反应堆压力容器用C 形密封环的选型设计研究

荣刚，张锥

（中广核研究院有限公司，广东 深圳 518000）

1 前言

核电站的反应堆压力容器是一回路冷却剂的重要压力边界，内部冷却剂为高温高压高放射性介质，为防止放射性泄漏，其顶盖法兰与筒体法兰的密封设计一直都是研究者关注重点。核电站反应堆压力容器大多采用两道金属密封环的双道密封结构，密封元件分为弹簧赋能型金属C 形环和中空开槽型金属O 形环两类。C 形环的使用性能和可靠性一般高于O 形环，在国内外已得到了广泛的应用。

对于核电厂反应堆压力容器用C 形密封环的设计、制造、试验和数值模拟分析等方面的内容，研究人员已经做了许多工作。如励行根等介绍了自主研发的C 形密封环的制造工艺、试验装置、室温性能试验和冷热态交变试验结果；李文静等采用经试验验证的有限元模型，研究了赋能型金属C 环的内置弹簧圈的结构参数，如簧圈节距、簧丝线径等对密封性能的影响，给出了结构参数的建议值，并利用比例样件的气密封试验对其密封性能开展了测试；熊光明等对比了实物模型、指环模型和当量圆筒模型的计算结果，表明基于中径的当量圆筒模型能较好符合实物模型的结果，可有效降低计算成本，此外，他们还结合实测试验结果，采用弹塑性实物模型研究了C 形环1:13 缩比模型和原型的密封特性，结果表明缩比模型与原型的密封特性曲线及各项性能指标均非常接近；马凯等采用半环实物模型研究了C 形密封环尺寸参数如密封层厚度、包覆层厚度、密封环中径、弹簧外径及弹簧丝径对C 形环压缩回弹曲线的影响。

但是，上述研究针对的都是最外层为纯银材料、中间为Inconel 600 合金包覆层、最里层为Inconel X750合金螺旋弹簧的C 形密封环，甚少有文献报道涉及过其他材质。而对于某第四代反应堆，由于传统C 形环的外部密封银层与其一回路冷却剂的相容性不高，因此无法在该堆型中使用，需要重新设计采用其他材料作为密封层的C 形环。

C 形环整体尺寸一般较大，很难直接通过实验手段测量其密封特性参数，工程上一般开展缩比模型实验。除整体直径有所区别外，缩比模型所有其他结构尺寸与实际C 形环保持一致，研究证明，缩比模型与原型的密封特性差别很小。在进行模型试验前，提前采用有限元分析的手段开展设计选型，有利于缩短项目研发周期，降低研发成本。

本文中利用综合考虑了整体曲率、弹簧丝螺旋效应、接触面摩擦效应的C 形环缩比模型的弹塑性有限元模型，针对两种设计方案的C 形环开展了选型分析，给出了设计线载荷、总回弹量及有效回弹量等关键性能参数，并与传统纯银密封层的C 形环进行了对比，给出了方案及尺寸的选型建议。

2 C 形环的设计参数

为解决某第四代反应堆压力容器用C 形密封环的密封层与冷却剂的相容性问题，设计了两种采用316L 材料作为密封层的C形环结构方案，分别如图1及图2所示。其中设计方案1 为三层结构，最里层为Inconel X750丝材绕制的紧密螺旋弹簧，中间层为Inconel 600 合金包覆层，最外层为316L 密封层，设计方案2 为两层结构，里层为Inconel X750 丝材绕制的紧密螺旋弹簧，外层为316L 密封层。C 形环的设计参数要求如表1 所示。

表1 C 形环设计参数

图1 C 形环结构设计方案1

图2 C 形环结构设计方案2

3 密封环数值分析

3.1 分析模型

考虑到上述两种设计方案的C 形密封环的包覆层和密封层为轴对称结构，螺旋弹簧为周期性对称结构，且C 形环所受载荷为轴对称载荷，因此选取了C 形环缩比模型周向的约1/72 部分建立有限元分析模型，对应不同弹簧丝径情况，共有9 ～12 圈螺旋弹簧及相应长度的包覆层及密封层。

在C 形环上下分别建立了刚体压块和垫块，用以施加载荷及边界条件，以设计方案1 对应的螺旋弹簧丝径d=1.1mm 为例，共建有12 圈螺旋弹簧，有限元模型及网格如图3 所示。

图3 C 形环有限元模型

作为对比，对传统纯银密封层C 形环同样进行了建模，其结构形式与设计方案1 相同，用纯银密封层替代方案1 中的316L 密封层。

有限元分析模型中的材料均采用多线性弹塑性模型，涉及的四种材料Inconel X750、Inconel 600、316L和纯银均采用对应尺寸试样在指定温度下的热拉伸试验得到的真应力应变曲线和弹性模量、屈服强度等参数。

