密封件在核电厂中的应用

中德密封

随着工业技术的发展，高性能密封件在核电厂中得到了广泛应用，同时这些高性能密封件对核电厂安全稳定的运行也起着重要的作用，以现阶段国内发电装机容量最大的机组形式为列，阐述密封件在核电厂中的应用和作用。

核电厂区别与民用火电、水电等发电站需要更高的安全性、技术成熟性。因此安装在核电厂中的密封件同样需要具备高安全性、高可靠性以及便于替代的均一性。在核电厂的构筑物、系统和部件（SSC）的设计中密封件均有着广泛的应用，主要包括：用于维持构筑物结构密封要求的密封门上的密封圈、用于工艺流体系统中管路法兰的密封、用于各类承压设备上法兰的密封，特别是用于核电厂核心设备-核反应堆堆心压力容器顶盖的密封等等。

一：密封件在构筑物设计中的应用
以核电厂中安装在燃料水池和燃料转运通道间水下密封门的密封件作为代表，对用于保证构筑物功能要求的密封件，其设计特点、结构特点、密封性功能要求等方面进行阐述。
在核电厂设计中，水下密封门为核安全相关物项，门的密封件是密封性能的关键部件，在门处于关闭位置时，通过对密封件内部空腔进行充气，使密封件涨大压紧外围压板，从而实现门的密封，密封门所在介质为含硼水，水中硼含量为 2000 至 2500ppm，介质 PH 值（250℃）为4.7至5.5。 密封门处于关闭状态时，门两侧存在较大水压差，一侧无水、一侧正常水位时，水位高差达 6.5m，因此密封件材料即要有良好的弹性，又需要良好的韧性，通常选用丁苯橡胶材料。

二：密封件在系统设计中的应用
核电厂设计中，密封件在工艺流体系统中的应用最为广泛，流体系统中的管道法兰普遍为按标准设计的法兰，管道法兰执行标准主要以ASME系列为主，如ASME B16.5、ASME B16.47等，标准法兰间的密封垫片的设计是与法兰结构相匹配，合理选用法兰间密封件对保持工艺流体系统正常安全运行起着重要作用。
管路法兰用密封垫片的选用与法兰所在流体系统的介质、设计温度、设计压力密切相关。目前核电厂中，管道法兰尺寸范围为：1/2”～38”（DN15～DN950），法兰等级范围为：Class150~2500；核电厂核岛工艺系统设计温度范围为：15℃～343℃；设计压力范围为：0.1MPa～20.3MPa；主要流体介质包括：反应堆冷却剂、含硼水、蒸汽、冷却水、除盐水、30%氢氧化钠溶液、7%硝酸溶液、氧气、氮气、柴油等。
工艺系统管道法兰用密封垫片的种类主要包括：金属石墨密封垫片、带内外加强环的柔性缠绕式垫片、非金属平垫片。
1.金属石墨垫片的应用
在核安全重要管路系统中主要选用金属石墨垫片，垫片主要特点是“金属-碰-金属”密封概念的应用，垫片由内外金属环和石墨环组成，内外金属环在垫片密封中起到不同的作用，石墨环作为垫片的密封环。 这种密封结构能够确保垫片处于密封状态下，始终保持垫片金属环与法兰密封面的充分接触，从而确保了石墨密封环工作应力的恒定；另外，金属-碰-金属的密封结构也可有效降低外加弯矩、温度和压力波动对密封面的不利作用。
金属石墨垫片中的密封环为高纯膨化石墨板压缩而成，高纯石墨环具有得天独厚的耐辐照性能，金属限制环选用耐腐蚀性良好的奥氏体不锈钢材料，主要材料牌号为316L。金属石墨垫片目前应用的尺寸范围为1/2”～24”（DN15~DN600），适用于依据ASME B16.5制作的各等级标准法兰。金属石墨垫片对法兰密封面的要求为突面法兰（Raised Face），为保证垫片密封性，法兰密封面粗糙度应不大于3.2μm。金属石墨垫片良好的密封性能见表1。
2.带内外加强环的柔性缠绕式垫片
在核电厂工艺流体系统中也大量使用带内外加强环的柔性缠绕式垫片，柔性缠绕式垫片的结构尺寸符合标准ASME B16.20的要求，垫片内外环和金属带选用奥氏体不锈钢板/带、填充带为纯石墨。 柔性缠绕式垫片在机械和化工等行业广为使用，核电厂中使用的柔性缠绕式垫片对石墨带有着不同于其他工业行业的要求，详见表2。
3.非金属平垫片
在核电厂的水系统，特别是海水系统，由于系统管道直径较大，且系统管路中使用的法兰为大直径、密封面为平面（Flat Face）的法兰，为保证系统管路的良好密封性，设计用使用了100%膨体聚四氟乙烯（e-PTFE）非金属平垫片，根据PTFE垫片的材料特点：100%多向拉伸膨体聚四氟乙烯，垫片具有良好的耐化学腐蚀特性，垫片的主要性能见表3。

三：密封件在设备部件中的应用
用于承压设备上的法兰密封件，垫片结构多数为按设计图纸加工的非标或异形尺寸，垫片材料主要包括：三元乙丙橡胶、非石棉、聚乙烯等材料，承压设备所用垫片主要应用于设备人孔等法兰连接处。核电厂核心设备反应堆压力容器上使用的金属 C 型圈密封件，金属密封件特点为：线密封结构、垫片强度高、泄漏率低，为保证金属密封件密封性能的实现，要求密封面有很好的加工精度，密封面的加工表面粗糙度Ra控制在0.8～1.6μm之间。

总结
密封件作为工艺系统管路附件，在核电厂一、二回路以及辅助工艺系统中广为应用，密封件的设计和选用确保了核电厂构筑物、系统和部件具有高密封性，密封件作为单次使用的更替件，要求密封件的制造具备高均一性， 密封件作为承压边界的薄弱环节，需要确保其在任何情况下保持安全可靠的性能。上述密封件在核电行业得到了广泛的运用，并取得了优异的使用业绩和经验反馈。 高效可靠的密封设计概念在核电厂设计中被广泛应用。