柔性石墨金属缠绕垫片密封泄漏率试验对比分析

中核核电运行管理有限公司 姜向平 李 云 李建春

中国能源行业标准NB/T20010.15-2010《压水堆核电厂阀门第15部分：柔性石墨金属缠绕垫片技术条件》规定，柔性石墨金属缠绕垫片的密封性能检测结果的要求为泄漏率≤1.0×10-5cm3/s；美 国ASME B 16.20-2017《Metallic Gaskets for Pipe Flanges 管道法兰用金属垫片》规定，不同尺寸、不同压力等级的柔性石墨金属缠绕垫片密封性能检测结果要求为最大允许泄漏率≤0.0137mg/s•m[1-2]。为推进进口柔性石墨金属缠绕垫片国产化研制，特对比研究国内外柔性石墨缠绕垫片标准中的泄漏率要求，以验证不同载荷下柔性石墨缠绕垫片的密封性能检测结果要求的符合性。

1 标准对比

NB/T20010.15《压水堆核电厂阀门第15部分：柔性石墨金属缠绕垫片技术条件》对柔性石墨金属缠绕垫片的泄漏率检测进行了规定，以标准试件按照标准加载应力对柔性石墨金属缠绕垫片进行泄漏率检测，而ASME B16.20《Metallic Gaskets for Pipe Flanges 管道法兰用金属垫片》中，SW 章节对柔性石墨金属缠绕垫片的泄漏率检测，需要根据垫片的不同磅级加载应力，其允许泄漏率按照垫片的周长计算所得，且检测介质也有所不同。能源行业标准和ASME 对缠绕垫片的主要不同点体现在对缠绕垫片泄漏率检测试验部分，见表1。

表1 缠绕垫片泄漏率试验对比

2 试验

2.1 试验装置

本次试验采用管法兰用垫片密封性能试验方法GB/T12385-2008中的试验方法A[3]。试验装置（CELCSRT-200-500-50密封件性能检测系统）由垫片加载系统、介质（气源）供给系统、检漏系统、变形测试系统及试验法兰等组成，如图1所示。

图1 试验装置简图

2.2 试验介质

考虑到试验安全，不采用ASME B16.20中的甲烷作为试验介质，而选用氮气和氦气作为试验介质。氮气是能源行业标准要求的试验介质，满足一般工业的密封要求，而氦气用于对密封有较高要求的场合。泄漏率主要通过试验介质泄漏量来衡量。当试验介质的摩尔质量越小，在同等试验条件下通过试验样件的泄漏量越多。因此，选用的试验介质摩尔质量越小，对试验样件密封要求更高。甲烷摩尔质量介于氦气摩尔质量和氮气摩尔质量之间，所以选用氦气和氮气作为试验介质得出的试验结果，可覆盖采用甲烷作为试验介质得出的试验结果。

2.3 试验方案

首先，将试样分别加载至不同应力值下，保持介质压力不变（每次保压时间为10min），检测其泄漏率。再保持加载应力不变，增加介质压力，检测其泄漏率。变更试验介质，按照相同的方法再次试验。所有试验完成后，进行泄漏率比对，分析总结。具体试验条件见表2。其中，加载应力35MPa、56MPa、70MPa，试验介质压力4.0MPa 为ASME B16.20规定要求，介质压力5.5MPa 为GB/T12385规定最大允许压力。

表2 试验条件

试验样品应在温度21～30 ℃、相对湿度（50±6）%的环境下放置至少48h，其尺寸规格为GB/T12385-2008要求的DN80标准样件。

2.4 试验步骤

一是用酒精仔细清洁试验装置的法兰密封面，将DN80试样对中安装。二是按表2要求对垫片施加加载应力，并保持恒定。三是按表2要求，分别通入试验介质（氮气或氦气），当介质压力达到规定值后保持10min。四是记录测漏开始时测漏空腔内的压力，并开始计时，记录测量结束时测漏空腔内的压力。通过测漏腔中压力变化，计算出泄漏率。测试时间为10min。五是将试验结果分别记录于表3和表4中。

表3 试验数据1（氦气介质）

表4 试验数据2（氮气介质）

3 分析与讨论

ASME B 16.20中，柔性石墨金属缠绕垫片密封泄漏率的要求为≤0.0137mg/s·m，试验介质为甲烷，采用国标GB/T12385进行试验的介质为氮气及氦气。标准样件DN80的缠绕垫片直径d 为120.7mm，则其周长为l=π×d=3.14×0.1207m=0.379m，计算甲烷气体（每秒）允许泄漏的质量为m=0.0137 mg/s·m×0.379m=5.19×10-3mg。标准状况下甲烷的密度ρ为0.717g/l，则其体积。

