核电用石墨密封垫片的试验方法研究

1 前言

自20 世纪50年代美国建成世界上第一座核电站以来，世界上运行和在建的核电站有500 多座。根据核电技术的堆型，核电站分为:压水堆、沸水堆、重水堆、快堆、石墨气冷堆等堆型。目前我国的核电技术主要采用的是法国开发的二代压水堆核电技术和少量重水堆核电技术(秦山三期)，秦山一期为原型堆核电技术。我国引进的美国非能动AP1000 核电机组落户在浙江三门以及广东核电集团公司引进的法国EPR 核电站都属于第三代核电技术。即将在湖南桃江开工建设的我国首座内陆核电站，将使用目前世界上最先进、最安全的第三代核电技术。我国已建成运行和在建的核电站有34 座，总装机容量达到3708万kW。

核电站的工作原理是利用核燃料(主要是U-235，一吨铀-235 的核裂变将释放相当于270万吨标准煤燃烧所放出的能量)在反应堆内发生核裂变，产生大量热能。这种热能将主泵打入核反应堆中的水加热到327℃，压力达到15.5MPa的高温高压水，高温高压水通过蒸汽发生器内部的U 型传热管将热能传递给二回路中的冷却水产生蒸汽，冷却后的水又被主泵打入堆芯重新加热成高温高压水。水在这样的密封回路内往返循环的过程被称为一回路系统。核电站中的二回路系统是在蒸汽发生器U 型管外的冷却水，经过一回路的加热传递能量后，变成水蒸气推动汽轮发电机运转，将热能转化成电源，传递热量降温后的水蒸气进入冷凝器冷却后，再经过水泵打入蒸汽发生器，重新加热成蒸汽，这个过程称为核电站中的二回路系统。三回路系统是指将海水或淡水泵入冷凝器中，将二回路的水蒸气冷却为常温水的过程。

核电站中使用的密封件主要使用于二回路和三回路系统中主蒸汽安全阀(MSSV)及冷凝器释放阀出入口的阀门法兰接口处的法兰密封垫片，以及涉及到非核级以及核二级核三级阀门填料、中法兰垫片、容器异型纯石墨人孔垫片等。使用的密封垫片结构型式主要有金属缠绕垫片、金属包银自密封垫片和带内外环纯石墨密封垫片(有的企业称为嵌入式石墨金属垫片)。这2 种产品中，金属缠绕垫片测试方法标准和产品标准均已完善，如GB/T14180 缠绕式垫片试验方法，GB/T12385 管法兰用垫片密封性能试验方法，GB/T12621 管法兰用垫片应力松弛试验方法，GB/T12622 管法兰用垫片压缩率及回弹率试验方法［1～7］。金属包银自密封垫片由于价格昂贵，现在使用量较少。目前使用较多和密封效果最好的垫片是带内外环纯石墨密封垫片。核电站中法兰垫片接触的介质涉及海水、冷却水、空气、氮气、氧气、蒸汽、除盐水、硼酸、油、30%氢氧化钠溶液、7%硝酸溶液等，使用压力从真空到高压15.5MPa，使用温度从常温到350℃高温。

2 石墨密封垫片的生产工艺简介

核电用石墨密封垫片由内环、石墨垫片和外环组成，石墨垫片嵌在不锈钢内、外环间，金属环与密封垫片之间连接紧密，金属环与石墨表面保持平行，石墨表面平整、光滑［8～11］。

生产工艺流程为:鳞片石墨—处理—核级可膨胀石墨—膨化—石墨蠕虫—压制—石墨板材—压制成型—石墨垫片—与金属内外环嵌合—带内外环石墨密封垫片。

上述工艺流程中的柔性石墨板材及其制品应具有稳定的抗辐照能力，碳含量＞99.5%，灰分≤0.5%，硫离子含量＜0.02%，氯离子含量＜0.003%，氟离子含量≤0.005%，总卤素含量＜0.02%，石墨板材的抗拉强度≥4.5MPa，压缩强度≥170MPa。内、外环的不锈钢材料为Z2CN18 -10(304L)或Z2CND17 -12(316L)，内、外不锈钢环起到支撑和限制石墨环的作用，内环还起到保护作用，防止石墨垫片受到过度挤压［12］。根据使用压力等级的不同，石墨密封垫片高于不锈钢内、外环平面0.6～1.0mm。根据垫片不同的压力等级确定内、外环和石墨垫片的高度，石墨密封垫片的结构型式如图1 所示。

