压水堆压力容器水位测量管泄漏原因分析

杜 凯，李 熠，陈红卫，邓艳超，郭 亮

（中核核电运行管理有限公司，浙江嘉兴 314300）

0 引言

反应堆压力容器顶盖上引出来的水位测量管接到反应堆压力容器水位测量系统，在每次大修期间均需进行拆装作业，水位测量管连接处密封为一回路压力边界密封。

1 水位测量管密封泄漏事故

2016 年11 月24 日，某电厂大修压力容器关盖期间，工作人员实施安装水位测量管工作，最终安装力矩60 N·m，测量相关安装尺寸，符合技术规范要求，后续分别在一回路压力为2.5 MPa 及7 MPa 时进行了查漏检查，未发现泄漏。

11 月30 日，工作人员发现水位测量管压力容器侧法兰泄漏，此时一回路压力15.5 MPa。校验泄漏位置的法兰螺栓力矩为60 N·m，复测安装尺寸，测量结果满足技术规范要求。检查水位测量管法兰密封面，发现密封面光滑完好，未发现异常缺陷。检查拆卸下的金属石墨垫片有贯穿性伤痕，如图1 所示。

后续工作人员更换新的金属石墨垫片，将螺栓紧固力矩由60 N·m 加大到75 N·m，并更换新的法兰连接螺栓，一回路压力升至15.5 MPa，未发现泄漏。

2 泄漏原因分析

2.1 金属石墨垫片特性

2.1.1 结构介绍

水位测量管所用垫片为金属石墨垫片，其结构密度可依据不同的锁紧力要求来制作，并利用内外钢环来控制其最大压紧度，特别适用于负荷不均匀、接合力易松弛，温度与压力周期性变化、有冲击或振动场合。

图1 拆卸下的金属石墨垫片

2.1.2 金属石墨垫片安装要求及密封原理

金属石墨垫片在安装时，随着连接螺栓逐渐旋紧，压缩垫片密封环最先接触法兰密封面，然后石墨垫片密封环继续被压缩，外环与法兰密封面间开始形成金属与金属接触状态（Metal to Metal Contact Type，MMC）。达到MMC 状态后，螺栓预紧力进一步增大时，由于垫片外环的限制，垫片密封环的压缩量几乎维护不变，继续增大的预紧力主要由垫片的金属外环承担。在后续工况中由于现场工况原因产生的螺栓载荷波动仅引起MMC 承担的那部分载荷变化，从而保证石墨密封环压力保持为恒定。

2.1.3 金属石墨垫片压缩回弹试验

金属石墨垫片出厂需进行压缩回弹试验，压缩回弹试验是指垫片压缩应力与垫片压缩形变量之间的关系，当金属石墨垫片被法兰持续压缩时，开始阶段内的压缩曲线斜率较为平缓，后续垫片压缩量逐渐减小，斜率逐渐增大，而当法兰与垫片外金属外环发生接触后，垫片压缩曲线的斜率出现“拐点”，斜率迅速增大，这个点叫做垫片的MMC 点，MMC 点以下部分的曲线才真实反映垫片密封环的压缩回弹性能。MMC 点以上部分，此时金属与金属接触，再增加载荷用以补偿由内部压力、外部载荷等引起的垫片密封载荷的减小，实现法兰接头的可靠密封。

2.2 垫片泄漏分析

根据金属石墨垫片结构及安装特性分析，可以得出，若保证金属石墨垫片密封，必要保证在任何工况下，螺栓载荷波动仅主要引起MMC 承担的那部分载荷的变化，从而可以保证垫片密封环承担的载荷或垫片压紧应力保持为一个相对恒定的值。

根据上述描述，金属石墨垫片欲保证密封，垫片所受载荷保持为一个相对恒定的值，而此值必须大于压缩回弹曲线的MMC点的垫片压缩应力载荷+管道内部压力。

在不考虑螺栓力矩损失、法兰偏角、温度为常温情况、现场无振动等理想状态情况下，法兰密封面刚接触垫片外环，计算密封垫片所需的最小力。

设F总为垫片所受载荷、F1为垫片密封管道压力、F2为压缩垫片石墨环密封至MMC 点的最小力，可以得出F总=F1+F2，F1=P压强S=15.5π（d2/2）2，其中，P 压强为管道压力，正常运行期间取15.5 MPa，S 为密封面积，S=π（d2/2）2，d2为密封垫片的密封环内径，数值为23 mm。F1数值由试验数据获得。选取7 片同一批次垫片进行压缩回弹试验，试验数据见表1。

