核電站石墨密封墊片的試驗研究

1、核電站石墨密封墊片的試驗研究HydraulicsPneumatics&Seals/No.11.2010核電站石墨密封墊片的試驗研究勵行根勵勇勵潔宋煒蔡仁良z(1.寧波天生密封件有限公司,浙江寧波315302;2.華東理工大學(xué),上海200237)摘要:基于金屬與金屬接觸的密封原理,對核電站用石墨密封墊片的基本參數(shù)和主要性能進(jìn)行了試驗研究.研究結(jié)果表明,石墨環(huán)的密度,容積,壓縮厚度等是影響墊片壓縮回彈率,應(yīng)力松弛率和泄漏率的重要因素,并獲得了它們之間的相互關(guān)系和內(nèi)在規(guī)律.關(guān)鍵詞:墊片;密封;核電;法蘭接頭;柔性石墨中圖分類號:TB42文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B文章編號:10080813(201

2、0)11-O02904ExperimentResearchofGraphiteSeahngGasketsforNuclearPowerPlantLIXing-genLIYongLIJieSONGWeiCA,Ren-liang(I.NinboTianshengSealingPackingCo.,Ltd.Ningbo315302;2.EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237)Abstracts:BaseduponthesealingmechanismofMMC,basicparametersandmainbehaviorsfo

3、rgraphitesealinggasketshasexperimentallyresearched.Theresultsshowthatdensityandvolumeofgraphite,compressthicknessareimportantfactors,whicheffectscompressibility,recovery,relaxationandsealabilityofgasket,aswellasobtaintherelationsbetweenthesefactorsandtheirlaws.KeyWords:gasket;sealing;nuclearpower;fl

4、exiblegraphite;flangejointO引言近30年來,由于超高真空,高溫和高壓過程工業(yè)以及核電,宇航等技術(shù)密集行業(yè)的發(fā)展,推動了對高性能,高技術(shù)密封件的需求.對于螺栓法蘭連接的墊片密封有兩種不同的密封原理:一種是金屬與金屬不接觸或浮動型的螺栓法蘭墊片密封;另一種是金屬和金屬接觸型(MetaltoMetalContactType,MMC)的螺栓法蘭墊片密封.螺栓法蘭接頭必須達(dá)到兩個功能:一是保證機(jī)械完整性:二是保持密封性.20世紀(jì)70年代之前,機(jī)械完整性是設(shè)計能解決的主要問題,現(xiàn)有多數(shù)設(shè)計規(guī)范或計算標(biāo)準(zhǔn)都建立在這一基礎(chǔ)上_】1121.自20世紀(jì)70年代始,這一基礎(chǔ)發(fā)生了變化,金屬

5、與金屬接觸型螺栓法蘭接頭的優(yōu)點逐漸凸現(xiàn),解決了金屬與金屬非接觸型法蘭墊片密封應(yīng)用的許多限制.石墨密封墊片正是順應(yīng)這一發(fā)展趨勢和滿足需求脫穎而出的新型密封元件.1金屬與金屬接觸型法蘭墊片密封的基本原理和結(jié)構(gòu)特征從設(shè)計和運(yùn)行來看,金屬與金屬非接觸的螺栓法收稿日期:20100910作者簡介:勵行根(1962一),男,寧波天生密封件有限公司總經(jīng)理,中國流體工程學(xué)會常務(wù)理事.全國填料與靜密封件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會副主任委員,全國管路標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會委員,全國機(jī)械密封與填料靜密封專業(yè)分會副會長等.蘭接頭,在預(yù)緊狀態(tài)下螺栓載荷等同于墊片反作用力.而在整個運(yùn)行周期內(nèi),初始的墊片反作用力被各種來自內(nèi)部或(和)外部的

6、載荷改變.這些載荷包括自重,壓力,真空,外彎矩,溫度的突然變化等.墊片對這些載荷變動的調(diào)節(jié)結(jié)果,勢必使其反作用力或增加或減少,最終將帶來加大蠕變松弛或增加接頭泄漏的風(fēng)險.在金屬與金屬接觸的螺栓法蘭接頭中,在法蘭的密封面結(jié)構(gòu)上,采用凹槽形式或設(shè)置定距塊(或限制環(huán)).同金屬與金屬非接觸的螺栓法蘭連接密封原理相反,當(dāng)發(fā)生金屬與金屬接觸(包括金屬法蘭直接接觸或金屬法蘭與金屬限制環(huán)接觸)時,只有部分螺栓載荷作用在墊片上,追加的螺栓載荷在與法蘭金屬接觸處傳遞,該螺栓載荷用以抵消運(yùn)行時各種內(nèi)部或(和)外部因素對墊片反作用力的影響,從而避免法蘭之間失去金屬接觸31.因此,這種密封結(jié)構(gòu)有以下特點:法蘭金屬接觸限

