核能中工程密封解决方案三部曲之终结篇—静态密封-概念与技术

本文介绍以下内容：

考虑到使用它们的环境，审查和比较每个原理的主要特征

分析每种原理与全球现有标准硬件的机械兼容性

回顾现有和即将到来的法兰装配计算方法，并考虑到金属与金属之间的接触

可能改变密封和联合开发当前趋势的关键参数演变的假设和建议

针对最终用户的期望对两种解决方案进行分析

01 简介

已经使用了很多年的“螺栓法兰”技术始终基于图1所示的相同工作原理，导致了各种规范，设计规则和标准。螺栓法兰组件通常包括以下三种基本类型组件：法兰，密封件或垫圈以及螺栓。将这三个组件组装在一起必须具有双重功能，即确保机械完整性并保持密封性。长期以来，这两个功能中只有一个保持了。关注的焦点始终是机械完整性，并且围绕它建立了所有现有的法规和标准（ASME，DIN，CODAP，RCCM等）。

直到最近的25-30年，官方实验室才开始关注仍然未知的组件：密封。PVRC，MPA，BHRG和CETIM特别进行了广泛的测试，并且已经发布了新的垫片系数，以及评估这些系数的测试程序。这些因素考虑了介质的性质，压力，温度，和密封性级别。但是，无论在什么条件下为控制或成功预测每个组件的性能付出了多大的努力，在重要的设计进步方面仍然进展缓慢。

02 “非金属对金属”原则

如前所述，“非金属与金属的接触”原理基本上是当前和即将颁布的规范和标准所认可的唯一原理。图2a，2b和2c分别表示了表征非金属对金属原理的平面，凸凹形和舌槽形构造。多年来带来的几何修改基本上都与安全有关。

这种接头的主要特征是：螺栓在装配阶段开始并在接头的整个“寿命”内，全部由螺栓施加在接头上的载荷全部作用在垫圈上。法兰之间不允许任何类型的机械挡块。

因此，在此类接头中使用的不同类型的密封件或垫圈通常围绕相同的几何形状进行设计：有限的厚度与较大的宽度。当然，紧随其后的例子包括片状垫片，带金属夹套的“热交换器类型”密封，螺旋缠绕垫圈，锯齿状和波纹状垫圈。自从首次引入以来，这些密封件和垫圈的结构和原理没有重大变化。最终，只有材料才跟随可技术和环境趋势。例如，石棉替代已成为一个关键问题，已允许在最大范围内引入PTFE（聚四氟乙烯）和柔性石墨作为密封材料。

所有这些垫片在两个法兰之间压缩时，在组装阶段都遵循以下基本特征：

FB = FJ（1）

这是螺栓（FB）施加的载荷和垫圈（FJ）施加的反作用载荷之间的方程式。在组装阶段开始时，螺栓施加的所有负载都会直接作用在垫圈上，然后，在连接的整个寿命中，初始的垫圈反作用力（FJ）将或多或少地受到不可预测的负载的影响 （Fext）是由于它将承受的各种内部和/或外部应变而导致的，即硬件重量，真空度，压力，外部弯曲力矩，热瞬变等。根据不同的应用，初始垫圈反应会增加（FJ + Fext）或减少（FJ-Fext），并且有可能同时发生在垫圈的外围，如图3所示，详细说明了负载分布与在垫圈外围的位置。在典型的外部弯矩的特定示例中，垫圈上的点A会过载，而点C会欠载。

图3还证实，只有垫圈（它通常是接头中最不均匀的组件）才能适应所有类型的载荷变化，包括主要载荷（FJ + Fext有明显加重蠕变松弛的危险）情况或恶化（FJ-Fext）情况下的密封等级。此时，问题来了：如何屏蔽所有或部分外部应变，以使其不干扰密封垫安装要求？

