垫后发现，配对法兰普遍存在不同程度的密封面不平行、不同心（径向偏差）及开口间隙过大现象。部分法兰径向偏差和开口间隙实测数据如表1。

平行度方面，核二级管道安装技术条件规定：“法兰连接时应保持平行，偏差小于法兰外径的1.5‰，不得用强紧螺栓的方法消除歪斜。”依此规定，该反应堆一回路法兰安装平行度偏差应＜0.6 mm，而实际测量值大部分超过此标准。

上述缺陷与管道安装焊接质量有关，鉴于工艺及空间等实际因素限制不便进行修正，故需从密封垫改进方面寻求解决办法。

表1 一回路法兰安装偏差测量记录（部分） mm

1.3 密封垫破损及原因分析

1.3.1 榫槽型法兰密封垫破损情况及原因分析

一些密封垫局部周向撕裂，完整性遭到破坏（图1），此情况发生在榫槽型密封垫上。这类密封垫具有内径大、宽度窄、厚度薄的特点，经分析造成密封垫撕裂有3个原因。

（1）由于配对法兰不平行、不同心的影响，榫面对密封垫产生不均匀的挤压甚至扭曲。

（2）一回路温度变化导致管道频繁伸缩，对密封垫反复动态挤压，造成丁腈橡胶材料疲劳损伤。

（3）密封垫内圈受挤压变形，内径缩小，边缘进入管道，高速流动的冷却剂冲击导致密封垫破损。

图1 榫槽型法兰密封垫撕裂部分

1.3.2 平面型法兰密封垫破损情况及原因分析

平面型法兰密封垫宽度 60～80 mm，厚度 3.2 mm，相对于榫槽型法兰密封垫而言，由于能承受更大的螺栓预紧力，未发现有周向撕裂现象。但由于平面型法兰缺乏对密封垫的限位，且需要更大的螺栓预紧力，在管道频繁伸缩和振动的影响下，其中1台电动阀入口与管道连接法兰的密封垫发生位移并滑脱，造成主冷却剂泄漏事件，该密封垫最终在冷却剂冲击下折断（图2）。另外，从压痕观察密封垫与法兰密封面存在不同程度的偏心情况（密封垫安装时定位偏离法兰密封面中心所致），偏心导致密封垫内圈边缘部分进入管道，存在长期受冷却剂冲击而损伤脱落的可能。

图2 折断的平面型法兰密封垫

2 密封垫改进方案

2.1 垫片性能对密封的影响

适宜的垫片变形和回弹力是形成密封的必要条件。垫片的变形包括弹性变形和塑性变形。而垫片材料是影响垫片性能的主要因素，若材料具有良好的弹性和塑性，就能在静态和动态下很好地与密封面吻合，保证良好的密封效果。

2.2 采用柔性石墨金属波齿复合垫

柔性石墨金属波齿复合垫具有齿形金属密封和非金属石墨膨胀密封的双重作用，不仅具有良好的可塑性和填充性，又具有金属的强度和波纹板的弹性，密封性能优良。此外，与丁腈橡胶垫片相比，金属和石墨还具有耐老化的优势，不会因长期与密封面接触而发生粘合现象，使用与安装也更方便。鉴于2015年3月更换的8个柔性石墨金属波齿复合垫在一回路1年多的成功应用，决定将系统中的榫槽型法兰密封垫全部换成该型密封垫。为防止密封垫内圈边缘受管道内冷却剂冲击损坏脱落，安装前对内圈边缘做倒角处理。

2.3 采用金属与丁腈橡胶复合密封垫

由于丁腈橡胶具有优良的物理性能，易加工，且有较高的压缩量和回弹量，同时对密封面粗糙度要求不高，故平面型法兰采用原设计的丁腈橡胶垫密封是适合的。但鉴于上述密封垫滑脱直至折断造成的主冷却剂泄漏事件，决定对密封垫结构加以改进。

金属与丁腈橡胶复合密封垫外圈为一金属环（材料为铝），由于金属环压缩量小，通过金属环厚度定位，可减小橡胶垫圈压缩的不均匀程度，避免丁腈橡胶密封垫在管道振动下产生位移，在丁腈橡胶密封垫发生破损时，金属环的支撑作用可以大大减小破口面积，降低介质泄漏速度。

将丁腈橡胶部分改进为渐变厚度的结构，可减小橡胶垫受压变形的径向伸张量。同时将密封垫内径尺寸放大2 mm，可防止丁腈橡胶内圈边缘被挤入管道，受冷却剂冲击损坏脱落而威胁反应堆安全。

3 密封垫安装

为了便于安装和降低密封垫安装质量对法兰密封效果不利的影响，设计加工了专用工具（图3），分别用于配对法兰的间隙扩张和对正调整，尽可能使配对法兰密封面趋于平行、同心地与密封垫接合。

增加螺栓预紧力可以提高垫片的密封能力，但过大的螺栓预紧力会使垫片失去弹性，甚至把垫片压坏或挤出，不能保证在工作状态下有足够的弹性。在法兰密封安装、检修施工时，“把得匀”比“把得紧”更重要，因为垫片密封面压应力不均匀会影响法兰密封效果。另外，由于配对法兰开口间隙大小不一，螺栓预紧力会不同程度地消耗在拉近法兰上，实际安装中难以控制螺栓预紧力，故采用密封垫压缩率指标。安装中平衡施加螺栓预紧力，测量配对法兰端面间隙变化，逐步将密封垫压缩率控制在合格范围内（20%～50%）。

图3 专用工具

4 密封性试验

密封垫安装完毕后进行了充水打压试验，试验压力为工作压力的1.1倍（1.2 MPa），保压过程未发生泄漏。停堆工况下反应堆一回路试运转24 h，法兰密封垫未发生泄漏。

5 密封泄漏监督措施

由于反应堆运行期间工艺间辐射剂量水平较高，不便工作人员现场巡查，故在一回路配对法兰下部间隙处设置电阻式渗漏测点，一旦法兰密封泄漏，反应堆主控室DCS就能给出报警信号。此外还安装了高清摄像头工业电视进行监视。上述措施便于反应堆操纵人员及时发现密封破损，确定泄漏部位，依据泄漏情况及时妥当处理。

6 结论与建议

该反应堆一回路法兰密封改进后，经过长期各种工况交替运行考验未发生泄漏，密封效果良好。但由于管道初始安装、焊接过程遗留的法兰密封面不平行、不同心缺陷依然存在，在同一配对法兰密封垫径向不同位置的压缩率仍存在明显差异，管道应力尚未消除。另外，对于那些安装开口间隙过大的法兰，螺栓预紧力已过多地消耗在拉近法兰上，长时间有可能造成螺栓变形伸长，导致密封垫压缩率降低。故对此类法兰密封需重点监督。

［1］李桂莉，张嘉桐，张健飞.螺栓荷载不均匀对法兰密封的影响程度［J］.石油化工设备，2013（2）:39-40.

［2］陶宁.法兰密封及垫片选型［J］.炼油技术与工程，2004（10）:39-41.