7、制了法蘭的變形,整個連接的剛度增大,降低了法蘭連接對外彎矩,溫度,壓力驟變或波動等引起的變形敏感性;墊片反作用力不隨外載荷變化而發(fā)生改變,提高了法蘭連接對密封的穩(wěn)定性;裝配后的墊片具有確定的厚度(裝配時,必須達(dá)到金屬法蘭與法蘭或限制環(huán)接觸),且墊片重復(fù)性好,性能穩(wěn)定.2石墨密封墊片的結(jié)構(gòu)型式和密封特點由于核電發(fā)展的需要.基于金屬與金屬接觸型密封原理的墊片已經(jīng)逐步開發(fā)并進(jìn)入應(yīng)用.迄今,金屬與金屬接觸型法蘭密封墊片有兩種基本類型:O形環(huán)(金液壓氣動與密封/2010年第l1期屬O形環(huán)和金屬C形環(huán)等)或平墊片(纏繞式墊片和石墨密封墊片等)兩種型式.石墨密封墊片的結(jié)構(gòu)型式如圖1所示.一對法蘭的兩個密封面

8、都為突面或平面,置于密封面之間的墊片由柔性石墨環(huán)和金屬內(nèi)外環(huán)組合而成.由于柔性石墨材料具有優(yōu)異的柔軟性,耐熱性,耐燃性,耐化學(xué)性和抗輻照性,內(nèi)外環(huán)起了支持和限制環(huán)作用.裝配時,墊片放在兩法蘭密封面之間,預(yù)緊螺栓直至金屬法蘭與金屬限制環(huán)接觸.運(yùn)行時,追加的螺栓預(yù)緊載荷(超過金屬接觸的載荷),用以補(bǔ)償內(nèi)壓和其他機(jī)械載荷,熱循環(huán),機(jī)械振動等對墊片應(yīng)力減少的影響.通過精確設(shè)計的石墨密封墊片可以獲得比纏繞式墊片更好的機(jī)械性能和密封性能,且具有較低的預(yù)緊螺栓載荷,更好的對載荷波動的適應(yīng)性,以及性能的重復(fù)性.因此,這種墊片尤其適用于存在熱循環(huán)的石化煉油裝置,火力發(fā)電廠.特別是核電站的高壓蒸汽一水回路的密封場

9、合.圖1石墨密封墊片結(jié)構(gòu)不惹圖3石墨密封墊片的試驗研究(11試件和試驗設(shè)備.試驗墊片的內(nèi)外環(huán)和石墨環(huán)的徑向尺寸不改變,通過改變限制環(huán)和墊片厚度,以及石墨密度,研究石墨環(huán)裝配密度,容積,壓縮厚度與墊片壓縮回彈和密封性的關(guān)系.試驗在墊片綜合性能試驗機(jī)上進(jìn)行,主要設(shè)備和儀器規(guī)格:液壓機(jī)(YJN一100);位移傳感器NSWY02205(精度:0.05%)】;載荷傳感器BLRl拉壓傳感器(靈敏度:1mv/v)1;氦質(zhì)譜檢漏儀SFJ一211(最小可檢漏率:5x10Zpa?m3/s)1等.(2)試驗項目和條件.對試驗墊片進(jìn)行壓縮回彈率,應(yīng)力松弛率和泄漏率試驗,各個試驗的試驗條件為:1)壓縮回彈試驗試驗溫度:

10、室溫;加載和卸載速度:0.5MPa/s.2)應(yīng)力松弛試驗試驗溫度:室溫;加載速度:0.5MPa/s;控制方式:恒定變形:松弛時間:2h.(3)密封試驗.試驗溫度:室溫;試驗介質(zhì):He(99%);試驗壓力:p=lbar;加載和卸載速度:0.5MPgs;測漏儀器和方法:氦質(zhì)譜測漏儀和噴吹法.4試驗結(jié)果和討論(1)墊片的變形性能.墊片的壓縮應(yīng)力和變形的試驗結(jié)果示于圖2,圖3和圖4.圖2是墊片應(yīng)力和變形曲線的示例.由圖2可見.隨著石墨環(huán)軸向壓縮變形的進(jìn)行,其徑向膨脹受到內(nèi)外限制環(huán)的約束,墊片表面載荷很快遞升.在50MPa應(yīng)力的門檻值處,試驗墊片發(fā)生MMC,進(jìn)一步增加的壓縮載荷大部作用在金屬限制環(huán)上.在