根据理想气体状态方程PV=nRT，则n=PV/RT，而n=m/M，所以。

其中：P为压强；V为体积；T为温度；n为气体的物质的量；R为摩尔气体常数；m为物质的质量；M为物质的摩尔质量。甲烷摩尔质量16g/mol，氮气摩尔质量28g/mol，氦气摩尔质量4g/mol。

标准气体状态下，氮气、氦气的P、R、T与甲烷相同。在泄漏气体质量相同的情况下，氮气与氦气的单位时间泄漏体积计算如下：

则氮气允许泄漏率为≤4.14×10-3cm3/s，氦气允许泄漏率为≤28.96×10-3cm3/s。

一是综合表3和表4的试验数据可知，在不同压力等级和载荷应力下，按照国标GB/T12385进行的试验可以满足ASME B 16.20中对柔性石墨金属缠绕垫片的泄漏率要求。

二是由表3和表4中序号1、2、3的试验数据可以得出，同一规格的试样，在介质压力一定的情况下，随着加载应力的增加，泄漏率具有逐渐降低的趋势。

三是由表3和表4中序号4、5、6、7的试验数据可以得出，加载应力一定，介质压力增大时，泄漏率总体增大，但当公称压力≥26MPa 时，泄漏率数值相近，受测量误差的影响，数据会出现反向略有增大的现象。

四是由表3和表4中序号1试验数据可以得出，在公称压力≤5MPa，介质压力不变时，氦气比氮气更易泄漏。以氦气为试验介质时，柔性石墨金属缠绕垫片的泄漏率会出现不能满足NB/T20010.15所要求密封泄漏率≤1.0×10-5cm3/s 的情况；当加载应力增大至50MPa 时，以氦气和氮气为试验介质的泄漏率均能满足能源行业标准的密封要求。所以，要保证低压状态下的密封，加载应力应不低于50MPa，为保证中低压系统或设备的密封等级，PN2.0和PN5.0法兰密封结构需要分别按照密封预加载应力不低于40MPa 和50MPa 进行设计，计算垫片紧固螺栓力矩时缠绕垫片比压力取值应不低于40MPa 和50MPa。按照柔性石墨金属缠绕垫片的压力等级确定预加载应力更有利于反映实际的密封性能。

五是由表3、表4中序号3的两组试验数据可以得出，当加载应力达到60MPa 时，采用氦气或氮气测量的泄漏率均出现了数值突变下降。推测在国标GB/T12385试验方法A 的检漏方式下，对于公称压力和介质压力达到一定数值后，加载应力60MPa 是泄漏率测量的一个分界点。

六是由表3和表4试验数据对比可以得出，以加载应力60MPa 为分界点，相同条件下，加载应力＜60MPa，采用氦气测量的泄漏率数值大于采用氮气测量的泄漏率数值；加载应力≥60MPa，采用氦气测量的泄漏率数值小于采用氮气测量的泄漏率数值。推测采用国标GB/T12385的试验方法A，在DN80标准样件加载应力达到规定值70MPa，试验介质为氮气，测量结果满足不同公称压力的缠绕垫片泄漏率要求。

七是能源行业标准NB/T20010.15要求试验介质为氦气，国家标准GB/T12385要求试验介质为氮气。在中低压工况下（试验介质＜5MPa），采用氦气比氮气有更高的泄漏率，要求更为严格。

4 问题

对于中低压力等级的柔性石墨金属缠绕垫片密封结构设计，PN2.0垫片的预加载应力不得低于40MPa，PN5.0垫片的预加载应力不得低于50MPa。试验介质实测压力与试验介质目标压力之间存在偏差，有的差异甚至超过10%，未能保证试验单一变量控制，会对从泄漏率试验数据中发现、总结规律造成一定偏差。

5 结语

在不同压力等级和载荷的情况下，能源行业标准NB/T20010.15可以包络ASME B 16.20对柔性石墨金属缠绕垫片的泄漏率要求，但其对柔性石墨金属缠绕垫片型式检验统一采用70MPa 预加载应力的要求，并不能真实反映垫片实际的性能。本次试验为进口柔性石墨金属缠绕垫片国产化研制提供了数据支撑，奠定了基础。