03 “金属对金属”原则

上面的问题的答案看起来很直观，因为它是弹性体O形圈使用的解决方案。这是“金属对金属接触”的原理，其中将通过垫片，凹槽等将压缩限制在设定值。

“金属对金属”使用与“非金属到金属”相同的法兰可以很好地进行配置如图4a，4b和4c所示，前提是某些类型的压缩限制设备是放置在螺栓圆内的关节接口处，以充当机械挡块。该限制装置可以是垫圈的一部分，也可以是单独的组件，最终可以使垫圈更容易地安装在所有类型的标准凸，凹或舌槽形法兰中，如前所述。

与“非金属到金属”相比，“金属到金属”配置显然需要不同设计的密封或垫片。它们以下列形式出现在市场上：

具有最佳横截面的弹性金属密封件（Helicoflex®，Metal-O形环，C形环等）

低座应力螺旋缠绕垫片

模压柔性石墨密封件

无论其设计和基材是金属还是复合材料，都必须预先确定密封压缩力，并将其值用于限制装置的尺寸设计。螺栓施加的负载必须足以使接头到达限制装置上的机械止动点。一旦达到机械挡块，施加的任何负载量根本不会影响垫圈，并且压缩限制装置将作为承重组件。不管压力限制装置是环形还是凹槽，多余的负载都会使：

在金属间：FB = FJ（2a）

“超过”金属对金属：FB> FJ（2b）

作为最低要求，由螺栓施加的载荷必须在接头的整个使用寿命内足够高，以确保金属与金属的接触。至于负载的一致性，不仅在垫圈上的负载总是保持恒定，而且在垫圈的整个周边上，只要保持机械挡块即金属与金属的接触，由垫圈施加的反作用负载也保持恒定。

04 密封的概念

良好的密封始终需要两个主要特征：

获得密封性的可塑性

保持密封性的弹性和绝对性能在金属对金属概念的情况下是必需的。

• 可塑性
可塑性是由复合垫圈（如SWG（螺旋缠绕垫圈），石墨环型Origraph®）的填料或金属垫圈的外衬提供的。

对于金属垫片，我们首先选择与介质兼容的材料，以抵抗腐蚀。在可接受的材料中，如果与压力兼容，我们将始终选择最软的一种，以便获得最佳的可塑性，从而获得有关密封区域表面缺陷的最佳宽容度。

密封性能直接取决于您在密封与法兰或设备的密封区域之间所获得的特定压力。这种特定压力将使密封衬里进入到法兰中，衬里的特定压力越小越软，因此需要确定载荷。

•  弹性

金属与金属接触的概念要求具有弹性，以便在使用过程中补偿法兰的挠曲。非常重要的参数是我们所谓的“有用弹性”，它对应于热循环和压力循环中的回弹。根据密封类型的不同，这种有用的弹性可能会有很大的不同，请参见下面主要金属密封的弹性概述。

05 “金属对金属”密封在核站中的成功应用

在全球已安装基地的核电站中，“金属对金属”设计理念的密封件几十年来一直安全可靠，并且成功提供了数百万个工作小时的技术应用，这些密封件在核浓缩设备，核发电设施以及用于运输和储存废核燃料的容器中的应用已根据上述标准和技术背景进行了认证，并且在运行中满足了最严格的设计和防泄漏要求以及采购规格。基于长期的经验，在当今正在计划和建造的大多数PWR型III +型核反应堆装置中，指定了以下描述的密封件，并获得了NSSS（核蒸汽供应系统）批准。下面列出的各种类型的金属对金属密封件示例展示了对核电站系统和组件的广泛适用性。