11、未卸載到該門檻值以下,墊片應(yīng)力保持不變.因此,增加的壓縮載荷承擔(dān)起調(diào)節(jié)溫度或(和)壓力波動對墊片應(yīng)力變動的作用.密封性能試驗表明:該門檻值的墊片泄漏率在10Pa?m3/s以下;當(dāng)壓縮載荷卸除后,墊片的回彈量為0.5mm,故石墨密封墊片具有很好的密封性和回彈性.如圖3所示,墊片的變形性能取決于石墨的裝配密度,容積,壓縮厚度.隨著石墨裝配密度的增加,對于同樣的MMC壓縮量,墊片應(yīng)力趨于增加;由于石墨的壓實密度在1.90左右,進(jìn)一步增加石墨裝配密度,對回彈率的影響不明顯.且過高的MM墊片應(yīng)力,對法蘭和螺栓強(qiáng)度產(chǎn)生不利的影響.從圖4可見,對同樣石墨裝配密度,隨著石墨環(huán)容積的增加,由于石墨環(huán)彈性貯能的增

12、加,墊片回彈率有所增加.所以,對較高壓力或較大尺寸墊片,可采用較厚的墊片.此外.試驗表明對于同樣的石墨密度和容積,增加壓縮量,MM墊片應(yīng)力相應(yīng)增大,回彈率也有所增加.0025050075100l25I501752O0240孌)F/mm圖2石墨密封墊片壓縮回彈曲線圖3石墨裝配密度與墊片應(yīng)力和回彈率的關(guān)系(d4>d3>d2>dl1蘭!達(dá)為41QocG式中G液導(dǎo),其倒數(shù)代表了流體泄漏的阻力.表征氣體以上述三種方式流經(jīng)的有效泄漏通道大小和形狀的幾何參數(shù).幾何參數(shù)是不確定的,取決于墊片載荷的大小,即與MMC墊片應(yīng)力(一)有關(guān):G.cexp(一O-GMMC,OCM

13、MC應(yīng)力越高,流阻1/G越大,泄漏率0越低,故在規(guī)定泄漏率L】下的()唧是石墨密封墊片重要性能參數(shù).由本文的試驗和分析可知.石墨密封墊片的(.)u與墊片幾何結(jié)構(gòu)與石墨物理性能有關(guān).因此,對于不同尺寸和壓力級別的墊片,需要通過對石墨裝配密度,容積,壓縮厚度等工藝參數(shù)進(jìn)行廣泛試驗和優(yōu)化篩選,最終給出石墨密封墊片的重要性能參數(shù)之一(.MMc)叫.同時,由本試驗可知,通過試驗還可獲得操作工況下最小墊片應(yīng)力(|m)lu,它又是石墨密封墊片另一重要性能參數(shù).例如按圖5所示試驗墊片(d2),當(dāng)規(guī)定泄漏率為1×10Pa?In/s時,其(OrGMI)u=50MPa,nP而(orG)tla=3OMPa.

14、4結(jié)論(1)石墨密封墊片具有優(yōu)良的機(jī)械性能和密封性能:回彈性好(>26%),應(yīng)力松弛很少(<0.5%),泄漏率很低(<10Pa?m3/s),故尤適合核電站高壓,高溫或(和)熱循環(huán)工況,以及對密封安全性要求高的重要應(yīng)用場合.(2)MMC墊片應(yīng)力與墊片石墨部分的石墨密度,容積和壓縮厚度等幾何參數(shù)和物理性能有關(guān).在同樣的石墨容積和壓縮厚度下,隨著石墨密度的升高,MMC墊片應(yīng)力相應(yīng)提高,回彈率也有所增加,泄漏率減小.在同樣的石墨密度和壓縮厚度下,石墨容積較大的墊片具有較高的回彈量.對較高壓力或較大尺寸墊片.宜采用較厚的墊片.(3)(一)附和()叫是石墨密封墊片

15、的重要性能參數(shù),決定了石墨密封墊片的密封性能.因此,根據(jù)法蘭的尺寸和壓力等級,運(yùn)行溫度和波動狀況,以及允許泄漏率大小,需要對墊片幾何結(jié)構(gòu)和石墨物理性能進(jìn)行合理的調(diào)節(jié),以達(dá)到最佳的性能.參考文獻(xiàn)1GB1501998.鋼制壓力容器21ASMEBoilerandPressureVesselCode.Section一1.2007【3】M.SchaafJ.Bartonicek.CalculationofBoltedFlangeConne-ctions.Transactionsofthe17thConferenceonSMiRT,一石器戡面(1o×4.4)圖4石墨環(huán)容積與回彈率關(guān)系(d3&

