揭秘核电站的关键部件—核能中工程密封解决方案三部曲之一 ----了解核泄漏

在核发电行业中，安全是所有实践发展的基本原则。从铀矿开采和燃料制造到电力生产，反应堆加热以及放射性废物和燃料的处理和储存，核能发电需要保持对安全标准的最大关注。因此，对围绕核能生产风险的科学技术以及解决方案，限制或消除危险因素所需的要求对于确保所有相关人员的安全至关重要。

核电密封容易吗？

当媒体涉及核电的“泄漏”一词的时候，总是引起人们的警觉。核能行业的科学家和技术人员也很重视这个名词，并以结果为导向的系统方法来查看此类问题。这些专业人士表达的关注从本质上推动了安全性，创新和教育的发展，并推动了该行业达到最高安全标准。通过使用创新且高度可靠的密封系统，确保了防止泄漏和设备故障的安全性至关重要。

密封装置和相关技术应用于需要防止流体或气体流动的部件或零件的接头处。密封系统是机械接头的组成部分，适用于核装置中的许多基本系统，以及特定系统之间组件。这些系统通常包括但不限于：

• 反应堆压力容器

• 主冷却液泵

• 蒸汽发生器

• 增压器

• 管道和泵

• 热交换器

• 阀门

• 放射性废物和燃料元素的运输和储存桶

• 工厂区和建筑物之间的大门

尽管密封系统相对于整个核电生产装置的占地面积很小，但密封系统在确保总体安全方面起着重要作用。在其特定应用中可靠和高效的性能至关重要。在确保核电厂的有效性能的同时保持最高的安全性可以归结为一种说法：“保持紧密。” 但是，有很多注意事项要同时执行。下面将详细解释泄漏，密封的基本方面以及工程密封解决方案背后的高性能概念。

了解泄漏

泄漏是流体和/或气体流过材料中的孔或渗透物，通常是由于压差而引起的。重要的是要了解所有材料和机械接头在一段时间内都会发生泄漏。这种泄漏的范围可能从每分钟多达几升或立方英尺到几年之内甚至只有几个气泡。

为了设计和制造各种各样的密封件以满足各种各样的密封要求，包括可接受的泄漏率，有必要建立泄漏率标准以选择或设计合适的密封件。从技术意义上说，定义“无泄漏”或“零泄漏”要求的规范是不切实际的，并且证明是非常昂贵的。

在适用情况下，必须考虑与密封介质，正常工作条件，密封要求有关的安全性，防污染保护和可靠功能有关的密封性。在表征泄漏和执行泄漏测试时，使用气流测量方式。 即使在非常低的压力下，气体的行为也像流体一样流动。气流分为三种不同的流动模式：湍流，层流和分子流（图1）。

因此，由于硬件故障和/或硬件设计而出现泄漏，并且通常通过一段时间内每体积的压力来测量泄漏。对于密封介质，分子大小及其与流动路径宽度的关系对于密封性至关重要。具有较大分子的介质（例如油）的流动比诸如氦气或其他轻质气体的较小分子的密封更容易。

该图（图2）以典型的螺栓机械接头组件为特色，例如在各种应用中的核蒸汽供应系统中使用的那些。螺栓连接依赖于每个子组件才能正常工作，其成功性能取决于螺栓连接的三个主要子组件的质量和设计：

1.法兰（包括法兰设计，凹槽尺寸和表面光洁度）

2.螺栓或紧固件

3.密封和/或垫片

这三个主要组件不能相互独立设计。在设计过程中，必须将它们作为一个系统一起考虑。如果螺栓连接组件的任何单个部分运行不正常，则整个连接将达不到预期的要求，并且可能会泄漏。因此，组件的泄漏以及泄漏密封性取决于螺栓上的夹紧载荷，该载荷确定了机械接头的比压。简单来说，面积越小，密封效果越高。但是，组件的几何尺寸与密封的性能原理相反。具有大直径机械接头的组件需要将密封性能提高一个数量级，因为“相对泄漏”（定义为组件中密封件每毫米圆周的泄漏）决定了整个组装系统的密封性能。

系统压力和组件内部流动的介质温度会移动结构，并影响其设计的机械和几何特性。所有子组件（包括密封组件）都会随着时间的流逝而老化，而金属对金属连接的电化学特性以及流动介质中的化学成分或杂质会腐蚀并改变表面的几何形状和状况。

这些主要影响因素导致密封装置必须满足的几个要求：

• 必须遵循组件的机械修改

• 必须适应法兰配合面的变形或变化的条件。

在这种情况下，我们了解到密封是一个“控制系统”，它通过其材料和机械性能来调节变形影响因素，同时使组件保持在确定的泄漏率以下。可以利用密封系统的主要特性“弹性”和“可塑性”来执行控制功能。 该控制系统属性必须在核蒸汽供应操作系统中长期保持。第三代和第三代+核反应堆的设计用于延长燃料装填间隔或延长运行周期通常在18到24个月之间。这些操作周期决定了定期维护的频率。

密封方法进化史

上面的泄漏原理导致组件具有以下设计属性：

- 对于具有较大表面和夹紧载荷/压缩载荷的大型重型法兰

• 密封布置在机械接头内，作为机械结构的一部分。传统上用螺栓固定垫片以调节密封件的压缩量

• 机械接头需要大量维护和/或修理，并且容易泄漏

• 与法兰的建造和制造相关的成本很高

• 增加夹紧载荷是确保泄漏参数的主要方法，泄漏参数会给螺栓，表面和密封材料带来高应力

- 将石墨和高镍合金引入密封技术

- 测试法兰问题并通过改进的密封解决方案解决

金属对金属的概念

机械接头的结构稳定性和弹性与密封材料的机械要求相反。因此，将结构的机械连接的两个功能（确保稳定性/金属对金属的原理）和密封功能（弹性和可塑性）分开了。基于对特定材料特性的利用，法兰和密封设计的集成工程方法可以为密封任务创建工程解决方案，同时满足定义的密封性能要求。金属对金属的概念使核电站系统能够按照以下标准将机械接头组件密封在一起：

• 最佳密封压缩

• 低弹性拉力

• 装配的刚性

• 运行条件下的热和压力瞬变

在我们的下一篇文章（共四部分，其中第二部分）中，我们将研究从已安装的基础核电站和新核设施中汲取的经验教训，包括参考示例和技术以及每个解决方案。

关于Technetics集团

作为EnPro Industries（纽约证券交易所代码：NPO）的一部分的Technetics集团为以下领域提供创新的解决方案：

从核反应堆压力容器到航空发动机以及世界上最关键和最苛刻的应用。Technetics Group是全球公认的工程组件，密封件，组件和子系统的来源，这些组件是为半导体，航空航天，发电，石油和天然气，医疗和其他行业中的高性能和极端应用量身定制的。