图1 石墨密封垫片结构型式

3 石墨密封垫片的性能试验方法探讨

核电用石墨密封垫片主要测试项目有压缩率、回弹率、应力松弛率、密封泄露率。垫片的压缩、回弹性能试验是参照GB/T12622《管法兰垫片压缩率及回弹率试验方法》进行，试验在专用的垫片压缩回弹试验装置上进行。垫片初始应力为0.5～1.0MPa，垫片最终加载应力为70MPa，加载及卸载速度为0.5MPa/s，试验温度为23 ±5℃，该试验装置中，垫片加载系统提供规定的垫片预紧应力，试验过程中垫片载荷的波动小于规定值的5%，并能控制恒定的加载、卸载速度，试验机还具有加热及温度测量系统，载荷位移测量系统，数据采集系统和模拟法兰面等组成。法兰密封面硬度为40～50HRC，密封面的表面粗糙度Ra 应在1.6～3.2μm 之间，垫片压缩率和回弹率计算式为:

式中 T0——垫片试样在初始载荷下的厚度，mm

ΔT1——垫片试样在总载荷下的压缩量，mm

ΔT2——垫片试样的残余压缩量，mm

上述试验方法中，石墨密封垫片的压缩回弹性能试验载荷采用金属缠绕垫片的试验方法是不适合的，因为柔性石墨金属缠绕垫片是金属和石墨交错缠绕的混合体，垫片的硬度明显高于纯石墨密封垫片。石墨密封垫片在70MPa 载荷下的压缩率，实际载荷是作用在加强环上，这种状态下测出的压缩率并不是实际垫片的压缩率，而是作用在加强环上的压缩率，石墨密封垫片的压缩率试验数据表明，在70MPa 载荷下，垫片的压缩率为25%(此时实际载荷是作用在加强环上，再增加载荷，压缩率也不会增加了)。不同载荷条件下石墨密封垫片压缩回弹试验结果如表1 所示。

表1 不同载荷条件下的石墨密封垫片压缩回弹试验结果

石墨填料环的压缩、回弹率试验载荷是35MPa，初载为0.35MPa，从表1 试验结果分析可看出，如果采用柔性石墨填料环的压缩回弹试验载荷是比较符合石墨密封垫片产品特点的。石墨密封垫片在70，60，50 和35MPa 载荷下的压缩、回弹性能试验曲线如图2 所示。

图2 石墨密封垫片压缩、回弹性能曲线

石墨密封垫片的应力松弛试验是参照GB/T12621《管法兰垫片 应力松弛试验方法》标准试验方法B 进行，试验台由应变螺栓、试验法兰、定距块及加载螺母等部件构成，温度控制系统由电加热器、热电偶及温控仪组成。垫片规格为:DN80，厚度为4.4mm，垫片载荷为50，35MPa 2 种载荷条件，试验温度为常温，试验时间为4h。垫片的应力松弛率计算式:

式中 F1——垫片在规定载荷下的应力值，MPa

F2——垫片的最终应力值，MPa

常温条件下(23 ±5℃)，不同载荷的石墨密封垫片应力松弛试验结果如表2 所示。

表2 常温条件下不同载荷的石墨密封垫片应力松弛率

高温条件下(350 ±5℃)，不同载荷的石墨密封垫片应力松弛试验结果如表3 所示。

表3 高温条件下不同载荷的石墨密封垫片应力松弛率

目前石墨密封垫片的生产企业进行的应力松弛试验，有的进行常温条件下的应力松弛试验，有的进行常温和高温应力松弛试验。从上述试验结果对比可看出，高温条件下的石墨密封垫片应力松弛率与常温条件下的应力松弛率没有太大变化，在50MPa 载荷下，甚至难以测出应力松弛率的变化，这是因为在此载荷下，已经是金属面的接触了。因而建议石墨密封垫片的应力松弛试验只进行常温条件下的性能试验，试验载荷为35MPa，在此载荷下的试验数值应为作用在石墨垫片上的应力松弛率。