表1 垫片压缩回弹数据

以D5 号垫片为例，计算F总=F1+F2=6436.6075+24 030=30 466.6075 N，在不考虑螺栓垫片及温度影响下，根据理论计算螺栓紧固力矩T=（F总dK）/（n1000），其中，d 为紧固螺栓直径，水位测量管螺栓为M20，d=20 mm，K 为扭矩系数，取0.2，n 为螺栓数量，n=4。计算可得T=30.5 N·m。计算7 个垫片紧固力矩，结果见表2。

表2 垫片理论计算力矩

上述计算未考虑高温对垫片、螺栓等因素、螺栓对紧固力矩的影响，且MMC 取值按照理论取得最小值，未考虑因受到法兰接头内外载荷或现场振动影响而产生的螺栓载荷波动。

（1）高温对垫片的影响。根据MMC 密封结构的介绍，在MMC 建立以后，密封垫片外环与法兰密封面接触，在升温过程中，密封垫片外环受热膨胀，撑开两侧的法兰密封面，进而对密封环起到卸载作用。据研究表明“在法兰偏转角基本不变且MMC 存在的情况下，垫片外金属环的轴向热膨胀作为主要因素导致了垫片应力一定幅度的减小，即导致垫片产生了一定的轴向回弹量。当温度从20 ℃常温升高到500 ℃时，厚度为8 mm的垫片不锈钢外金属环因热膨胀厚度增加了约0.08 mm。对照垫片压缩回弹曲线可以发现，0.08 mm 的卸载量引起的垫片应力损失约10 MPa”。

（2）高温对螺栓的影响。根据研究表明不同介质温度情况下螺栓紧固力在垫片密封环及外金属环上的分配情况。随着介质温度的升高，垫片外金属环上的作用力仅略有减小；而相对于垫片外金属环的作用反力，螺栓预紧力和垫片密封环的作用反力均有一定幅度的载荷损失，但总体而言这一幅度的载荷损失并不算大。垫片载荷损失如上文分析由垫片外环的轴向热膨胀引起，螺栓载荷的损失则由垫片载荷的损失引起。

（3）在垫片密封环及外金属环上的分配情况。由于法兰安装现场工况复杂，很多条件难以通过计算得出，厂家按照理论计算力矩的2 倍作为安装力矩，根据上述计算可以得出推荐安装力矩，见表3。

表3 垫片推荐安装力矩

垫片的推荐安装力矩波动范围（36～61）N·m，部分垫片安装力矩波动上限的61 N·m 已经超出原规程技术要求限制。

3 优化改进措施

3.1 现阶段采取的措施

（1）优化维修规程中法兰螺栓紧固力矩值，由60 N·m 修改为75 N·m。

（2）安装前，采用清洗剂清理检查法兰密封面，确保法兰密封面无贯穿性划痕、腐蚀、凹坑等缺陷，且密封面无异物。

（3）安装前，核对备件垫片尺寸。

（4）安装时，对螺栓螺纹部分均匀涂抹防咬剂。

（5）设计制作垫片安装辅助专用工具，确保垫片安装到位。

3.2 后续可考虑的措施

（1）优化法兰结构，由平面法兰改为凹凸法兰。

（2）优化水位测量管材料，将其改为金属波纹管。

（3）增加固定支架。

4 结论

金属石墨垫片密封的关键在于MMC 状态建立后，增大力矩保证垫片密封环承担的载荷。而密封泄漏的发生主要由于垫片压缩应力波动过大、垫片内外环厚度偏差，此外，密封面清洁、螺栓力矩、法兰结构等因素也会影响密封效果。通过现阶段的各项措施的落实，基本可以避免泄漏再次发生，同时，可以通过优化法兰结构、材料等方式进一步巩固实施效果。