16、;gt;d2)(2)墊片的應(yīng)力松弛性能.墊片應(yīng)力松弛的室溫試驗結(jié)果見表1.由表l可見,對于給定石墨裝配密度和初始墊片應(yīng)力,其松弛后的墊片應(yīng)力與初始墊片應(yīng)力相差很小,應(yīng)力松弛率小于0.45%,這是因為柔性石墨本身具有很好的抗應(yīng)力松弛性能,且石墨純度(含碳量)越高,高溫抗松弛性能越好表1墊片應(yīng)力松弛試驗結(jié)果(3)墊片的密封性能.墊片的密封性能試驗結(jié)果示于圖5.由圖5可見,壓縮到裝配墊片應(yīng)力的墊片泄漏率都在10Pa?m3/s的數(shù)量級:其后進(jìn)行逐級卸載,即使卸載到20MPa的墊片應(yīng)力時,泄漏率仍保持2xlOPa?m3/s.因此,該墊片具有優(yōu)異的密封性能.墊片密封性能與石墨裝配密度直接相關(guān).如圖7所示,

17、隨著石墨裝配密度的增加,由于石墨環(huán)的MMC墊片應(yīng)力的增加,泄漏率呈下降趨勢.31加如加m5O(心斟戢日777777778O000OOO0O一一一一一一一一一EEEEEEEEE666l66443322l0液壓氣動與密封/20l0年第11期數(shù)控機(jī)床中氣動系統(tǒng)的故障診斷與維修石金艷范芳洪羅友蘭(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南株洲412001)摘要:論文闡述了氣動系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用以及氣動系統(tǒng)的維護(hù)與保養(yǎng),并針對HT6350臥式加工中心氣動系統(tǒng)的幾例故障進(jìn)行了診斷與維修.關(guān)鍵詞:數(shù)控機(jī)床;氣動系統(tǒng);故障診斷;維修中圖分類號:TH138.9文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:10080813(2010)11-003

18、203FailureDiagnosisandMaintenanceofPneumaticSystemintheNCMachineSHIJin-yanFANFanghongLUOYou-Ion(HunanRailwayProfessionalTechnologyCollege,Zhuzhou412001,China)Abstract:Thepaperdeseribstheapplicationofpneumaticsysteminnumericalcontrolmachinetoolsandthemaintenanceofpneumaticsystem.AimingatHT6350horizon

19、talmachiningcenter,afeweasesofpneumaticsystemfailurearediagnosedandmaintained.KeyWords:NCmachine;pneumaticsystem;failurediagnosis;maintenanceO引言由于氣動裝置的氣源容易獲得,且結(jié)構(gòu)簡單,工作介質(zhì)不污染環(huán)境,工作速度快,動作頻率高,因此在數(shù)控機(jī)床上也得到廣泛應(yīng)用,通常用來完成頻繁起動的輔助工作.如機(jī)床防護(hù)門的自動開關(guān).主軸錐孔的吹氣.自動吹屑清理定位基準(zhǔn)面等.部分小型加工中心依靠氣液轉(zhuǎn)換裝置實現(xiàn)機(jī)械手的動作和主軸松刀.在氣動系統(tǒng)中,由于客觀上氣動元器件,輔

20、件質(zhì)量不穩(wěn)定和主觀上使用,維護(hù)不當(dāng),且系統(tǒng)中各元器件和工作介質(zhì)都是在封閉管路內(nèi)工作,不像機(jī)械設(shè)備那樣直觀,也不像電氣設(shè)備那樣可利用各種檢測儀器方便地測量各種參數(shù),僅靠有限的幾個壓力表,流量計等來指示系統(tǒng)某些部位的工作參數(shù).其他參數(shù)難以測量,而且一般故障根源有許多種可能,這都給氣動系統(tǒng)故障診斷帶來一定困難.各種氣動元器件在機(jī)床工作過程中的狀態(tài)直接影響著機(jī)床的工作狀態(tài).l氣動系統(tǒng)維護(hù)的要點(1)保證供給潔凈的壓縮空氣.壓縮空氣中通常都含有水分,油分和粉塵等雜質(zhì).水分會使管道,閥和氣收稿日期:20100302作者簡介:石金艷(1983一),女,湖南邵陽人,碩士,現(xiàn)任教于湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系.缸腐蝕;油分會使橡膠,塑料和密封材料變質(zhì);粉塵造成閥體動作失靈.選用合適的過濾器,可以清除壓縮空氣中的雜質(zhì),使用過濾器時應(yīng)及時排除積存的液體,