3.2 分析条件设置

本文中所有的C 形环有限元分析模型均采用了相同的边界及载荷条件：（1）对垫块底面所有节点约束所有方向自由度；（2）对压块侧面所有节点约束水平方向自由度；（3）对密封层和包覆层端面施加对称约束；（4）对螺旋弹簧端面施加对称约束；（5）在压块顶部节点施加向下的位移，分步加载至最大位移，然后卸载至脱离接触。

为尽量模拟C 形环的真实接触情况，在弹簧丝自身的接触面、弹簧丝与包覆层（或密封层）的接触面、包覆层与密封层接触面、密封层与压块和垫块的接触面上均采用CONTA+TARGE 单元设置标准接触,允许接触面间的相对滑移，以考虑接触摩擦及滑移的影响，摩擦系数设置为0.35。

3.3 计算结果及对比

按照上述载荷及边界条件设置，通过有限元分析，得到了3 种不同C 形环缩比模型的设计压缩量线载荷、总回弹量、有效回弹量如表2 所示，其中设计方案1 和设计方案2 计算结果后的百分数是其相对于纯银密封层C 形环的变化比例。如表2 所示，设计方案1 的设计压缩量线载荷与纯银密封层C 形环相当，而设计方案2 的设计压缩量线载荷要略大。设计方案2 相对于设计方案1 的有效回弹量会有一定降低，但总回弹量会明显增加。

表2 C 形环密封特性参数对比

计算得到的3 种情况下不同弹簧丝直径的压缩回弹曲线如图4 所示，其中粗点线为设计方案1 的计算结果，实线为设计方案2 的计算结果，细点线为纯银密封层C形环的计算结果。

图4 C 形环压缩回弹密封特性曲线

从图4 可知，在压缩量较小时，纯银密封层C 形环的线载荷要明显小于316L 密封层，但在达到设计压缩量时，纯银密封层C 形环的线载荷与316L 密封层基本没有差距。这说明在银层较薄时，其能在压缩量较小时产生较大塑性变形，从而导致线载荷的降低，在压缩量较大时，银层塑性变形达到一定程度，不再产生明显影响。在压缩量较小时，同样压缩量下316L 密封层的塑性变形较小，可能对其密封性能造成不利影响。

对于设计方案1 与设计方案2 的C 形环，其在不同螺旋弹簧丝径的情况下，压缩至设计压缩量1mm 时，螺旋弹簧与其外部包覆层（或密封层）的接触应力云图，以及密封层与压块之间的接触应力云图如图5 所示。

图5 C 形环的接触应力云图（MPa）

随着弹簧丝径的增加，图5 中C 形环的接触应力和接触面积都逐渐增加，其中密封层与压块之间的接触应力增加相对更为明显。此外，设计方案2 相对设计方案1 会明显增加C 形环压缩至设计压缩量时的接触应力，尤其是对于密封层与压块之间的接触面而言。由于接触应力更大，设计方案2 的C 形环可以得到更大的密封层接触位置塑性变形，更容易啮合C 形环密封层与法兰密封面之间的微小间隙，从而相对增强C形环的密封性能。

结合表2 中的计算结果和上述分析，为了满足表1中的C 形环设计参数，本文建议的C 形环方案为1.3mm丝径的Inconel X750 螺旋弹簧+单层316L 密封层的设计方案。此设计方案对应的C 形环结构在压缩至设计压缩量时的变形及完全卸载的残余变形如图6 所示。

图6 C 形环变形图（mm）

4 结语

建立C 形环三维多线性弹塑性模型，考虑弹簧丝的螺旋效应和接触面的摩擦影响，对2 种316L 密封层以及一种纯银密封层设计方案的C 形环密封特性进行有限元分析，给出了不同弹簧丝径的设计压缩量线载荷、总回弹量和有效回弹量。

采用316L 密封层替换纯银密封层对C 形密封环的设计压缩量线载荷、有效回弹量基本无影响，对总回弹量略有影响，但对压缩量较小时的线载荷有明显影响，压缩量较小时采用316L 密封层的C 形环线载荷会明显更大。

采用单层316L 密封层的结构方案相对于316L 密封层+Inconel 600 包覆层的方案，其设计压缩量线载荷略有增大，总回弹量增大较为明显，有效回弹量有一定减小，设计压缩量时对应的密封层塑性变形更大，有利于增强密封性能。

按照表1 中的设计参数要求，给出了C 形环的设计方案的选型建议，即弹簧丝径为1.3mm，密封层为单层316L 材料的方案1 结构设计。