1． 前言
目前，我国建造的压水堆核电站中，核岛排放的含氢废气一般由氢气、氮气和裂变气体组成。这些含氢的放射性废气进入废气处理系统后采用压缩、贮存衰变的方法来降低废气的放射性浓度。废气处理系统不直接承担核安全功能，但由于含氢废气中不仅含有放射性，而且还存在爆炸和引起火灾的危险，因此在系统和设备设计时需要考虑防止气体向环境泄漏。在含氢废气的处理环节中，衰变箱作为重要的工艺设备，为含氢废气提供了一定运行压力下的贮存衰变场所。由于含氢废气处理系统的特殊性，其对系统及设备的泄漏率要求一般比较严格，在0.05MPa(表压)下，整个系统的泄漏率为2.63×10-5cm3(STP)/S(氦气)，单台衰变箱的泄漏率为6.58×10-8cm3(STP)/S(氦气)。衰变箱为防止空气渗入形成爆炸性混合气体还需要在运行时保持一定的运行正压力，因此对于泄漏的控制难度较大，需要从设备的密封设计上就作为重要的考虑因素加以控制。
2． 法兰螺栓结构的泄漏率分析
衰变箱的整体结构为立式承压容器，主要由上下部封头、筒体、裙座、人孔、锚固件及工艺管嘴等部件组成。由于设备主体是密闭式焊接结构，因此其泄漏率控制的主要风险点在于人孔法兰结构，如图1所示。人孔结构主要为螺栓法兰系统，如何根据工艺要求设计适合的密封垫片，是控制泄漏率的关键因素。垫片的设计不仅要满足密封性的要求，也和法兰结构的设计及结构安全相关。此外，螺栓的预紧力需能够保证垫片本身被压实，并将法兰与垫片接触面上的微观不平整填满，形成初始密封。但预紧力过大则可能造成垫片被压溃或挤出，从而使密封失效。在以往的设计中，衰变箱一般采用氟橡胶材料的垫片。由于橡胶材质的垫片泄漏率指标一般控制范围在≦5.0×10-4cm3(STP)/s，且螺栓拧紧力矩一般较低，很难达到系统要求的泄漏率标准，在实际运行中也出现了氦检漏无法达到标准要求的情况。因此，根据运行电站的试验情况反馈，拟采用带有内环和定位环的柔性石墨金属缠绕垫片替代氟橡胶垫片的方案进行设计。柔性石墨金属缠绕垫片除了具有耐腐蚀、耐辐射等特性，还具有良好的压缩回弹性能和抗蠕变性能，且泄漏率可以控制在≦10-7 Pa·cm3/s范围内，优于氟橡胶垫片。此外，带有外定位环时垫片更易于对中安装，并可以控制最大压紧度，具有一定的自紧功能；而内环可以起到固定和加强的作用，防止石墨被压散。
图1 人孔法兰结构示意图
3． 垫片选型及密封结构校核
衰变箱采用RCC-M 3级设计规范，设计压力为0.7MPa（负压0.1 MPa），设计温度为50 ℃，法兰结构采用了突面（RF）对焊法兰，法兰结构可参照GB/T 9124.1中PN25的法兰尺寸及公差要求，主要尺寸见表1。
表1 法兰主要尺寸
柔性石墨金属缠绕垫片材料的主要性能可参照标准NB/T 20365【1】。此外，柔性石墨应具有一定的抗辐照能力，辐照前后的机械性能变化不应大于10%；垫片的金属钢带、内环和定位环的材料采用022Cr17Ni12Mo2。根据法兰的结构尺寸，考虑垫片方便对中及满足螺栓孔中心圆直径内侧法兰密封面上的密封要求，法兰初步设计垫片的结构尺寸如图2所示。
图2 垫片结构尺寸
由于法兰垫片选用柔性石墨金属缠绕垫片，因此为了保证要求的密封性，法兰螺栓的预紧力会高于氟橡胶垫片，需要对法兰结构进行强度和刚度的校核。法兰结构的强度可以按照RCC-M附录ZV【2】荐的方法进行计算和评定。由于设备温度变化不大，且法兰无外载荷，因此法兰计算时主要考虑密封垫片的压紧力以及设计、运行和试验压力。
在垫片参数没有实际数据的情况下，可根据标准GB/T 150【3】中的常用垫片特性参数的经验值，初步选择垫片的主要参数：垫片系数m为3，比压力y为69 MPa。根据GB/T 150中的计算方法可得到垫片的平均直径Dj为556.62 mm，垫片宽度b为6.69 mm。法兰结构计算主要依据RCC-M附录ZV的方法。根据计算发现，法兰盘与法兰颈接头处的径向应力在运行和试验工况时过大。此时，可通过改变垫片参数进行调整，经过核算，当选取垫片系数m为3，比压力y为24 MPa时，法兰结构的强度校核可以通过，相关计算结果见表2。
表2 法兰计算结果
通过修正垫片参数后的计算结果可知，当限制垫片的比压力y值不大于24 MPa后，法兰结构强度才能满足规范设计的要求。除了选取特定参数的垫片之外，还可以通过修改法兰的结构尺寸、螺栓规格等方式来满足标准计算的要求。此外，上述计算方法并没有说明法兰刚度能够满足密封性要求，如果法兰盘的转角过大，法兰环就会出现分离趋势，从而改变垫片的有效密封宽度，最终可能造成密封失效。根据KTA3201.2【4】中提供的方法可以得到法兰盘的转角为0.110°。由此并根据几何关系可以计算出法兰盘的分离量为0.026 mm。根据一些常用垫片的有效回弹量的数据，法兰盘分离量在小于0.2 mm时是可以接受的。
4． 密封性要求的氦检漏试验
衰变箱人孔法兰结构的垫片经过优化设计后还需要通过氦检漏试验来检验密封性能。按照设备的泄漏率要求，需要采用正压法进行试验，但由于设备的容积较大，且正压法的检测灵敏度偏低，一般检测漏率大于10-7 Pa m3/s，因此目前普遍采用的是真空喷氦的检测方法。通过国内某检验单位的实际检验，得到法兰密封面氦检漏试验的主要检测结果见表3。
表3 法兰密封面氦检漏结果
5． 结束语
通过对于衰变箱人孔法兰结构的设计及密封垫片的选型优化、校核计算、氦检漏试验，可以得到下述研究结论：
（1）通过采用柔性石墨金属缠绕垫片替代传统的非金属橡胶垫片可以有效提高设备法兰结构的密封性，提高系统的有效安全性，有利于核电站的运行和管理。
（2）采用金属缠绕垫片需要更大的法兰螺栓预紧力，为了满足RCC-M规范对法兰结构强度的设计要求，需要对金属缠绕垫片的的密封系数m和比压力y进行规定，并选择适合的拧紧力矩。对于法兰刚度的要求，如果在设计阶段无法获得实际的垫片性能参数，可以通过计算法兰与垫片的分离量，并限制分离量的大小从而保证刚度满足密封要求。
参考文献：
[1] NB/T 20365-2015 核电厂用石墨密封垫片技术条件[S].
[2] 法国核岛设备设计建造规则协会. Design and construction rules for mechanical components of PWR nuclear islands RCC-M[S]. 巴黎：法国标准化协会 2007 附录ZV.
[3] GB/T 150-2011 压力容器[S].
[4] 核安全标准协会. Components of the reactor coolant pressure boundary of light water reactors, Part 2: Design and Analysis. KTA 3201.2[S]. 德国：KTA 2007 106-107.
作者简介：王鹏（1983-），男，北京人，高级工程师，主要从事核电工艺及非标设备设计。