核反应堆压力容器封闭头HELICOFLEX®/O-FLEX®

蒸汽发生器和增压器ORIGRAF®

蒸汽发生器HELICOFLEX®

反应堆冷却泵（RCP）HELICOFLEX®/ SWG

管道系统ORIGRAF®

膜片ORIGRAF®/HELICOFLEX®

换热器RIS（安全注入系统）ORIGRAF®

RRA（关闭冷却系统）ORIGRAF®

RPE（核排气系统）ORIGRAF®

储罐RPE，RCP（反应堆冷却泵），ORIGRAF®

RIS（安全注射系统），ORIGRAF®

RCV（化学和音量控制系统）ORIGRAF®

高压加热器（蒸汽轮机系统）SWG + JPR

设备舱口硅胶/ EPDM型材

池子门CEFILAIR®/型材

反应堆建筑物/安全壳建筑物CEFILAIR®/型材

加油站CEFILAIR®/型材

汽轮机HELICOFLEX®

阀门HELICOFLEX®/ORIGRAF®/ SWG

用于废燃料的运输和储存容器HELICOFLEX®/O-FLEX®

聚变反应堆HELICOFLEX®

粒子加速器HELICOFLEX®/ QDS

结论

利用螺栓法兰组件的最新计算方法以及相关的密封件和垫圈标准特性描述程序，对接头设计进行基础检查非常重要。金属对金属和非金属对金属这两个原则都必须系统地并行考虑。它们需要不同设计的垫片，这意味着特定接头的规格不同。当可靠性和使用寿命发挥作用时，这成为关键问题。显然，金属对金属原理具有许多优点，这些优点能吸引大量最终用户。

• 在组装阶段：

可以准确建立响应曲线的垫圈可以用作接头中的校准弹簧元件，从而可以更好地控制并减小施加在螺栓上的扭矩与螺栓在接头界面上施加的实际载荷之间的差异。此外，对于常见的应用，如果没有扭矩扳手，则使用一组垫片控制相对于金属的接触变得相对容易。此外，机械挡块是防止垫圈过度压缩的最有效保护。

• 在接受检查阶段：

通过在两个压板之间插入一个在外壳尺寸和表面条件上与最终硬件相同的测试夹具，相对容易进行这种密封件的检查和/或模拟其在压力机上的操作。

以下是检查要素：

实现金属与金属接触所需的载荷Y2（或座载荷PY2）

在测试压力下的气密性或液密性
通过将压板分开而获得的卸载曲线上的密封阈值Ym

• 在验证和计算阶段：

螺栓提供的金属之间的接触所必需的载荷是最小的要求，可以通过与一般方法类似的方式指定为垫片密封座载荷。

必须将这个最小载荷增加一个给定的量，以补偿流体的端载荷和外部弯矩，这两者都会使法兰分开。这给出了一个称为Pre-Load的总负载值，这是螺栓法兰组件中的主要参数。在未安装垫圈的组件中也是如此。

预加载是“屏蔽”组件所承受的外部应力（如拉力和剪切力）的唯一方法。至于螺栓的计算，就像在任何螺栓连接中一样，问题是要确保在接头的整个寿命中将预载荷保持在足够的水平，从而无论任何外部应变类型都不会发生法兰分离， 静态或动态振动。

作为最后的结论，我们可以看到清楚的演变。最近的法规，例如与逸散性排放有关的法规，以及对整个行业尤其是密封技术中可靠性和安全性问题的日益增长的关注，都证明了这一点。我们必须意识到，在密封技术方面，密封件或垫圈只是[法兰+螺栓+垫圈]组件的组成部分之一。要求垫圈充当阻尼组件以承受各种机械和热应力，这与提供密封性的主要功能完全不兼容。

现今面对的问题如下：

只有充分利用组件的机械强度，才能更好地控制和保持密封性。

这似乎是迈出重要一步的唯一选择，因为在过去的几年中，在新的密封原理和设计方面几乎看不到任何进展。即使允许开发新材料，也没有取得明显的进展。而基于机械和密封功能分离的金属对金属原理可以提高螺栓法兰组件的整体性能。 使用此原理的密封件和垫圈可以使用多种材料（金属和非金属）并行发展，目前对此原理的唯一限制就是应用范围的拓宽。

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。