法兰连接密封有效性的预测研究

廖 路，毛艺乔，李 敏，于成波，韩 旭，吴书逸，张吉波

（中国核动力研究设计院，四川成都 610213）

0 引言

核反应堆中，由于法兰连接可靠及便于拆卸等优点[1]，使得法兰成为连接管道、阀门以及设备最广泛的方式。核反应堆一回路流动的介质具有放射性，如果发生泄漏则会导致反应堆停堆修理，影响正常的生产工作，严重时还有可能引发人员伤害以及环境污染，这就要求保证法兰连接密封的可靠性。但在法兰两次维修间隔期内，法兰连接密封是否失效或即将失效，在未发生泄漏事件时无法进行确定。因此，通过测量配对法兰的径向偏差以及不平行度进行间接预测，对法兰密封性的管理具有重要意义。

1 密封原理及失效原因分析

1.1 密封原理

法兰连接密封主要是通过垫片实现的，法兰连接通过螺栓预紧力的作用，在法兰密封面和垫片间产生一定的压力，使得垫片填充满法兰面上凹凸不平的微观间隙，从而达到密封的目的[2-3]。法兰连接的密封结构如图1 所示。

图1 法兰连接密封结构示意

1.2 失效原因分析

密封失效表现为泄漏，主要有两种形式：一是界面泄漏，二是渗透泄漏。渗透泄漏是由于垫片存在毛细管或微小缝隙，只能通过改变垫片的材料与结构形式进行避免。由于法兰与垫片接触面间尺寸发生变化，使得垫片无法填满微观间隙引发的泄漏就是界面泄漏，也是法兰连接泄漏的主要形式，实际上，保证法兰连接密封有效，就是要避免界面泄漏。本文是就已安装法兰的密封有效性进行预测研究，所以只分析法兰安装引发的密封失效的影响因素。

（1）螺栓预紧力太小，介质流过时无法压紧垫片，使得垫片无法填满接触面的微小间隙，从而引发泄漏[4-5]。

（2）预紧时，预紧力大小不一样。理论上要求法兰在压紧时，密封面保证平行，由于预紧力不一致，导致密封面不平行和不同心。图2 为法兰密封面出现不平行及不同心是的结构示意图，其中不平行用不平行度Δ 进行量化，即法兰面间最大轴向间隙D和最小轴向间隙d 的差值（D-d），而不同心用法兰外圆的径向偏差δ 进行量化。

图2 法兰安装偏差结构示意

2 密封有效性预测

2.1 预测依据

在核反应堆的长期运行过程中，由于管道振动引发法兰面间的相对位置发生变化，造成法兰面间的径向偏差和不平行度发生变化。而根据国家标准GB/T 38343—2019《法兰接头安装技术规定》，法兰安装后的不平行度Δ≤0.8 mm、径向偏差δ≤1.5 mm。如果经过测量发现法兰的不平行度和径向偏差不满足国标要求，就认为该法兰密封存在很大的泄漏风险。

2.2 实例验证

为了对上述的预测方法进行验证，选取了中国核动力研究设计院某反应堆一回路管道上的10 个法兰，测量了这些法兰的径向偏差和轴向间隙。图3 为测量径向偏差和轴向间隙时的选取测点的分布情况，测量数据见表1 和表2。

图3 测点分布示意

表1 法兰径向偏差测量记录 mm

表2 法兰轴向间隙测量记录 mm

通过对数据进行分析处理，得到了如图4 和图5 所示的径向偏差和不平行度分布图。

图4 径向偏差分布

图5 不平行度分布

由图4 和图5 可知，法兰位置变化可分为如下4 种情况：①法兰的径向偏差和不平行度都满足国标要求，如2 号、4 号、6号、7 号和8 号法兰，这种情况占据多数；②法兰的径向偏差超出国标限值，不平行度满足国标要求，如3 号法兰；③法兰的径向偏差满足国标要求，但不平行度超出国标限值，如1 号和5 号法兰；④法兰的径向偏差和不平行度都超出国标限值，如9 号和10 号法兰。

通过查阅停堆运行期间检查记录表，发现所选取的法兰中，仅发现9 号法兰出现少量泄漏情况，但符合泄漏量要求。

3 建议处理措施

为确保法兰密封的有效性，对于未达到检修时间，无法停堆修理的法兰，可以通过测量法兰的径向偏差和不平行度来进行检修前的预处理。为保证法兰密封不失效，可以采用以下措施进行处理：

（1）利用力矩扳手按照对称原则对法兰的连接螺栓进行再次预紧，必要时可用105%的力矩要求值施加力矩。

（2）建立法兰径向偏差及不平行度数据库，寻找出受管道影响较大的法兰，对该法兰附近管道进行加固处理，降低振动对法兰的影响。

4 结束语

反应堆在长期运行过程中，由于管道振动可能使法兰径向偏差和不平行度发生增大，从而无法压紧垫片，使得法兰密封发生泄漏。为了防止法兰密封失效引发泄漏，可在反应堆停堆换料期间，定时对法兰的径向偏差和不平行度进行测量，并依据测量结果，对法兰重新施加力矩进行预紧，这样就能够有效地预防法兰密封泄漏。甚至在一个较长时间内，通过分析对法兰径向偏差和不平行度数值，可以找出收振动影响较大的法兰，通过相应的措施尽可能消除振动的影响。