核级石墨密封垫片压缩蠕变性能研究

马俊宏，沈火明，刘 娟，王宇星，傅孝龙

(1.西南交通大学 力学与航空航天学院， 成都 610031；2.中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室， 成都 610041)

0 引言

刘祎彤等[5]对铝垫片的高温蠕变性能开展研究后得出了垫片接触应力变化关系，并表明材料的蠕变特性是影响密封性能的重要原因之一。邓文飞[6]对镍钛合金复合垫片开展了各种服役温度下的蠕变试验，结果表明温度是影响垫片蠕变性能的主要因素，并发现石墨密封垫片的垫片应力决定了系统泄漏率的大小。Zhou等[7]基于ABAQUS软件建立了三维螺栓法兰垫片结构，通过Fortran语言编写蠕变用户程序，模拟结果表明发生蠕变后垫片密封应力显著降低。屈春叶等[8]利用数值模拟方法计算了波齿复合垫片在高温条件下不同载荷对应的蠕变应变分布情况，模拟结果表明了垫片金属骨架具有很好的抗蠕变性能。通过已有研究可以看出垫片蠕变性能的优劣对系统服役于超高真空、高温和高压等复杂工况下的密封效果起着至关重要的作用。因此，为了验证系统密封性能的可靠性，需要对垫片的蠕变性能有针对性的进行深入细致的研究，以满足不同领域中对处于复杂工况下垫片性能的需求。

核级石墨密封垫片目前被广泛应用于现代核电站运行系统中，对核电站系统的安全运行起到至关重要的作用。而已有文献中对核级石墨密封垫片蠕变松弛性能的研究还尚未完善。因此本文结合当前实际工程需求，以核电密封系统中常用的核级柔性石墨密封垫片[9]为研究对象，针对垫片的蠕变松弛性能开展了试验研究，分析了试验预紧荷载、试验温度及垫片径向尺寸对垫片蠕变性能的影响。随后结合ABAQUS有限元软件进行数值仿真模拟，验证了结果的可靠性。为该类密封垫片的设计、生产及使用技术标准提供了重要的依据。

1 试验研究

1.1 试验方案

核级柔性石墨密封垫片由金属内环、石墨环和金属外环组成，如图1所示。其金属内、外环材质为Z2CND17-12，即316L钢，石墨环为柔性石墨。石墨垫片嵌在金属内、外环间，金属环与石墨表面保持平行，石墨表面平整、光滑[10]。内、外金属环可限制石墨环，防止石墨垫片受到过度挤压。柔性石墨垫片剖面结构如图2所示，图中相关尺寸参数已在表1中给出。

图1 核级石墨密封垫片

图2 核级石墨密封垫片结构示意图

表1 核级石墨密封垫片试样规格

研究所采用试验装置为深圳万测试验设备有限公司的微机控制电液伺服万能试验机HUT106C，高温试验中所用高温环境箱为长春恒升科技有限公司的GW-400A型高温试验箱(如图3所示)。利用H13模具钢制作上下压头代替密封系统中的法兰结构，试验外伸引伸计绑定位移传感器，用以精确测定试样变形。

图3 试验装置图

该试验首先将试验垫片安装在上下夹具间，并使压头与垫片表面平行接触；利用电机施加1 MPa的初始预紧荷载，保持荷载恒定；利用高温环境箱将温度调至试验规定温度值；随后加载至实验规定的预紧荷载并保持。利用位移传感器实时采集垫片的变形。

具体试验研究内容包括：

1) 试验研究预紧荷载对垫片蠕变性能的影响：试样采用DN40垫片，试验温度为200 ℃，预紧应力等级分别为35、40、70 MPa。

2) 试验研究温度对垫片蠕变性能的影响：试样采用DN40垫片，预紧荷载采用35 MPa和70 MPa对比研究，温度等级分别为20、100、200 ℃。

3) 试验研究垫片径向尺寸对垫片蠕变性能的影响：针对DN15、DN40及DN653种型号垫片，施加35 MPa的恒定预紧应力和100 ℃的恒定温度。

1.2 试验结果分析

分别以预紧荷载、服役温度及垫片径向尺寸为变量对核级石墨密封垫片进行压缩蠕变试验。根据实验数据得到各变量下垫片的蠕变特性曲线，如图4、图5所示。表2为各组试验的最大压缩位移、蠕变量以及对应蠕变率。

表2 试验结果数据

图4 DN40石墨垫片的蠕变特性曲线

图5 不同尺寸的蠕变特性曲线

由图4可知，当垫片预紧应力从35 MPa增加至40 MP时，垫片蠕变量随着预紧载荷的增大而增加，但预紧荷载增大至70 MPa时，垫片蠕变量却小于前两组工况。其原因为垫片结构存在一个使得法兰和垫片金属环发生接触的门槛预紧应力[11]，当荷载大于门槛应力时，垫片蠕变量整体小于法兰和金属环发生接触之前的蠕变量。总体上讲，在门槛应力左右，垫片蠕变量和预紧应力成正相关；在35 MPa的预紧应力作用下，垫片蠕变量随着温度的升高有增大趋势，最大蠕变值约为0.029 4 mm。当预紧应力超过门槛应力值时，温度对垫片最大压缩位移影响微弱，但随着温度升高，垫片蠕变量仍有小幅增加。

由图5以及表2可知，DN40垫片蠕变值较大，DN15次之，DN65垫片蠕变值最小，结果表明垫片蠕变量与垫片径向尺寸无明显关系，即垫片尺寸效应不明显。总体而言，核级石墨密封垫片展现出了良好的抗蠕变性能。

2 数值分析

利用ABAQUS有限元分析软件模拟上述试验工况下核级石墨密封垫片的压缩蠕变行为，并将有限元模拟结果与试验结果对比分析，以验证有限元模型的可靠性。

2.1 有限元建模

图6 有限元模型

表3 材料性能参数

2.2 数值模拟结果与试验结果对比

将试验所得各工况下垫片蠕变特性曲线和有限元模拟结果进行对比，结果见图7。对比有限元模拟计算与试验所得的垫片最大压缩位移及蠕变量，结果见表4。

图7 试验曲线与模拟结果曲线

表4 有限元模拟与试验结果

从以上对比结果中可以看出，数值模拟所得的垫片压缩位移时呈曲线与试验结果曲线吻合良好。表4对比了数值计算与试验得到的最大压缩位移以及蠕变量，各组试验与模拟对比结果误差均在15%内。其中垫片处于高温条件下的对比结果误差相比较大。这是因为高温试验条件下石墨垫片的材料特征发生变化，导致垫片软化后提高了蠕变量，而数值模拟并未考虑垫片材料特征的改变。

经分析可知，有限元模拟结果与试验结果吻合良好，验证了有限元模拟中模型及参数的合理性，能准确地模拟试验过程，具有一定的参考价值。

3 结论

1) 核级柔性石墨垫片的最大压缩位移与试验温度、试验预紧应力及垫片通径尺寸成正相关。

2) 由于垫片结构存在内外金属限制环，因此存在一个使法兰与垫片金属环发生接触的门槛预紧应力。分别在门槛应力左右，垫片蠕变量均与温度和预紧荷载成正相关，但与垫片通径尺寸并无明显关系。

3) 数值仿真结果与模型试验结果吻合良好，最大误差控制在15%以内。表明有限元模型所选取的蠕变本构模型、边界条件、接触关系及材料特性等均是合理的。

4) 在所述工况下，核级柔性石墨密封垫片的蠕变压缩量均很小，表明此垫片具有良好的抗蠕变松弛性能。