石墨密封垫片的密封性能试验是采用氦气真空检漏法，试验设备为SFJ -211 氦质谱检漏仪。试验介质:氦气(≥99%)，试验介质压力为0.1 MPa，垫片试验载荷分别为:70，50，35MPa，垫片加载系统提供规定的垫片预紧应力。试验过程中垫片载荷的波动小于规定值的1%，并能控制恒定的加载及卸载速度。加载及卸载速度:0.5MPa/s，试验温度:23 ±5℃。试验步骤如下:将密封垫片置于试验机法兰中心位置，根据规定调整试验所需温度，并保持温度恒定。将垫片匀速加载至试验载荷，保持恒定，用氦气质谱仪或真空泵将密封腔抽至真空，进行氦气喷洒，试验时间15min。该方法的试验原理是，密封腔内是真空状态，垫片密封室的外面是氦气，氦分子的直径很小，若有泄露，氦气就进入密封腔内部，氦气质谱仪就会捕捉到氦分子，从而测定出泄露率。试验结束后记录氦质谱仪显示的泄露率数据Pa·m3/s，核电密封要求垫片的密封性能满足最大允许的泄漏率不超过10-6Pa·m3/s(氦气)。不同载荷条件下石墨密封垫片密封试验结果如表4 所示。

表4 不同载荷条件下垫片密封泄露率

石墨密封垫片的密封性能试验采用氦质谱检漏仪是可行的，氦质谱检漏仪有专业的生产企业，检测泄露率的精度远远高于GB/T12385 标准用氮气作介质的测试结果。

在上述的测试方法中，石墨密封垫片的载荷参照金属缠绕垫片的试验方法，选择为70 ±5MPa，根据石墨密封垫片产品的结构特点和性能试验分析，选择该载荷条件是不适合的，在此载荷条件下，实际支撑载荷作用的是垫片的内外加强环，而不是接触密封面的石墨层。通过不同载荷下的密封性能试验数据以及参照GB/T12621《管法兰垫片应力松弛试验方法》标准中不同垫片载荷应力的规定，垫片的试验载荷选择50 ±2MPa是合适的。

4 测试标准可靠性的分析

上述试验方法中涉及到密封垫片的测试方法标准有:GB/T12622《管法兰垫片压缩率及回弹率试验方法》，GB/T12621《管法兰垫片应力松弛试验方法》，GB/T12385《管法兰用垫片密封性能试验方法》等3 个标准。在石墨密封垫片的压缩、回弹性能试验，应力松弛率性能试验的测试方法中，除了试验载荷与金属缠绕垫片不同外，其他的试验条件和试验步骤均未改变，且密封垫片试验数据的离散性较小，因而测试标准的可靠性较高。而石墨密封垫片与金属缠绕垫片的密封性能试验方法却有本质的不同，石墨密封垫片不能采用与金属缠绕垫片相同的密封性能试验方法的主要原因是因为核电系统对密封件的安全性要求高，石墨密封垫片的泄露率要求小于1.0 ×10 -6 Pa·m3/s(氦气)，而氦气质谱法可检测的最小漏率为＜1.0 ×10-12 Pa·m3/s，氦质谱真空检漏方法是一项成熟的检漏方法，使用领域涉及到航空航天、原子能、核电、制冷工业、汽车工业等各工业部门。而通常金属缠绕垫片密封性能要求的允许泄露率是，在介质为99.9%氮气条件下，一级密封允许泄露率是≤1.2 ×10-5Pa·m3/s，二级密封允许泄露率为≤1.0 ×10-4 Pa·m3/s。由于在介质为氮气的工况条件下所采用的是状态方程法进行测漏，它是在垫片外侧、上下法兰面间设置一个密闭的环形测漏宫腔。测漏宫腔的初始容积Vc及容积变化修正系数K 应经严格标定。通过微差压计测定环形宫腔中的压力变化计算出密封泄露率。测漏系统分辨率应不低于10-6 cm3，系统误差应不大于0.5%。从上述金属缠绕垫片采用的状态方程法可看出，此种方法不能满足核电密封垫片最小测漏率的测试要求。一般来说，高压氮气检漏适用于大漏及强度检测，氦气真空检漏适用于微漏检测。

5 结语

石墨密封垫片是一种新型结构的密封垫片，全国生产该产品的企业有10 家左右，目前还没有该产品的测试方法标准和产品标准，因使用在核电设备中，涉及密封可靠性和安全因素，因而制订该产品的测试方法标准和产品技术条件标准是当务之急。

石墨密封垫片的压缩、回弹性能，应力松弛性能的试验载荷为35MPa，密封性能试验载荷选择50MPa 是适宜的。